筛板精馏塔设计.pptx

常压分离环己醇苯酚连续操作筛板精馏塔工艺设计任务书 基础设计数据：1.处理能力：50000 t/a（年工作按8000小时计）2.进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2%塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99%5.塔顶压强：101kPa（绝压）6.公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38 导热油：进口温度260，出口温度250 第1页/共78页总体要求：绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，编制设计说明书。1.精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。2.精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。3.换热器设计：确定冷热流体流动方式，根据换热面积初选换热器；核算总传热系数；计算实际传热面积；选定换热器型号，计算管程、壳程压降。说明：1.写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。2.每项设计结束后，列出计算结果明细表。3.设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册。第2页/共78页v带控制点工艺流程图带控制点工艺流程图,用用3 3号图纸画号图纸画v塔设备条件图（带管口）塔设备条件图（带管口）,用用3 3号图纸画号图纸画v其余工艺设计图其余工艺设计图,用坐标纸用坐标纸课程设计的要求课程设计的要求注意事项注意事项:写出详细计算步骤写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源并注明选用数据的来源 每项设计结束后每项设计结束后,列出计算结果明细表列出计算结果明细表 设计说明书要求字迹工整设计说明书要求字迹工整,装订成册上交装订成册上交第3页/共78页学号1-10号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成45000t/a55000t/a35%65%72%28%学号11-21号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成55000t/a45000t/a32%68%72%28%学号22以后单号双号处理量环己醇组成苯酚组成50000t/a45000t/a26%74%77%23%第4页/共78页计算说明书目录计算说明书目录1.设计任务书设计任务书2.带控制点工艺流程图与工艺说明带控制点工艺流程图与工艺说明3.精馏塔工艺计算精馏塔工艺计算4.塔板结构设计塔板结构设计5.换热器选型换热器选型6.精馏塔工艺条件图精馏塔工艺条件图7.塔板结构设计结果汇总塔板结构设计结果汇总8.符号说明符号说明9.结束语结束语第5页/共78页常压分离环己醇常压分离环己醇苯酚连续操作筛板塔设计计算示例苯酚连续操作筛板塔设计计算示例 1.设计任务书按要求填入处理量和进料组成2.带控制点工艺流程图与工艺说明（1）带控制点工艺流程图（2）操作压力的选择（3）工艺流程叙述第6页/共78页第7页/共78页3.精馏塔工艺计算精馏塔工艺计算3.1平均相对挥发度的计算 181.90.0000.000179.10.0250.0994.28176.40.0500.1864.34173.80.0750.2634.40171.30.1000.3334.49txy i说明：平均相对挥发度为 5.62 3.2绘制t-x-y图及x-y图 在坐标纸上绘图，上大小要求t-x-y图为1010cm，x-y图为 2020cm第8页/共78页 项 目 数 值进料流量F，kmol/h塔顶产品流量D，kmol/h塔釜残液流量W，kmol/h进料组成，xF(摩尔分数）塔顶产品组成，xD(摩尔分数）塔釜残液组成，xW(摩尔分数）表1 物料衡算表3.3全塔物料衡算 料液平均分子量：Mm=0.3100+0.794=95.8进料流量：F=50000103/800095.8=65.24 kmol/hF=D+W D=19.5 kmol/hFxf=DxD+Wxw W=45.74 kmol/h 第9页/共78页3.4实际板数及进料位置的确定1.确定最小回流比Rmin 2.确定操作回流比R 由Fenske方程计算最小理论板数Nmin 第10页/共78页利用吉利兰关联图，计算NT R如下：0.86314.70.98811.81.14010.71.2929.91.4449.3RNT1.5209.0绘制NT R关系图，找出最佳回流比。说明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0)Rmin 6 个点第11页/共78页 图解法求得NT=5.5（不包括塔釜）加料板位置nT=3.0 3.图解法求理论板数及加料板位置4.4.实际板数及加料板位置的确定 全塔效率由Oconnell关联式计算：第12页/共78页回流比回流比理论板数理论板数板效率板效率实际板数实际板数理论加料位置理论加料位置实际加料位置实际加料位置表表2 2 塔板计算结果塔板计算结果第13页/共78页 包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初形式的确定，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，估与计算，降液管的选型及系列参数的计算，塔板布置和筛孔塔板布置和筛孔/阀孔的布置等，最后是水力阀孔的布置等，最后是水力学校核和负荷性能图。学校核和负荷性能图。4.塔板结构设计第14页/共78页第15页/共78页4.1常用塔板的类型（1）泡罩塔优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。塔板是气液两相接触传质的场所，为提高塔板性能，采用各种形式塔板。组成：升气管和泡罩第16页/共78页圆形泡罩条形泡罩泡罩塔第17页/共78页（2）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径d0：3-8 mm;大孔径筛板d0：12-25 mm。lwWD第18页/共78页（3）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀第19页/共78页优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀第20页/共78页（4）喷射型塔板气流方向：垂直 小角度倾斜，改善液沫夹带、液面落差。气液接触状态：喷射状态连续相：气相；分散相：液相 促进两相传质。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。缺点：气泡夹带现象比较严重。20=R2550三面切口舌片;拱形舌片;5050mm定向舌片的尺寸和倾角舌形塔板：第21页/共78页溢流堰降液管安定区塔板连接区受液区液体分布区导向孔1015208111520液流方向3035.74.7(a)斜孔结构之一(b)塔板布置斜孔塔板（5）斜孔塔板第22页/共78页AA降液管进口堰压延金属板A-A 剖视图网孔塔板（6）网孔塔板第23页/共78页垂直筛板液相塔板泡罩气相（6）垂直筛板第24页/共78页（7）多降液管（MD）塔板 优点：提高允许液体流量第25页/共78页（8）林德筛板（导向筛板）应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。斜台：抵消液面落差的影响。导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。液流(a)斜台装置液流液流(b)导向孔 林德筛板第26页/共78页（9）无溢流塔板 有溢流塔板：有降液管的塔板；无溢流塔板：无降液管的塔板；形式：无溢流栅板和无溢流筛板；特点：生产能力大，结构简单，塔板阻力小；但操作弹性小，塔板效率低。冲制栅板由金属条组成的栅板无溢流筛板第27页/共78页设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）：液相密度 L=950kg/m3汽相密度 V=PM/RT=2.92kg/m3液相表面张力=32dyn/cm汽相流量VS=(R+1)DM/3600 V=0.408m3/s 液相流量LS=RDM/3600 L=0.000684m3/s 第28页/共78页4.2初估塔径 取板间距HT=350 mm，板上液层厚度hL=0.07 m，则HT-hL=0.28m。塔板间距和塔径的经验关系说明：工业塔中，板间距范围200900 mm两相流动参数FLV=则液泛气速：第29页/共78页对于筛板塔、浮阀、泡罩塔，可查图，C20=(HT、FLV)C20：=20 dyn/cm 时的气体负荷因子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塔板泛点关联图第30页/共78页取操作气速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893 m/s则气体流通面积 An=VS/u=0.457 m2 选取单溢流塔盘，取lw/D=0.7，查图得A f/AT=0.088 则塔截面积：塔径 D=，圆整为0.8m 说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准：300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200m 等第31页/共78页由此重新计算：A T=0.785D2=0.5024 m2 A f=0.088AT=0.0442 m2 A n=AT-Af=0.4582 m2 u=VS/An=0.89 m/s实际泛点百分率：u/u f=0.75 注意：1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率。2）校核HT与D的范围。第32页/共78页D-塔径hw-堰高how-堰上液层高度HT-板间距ho-降液管底隙高度Hd-降液管内清液层高度hL-板上液层高度 h hL L=h=hww+h+howow 溢流装置（1020cm）4.3塔板结构设计4.3.1溢流装置溢流型式的选择依据：塔径、流量；型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。第33页/共78页降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Af/AT 确定；底隙高度 h0：通常在 40 60 mm。第34页/共78页溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。0第35页/共78页采用弓形降液管，平堰及平型受液盘，l w=0.7D=0.56 m堰上液层高度 堰高 h w=h L-h o w=0.06238 m液管底隙高度 h o=h w-0.006=0.05638 m 要求：本设计采用本设计采用:第36页/共78页一般取安定区宽度 WS=（50-100）mm一般取边缘区宽度 WC=（30-50）mm 4.3.2塔盘布置WCWDWSlWrx塔盘布置图（1020cm）1.受液区和降液区一般两区面积相等。2.入口安定区和出口安定区。第37页/共78页取筛孔直径d o=（38）mm，孔径比取 t/d0=3.0-3.5由l w/D=0.7，查图得 Wd/D=0.15则 Wd=0.15D=0.12 m x=D/2-(Wd+Ws)=0.21 m r=D/2-Wc=0.36 m 鼓泡区面积：开孔率 =A0/A a=0.907/(t/d0)2=0.074 筛孔面积 A 0=Aa=0.021 m2 筛孔气速 u 0=VS/A 0=19.43 m/s 筛孔数目 n=4 A 0/d02=1672个 以Aa为面积计算的气速 ua=VS/Aa3.筛板塔有效传质区布置 d0t正三角排列第38页/共78页4.4塔板流体力学校核4.4.1塔板阻力塔板阻力塔板阻力 hf包括 以下几部分:（a）干板阻力 hd 气体通过板上孔的阻力（无液体时）；（b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。可用清液柱高度表示：（a）干板阻力hd第39页/共78页d0/C0塔板孔流系数查得 孔流系数C0=0.75，则：取板厚 =3 mm，第40页/共78页（b）液层阻力hl查图得充气系数=0.58于是：于是：第41页/共78页说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。（2）对于常压和加压塔，塔板阻力一般没有什么特别要求。（3）对于减压塔，塔板阻力有一定的要求。（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）故塔板阻力：第42页/共78页4.4.2液沫夹带量校核 单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev：kg 液体/kg气体，或 kmol液体/kmol气体。指标为ev 0.1。液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：方法1：利用Fair关联图，由和实际泛点百分率0.75，查得=0.08，进而求出ev=0.0470.1。ev的计算方法：(1)筛板塔液沫夹带量校核第43页/共78页方法2：用亨特（Hunt）经验公式计算ev：说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。式中Hf 为板上泡沫层高度：要求：ev 0.1 kg 液体/kg气体第44页/共78页4.4.3降液管溢流液泛校核(1)筛板塔降液管溢流液泛校核降液管中清液柱高度(m)：（a）液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时：一般要求：0.5h0第45页/共78页主要为底隙阻力，而进口堰阻力一般为0（当无进口堰时）：（b b）液体通过降液管阻力hf 降液管中泡沫层高度：要求：说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或增大塔板间距。对不易起泡物系：易起泡物系：而 H d/=0.34 (HT+hw)=0.41 第46页/共78页4.4.4液体在降液管中停留时间校核目的：避免严重的气泡夹带降低板效率。停留时间：要求：说明：停留时间过小，可增加降液管面积或增大塔板间距。第47页/共78页（a）计算严重漏液时干板阻力 hd（b）计算漏液点气速 uow说明：如果稳定系数k过小，可减小开孔率或降低堰高。（5）严重漏液校核 漏液点气速uow：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：要求：（c）计算稳定系数第48页/共78页4.5塔板负荷性能图 在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进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，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范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。表示。第49页/共78页操作弹性=Vmax/Vmin第50页/共78页（1）漏液线）漏液线(第一点：L h=L S（0.000684）3600=2.46 m3/h V h=A0 u ow3600=491.4 m3/h第二点：取L h=10 m3/h，同样可以计算得到：u ow=7.5 m/s，则V h=A0 u ow3600=567 m3/h 在图中作平行与横坐标的直线即可。第51页/共78页漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速。第52页/共78页（2）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）(规定：ev=0.1（kg 液体/kg气体）为限制条件。把u、Hf、how和hw的计算公式代入ev计算公式，得到Vh和Lh的关系式，作图。第53页/共78页原因：气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。第54页/共78页（3）液相负荷下限线）液相负荷下限线(对于平直堰，一般取堰上液层高度对于平直堰，一般取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，低于此限便不能保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。证板上液流均匀分布，降低气液接触效果。依此式可求得液相负荷下限，据此作出液依此式可求得液相负荷下限，据此作出液相负荷下限线相负荷下限线(3)。塔板的适宜操作区应在竖直。塔板的适宜操作区应在竖直线线(3)的右方。的右方。第55页/共78页（4）液相负荷上限线）液相负荷上限线(此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过求。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，造成气相返其中气泡来不及放出就进入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。混，降低塔板效率。依此式可求得液相负荷上限，据此作出液依此式可求得液相负荷上限，据此作出液相负荷上限线相负荷上限线(4)。塔板的适宜操作区应在竖直。塔板的适宜操作区应在竖直线线(4)的左方。的左方。第56页/共78页（5）液泛线）液泛线(液泛线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时，液泛线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时，破坏塔的正常操作。破坏塔的正常操作。由以下公式得到Vh和Lh的关系式：第57页/共78页液泛现象第58页/共78页5.换热器选型5.1换热器的初步选型（1）塔顶冷凝器 热负荷QC=(R+1)D(IVD-ILD)=(R+1)DMDrD=4.63105 kcal/h。取冷却水的进口温度为32，出口温度为38，则换热平均温 差tm=87.3，取换热系数K=350 w/m2，则所需换热面积：S=4.631051034.18/(360035087.3)=17.7 m2 选择型号：标准系列JB1145-73 Fg18（双程）第59页/共78页（2）塔底再沸器 热负荷QB=(R+1)DMBrB=2.08106 kJ/h。取导热油进口温度为260，出口温度为250，则换热平均温差tm=57.5，取换热系数K=500 w /m2；则所需换热面积：S=2.08106103/(360050057.5)=20.0 m2 选择型号：标准系列JB1145-73 Fg20（单程）第60页/共78页5.2塔顶冷凝器设计设计步骤：（1）根据工艺要求，确定换热器类型；（2）根据物料情况，确定流体流径（管程、壳程的安排）；（3）确定定性温度下冷热流体的物性数据；（4）计算热负荷、冷却水量以及传热温差；（5）根据经验，初步估计K值；高温流体低温流体K值推荐/kcal/m2.h.有机蒸汽水350-650高沸点碳氢化合物蒸汽水450-850有机蒸汽与水蒸汽混合物水400-750油汽蒸汽水350-450水蒸汽水1500-2500甲醇蒸汽水450-550第61页/共78页（6）由传热方程Q=KAtmtm计算换热面积。考虑10%-15%的裕度，确定面积；（7）根据换热器类型和面积，选定换热器型号,列出该换热器的参数；换热器参数表外壳直径D/mm公称压力P/Mpa公称面积A/m2管程数Np管子排列方式管子尺寸/mm管长l/m管数NT/根管心距t/mm5001.6572正方形25252.52.53 324832第62页/共78页（8）计算管程给热系数ai利用以下公式计算：其中管程流动面积：管程流体流速：雷诺准数：（9）计算总传热系数K第63页/共78页（10）计算传热面积温度校正系数：根据R和P查温度校正系数实际传热温差为计算传热面积为实际传热面积为若则所选换热器合适，否则重新选择第64页/共78页（11）计算管程压力降（12）计算壳程压力降ft为管程结垢校正系数,对三角形排列的取1.5对正方形排列的取1.4第65页/共78页换热器设计计算结果汇总换热器设计计算结果汇总第66页/共78页塔顶冷凝器设计计算结果汇总表塔顶冷凝器设计计算结果汇总表项目项目数值数值备注备注换热器类型换热器类型固定管板式固定管板式换热器面积换热器面积57m2管程流体管程流体冷却水冷却水壳程流体壳程流体塔顶汽相塔顶汽相外壳直径外壳直径500mm管程流速管程流速2.5m/s壳程流速壳程流速12.5m/s管程数管程数双程双程管子长度管子长度3.0m管子尺寸管子尺寸25252.52.5正方形排列正方形排列管程压降管程压降壳程压降壳程压降3.7kpa5.3kpa折流板型式弓形折流板折流板间距200mm第67页/共78页v塔顶空间塔顶空间HD 塔顶空间HD的作用是供安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，一般取11.5m。v塔底空间塔底空间HB 塔底空间HB具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有1015分钟的储量，以保证塔釜料液不致迅速排完，一般取2.02.5m。6.1塔体总高塔体总高6.精馏塔工艺条件图第68页/共78页v人孔人孔一般每隔一般每隔68层塔板设一人孔（供安装、检修层塔板设一人孔（供安装、检修用），人孔处板间距用），人孔处板间距650mm，人孔直径一般为，人孔直径一般为450550mm,其伸出塔体的筒体长为其伸出塔体的筒体长为200250mm,人孔中心距操作平台约人孔中心距操作平台约8001200mm。第69页/共78页v塔高塔高H=(n-nH=(n-np p-2)H-2)HT T+H+HF F+n+nP PH Hp p+H+HD D+H+HB Bn n实际塔板数实际塔板数 H HF F进料板处板间距，进料板处板间距，m mn nP P人孔数人孔数H Hp p人孔处的板间距，取人孔处的板间距，取0.8m0.8mH HD D塔顶空间，塔顶空间，m m（不包括头盖部分）（不包括头盖部分）H HB B塔底空间，塔底空间，m m（不包括底盖部分）（不包括底盖部分）H HT T板间距，板间距，m m进料板处间距进料板处间距HF取取1000mm塔底空间高度塔底空间高度HB取取2500mm塔顶空间高度塔顶空间高度HD取取1000mm第70页/共78页（1）塔顶汽相管径dp 塔顶汽相出口流速uv与塔的操作压力有关，常压可取1220m/s，减压可取2030m/s。6.2精馏塔配管尺寸的计算精馏塔配管尺寸的计算（2）回流液管径dR 回流量前已算出，自回流的流速范围为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速uR可取11.5 m/s。第71页/共78页（3 3）加料管径）加料管径dF 料液由泵送时流速料液由泵送时流速uF可取可取1.51.5 2.0m/s2.0m/s。（4 4）釜液排出管径）釜液排出管径dw 塔釜液出塔的流速塔釜液出塔的流速uw可取可取0.50.5 1.0m/s1.0m/s。第72页/共78页（5 5）再沸器返塔蒸汽管径）再沸器返塔蒸汽管径d dv v常压与加压塔流速常压与加压塔流速uv可取可取10m/s，减压塔可，减压塔可取取15m/s。说明：以上计算的管径，均应圆整到相应规格说明：以上计算的管径，均应圆整到相应规格的管径，有以下两种方法表示：的管径，有以下两种方法表示：（A）DN50（B）563第73页/共78页6.3精馏塔工艺尺寸图精馏塔工艺尺寸图第74页/共78页6.4进料泵的选型进料泵的选型泵的选型参数为：流量（m3/h）和扬程（m）。泵的流量（m3/h）：进料量。泵的扬程根据伯努利方程计算：根据计算得到的流量（m3/h）和扬程（m）选择合适的离心泵。第75页/共78页7.塔板结构设计结果汇总塔板结构计算结果汇总塔板结构计算结果汇总项项目目数值或说明数值或说明备备注注塔径/mm塔板数/块板间距/mm塔板类型溢流堰类型堰长/mm堰高/mm降液管底隙高度/mm筛孔个数/个孔速/m/s开孔率/%板压降/mmH2O降液管内液体停留时间/s降液管内液体清液层高度/mm泛点率/%操作弹性第76页/共78页8.符号说明D塔径，mm；HT 板间离，mm；AT 塔截面积，m2；Af 降液管面积，m2；9.结束语第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页