板式精餾塔設(shè)計1課件

1、板式精餾塔課程設(shè)計板式精餾塔課程設(shè)計課程目的先修課程的綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)工程能力的訓(xùn)練掌握化工設(shè)計的基本程序和方法；學(xué)會查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)；用簡潔文字和圖表表達(dá)設(shè)計結(jié)果；用CAD制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練。 課程目的先修課程的綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)工程能力的訓(xùn)練設(shè)計主要內(nèi)容設(shè)計方案簡介主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 板式塔的結(jié)構(gòu) 輔助設(shè)備的選型主要設(shè)備的工藝條件圖 設(shè)計說明書的編寫 對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進行簡要的論述 設(shè)計主要內(nèi)容設(shè)計方案簡介對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型設(shè)計方案的確定（一）裝置流程的確定要求在設(shè)計說明書上畫出流程簡圖。設(shè)計方案的確定（一）裝

2、置流程的確定塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)情況以決定采用分凝器或全凝器。一般，塔頂分凝器對上升蒸汽雖有一定增濃作用，但在石油等工業(yè)中獲取液相產(chǎn)品時往往采用全凝器，以便于準(zhǔn)確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用分凝器。塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)情況以決定采用分凝器或全凝器。一般，塔頂（二） 操作壓強的選擇精餾操作可在常壓、減壓或加壓下進行。操作壓強常取決于冷凝溫度。一般，除熱敏性物料以外，凡通過常壓蒸餾不難實現(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來的系統(tǒng)，都應(yīng)采用常壓蒸餾；對熱敏性物料或混合液沸點過高的系統(tǒng)則宜采用減壓蒸餾；對常壓下餾出物的冷凝溫度過低的系統(tǒng)，需提高塔壓或采用深井水、冷凍鹽水作為

3、冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)度物料必須采用加壓蒸餾。（二） 操作壓強的選擇精餾操作可在常壓、減壓或加壓下進行。操（三） 進料熱狀況的選擇原則上，在供熱量一定的情況下，熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的氣相回流在全塔發(fā)揮作用，即宜冷進料。但為使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫影響，精、提餾段采用相同塔徑以便于制造，則常采用飽和液體（泡點）進料，但需增設(shè)原料預(yù)熱器。若工藝要求減少塔釜加熱量避免釜溫過高、料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采用氣態(tài)進料。（三） 進料熱狀況的選擇原則上，在供熱量一定的情況下，熱量應(yīng)（四）加熱方式蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可采用直接蒸汽，例如蒸餾釜殘液中的主要成分是水，且在低濃

4、度下輕組分的相對揮發(fā)度較大時（如乙醇與水混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優(yōu)點是可以利用壓強較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費用，并省掉中間加熱設(shè)備。但由于直接蒸汽的加入，對釜內(nèi)溶液起一定的稀釋作用，在進料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需在提餾段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求。（四）加熱方式蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可二元連續(xù)板式精餾塔的工藝計算物料衡算實際塔板數(shù)的確定塔高和塔徑的計算塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定塔板流動性能校核二元連續(xù)板式精餾塔的工藝計算物料衡算一、物料衡算全塔物料衡算 間接加熱時： F=D+W FxF= DxD+WxW 可以解出F,W。一、物料衡算全塔物料衡

5、算二 實際塔板數(shù)的確定1.確定理論板數(shù) 可以采用圖解法或逐板計算法. 平衡數(shù)據(jù)回流比精餾段操作線加料線提餾段操作線 二 實際塔板數(shù)的確定1.確定理論板數(shù) 相關(guān)說明平均揮發(fā)度的求法: av的計算: 平均粘度由乙醇和水在平均溫度下的粘度線性加和得到 av= 乙醇xF+ 水（1xF） 平均塔溫為塔頂和塔底溫度的算術(shù)平均值其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi)相關(guān)說明平均揮發(fā)度的求法:av的計算: 平均粘度2.總板效率 Oconnel關(guān)聯(lián)圖查得，見化工原理書圖8-32精餾塔總板效率關(guān)聯(lián)圖，由橫坐標(biāo)L可求得總板效率E3.實際板數(shù)NE NE=(N-1)/E，N為理論板數(shù)，分別算出精餾段和提餾段的實際

6、板數(shù)并標(biāo)明加料板的位置。2.總板效率 Oconnel關(guān)聯(lián)圖查得，見化工原理三 塔高、塔徑的計算物性參數(shù)的查找、計算塔徑由精餾塔內(nèi)各段物料的摩爾流率（或說體積流率）決定的，其影響因素有F（進料流率）、R（回流比）及q，涉及單位換算三 塔高、塔徑的計算物性參數(shù)的查找、計算塔徑由精餾塔內(nèi)各段物1、 平均分子量的計算（1）塔頂?shù)钠骄肿恿?x1為與y1=XD平衡 的液相組成）MVDM= XDM輕組分+（1XD）M重組分MLDM= x1M輕組分+（1x1）M重組分（2）進料板的平均分子量 進料板對應(yīng)的組成Xn 和yn (進料板對應(yīng)的組成由逐板計算得到，n值各人不同)MVFM= ynM輕組分+（1yn）M

7、重組分MLFM= XnM輕組分+（1Xn）M重組分1、 平均分子量的計算（1）塔頂?shù)钠骄肿恿?x1為與y11、 平均分子量的計算（3）塔底的平均分子量（yw為與xw平衡的氣相組成） MVWM= ywM輕組分+（1yw）M重組分MLWM= xwM輕組分+（1xw）M重組分（4）精餾段、提餾段的平均分子量精餾段平均分子量 MLM=( MLDM+ MLFM)/2= MVM=( MVDM+ MVFM)/2=提餾段平均分子量 MLM=( MLWM+ MLFM)/2= MVM=( MVWM+ MVFM)/2=1、 平均分子量的計算（3）塔底的平均分子量（yw為與xw2、平均密度的計算（1）液相平均密度查

8、物性數(shù)據(jù)： 易揮發(fā)組分密度1 Kg/m3 難揮發(fā)組分密度2 Kg/ m3舉例：LD1/a1/1+(1-a1) /2 Kg/ m32、平均密度的計算（1）液相平均密度LD1/a1/1（2）汽相平均密度根據(jù)塔頂溫度TD、進料板溫度TF及塔底溫度TW分別確定精餾段及提餾段的汽相平均密度如：TM=（TF+TD）/2 VMPMV/RTM= Kg/ m3（2）汽相平均密度根據(jù)塔頂溫度TD、進料板溫度TF及塔底溫度3塔的有效高度和板間距的初選 板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計算： 塔板間距，m板間距的初選板間距NT的選定很重要。選取時應(yīng)考慮塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性及塔的安裝

9、檢修等因素。3塔的有效高度和板間距的初選 板式塔的有效高度是指安裝塔板部4 塔徑的計算計算塔徑的方法有兩類：據(jù)適宜空塔氣速，求出塔截面積，求出塔徑確定適宜孔速進而求出塔徑4 塔徑的計算計算塔徑的方法有兩類：塔徑的計算初步計算塔徑塔內(nèi)氣體流量m3/s空塔氣速m/s允許空塔氣速，m/s氣相和液相的密度，kg/m3氣體負(fù)荷系數(shù)，m/s塔徑的計算初步計算塔徑塔內(nèi)氣體流量m3/s空塔氣速m/s允許6.10.5 篩板塔化工設(shè)計計算（1）塔的有效高度 Z 已知：實際塔板數(shù) NP ； 塔板間距 HT； 選取塔板間距 HT ：理論塔板數(shù)計算軟件塔板間距和塔徑的經(jīng)驗關(guān)系塔體高度：有效高+頂部+底部+ 其它 有效塔

10、高：6.10.5 篩板塔化工設(shè)計計算 選取塔板間距 HT ：理論 C：氣體負(fù)荷因子，與 HT、 液體表面張力和兩相接觸狀況有關(guān)。 液泛氣速兩相流動參數(shù) FLV：（2）塔徑 確定原則： 防止過量液沫夾帶液泛 步驟： 先確定液泛氣速 uf (m/s)； 然后選設(shè)計氣速 u； 最后計算塔徑 D。 C：氣體負(fù)荷因子，與 HT、 液體表面張力和兩相接對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖 ，C20=(HT 、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05篩板塔泛

11、點關(guān)聯(lián)圖對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖 ，C20=(HT 、FL 選取設(shè)計氣速 u 選取泛點率： u / uf 一般液體， 0.6 0.8 易起泡液體，0.5 0.6所需氣體流通截面積設(shè)計氣速 u = 泛點率 ufADAd 計算塔徑 D塔截面積：A = AT - Ad塔徑說明：計算塔徑需圓整，且重新計算實際氣速及泛點率。 選取設(shè)計氣速 u 所需氣體流通截面積設(shè)計氣速 u = 泛（3）溢流裝置設(shè)計 溢流型式的選擇 依據(jù)：塔徑 、流量； 型式：單流型、U 形流型、雙流型、階梯流型等。 降液管形式和底隙 降液管：弓形、圓形。 降液管截面積：由Ad/AT = 0.06 0.12 確定； 底隙 hb

12、 ：通常在 30 40 mm。 溢流堰（出口堰） 作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。 型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。（3）溢流裝置設(shè)計 降液管形式和底隙 溢流堰（出板式精餾塔設(shè)計1課件堰長 lW ：影響液層高度。堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度 過小，相際傳質(zhì)面積過??； 過大，塔板阻力大，效率低。 常、加壓塔：40 80 mm ； 減壓塔：25 mm 左右。 說明：通常應(yīng)使溢流強度qVLh/lW 不大于100130 m3/（mh）。 或： 雙流型:單流型：堰長 lW ：影響液層高度。堰高 hW：直接影響塔板上液層厚(4) 塔板及其布置 受液區(qū)和降液區(qū) 一般兩區(qū)面積相

13、等。 入口安定區(qū)和出口安定區(qū) 其中， E：液流收縮系數(shù)，一般可近似取 E =1。堰上方液頭高度 hOW ：要求： 邊緣區(qū)：bcbdbslWrx(4) 塔板及其布置其中， E：液流收縮系數(shù)，一般可近似取 （5）篩孔的尺寸和排列 篩孔： 有效傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，常按正三角形排列。 篩板開孔率 ： 單流型弓形降液管塔板： 有效傳質(zhì)區(qū)： 雙流型弓形降液管塔板：bcbdbslWrxd0t（5）篩孔的尺寸和排列單流型弓形降液管塔板： 有效傳質(zhì)區(qū)：篩孔直徑 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大篩孔) 孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 開孔率: 通常為 0.08 0.12。 板厚：碳鋼

14、（3 4mm）、不銹鋼。 篩孔氣速：篩孔數(shù)：d0t篩孔直徑 d0 : 3 8 mm (一般)。篩孔氣速：(6) 塔板的校核 對初步設(shè)計的結(jié)果進行調(diào)整和修正。 液沫夾帶量校核單位質(zhì)量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質(zhì)量（或摩爾） ev ： kg 液體 / kg氣體，或 kmol液體 / kmol氣體單位時間夾帶到上層塔板的液體質(zhì)量（或摩爾） e： kg 液體 / h 或 kmol液體 / h 液沫夾帶分率：夾帶的液體流量占橫過塔板液體流量的分?jǐn)?shù)。 故有： 所以(6) 塔板的校核 液沫夾帶量校核所以說明：超過允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。 ev的計算方法：方法1：利用Fair關(guān)聯(lián)圖求，進而求出ev。方法

15、2：用Hunt經(jīng)驗公式計算ev。式中Hf 為板上泡沫層高度：要求： ev 0.1 kg 液體 / kg氣體。說明：超過允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。 ev的計算方法 塔板阻力的計算和校核 塔板阻力： 塔板阻力 hf包括 以下幾部分: （a）干板阻力 h0氣體通過板上孔的阻力（設(shè)無液體時）； （b）液層阻力 hl 氣體通過液層阻力； （c）克服液體表面張力阻力 h孔口處表面張力。清液柱高度表示：（a）干板阻力h0 塔板阻力的計算和校核 塔板阻力 hf包括 以下幾部分:清d0/C0塔板孔流系數(shù)C0 孔流系數(shù)d0/C0塔板孔流系數(shù)C0 孔流系數(shù)（b）液層阻力 hl查圖求充氣系數(shù)（b）液層阻力 hl查

16、圖求充氣系數(shù)說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率或 降低堰高。（c）克服液體表面張力阻力（一般可不計） 降液管液泛校核故塔板阻力：降液管中清液柱高度 (m)說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率或 降低堰高。（c）克服液（a） 液面落差一般較小，可不計。當(dāng)不可忽略時，一般要求： 0.5h0（b） 液體通過降液管阻力 hd包括底隙阻力 hd1和進口堰阻力hd2。無進口堰時：（a） 液面落差一般較小，可不計。當(dāng)不可忽略時，一般要求泡沫層高度要求：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或 增大塔板間距。泡沫層相對密度：對不易起泡物系，易起泡物系， 液體在降液管中停留時間校核 目的：避免嚴(yán)重的氣泡夾帶。 停留

17、時間：要求：說明：停留時間過小，可增加降液管面積 或 增大塔板間距。泡沫層高度要求：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或 增大（a）計算嚴(yán)重漏液時干板阻力 h0 （b）計算漏液點氣速 u0 說明：如果穩(wěn)定系數(shù)k過小，可 減小開孔率 或 降低堰高。 嚴(yán)重漏液校核 漏液點氣速 u0 ：發(fā)生嚴(yán)重漏液時篩孔氣速。 穩(wěn)定系數(shù)：要求：（a）計算嚴(yán)重漏液時干板阻力 h0 （b）計算漏液點氣速 過量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線） 規(guī)定：ev = 0.1（ kg 液體 / kg氣體） 為限制條件。（6）塔板的負(fù)荷性能圖確定塔板的操作彈性 液相下限線整理出：規(guī)定： 嚴(yán)重漏液線（氣相下限線） 過量液沫夾帶線（氣相負(fù)

18、荷上限線）（6）塔板的負(fù)荷性能圖代入相關(guān)公式，如hOW、u0，整理出。 液相上限線 降液管液泛線規(guī)定：代入相關(guān)公式，如hOW、u0，整理出。 液相上限線塔板的操作彈性： 或塔板的操作彈性： 或塔徑的計算塔徑的圓整目前，塔的直徑已標(biāo)準(zhǔn)化。所求得的塔徑必須圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。塔徑在1米以下者，標(biāo)準(zhǔn)化先按100mm增值變化；塔徑在1米以上者，按200mm增值變化塔徑校核（后面進行）塔徑的計算塔徑的圓整四、塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定塔徑初核后，可進行塔板的平面布置。 一般順次確定如下一些尺寸和數(shù)據(jù)： 堰長安定區(qū)寬度四、塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定塔徑初核后，可進行塔板的平面布置。 一1.堰長/塔徑（l/D） 2.堰長l 3.

19、降液管道截面積/塔截面積（Ad/A） 4.塔凈截面積/塔截面積（An/A，An=A-Ad） 5.塔工作面積/塔截面積（Aa/A，Aa=A-2Ad） 6.在塔板溢流堰、降液管旁，應(yīng)考慮安定區(qū)寬度WS,它是開孔區(qū)與堰之間的距離；開孔區(qū)與塔內(nèi)壁之間的距離為Wc。1.堰長/塔徑（l/D） 7.開孔區(qū)面積Aa按下式計算： 8.確定篩孔直徑d0及孔中心間距t 9.篩孔總面積與開孔區(qū)面積之比 A0/Aa=0.907(d0/t)2 (正三角形排列） 此值應(yīng)在815之間 7.開孔區(qū)面積Aa按下式計算： 10.開孔數(shù)n 11.堰高h(yuǎn)w 一般篩板塔可取12100mm。板間距大者， hw可以取得大一些。 12.下降管

20、底隙高度had不宜過小。過小則液體流出阻力過大。當(dāng)然它不能大于hw，一般可取為38mm。 13.塔板厚度可取為24mm。塔徑增大，恰當(dāng)加厚。上述的塔板平面布置的各幾何尺寸，到目前為止，實際上只是根據(jù)經(jīng)驗初步選取。還要根據(jù)下面的水力學(xué)校核作出一些調(diào)整 10.開孔數(shù)n五、塔板流動性能校核1塔板流體力學(xué)驗算的目的是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。驗算項目如下： 1）、塔板阻力的計算和校核 2）、溢流液泛 3）、液沫夾帶量 4）、液體在降液管中停留時間校核 5）、漏液 五、塔板流動性能校核1塔板流體力學(xué)驗算的目的是檢驗以上初算塔塔板負(fù)荷性能圖最小液體負(fù)荷線漏液線最大液體負(fù)荷線降液管液泛線霧沫夾帶線塔板負(fù)荷性能圖最小液體負(fù)荷線漏液線最大液體負(fù)荷線降液管液泛線板式塔的結(jié)構(gòu) 塔的總體結(jié)構(gòu) 附屬裝置，如除沫器、人（手）孔、基座，有時外部還有扶梯或平臺。此外，在塔體上有時還焊有保溫材料的支承圈。為了檢修方便，有時在塔頂裝有可轉(zhuǎn)動的吊柱。 塔體總高度 HD塔頂空間，m； HB塔底空間，m；HT塔板間距，m；HT開有人孔的塔板間距，m； HF進