板式精馏塔的设计

1、 2022-6-26西北师范大学化学化工学院2板式精馏塔的设计原则 总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。n 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。2022-6-26西北师范大学化学化工学院3n 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸

2、汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。n 保证生产安全 生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。2022-6-26西北师范大学化学化工学院4(4)(4)稳定性稳定性:若操作不稳定,就不能保证产品质量的均匀. n控制再沸器中加热蒸气压力的恒定是保证操作稳定的条件之一,但原料液或

3、回流液的流量和温度发生变化时,稳定情况也会受到一定的影响。n为了使进料保持稳定,一般入塔的原料液由高位槽供给,以免受泵的流量波动的影响.n为了保持回流液的稳定,冷凝器常采用冷却水,而不用塔顶蒸气预热原料液.因为塔顶蒸气量如有波动,将影响回流液量及进料温度.从而影响整个塔的操作稳定性。有时也把冷凝器分割为两部分,一部分预热原料液,另一部分用冷却水使蒸气冷凝.这样可以用控制冷却水量来控制冷凝器的操作,同时保证进料温度一定.n 塔釜液体虽然温度很高,但用它来预热原料液,对液-液传热过程其传热系数很小,则所需传热面积必然很大.2022-6-26西北师范大学化学化工学院5 精馏方案的选定n1.操作压力(

4、常压,加压,减压)-设计压力一般指塔顶压力 沸点低沸点低,常压下为气态的物料常压下为气态的物料-加压操作加压操作, 加压可提高操作的平均温度,有利于塔顶蒸气冷凝热的利用或可使用较便宜的冷却剂,减少冷凝,冷却的费用.在相同的塔径下,适当提高操作压力,还可提高塔的处理能力.但P提高,再沸器的T提高,相对挥发度下降. 热敏性和高沸点的物料热敏性和高沸点的物料-减压操作减压操作.nP降低,相对挥发度提高,有利于分离.操作的平均温度降低,加热剂温度降低.但可导致D增加,塔顶蒸气冷凝温度降低,必须使用真空设备.相应的操作费用和设备费用增加. 由于塔板压降,从塔顶到塔底压力逐渐增加,温度也相应的增加(物料组

5、成和压力同时作用的结果).因而沿塔物性和气液负荷也随之变化. 常压和减压塔-如塔板压降不是很大,工艺计算时假定全塔各处压力相等-误差不大. 减压塔-压力分布与塔板的结构形式,气液负荷,气液物性等多种因素有关,很难计算,一般先假设再较核.多次试差. 2022-6-26西北师范大学化学化工学院6n2.进料状态n 原则讲,要使回流在全塔发挥作用,全部冷量应该加在塔顶,全部热量加在塔底.但实际设计时应该考虑设备费和操作费问题及操作平稳等多种因素.n 进料进料-预热到泡点或接近泡点预热到泡点或接近泡点(进料温度不受季节气温变化和前一道工序波动限制,塔的操作比较容易控制.而且精馏段和提馏段的上升蒸气量相近

6、).n 有时为了减小再沸器的热负荷有时为了减小再沸器的热负荷(如再沸器所需加热剂温度较高,或物料容易在再沸器内结焦等)可在料液预热时加入更多的热量,甚至采用饱和蒸气进料.n 注意:实际设计还应该考虑整个车间的流程安排. 2022-6-26西北师范大学化学化工学院7n3.多股进料n 原料来源不同,浓度差别很大,从分离角度,应该从不同的位置加入.但所处理的物料量不多时(或其中的一种物料不多时),从设备加工和操作方便考虑,也往往多股混合以后作一股物料加入.2022-6-26西北师范大学化学化工学院8n4.加热方式n大塔-塔外，形式-夹套式.蛇管式,列管式(立式再沸器,卧式再沸器) n立式热虹吸再沸器

7、的主要特点立式热虹吸再沸器的主要特点:传热系数较高,结构紧凑,占地面积小,液体在管内停留时间短,不容易结垢,且容易清洗;但壳程不能清洗,因此用于较脏的加热介质;其本身造价较低,但要求较高的塔体裙座.n 卧式热虹吸再沸器的主要特点卧式热虹吸再沸器的主要特点:可用低裙座,但占地面积大,出塔产品缓冲容积较大,故流动稳定,在加热段停留时间短,不容易结垢,可以使用较脏的加热介质.n 立式和卧式强制循环再沸器的共同特点立式和卧式强制循环再沸器的共同特点:适应于高粘度液体和热敏性物料,因为强制循环流速高,停留时间短,有利于工艺流体循环流量的控制和调节.2022-6-26西北师范大学化学化工学院9n5.冷却方

8、式n 1)冷却剂-通常是水,水温随气候而定.入口一般为15-20,出口50，目的防止溶解于水中的无机盐析出.n 冷却剂 还可以是冷冻盐水.液氨等，一般用于较低温度。n 2)冷凝设备的结构形式n 小塔-蛇管换热器n 大塔-列管式换热器2022-6-26筛板式精馏塔设计方法筛板式精馏塔设计方法一. 工艺计算二. 设备计算四. 辅助设备计算三. 塔体结构五. 带控制点工艺流程图2022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-26西北师范大学化学化工学院18n塔板间距n塔径估算n溢流装置n塔板布置n塔板流体力学

9、验算n塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图二、塔板设计2022-6-26西北师范大学化学化工学院19 1 塔板间距 n塔板间距过小，液沫夹带严重，塔板效率降低。n塔板间距过大，设备增高，金属耗量增大 ，塔的造价增加。n塔板间距直接影响塔的生产能力、分离效率、操作弹性及塔的高度。n塔板间距与塔径同时考虑。板间距大，塔径可小些。对于板数较多的塔，取较小的板间距，可适当降低塔高。2022-6-262022-6-265 . 0232323220)()(ln)43196. 049123. 0088307. 007291. 0(ln)3212. 139. 1079. 0474675. 0(4695. 6549

10、6. 56562. 1531. 4expVLvLTvvVLLhHZLZZZLZZZZZZC2022-6-26西北师范大学化学化工学院22 3 溢流堰2022-6-262022-6-26 齿形堰 hOW不超过齿顶时 2517. 1WnSOWlhLh hOW超过齿顶时2525735. 0nOWOWnWShhhhlL SL塔内液体流量,Sm3 nh齿深, m;可取为 0.0150.015m(3).堰高Wh 堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系： OWLWhhh2022-6-262022-6-26西北师范大学化学化工学院262022-6-26西北师范大学化学化工学院275 进口堰及受液盘进口堰（对圆

11、形降液管多用）作用：1）保证液封，2）使液体在塔板上分布均匀，3）但因其占用较多塔截面，还易使沉淀物淤积造成阻塞，故多数不设。若设，hw 应这样考虑n当hw h0（有液封）时，hw hwn当hw h0（无液封）时，hwh0n为保证液体由降液管流出时不致受到很大的阻力，进口堰与降液管间的水平距离h1不应小于h0，即h1h0n对于直径 800以上的大塔多采用受液盘。2022-6-26西北师范大学化学化工学院28受液盘 对于直径800以上的大塔多采用受液盘。作用：1、液封良好，且有改变液体流向的缓冲作用2、有侧线抽出取深些，（一般大于50mm）2022-6-26西北师范大学化学化工学院296 塔板布

12、置n塔板分成四个区域：鼓泡区鼓泡区：塔板上气液接触的有效区域。溢流区溢流区：降液管及受液盘所占的区域。破沫区破沫区（安定区）：前两区之间的面积,不装浮阀，主要作用为在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带泡沫进入降液管 无效区无效区（边缘区）：支 持塔板的边梁，其宽 度根据塔板支承的需要而定。2022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-26(2) .(2) .降液管内液体高度降液管内液体高度( (液泛液泛 or or 淹塔淹塔) ) 降液管内液体高度Hd代表液体

13、通过一层塔板时所需液位高度，可用下式表示: dpLdhhhH 式中 进出口堰之间的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以忽略) ph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: hLL hdSW015302. 有入口堰： hLl hdSW0 202.2022-6-26 如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当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

14、口堰。因此 HhHTWd 式中 HT板间距，m 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 0. .3 30 0. .4 4；对不易起泡的物系，取0 0. .6 60 0. .7 7；对于一般物系，取0 0. .5 5。2022-6-26（3 3）雾雾沫沫夹夹带带 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 0. .1 1kg，即控制雾沫夹带量eV 0 0. .1 1kg(液)/kg(气)。 2 . 36)5 . 2(10

15、7 . 5LTaVhHue2022-6-26（4）漏液点气速）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，前者影响较大。VLLOWhhCu/)13. 00056. 0(4 . 40/.,.0 . 25 . 1smuuuuKOWoOWO漏液点气速筛孔气速2022-6-262022-6-26西北师范大学化学化工学院43负荷性能图2022-6-262022-6-2

16、62022-6-26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：min,max,ssVV操作弹性ssVVmax,上操作弹性min, ssVV下操作弹性2022-6-262022-6-26 4 塔高 H(不包括封头、裙坐)H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn实际塔板数；nF进料板数HF进料板处板间距，mnP人孔数Hp设人孔处的板间距，mHD塔顶空间，m（不包括头盖部分）HB

17、塔底空间，m（不包括底盖部分）裙坐HHBHFHD2022-6-26西北师范大学化学化工学院492022-6-262022-6-26 (4) 塔釜出料管 dw 塔釜出料，uw=0.5-1m/s, wswuLd4（1） 再沸器返塔蒸汽管 dv 取 uv=15m/S2. 2. 辅助设备辅助设备（1 1）冷凝器）冷凝器 a.热负荷 QC = V rb.冷却水用量 W 取冷却水的进口温度为 30，出口温度为 45，水的比热为4.18kJ/kg 则 W=Q/(CPt)c.换热平均温差tm (泡点回流) d.换热系数 K 查教材上册 P229，表 4-4e.换热面积 SS=Q/(Ktm) 可查表选设备。21

18、12lntTtTtttm2022-6-26（2 2）再再沸沸器器 a. 热负荷QB = V r 由塔底压强组成确定塔底温度表。b.加热蒸汽用量GG=QB/rc.换热平均温差tm tm=T 蒸汽-t 釜温 d. 换热系数K 查教材上册P229，表4-4e.换热面积SS=Q/(Ktm) 查表选设备。贮槽、加料泵、高位槽、产品冷却器设计从略。2022-6-26西北师范大学化学化工学院53五、带控制点的工艺流程2022-6-26西北师范大学化学化工学院54板式塔的机械设计整 块 式 塔 板D = 3 0 0 m m 9 0 0 m m分 块 式 塔 板D = 8 0 0 m m 塔 板 （ 塔 盘 ）塔 体 及 封 头裙 座容 器 法