化工原理课程设计-板式精馏塔的设计

–––––板式塔的设计 摘要一、化工原理课程设计的目的和要求课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的(一)课程设计的基本内容艺尺寸计算及结构设计；3.典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：(1)封面(课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间)；(2)目录；(3)设计任务书；(4)设计方案简介；(5)设计条件及主要物性参数表；(6)工艺设计计算；(7)辅助设备的计算及选型；(8)设计结果汇总表；(9)设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；(10)工艺流程图及设备工艺条件图；(11)参考资料。(二)课程设计的步骤整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达设计后期的答辩，及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心得和扩大收获的重要过程。答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。个别答辩的目的不辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。公开答辩是在个别答辩的基础上，选出设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备；统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置；物流的质量流量或体积流量、密度、换热量等)；表明设备的特征即可；一般情况下也不标注尺寸。工艺物料的介质代码自行编制，一般以分子式及其编写字母表示。辅助物料如公用系水SHSMSCPWWRWWBWBRBRRCWCWRRW代号ABDCF塔EJMLNQ四、主体设备工艺条件图主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。图面上应包括如下内容:2.技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。第一节概述首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：泛等破坏操作的现象。较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。(3)流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。(4)结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：(4)压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400~660N/m2。本书虽未包括其它塔板的设计资料，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同限于选用上述两种塔板。按以下几个阶段进行：备型式及其材质的选取等进行论述。(2)蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。(3)塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。(4)管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。(6)绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。第二节设计方案的确定确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。下面结合课程设计的需要，对蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽特力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸2.1.2进料状态量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。同时，饱和水冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。但若要求加热温蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高传热效率，但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求。同时对于釜液的沸腾，温度差过冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。热量，其数量是相当可观的。然而，在大多数情况，这部分热量由冷却剂带走而可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。中间冷凝器的流程[1]，可以提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产下几点：其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生助找出不正常的原因，以便采取相应措施。要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。例如，在缺水地区，冷却水的节省就很重要；在水源充足及电力充沛、价廉地区，冷却水出口温度就可选低一些，以节省传例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。第三节板式精馏塔的工艺计算塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：(1)根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求(塔顶、塔底产品的浓度)计算出每小时塔顶、塔底的产量；qR别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和(3)写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。在设计时，汽液流量又须用m3/s来表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。3.1.1常规塔常规塔指仅有一处进料和塔顶、塔底各有一个产品，塔釜间接蒸汽加热的精馏塔。(1)全塔总物料衡算总物料组分总物料组分FDWFDW若以塔顶易挥发组分为主要产品，则回收率η为 h由(3-1)和(3-2)式得：4)D=4)DW(2)操作线方程(ⅰ)精馏段LDLDn+1VnVDy=Rx+1xn+1R+1nR+1D6)7)(ⅱ)提馏段L'=RD+qFy'=L+qFx'Wxm+1L+qFWmL+qFWW3.1.2直接蒸汽加热(1)全塔总物料衡算总物料组分F+V=D+总物料组分0F00DW009)Wχ*——直接蒸汽加热时釜液中易挥发组分的摩尔分率。W由(3-14)和(3-15)式得：WW+VW0操作线方程(ⅰ)精馏段(同常规塔)LDLDn+1VnVD=Rx+xDR+1nR+1(ⅱ)提馏段W*W*y'=W*W*m+1VmVW00第四节板式塔主要尺寸的设计计算板式塔主要尺寸的设计计算，包括塔高、塔径的设计计算，板上液流形式的选择、溢流装置的设计，塔板布置、气体通道的设计等工艺计算。设计时，先选取某一塔板(例如进料或塔顶、塔底)条件下的参数作为设计依据，以此确但所设计的板式塔应为气液接触提供尽可能大的接触面积，应尽可能地减小雾沫夹带和气泡夹带，有较高的塔板效率和较大的操作弹性。但是由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，而参数与尺寸之间又彼此互相影响和在设计过程中需要不断地调整、修正、和核算，直到设计出较为满意的板式塔。板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：NTNT TN——塔内所需的理论板层数；TN——塔内所需的理论板层数；TT板间距N的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹T性及塔的安装检修等因素。对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可降低；但是板间距过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种不同情况予以考虑。如对易发泡的物系，板间距应取大塔的横截面应满足汽液接触部分的面积、溢流部分的面积和塔板支承、固定等结构处积的要求。在塔板设计中起主导作用，往往是气液接触部分的面积，应保证有适再根据孔的排列及塔板各区域的相互比例，最后算出塔的横截面uu=C板式塔的塔径依据流量公式计算，即u D——塔径m；法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即maxLVpV VD/= 由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。4.2.3塔径的核算塔径标准化以后，应重新验算雾沫夹带量，必要时在此先进行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各项计算。求，且难以加大板间距来调整时，也可在此先作塔径的调整。第五节板式塔的结构塔的外壳多用钢板焊接，如外壳采用铸铁铸造，则往往以每层塔板为一节，然后用法板式塔除内部装有塔板、降液管及各种物料的进出口之外，还有很多附属装置，如除沫器、人(手)孔、基座，有时外部还有扶梯或平台。此外，在塔体上有时还焊有保温材结构有所不同。最高一层塔板与塔顶的距离常大于一般塔板间距，以便能良好的除沫。最低留时间，使塔底液体不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器来的蒸气，塔底与再沸器间有管路连接，有时则再塔底釜中设置列管或蛇管换热器，将釜中液体加热汽化。若是直接蒸汽加热，则在釜的下部装一鼓泡管，直接接入加热蒸汽。另外，进料板的板间距也板式塔的塔高如图5-2所示，塔体总高度(不包括裙座)由下式决定：DpTTFBHD间，m；HT塔板间距，m；Np数；S——人孔数目(不包括塔顶空间和塔底空间的人孔)。DD塔顶空间(见图5-2)指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的DTDT人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450mm。TTBB塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从300~900mm时采用整块式塔板；当塔径在整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构设计时可按便于制造、安装的具体情况选定。小塔的塔板均做成整块式的，相应地，塔体则分成若干段塔节，塔节与塔节之间用法兰连接。每个塔节中安装若干块叠置起来的塔板。塔板与塔板之间用一段管子支承，式塔板结构。塔节内的板数与塔径和板间距有关。如以塔HHmm654第六节精馏装置的附属设备精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、管线和泵属输送装置。下面简要介绍。(1)整体式较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。(2)自流式c度来获得回流(3)强制循环式如图6-1(D)、(e)所示。当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。管壳式换热器的设计与选型的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其它尺寸或选择换热器的型号。(1)管程流动阻力阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般情况下进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为i2tspFt——结垢校正因数，对Φ25mm×2.5mm的管子取1.4；对Φ19mm×2mm的管子PP经验公式估算，即(2)壳程流动阻力壳程流动阻力的计算公式很多，在此介绍埃索法计算壳程压强降ΔP0的公式，即012SSS10cB22BD2ccBB6.2.2管壳式换热器的选型和设计计算步骤a．确定流体在换热器中的流动途径b算热负荷Q。c．确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度，并确定在体物性。D、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。(2)计算管程、壳程压强降根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压降不符合要求，要调整流速，在确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。(3)核算总传热系数复以上计算步骤。精馏塔底的再沸器可分为：釜式再沸器、热虹吸式再沸器及强制循环再沸器。(1)釜式式再沸器如图6-2(a)和(b)所示。(a)是卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，再进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。蒸汽引到塔底的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留8~10分钟，以分离液体中的气泡。为减少雾沫(b)是夹套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，一般液面维持在容积的70%左。(2)热虹吸式再沸器度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器良。(3)强制循环再沸器流速大、停留时间短，便于控制和调节液体循环量。原料预热器和产品冷却器的型式不象塔顶冷凝器和塔底再沸器的制约条件那样多，可(4)釜液排除管径dW(5)饱和水蒸气管孔的蒸气鼓泡管。使加热蒸气能