化工原理课程设计---板式精馏塔设计

1、化工原理课程设计 板式精馏塔设计 板式精馏塔设计 化工原理课程设计 筛板式精馏塔设计 筛板式精馏塔设计 第一部分：化工原理课程设计任务书 第二部分：设计方法 第三部分：化工塔器CAD设计软件介绍 第四部分：设计示例 2011-6-28 第一部分： 第一部分：化工原理课程设计任务书 设计题目： 甲苯混合液筛板(浮阀 一. 设计题目：苯甲苯混合液筛板 浮阀 精馏塔设计 甲苯混合液筛板 浮阀精馏塔设计 二. 原始数据 年处理量：25000 料液初温：35 料液浓度：40% 45% 50% 55% 60%（苯质量分率） 塔顶产品浓度：98% 98.5%（苯质量分率） 30000 35000 40000

2、 45000 50000吨 塔底釜液含甲苯量不低于 98%(以质量计 每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修） 精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压） 冷却水温度：30 饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压 设备型式：筛板(浮阀塔 厂址： 三. 设计任务 完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和 选用，绘制带控制点工艺流程图，塔板结构简图，编制设计说明书。 四. 设计内容 1. 工艺设计 （1）选择工艺流程和工艺条件 a加料方式 b. 加料状态 c. 塔顶蒸汽冷凝方式 d. 塔釜加热方式 e. 塔顶塔底产品的出料状态 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。 （2）精馏工艺

3、计算： a. 物料衡算确定各物料流量和组成。 b.经济核算确定适宜的回流比 根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原则，尽量使用 计算机进行最优化计算，确定适宜回流比。 c. 精馏塔实际塔板数 用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计算得到全塔理 论塔板数以及精馏段和提馏段各自的理论塔板数。 然后根据全塔效率ET，求得全塔、精馏段、提馏段的实际塔 板数，确定加料板位置。 2. 精馏塔设备设计 (1选择塔型和板型 采用板式塔，板型为筛板(浮阀塔。 (2塔板结构设计和流体力学计算 (3绘制塔板负荷性能图 画出精馏段或提馏段某块的负荷性能图。 (4有关具体机械结构和塔体附件的选定 *接管规格： 根

4、据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道。 *全塔高度： 包括上、下封头，裙座高度。 3. 附属设备设计和选用 (1加料泵选型，加料管规格选型 加料泵以每天工作3小时计（每班打1小时）。 大致估计一下加料管路上的管件和阀门。 (2高位槽、贮槽容量和位置 高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积。 贮槽容积按加满一次可生产10天计算确定。 (3换热器选型 对原料预热器，塔底再沸器，塔顶产品冷却器等进行选型。 (4塔顶冷凝器设计选型 根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶 冷凝器进 行选型设计。 4.编写设计说明书 设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主 要技术数据，对有

5、关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的 论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所选用 的物性数据和使用的经验公式图表应注明来历。 设计说明书应附有带控制点工艺流程图，塔板结构简图和计算 机程序框图和原程序。 5.注意事项: 注意事项: 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源; 每项设计结束后,列出计算结果明细表; 设计说明书要求字迹工整,装订成册上交。 第二部分： 第二部分：筛板式精馏塔设计方法 一. 工艺计算 二. 设备计算 三. 辅助设备计算 四. 塔体结构 五. 带控制点工艺流程图 一工艺计算 主要内容是(1物料衡算 (2确定回流比 (3确定理论板数 和实际板数 (4塔的气

6、液负荷计算 (5热量衡算 塔设备的生产能力一般以千克/小时或吨/年表示，但在理论 板计算时均须转换成kmol/h,在塔板设计时，气液流量又须用体 积流量m3/s表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。 1.全塔物料衡算： 全塔物料衡算 F=D+W FxF=DxD+WxW = DxD/FxF 塔顶产品易挥发组分回收率为： 式中:F、D、W分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液的摩尔流 : 量(kmol/h, xF、xD、xW分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液组 成的摩尔分率 2. 确 定 最 小 回 流 比 R = (1 . 1 2 R min ,确 定 回 流 比 一般是先求出最小回流比，然后

7、根据 x 1 + ( 1 R m in 是根据汽液相平衡方程 y = q xF q 线方程 y = x q 1 q 1 联 立 求 得 交 点 xq yq ， 然 后 代 入 方 程 R m in = x D yq yq xq 其 中利 用 t x y 关系，并借助 二次样 条插入 的方法 ，求 得 x y 塔 顶 塔 底 的 温 度 ， 进 而 求 取 全 塔 的 平 均 温 度 ， 从 而可 以 根 据 全 塔平均温度求取全塔平均相对挥发度。 R m in 最 小 回 流 比 式 中 ： R -回 流 全塔平均相对挥发度 3.理 3. 理 论 板 数 和 实 际 板 数 的 确 定 （1）

8、逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。 L D 精馏段操作线方程： yn +1 = xn + xD L+D L+D 提馏段操作线方程： y n +1 L + qF W = xn Xw L + qF W L + qF W xn1 yn (利用操作线方程 y n x n (利用相平衡关系 2011-6-28 （2）塔顶冷凝器的类型 (i当塔顶为全凝器时 当塔顶为全凝器时, 当塔顶为全凝器时 y1 = X d 则自第一块塔板下降的液相组成 X1 与 Y1 成 相平衡，故可应用相平衡方程由 Y1 计算出 X1， 自第二块塔板上升蒸汽组成 Y2 与 X1 满足操作线 方程，由操作线方程以

9、X1 计算得出 Y2. (ii当塔顶为分凝器 时, , X0 = Xd K 先求出分凝器内与 Xd 成相平衡的 X0,再由 操作线方程以 X0 计算得出 Y1，然后由相平衡方 程由 Y1 计算出 X1，如此交替地使用操作线方程 和相平衡关系逐板往下计算，直到规定的塔底组成为止，得到理论板 数和加料位置。 2011-6-28 （3）加料板位置的确定 求出精馏段操作线和提馏段操作线的交点 xq 、 yq ，并以 xq 为分 界线，当交替使用操作线方程和相平衡关系逐板往下计算到 x n < x q 且 x n 1 > x q 时，就以第 n 块板为进料板。 （4）实际板数的确定 板效率：

10、利用奥康奈尔的经验公式 E T = 0 .4 9 ( µ µ L 塔顶与塔底的平均温度下的液相粘度, mpa s 对于多组分的液相粘度： 其中： 塔顶与塔底的平均温度下的相对挥发度 L 0 .2 4 5 µ L i 液态组分 i 的粘度, mpa s x i 液相中组分 i 的摩尔分率 N理 实际理论板数 N = 实 ET 2011-6-28 µL = xi µ Li 4、塔的气液负荷计算 (1、精馏段气液负荷计算 V = ( R +1 D L = RD VMVm VS = 3600Vm V塔内气体摩尔流量 Vs塔内气体体积流量 3 LMLm

11、LS = 3600 Lm kmol/h m s kg m MVm 、 MLm分别为精馏段气相平均分子量、液相平均分子量 Vm、 Lm 分别为精馏段气相平均密度、液相平均密度 (2、提馏段气液负荷计算(同上 2011-6-28 5、热量衡算 总热量衡算 QV + QW + Q L = Q B + Q F + Q R 式中： Q 、QW 、QL 、QB 、QF 、QR 分别是塔顶蒸汽带出的热 V 量、塔底产品带出的热量、塔设备的热损失、塔釜加热量、进料带入 的热量、回流带入热量、 其中：塔设备的热损失 Q L 再沸器热负荷 冷凝器热负荷 QB = 11(QV + QW QR QF . Q C =

12、QV Q D Q R = 0 .1Q B QC 、 Q D 分别为塔顶冷凝器带走热量、塔顶产品带走热量 2011-6-28 二设备计算 二 塔和塔板主要工艺尺寸的设计 它包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流型式的确定，板上 清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计 算，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力校核和负荷性能图。 1、板间距 H T 的初估 板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关系。板距取大些，塔 可允许气流以较高的速度通过，对完成一定生产任务，塔径可较小； 反之，所需塔径就要增大些。板间距取得大，还对塔板效率、操作弹 性及安装检修有利。但板间距增大以后，会

13、增加塔身总高度，增加金 属耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而又会增加全塔的造价。初选 板间距时可参考下表所列的推荐值。 表 1 板间距与塔径关系 塔 径 D, m 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.8 250 250 350 0.8 0.8 1.6 350 350 450 1.6 1.6 2.0 450 450 600 200 塔 板 间 距 HT mm 200 300 2011-6-28 2、 塔 径 D 的 初 估 与 圆 整 根据流量公式计算塔径，即 D = 4V S u 3 式 中 Vs 塔 内 的 气 相 流 量 ， m s u 空 塔 气 速 ， m /s u = ( 0

14、.6 0.8 u m ax 最 大 空 塔 气 速 ， m/ s umax L V =C V 20 0 .2 umax L 、V 分 别 为 液 相 与 气 相 密 度 ， k g m 3 ( C20 值 可 由 S m i t h 关 联 图 求 取 负荷系数 C = C 20 由上式算出的塔径按部颁发塔盘标准圆整，圆整后的塔径除了必 须满足板间距与塔径的关系外，还须进行空塔气速校核。 2011-6-28 C 20 = exp 4.531 + 1.6562 Z + 5.5496 Z 2 6.4695Z 3 + ( 0.474675 + 0.079 Z 1.39 Z 2 + 1.3212 Z

15、3 ln Lv + ( 0.07291 + 0.088307 Z 0.49123Z 2 + 0.43196 Z 3 × (ln Lv 2 Z = H T hL 2011-6-28 L L 0 .5 Lv = ( V V 3、液流型式的选择 液体在板上的流动型式主要有，U 型流、单流型、双流型和阶梯流 型等，其中常选择的则为单流型和双流型。 （图见附录 1） 表 2、选择液流形式参考表 塔径 流 体 流 量 m 3 /h U 形流型 单流型 双流型 阶梯流型 Mm 600 5 以下 5 25 900 7 以下 7 50 1000 7 以下 45 以 下 1200 9 以下 9 70 1

16、400 9 以下 70 以 下 1500 10 以 下 70 以 下 2000 11 以 下 90 以 下 90 160 3000 11 以 下 110 以 下 110 200 200 300 4000 11 以 下 110 以 下 110 230 230 350 5000 11 以 下 110 以 下 110 250 250 400 6000 11 以 下 110 250 250 450 应用 用于较低 一般应用 高 液 气 比 极高液气极 场合 液气比 和大型塔板 大型塔板 2011-6-28 4、溢流堰（出口堰）的设计 溢流堰（出口堰） (1.堰长 lW : 依据溢流型式及液体负荷决定堰

17、长,单溢流型塔板堰 长 lW 一般取 为(0.6 0.8D ；双溢 流型塔 板，两 侧堰长 取为(0.5 0.7D，其中 D 为塔径 (2.堰上液层高度 OW ： 堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压 强增大，物沫夹带增加。对平直堰，设计时 hOW 一般应大于 0.006 0.006m， 若低于此值应改用齿形堰。 hOW 也不宜超过 0.06 0.07 0.060.07m，否则可改 用双溢流型塔板。 平直堰的 hOW 按下式计算 式中 h hOW 2 .84 Lh = E 1000 lW 2 3 lW 堰长, m; Lh 塔内液体流量， m 3 h E 液流收缩系数，查图求

18、取。一般可取为 1，误差不大 2011-6-28 齿形堰 hOW 不超过齿顶时 hOW = 1 .17 (L S hn lW 5 2 lW 5 5 2 (h 2 hOW 超过齿顶时 LS = 0.735 hOW OW hn h n LS 塔内液体流量, m 3 S hn 齿深, m;可取为 0.015 0.015m 堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系： (3.堰高 hW hW = h L hOW 2011-6-28 5、降液管的设计 （1） 、降液管的宽度 W 与截面积 A f d lW ，查图求取 。 可根据堰长与塔径比值 D 降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降 液

19、管中的停留时间一般等于或大于 35 秒，对低发泡系统可取低值， 对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加长些。 故在求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的 停留时间，即 (A H = f T 液体在降液管中的停留时间，s LS Af 降液管截面积， m3 （2）.降液管底隙高度 hO 为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为 hO = hW (0.006 0.012 , m hO 也不易小于 0.020.025m 0.020.025m，以免引起堵塞，产生液泛。 2011-6-28 2011-6-28 99-6-20 6、塔板设计 (1.塔板布置 i.开孔区面积 i.开孔区

20、面积 Aa 2 2 2 1 x Aa = 2 x r x + r (sin 对于单流型塔板 r D D (Wd + WS ,m r = WC ,m 式中 x = 2 2 1 x sin r 以弧度表示的反三角函数 对于双流型塔板 2 2 2 1 x 2 2 2 1 x Aa = 2 x r x + r sin 2 x1 r x1 + r sin r r Wd + WS ( Wd 为双溢流中间降液管的宽度 式中 x1 = 2 其它符号与单流型塔板公式同 2011-6-28 ii 溢流区 溢流区面积 A f 及 A 分别为降液管和受液盘所占面积. f 分别为降液管和受液盘所占面积. iii 安定区

21、 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区 ， 使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液 指堰与它最近一排孔中心之间的距离， 管。其宽度 WS ( WS 指堰与它最近一排孔中心之间的距离 ，可参考下 列经验值选定： 列经验值选定： 2011-6-28 溢流堰前的安定区 进口堰后的安定区 直径小于 1m 的塔可适当减小。 WS =70100 70 70 100mm WS =50100 50 50 100mm iv 无效区 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的 边缘 之用， 称无效区。 其宽度视需要选定,小塔为 30

22、75 ， 3075mm 大塔可达 50 50 75mm 75 。为防止液体经边缘区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁 设置旁流挡板。 2011-6-28 （2 ） 、筛板的筛孔和开孔率 i 筛孔孔径 d0 孔径 d0 的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质 及加工费等有关。工业上常用 d0=38mm，推荐 46mm。 ii 筛孔厚度 筛孔厚度 一般碳钢=34mm iii 孔心距 t 筛孔在筛板上一般按正三角形排列，常用孔心距 t= (2.55d0,推 荐(34d0。t/ d0 过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响 塔板传质效率。 不锈钢=22.5mm 2011-6-28

23、 开孔率 开孔率 开孔率 是指筛孔总面积 Ao m2与开孔面积 Aa m2之比，即 A0 0.907 = = Aa ( t / d 0 2 一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量 大,板效率低。通常开孔率为 5%15%。 筛孔数 n n= 1158000 Aa t2 t : 孔心距, mm 孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，若布孔数较多可在适当位置 堵孔。 若塔内上下段负荷变化较大时，应根据流体力学验算情况，分段改 变筛孔数以提高全塔的操作稳定性。 2011-6-28 7、塔板的流体力学验算 塔板流体力学验算目的是为了检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的 计算是否合理，塔板

24、能否正常操作。 (1 气体通过塔板的压强降 h p ,m 液柱 气体通过塔板的压强降: h p = hC + hl + h h p 气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m 液柱 hC 气体通过筛板的干板压降，m 液柱 hl 气体通过板上液层的阻力，m 液柱 h 克服液体表面张力的阻力，m 液柱 2011-6-28 i.干板压降 hC u 0 2 V hC = 0.051( C0 L 式中 u0 筛孔气速，m/s L 、V 分别为液、气密度， kg m3 C0 孔流系数， C 0 = 0.8806 0.0677( ( d0 d0 + 0.00732( d0 0.000338( 2 d0 3 .孔

25、径与塔板厚度之比 2011-6-28 ii.板上液层阻力 hl 板上充气液层阻力受堰高、气速及溢流长度等因素的影响，一般 用下面的经验公式计算： hl 式中： = 0 hL = 0 ( hW + hOW hL 板上清液层高度，m 0 反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，无 因次,一般 0 =0.50.6。 0.5 0.5 0.6。 0 与气相动能因子 Fa 有关， 0 = 0 . 652029 F0 0 .185964 Fa = u a V ua = Vs (单流型塔板 AT A f iii.液体表面张力的阻力 4 h = L gd 0 表面张力 : N / M 气体通过塔板的压降（P

26、p=hpgL）应低于设计允许值。 2011-6-28 降液管内液体高度( 淹塔 (2 .降液管内液体高度(液泛 or 淹塔 降液管内液体高度 Hd 代表液体通过一层塔板时所需液位高度，可 用下式表示: 式中 忽略 H d = h L + + h p + hd 进出口堰之间的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以 h p 气体通过一块塔板的压降，m 液柱 hd 液体流出降液管的压降，m 液柱 hd 可按下列经验公式计算： 无入口堰: LS hd = 0.153 LW h0 2 有入口堰： 2011-6-28 LS hd = 0.2 lW h0 2 如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当

27、超过 上一层塔板的堰顶后，产生液体倒流，即发生了液泛，因此，需要足 够的降液管高度，或控制适当阻力以防液泛的发生。实际降液管中液 体和泡沫的总高度大于用上式计算的值。为了防止液泛，应保证降液 管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。因此 HT + hW 式中 Hd 系数。为考虑降液管内液体充气及操作安全两 种因素的 校正系数。对于容易起泡的物系，取 0.30.4 0.30.4；对不易起泡的物系， 取 0.60.7 0.60.7；对于一般物系，取 0.5。 2011-6-28 HT 板间距，m （3）雾沫夹带 雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多 的雾沫夹带将导致塔板效率严

28、重下降。为了保证板式塔能维持正常的 操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过 0.1 0.1kg， 即控制雾沫夹带量 eV <0.1 <0.1kg(液/kg(气。 eV = 5.7 ×10 6 ua ( 3.2 HT 2.5hL 2011-6-28 （4）漏液点气速 uOW ） 当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称 为漏液点气速 uOW，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积 液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。 为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 K: 若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较

29、大。 uOW = 4.4C0 (0.0056 + 0.13hL h L / V uO K= > 1.52.0 uOW 2011-6-28 uo .筛孔气速, uOW .漏液点气速m / s 8. 塔板的负荷性能图 在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了 流体力学验算之后，便可确认所设计的塔板能在任 务规定的气液负荷下正常操作。此时，有必要进一 步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常 操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常 以塔板负荷性能图的形式表示。 2011-6-28 (1雾沫夹带线 Vs ,m3/s (2液泛线 B Vs,max ( 5 液 相 负 荷下限线 P操作点

30、 (3液相上限线 A Vs,min (4漏夜线 O Ls ,m3/s 塔板负荷性能图 2011-6-28 (1 .雾沫夹带线(1 雾 沫 夹 带 线 表 示 雾 沫 夹 带 量 eV =0.1 =0.1kg(液 /kg(气 时 的 V S L S 关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因过多 的雾沫夹带而使板效率严重下降。此线可根据上述流体力学验算 中雾沫夹带泛点率公式作出。 (2.液泛线(2 液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的关系， 塔板的适宜操作区也应在此线之下，否则将可能发生液泛现象， 破坏塔的正常操作。 (3.液相负荷上限线(3 此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码

31、要求。对于 尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在 降液管中的停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层 塔板，造成气相返混，降底塔板效率。 2011-6-28 液体在降液管内的停留时间为： (A = f HT LS = 不 应 小 于 3 5s， 按 5s 计 算 ， 则 ： L S , max = Af HT 5 依 此 式 可 求 得 液 相 负 荷 上 限 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 上 限 线 (3 。 塔 板 的 适 宜 操 作 区 应 在 竖 直 线 (3的 左 方 。 (4.泄 漏 线 (4 由 漏 液 点 气 速 u O W 标 绘 对 应 的 V

32、s L s。 (5.液 相 负 荷 下 限 线 （ 5） 对 于 平 直 堰 ， 一 般 取 堰 上 液 层 高 度 hO W = 0 . 0 0 6 m 作 为 液 相 负 荷 下限条件，低于此限便不能保证板上液流均匀分布，降低气液接触 效果。 平直堰 hO W 按下式计算 h OW 3600 L s , min 2 . 84 = E 1000 lW 2 3 将 已 知 的 lW 及 h O W 的 下 限 值 ( 0 . 0 0 6 m 代 入 上 表 ， 并 取 E = 1 ， 便 可 取 得 LS 的 下 限 值 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 下 限 线 。 塔 板 的 适 宜

33、操 作 区 应 在 竖 直 线 （ 5） 右 侧 。 2011-6-28 在负荷性能图上，由上述线所包围的阴影区域，应是所 设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区。在此区域内， 塔板上的流体力学状况是正常的。 （6）塔的操作弹性 在塔的操作液气比下，操作线 OAB 与界限曲线交点的气 相最大负荷与气相允许最低负荷之比，即： Vs ,max 操作弹性 = Vs ,min Vs Vs ,max 下操作弹性 = 上操作弹性 = Vs ,min Vs 2011-6-28 三浮阀塔的辅助设备 1.配管 1.配管 (1塔顶蒸汽管 dp 常压操作，uv=12-20m/s 4VS dP = uv (2回流管