化工原理課程設(shè)計講座__精餾塔(2013)

1、 20102010年年1111月月1818日日化工原理課程設(shè)計2021-12-11篩板式精餾塔設(shè)計篩板式精餾塔設(shè)計第二部分：篩板式精餾塔設(shè)計方法 2021-12-112021-12-112021-12-11（3）加料板位置的確定求出精餾段操作線和提餾段操作線的交點xyqq、，并以xq為分界線， 當 交替 使 用操 作 線方 程 和 相平 衡 關(guān)系逐 板往下 計算 到xxxxnqnq且1時，就以第n n塊板為進料板。（4）實際板數(shù)的確定 板效率：利用奧康奈爾的經(jīng)驗公式 ETL0 490 245. 其中： 塔頂與塔底的平均溫度下的相對揮發(fā)度 L塔頂與塔底的平均溫度下的液相粘度, mpa s 對于多

2、組分的液相粘度：LiLix Li液態(tài)組分i i的粘度, mpa s xi 液相中組分i i的摩爾分率 實際理論板數(shù) NNET實理2021-12-114 4、塔塔的的氣氣液液負負荷荷計計算算 (1)、精餾段氣液負荷計算VRD1 LRD VVMSVmVm3600 LLMSLmLm3600 V塔內(nèi)氣體摩爾流量 kmol/h Vs塔內(nèi)氣體體積流量 m s3 MVm、MLm分別為精餾段氣相平均分子量、液相平均分子量 VmLm、分別為精餾段氣相平均密度、液相平均密度 kg m3 (2)、提餾段氣液負荷計算(同上)2021-12-115 5、熱量衡算、熱量衡算 總熱量衡算 QQQQQQVWLBFR式中：QQ

3、QQQQVWLBFR、分別是塔頂蒸汽帶出的熱量、塔底產(chǎn)品帶出的熱量、塔設(shè)備的熱損失、塔釜加熱量、進料帶入的熱量、回流帶入熱量、 其中：塔設(shè)備的熱損失QQLB 0 1 . 再沸器熱負荷 QQQQQBVWRF11 . 冷凝器熱負荷 QQQQCVDR QQCD、分別為塔頂冷凝器帶走熱量、塔頂產(chǎn)品帶走熱量2021-12-11二二塔塔和和塔塔板板主主要要工工藝藝尺尺寸寸的的設(shè)設(shè)計計 它包括板間距的初估，塔徑的計算，塔板液流型式的確定，板上清液高度、堰長、堰高的初估與計算，降液管的選型及系列參數(shù)的計算，塔板布置和篩板的篩孔和開孔率，最后是水力校核和負荷性能圖。1 1、板板間間距距HT的的初初估估 板間距的

4、大小與液泛和霧沫夾帶有密切的關(guān)系。板距取大些，塔可允許氣流以較高的速度通過，對完成一定生產(chǎn)任務(wù)，塔徑可較小；反之，所需塔徑就要增大些。板間距取得大，還對塔板效率、操作彈性及安裝檢修有利。但板間距增大以后，會增加塔身總高度，增加金屬耗量，增加塔基、支座等的負荷，從而又會增加全塔的造價。初選板間距時可參考下表所列的推薦值。 表表1 板板間間距距與與塔塔徑徑關(guān)關(guān)系系塔徑 D, m0 0. .3 30 0. .5 50 0. .5 50 0. .8 80 0. .8 81 1. .6 61 1. .6 62 2. .0 0塔板間距 HT mm2 20 00 03 30 00 02 25 50 03 3

5、5 50 03 35 50 04 45 50 04 45 50 06 60 00 02021-12-112 2、塔徑、塔徑 D D 的初估與圓整的初估與圓整 根據(jù)流量公式計算塔徑，即 DVuS4 式中Vs塔內(nèi)的氣相流量，ms3 u 空塔氣速，m/s uu 0 60 8.max uCLVVmax umax 最大空塔氣速，m/s LV、 分別為液相與氣相密度，kgm3負荷系數(shù) 2.02020CC ( (C20值可由值可由 SmithSmith 關(guān)聯(lián)圖求取關(guān)聯(lián)圖求取) ) 由上式算出的塔徑按部頒發(fā)塔盤標準圓整，圓整后的塔徑除了必須滿足板間距與塔徑的關(guān)系外，還須進行空塔氣速校核。2021-12-115

6、 . 0232323220)()(ln)43196. 049123. 0088307. 007291. 0(ln)3212. 139. 1079. 0474675. 0(4695. 65496. 56562. 1531. 4expVLvLTvvVLLhHZLZZZLZZZZZZC3 液流型式的選擇液流型式的選擇 2021-12-112021-12-114 4、溢流堰、溢流堰（出口堰）的設(shè)計（出口堰）的設(shè)計(1).堰長Wl: 依據(jù)溢流型式及液體負荷決定堰長,單溢流型塔板堰長lW一般取為(0.60.8)D；雙溢流型塔板，兩側(cè)堰長取為(0.50.7)D，其中 D 為塔徑(2).堰上液層高度hOW：

7、堰上液層高度應(yīng)適宜，太小則堰上的液體均布差，太大則塔板壓強增大，物沫夾帶增加。對平直堰，設(shè)計時hOW一般應(yīng)大于 0.0060.006m，若低于此值應(yīng)改用齒形堰。hOW也不宜超過 0.060.060.070.07m，否則可改用雙溢流型塔板。 平直堰的hOW按下式計算 hELlOWhW2 84100023. 式中 Wl堰長, m; Lh塔內(nèi)液體流量，mh3 E液流收縮系數(shù)，查圖求取。一般可取為 1，誤差不大2021-12-11 齒形堰 hOW不超過齒頂時 2517. 1WnSOWlhLh hOW超過齒頂時2525735. 0nOWOWnWShhhhlL SL塔內(nèi)液體流量,Sm3 nh齒深, m;可

8、取為 0.0150.015m(3).堰高Wh 堰高與板上液層高度及堰上液層高度的關(guān)系： OWLWhhh2021-12-115 5、降液管的設(shè)計、降液管的設(shè)計（1） 、降液管的寬度dW與截面積fA 可根據(jù)堰長與塔徑比值DlW，查圖求取。 降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管中的停留時間一般等于或大于 3 35 5 秒，對低發(fā)泡系統(tǒng)可取低值，對高發(fā)泡系統(tǒng)及高壓操作的塔，停留時間應(yīng)加長些。 故在求得降液管的截面積之后，應(yīng)按下式驗算液體在降液管內(nèi)的停留時間，即 A HLfTS液體在降液管中的停留時間，s Af降液管截面積，m3（2）.降液管底隙高度hO 為保證良好的液封，又不致

9、使液流阻力太大，一般取為 hhOW 00060012. ., m hO也不易小于 0.020.020.025m0.025m，以免引起堵塞，產(chǎn)生液泛。2021-12-116 6、塔板設(shè)計、塔板設(shè)計 (1).塔板布置 i. i.開孔區(qū)面積開孔區(qū)面積Aa對于單流型塔板對于單流型塔板 )(sin21222rxrxrxAa 式中 xDWWdS2() ,m rDWC2 ,m sin1xr以弧度表示的反三角函數(shù)對于雙流型塔板Ax rxrxrxrxrxra222221121221sinsin式中 xWWdS12(Wd為雙溢流中間降液管的寬度) )其它符號與單流型塔板公式同2021-12-11 ii 溢溢流流區(qū)

10、區(qū) 溢溢流流區(qū)區(qū)面面積積Af及及Af分分別別為為降降液液管管和和受受液液盤盤所所占占面面積積. . iii 安安定定區(qū)區(qū) 開開孔孔區(qū)區(qū)與與溢溢流流區(qū)區(qū)之之間間的的不不開開孔孔區(qū)區(qū)域域為為安安定定區(qū)區(qū)，其其作作用用為為使使自自降降液液管管流流出出液液體體在在塔塔板板上上均均布布并并防防止止液液體體夾夾帶帶大大量量泡泡沫沫進進入入降降液液管管。其其寬寬度度WS( (WS) )指指堰堰與與它它最最近近一一排排孔孔中中心心之之間間的的距距離離，可可參參考考下下列列經(jīng)經(jīng)驗驗值值選選定定：2021-12-11 溢流堰前的安定區(qū) WS=7 70 01 10 00 0mm 進口堰后的安定區(qū) WS=5 50 0

11、1 10 00 0mm 直徑小于1 1m 的塔可適當減小。 iv 無無效效區(qū)區(qū) 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區(qū)域供支撐塔板的 邊緣之用， 稱無效區(qū)。 其寬度視需要選定,小塔為3 30 07 75 5mm， 大塔可達5 50 07 75 5mm。為防止液體經(jīng)邊緣區(qū)流過而產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔壁設(shè)置旁流擋板。2021-12-112021-12-11 開孔率開孔率 開孔率是指篩孔總面積 Ao m2與開孔面積 Aa m2之比，即 200)/(907. 0dtAAa一般,開孔率大,塔板壓降低,霧沫夾帶量少,但操作彈性小,漏夜量大,板效率低。通常開孔率為 5%15%。 篩孔數(shù)篩孔數(shù) n n m

12、mttAna,:11580002孔心距孔數(shù)確定后，在塔板開孔區(qū)內(nèi)布篩孔，若布孔數(shù)較多可在適當位置堵孔。若塔內(nèi)上下段負荷變化較大時，應(yīng)根據(jù)流體力學驗算情況，分段改變篩孔數(shù)以提高全塔的操作穩(wěn)定性。2021-12-117 7、塔板的流體力學驗算、塔板的流體力學驗算塔板流體力學驗算目的是為了檢驗以上初算塔徑及各項工藝尺寸的計算是否合理，塔板能否正常操作。(1) 氣體通過塔板的壓強降氣體通過塔板的壓強降:ph,m 液柱液柱 hhhhlCp ph氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨?，m 液柱 hC氣體通過篩板的干板壓降，m 液柱 lh氣體通過板上液層的阻力，m 液柱 h克服液體表面張力的阻力，m 液柱202

13、1-12-11i.干板壓降干板壓降 hC LVCCuh200)(051. 0 式中 u0篩孔氣速，m/s LV、分別為液、氣密度，kg m3C C0 0孔流系數(shù)，孔徑與塔板厚度之比).()(000338. 0)(00732. 0)(0677. 08806. 00302000ddddC 2021-12-11 ii ii.板上液層阻力lh 板上充氣液層阻力受堰高、氣速及溢流長度等因素的影響，一般用下面的經(jīng)驗公式計算：)(00OWWLlhhhh 式中： hL板上清液層高度，m 0反映板上液層充氣程度的因數(shù)，可稱為充氣因數(shù)，無因次,一般 0=0.50.50.60.6。 0與氣相動能因子aF有關(guān)，185

14、964.000652029.0F )(單流型塔板fTsaVaaAAVuuF iii.液體表面張力的阻力 MNgdhL/:40表面張力氣體通過塔板的壓降（Pp=hpgL）應(yīng)低于設(shè)計允許值。2021-12-11(2) .(2) .降液管內(nèi)液體高度降液管內(nèi)液體高度( (液泛液泛 or or 淹塔淹塔) ) 降液管內(nèi)液體高度Hd代表液體通過一層塔板時所需液位高度，可用下式表示: dpLdhhhH 式中 進出口堰之間的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以忽略) ph氣體通過一塊塔板的壓降，m 液柱 hd液體流出降液管的壓降，m 液柱hd可按下列經(jīng)驗公式計算： 無入口堰: hLL hdSW015302. 有

15、入口堰： hLl hdSW0 202.2021-12-11 如果液體和氣體流動所遇阻力增加，降液管中液面上升，當超過上一層塔板的堰頂后，產(chǎn)生液體倒流，即發(fā)生了液泛，因此，需要足夠的降液管高度，或控制適當阻力以防液泛的發(fā)生。實際降液管中液體和泡沫的總高度大于用上式計算的值。為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過上層塔板的出口堰。因此 HhHTWd 式中 HT板間距，m 系數(shù)。為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。對于容易起泡的物系，取 0 0. .3 30 0. .4 4；對不易起泡的物系，取0 0. .6 60 0. .7 7；對于一般物系，取0 0. .5 5。202

16、1-12-11（3 3）霧霧沫沫夾夾帶帶 霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過多的霧沫夾帶將導致塔板效率嚴重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過 0 0. .1 1kg，即控制霧沫夾帶量eV 0 0. .1 1kg(液)/kg(氣)。 2 . 36)5 . 2(107 . 5LTaVhHue2021-12-11（4）漏液點氣速）漏液點氣速 uOW當氣速逐漸減小至某值時，塔板將發(fā)生明顯的漏夜現(xiàn)象，該氣速稱為漏液點氣速 uOW，若氣速繼續(xù)降低，更嚴重的漏夜將使篩板不能積液而破壞正常操作，故漏液點氣速為篩板的下限氣速。為使篩板具有足

17、夠的操作彈性，應(yīng)保持穩(wěn)定性系數(shù) K:若穩(wěn)定性系數(shù)偏低，可適當減小開孔率或降低堰高，前者影響較大。VLLOWhhCu/)13. 00056. 0(4 . 40/.,.0 . 25 . 1smuuuuKOWoOWO漏液點氣速篩孔氣速2021-12-118. 塔板的負荷性能圖塔板的負荷性能圖 在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進行了流體力學驗算之后，便可確認所設(shè)計的塔行了流體力學驗算之后，便可確認所設(shè)計的塔板能在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下正常操作。此時，板能在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下正常操作。此時，有必要進一步揭示該塔板的操作性能，即求出有必要進一步揭示該塔板的操作性能

18、，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負荷波動維持該塔板正常操作所允許的氣、液負荷波動范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示。表示。2021-12-11塔板負荷性能圖塔板負荷性能圖Vs ,m3/sLs ,m3/s(1)(1)霧沫夾帶線霧沫夾帶線(2)(2)液泛線液泛線(3)(3)液相上限線液相上限線(4)(4)漏夜線漏夜線(5)(5)液相負液相負荷下限線荷下限線A Vs,minP操作點B Vs,maxO2021-12-112021-12-11 液 體 在 降 液 管 內(nèi) 的 停 留 時 間 為 ： A HLfTS不 應(yīng) 小 于 3 3 5 5s，

19、 按= 5 5s計 算 ， 則 ：5max,TfSHAL 依 此 式 可 求 得 液 相 負 荷 上 限 ， 據(jù) 此 作 出 液 相 負 荷 上 限 線 (3)。塔 板 的 適 宜 操 作 區(qū) 應(yīng) 在 豎 直 線 (3)的 左 方 。(4).泄 漏 線(4) 由 漏 液 點 氣 速 uOW標 繪 對 應(yīng) 的 Vs Ls。(5).液 相 負 荷 下 限 線 （ 5） 對 于 平 直 堰 ， 一 般 取 堰 上 液 層 高 度hOW= 0 0. .0 00 06 6m m 作 為 液 相 負 荷下 限 條 件 ， 低 于 此 限 便 不 能 保 證 板 上 液 流 均 勻 分 布 ， 降 低 氣

20、液 接 觸效 果 。 平 直 堰hOW按 下 式 計 算 32min,3600100084.2WsOWlLEh 將 已 知 的lW及hOW的 下 限 值 (0 0. .0 00 06 6m m)代 入 上 表 ， 并 取E=1 1， 便 可取 得LS的 下 限 值 ， 據(jù) 此 作 出 液 相 負 荷 下 限 線。塔 板 的 適 宜 操 作 區(qū) 應(yīng)在 豎 直 線 （ 5） 右 側(cè)。2021-12-11在負荷性能圖上，由上述線所包圍的陰影區(qū)域，應(yīng)是所設(shè)計的塔板用于處理指定物系時的適宜操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，塔板上的流體力學狀況是正常的。（6）塔的操作彈性在塔的操作液氣比下，操作線 OAB 與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最低負荷之比，即：min,max,ssVV操作彈性ssVVmax,上操作彈性min, ssVV下操作彈性2021-12-112021-12-112021-12-11四. 塔體結(jié)構(gòu)2021-12-111塔頂空間 HD 塔頂空間 HD的作用是供安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取 11.5m。 2塔底空間 HB 塔底空間 HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最