板式塔(篩板塔)設(shè)計ppt課件

1、板式塔（篩板塔）設(shè)計,精餾方案選定,相平衡關(guān)系,工藝計算,塔和塔板主要尺寸的設(shè)計,塔體總高及輔助裝置,1. 精餾方案選定,方案選定是指確定整個精餾設(shè)備的流程、主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和主要操作條件。 所選方案必須： （1）滿足工藝要求； （2）操作平穩(wěn)、易于調(diào)節(jié)； （3）經(jīng)濟合理； （4）生產(chǎn)安全,1.1 操作壓力,精餾可在常壓、加壓或減壓下進行。 沸點低、常壓下為氣態(tài)的物料必須選用加壓精餾；熱敏性、高沸點物料常用減壓精餾,1.2 進料狀態(tài),一般將料液預(yù)熱到泡點或接近泡點后送入塔內(nèi)。這樣可使： (1)塔的操作比較容易控制； (2)精餾段和提餾段的上升蒸汽量相近， 塔徑相似，設(shè)計制造比較方便,1.3

2、加熱方式,1）間接蒸汽加熱 （2）直接蒸汽加熱 適用場合：待分離物系為某輕組分和水的混合 物。 優(yōu)點：可省去再沸器；并可利用壓力較低的蒸 汽進行加熱。操作費用和設(shè)備費用均可 降低,2. 相平衡關(guān)系,2.1 圖 查取操作壓力下的氣相摩爾分率 和相應(yīng)的液相摩爾分率 ，標(biāo)繪 圖,2.2 相對揮發(fā)度 對于理想物系 飽和蒸汽壓可直接由手冊查取，或由Antoine方程計算。 全塔平均相對揮發(fā)度 分別為塔頂、加料、塔底組成的相 對揮發(fā)度。 汽液相平衡關(guān)系,3. 工藝計算,3.1 物料衡算 物料衡算的任務(wù) （1）由設(shè)計任務(wù)所給定的F、 求D、W （2） 在q和R選定后，計算,3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程

3、 精餾段： 提餾段,3.2 回流比的選定,選擇原則：使塔的設(shè)備費用和操作費用的總和最低， 同時應(yīng)考慮到操作時的調(diào)節(jié)彈性。 選擇方法： （1） 參考生產(chǎn)現(xiàn)場所提供的回流比數(shù)據(jù)； （2） 回流比取最小回流比Rmin的1.22倍； （3） 先求最少理論板數(shù) Nmin , 以理論板數(shù)為Nmin 的兩倍求取回流比R； （4） 作出回流比R和理論板數(shù)N的曲線圖，在曲線 圖上確定合適的回流比R,3.3理論板數(shù)的確定,1）若物系符合恒摩爾流假定，可用逐板計算法或圖解法求取理論板數(shù)NT及理論加料板位置。 （2）對于非恒摩爾流物系，應(yīng)在焓濃度圖上圖解求取理論板數(shù),3.4實際塔板數(shù)的確定,3.4.1 實際塔板數(shù)及實

4、際加料板位置的確定 塔釜為一塊理論板 式中 N 塔內(nèi)實際板數(shù) NT 理論板數(shù) ET 全塔總效率,式中 Nm 實際加料板位置 NR 精餾段理論板數(shù) 由于在計算中引用了諸多簡化假定，Nm與實際情況有一定偏差。所以在設(shè)計時可在Nm的上下各多設(shè)一個加料口，待開車調(diào)試時再確定最佳實際加料板位置,3.4.2塔板效率的估計,塔板效率與物系性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及操作條件等眾多因素有關(guān)，尚無精確的計算方法。 常用的估計方法有： （1）參考生產(chǎn)現(xiàn)場同類型的塔板、物系性質(zhì) 相同（或相近）的塔板效率數(shù)據(jù)。 （2） （3）朱汝瑾公式 （4）Van Winkle 關(guān)聯(lián) （5）AIChE 法,Oconnell關(guān)聯(lián)圖,ET 全塔效

5、率 塔頂、塔底平均溫 度下的相對揮發(fā)度 液體平均粘度， mNs/m2; 溫度以塔 頂、塔底平均溫度 計；組成以進料組 成計,圖 1 精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)圖,3.5 熱量衡算,目的：確定再沸器的熱負荷和冷凝器的冷卻負荷。 塔頂蒸汽帶出熱量Qv=VIv (I 焓，kJ/kg) 塔底產(chǎn)品帶出熱量Qw=WIw 進料帶入熱量 QF=FIF 回流帶入熱量 QL=LIL 塔釜加熱量 QB 設(shè)備熱損失 Qn0.1QB 總熱量衡算 Qv+Qw+Qn=QL+QF+QB QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF,塔頂冷凝器帶走的熱量 QC 塔頂產(chǎn)品帶走的熱量 QD = DID 冷凝器熱量衡算 QV = QC+QD+QL

6、塔頂冷凝器冷卻負荷 QC = QV-QD-QL 若為恒摩爾流，塔頂全凝，泡點回流且熱損失很小，則可化簡計算： QB QC = Vrc 式中rc 組成為 的混合液的平均氣化熱 rb 組成為 的混合液的平均氣化熱,4. 塔和塔板主要尺寸的設(shè)計,4.1 塔和塔板設(shè)計的主要依據(jù) 進行塔和塔板設(shè)計時，所依據(jù)的主要參數(shù)是： 汽相 流量 VS ( m/s ), 密度 V ( kg/m ) 液相 流量 LS ( m/s ), 密度 L ( kg/m ) 表面張力 （ mN/m ） 注意：由于各塊塔板的組成和溫度不同，所以各塊塔板上的上述參數(shù)均不同，設(shè)計時應(yīng)取平均值。具體方法如下： (1) 若V、L變化不大，可

7、以精餾段或提餾段的平均值為代表進行設(shè)計. (2) 若V、L變化較大，應(yīng)分段處理，各段分別取平均值進行設(shè)計,4.2塔板的設(shè)計參數(shù),篩板塔設(shè)計必須確定的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有（參閱 ）： （1）塔板直徑D； （2）板間距HT； （3）溢流堰的型式，長度 和高度 hw； （4）降液管型式、降液管底部與塔板間的距離ho； （5）液體進、出口安定區(qū)的寬度Ws、Ws ,邊緣 區(qū)寬度Wc； （6）篩孔直徑do,孔間距t,圖 2,圖 2 篩板的板面布置及主要尺寸,4.3 篩孔塔板的設(shè)計程序,塔板設(shè)計的基本程序是： （1）選擇板間距和初步確定塔徑； （2）根據(jù)初選塔徑，對篩板進行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計； （3）對所設(shè)計的塔板進

8、行流體力學(xué)校核，如有必 要，需對某些結(jié)構(gòu)參數(shù)加以調(diào)整,4.3.1板間距的選擇和塔徑的初步確定,一、板間距的選擇 HT的大小與液泛和霧沫夾帶有密切關(guān)系 理論上，存在一個經(jīng)濟上最佳的HT； 實際上，HT的選擇常取決于制造和維修的方便，可參考下表選擇。 表 1 不同塔徑的板間距參考表,二、塔徑計算 HT選定之后，可根據(jù)夾帶液泛條件初步確定D。具體方法是： (1)計算液泛速度 式中 氣體負荷因子，m/s；可由 查取 液相表面張力，mN/m 氣、液相密度，kg / m 注意： 是以塔內(nèi)氣體流通面積，即塔的橫截面積減去降液管面積（AT Af ）為依據(jù)計算的,圖 3,圖 3 篩板塔的泛點關(guān)聯(lián)圖,2) 確定泛

9、點百分率 泛點百分率可取為0.8 0.85；對易起泡物系可取為0.75。泛點百分率確定后，便可計算出,3) 確定液流型式和 液流型式可由 確定 的選取與液體流量L及系統(tǒng)發(fā)泡情況有關(guān)。 單流型： = 0.6 0.8 雙流型： = 0.5 0.7 對易發(fā)泡的物質(zhì)： 可取得高一些 當(dāng)液流型式和 確定后，降液管面積Af 和塔板總面積AT之比可由 求得,表 2,圖 4,表 2 選擇液流型式的參考表,圖 4 弓型降液管的寬度與面積,4) 計算塔徑 塔內(nèi)氣體流通面積 且 已求出，所以AT可確定。 塔徑 根據(jù)塔設(shè)備系列化規(guī)格，將D 圓整后作為初選塔徑,4.3.2 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計,一、溢流堰的型式和高度的選擇 （

10、1）溢流堰一般為平頂?shù)?，?dāng)堰上液高how6mm時應(yīng)采用齒形堰。 （2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫層亦低，相際接觸表面?。籬w太高，液層阻力大，板壓降高。 堰高hw可參考下表選定,表 3 各種操作情況的堰高參考表,二、降液管和受液盤的結(jié)構(gòu)和有關(guān)尺寸的選擇 (1)降液管分為圓形降液管和弓形降液管兩種，一般多采用弓形降液管。 (2) 受液盤有平型和凹型兩種型式，對直徑大于800mm的塔板推薦使用凹形受液盤。 (3) 為保證液封, ho應(yīng)小于hw , 但不應(yīng)小于20 25mm以免堵塞,三、安定區(qū)和邊緣區(qū)寬度的選擇 Ws可取為50 100mm Ws 一般等于Ws Wc與塔徑有關(guān)，一般可取25 50 m

11、m Ws、Ws、Wc取定以后，單流型塔板的有效傳質(zhì)面積Aa可以確定,式中 分別為弓形降液管和受液盤的寬 度，m?？捎蓤D 4查出,四、孔徑和開孔率的選擇 (1) 孔徑do的選擇 do小，加工麻煩，易堵塞；但不易漏液，操作彈性大。 do大，加工容易，不易堵塞；但漏液點高，操作彈性小。 推薦取3 8mm (2) 的選擇 小，相際接觸表面小，且板壓降大。 大，干板壓降小且漏液點高，操作彈性下降。 一般情況下，可取孔間距 t = (2.55 ) do,開孔率,開孔率 是孔徑與孔間距t的比值d0 /t決定的,式中 Ao 篩孔總面積 Aa 有效面積,4.3.3塔板的校核,一、板壓降的校核 板壓降等于干板壓降

12、與液層阻力之和，即 (1) 干板壓降,圖 5 干板孔流系數(shù),圖中 塔板厚度，一般碳 鋼塔板取34mm;合 金鋼板取22.5 mm do 孔徑,2) 液層阻力 式中堰上液高,E,Fa,為液層充氣系數(shù)，可由圖 7 求取 若算出的板壓降hf 超過允許值，可增大開孔率 或降低堰高hw使hf下降,圖 7 充氣系數(shù)和動能因子Fa間的關(guān)系,E為校正系數(shù)，也稱液流收縮系數(shù)，其值可由圖 6 查出,圖3-6 液流收縮系數(shù),式中 以塔截面積與降液面積之差即 為基準(zhǔn)計算的氣體 速度，m/s,二、液沫夾帶的校核 為使篩板具有較高的板效率，應(yīng)控制液沫夾帶量ev 0.1kg液體/kg干氣，可增大塔徑或板間距使ev下降,圖

13、8,圖 8 液沫夾帶關(guān)聯(lián)圖,三、溢流液泛條件的校核 為避免發(fā)生溢流液泛，必須滿足 式中相對泡沫密度 與物系的發(fā)泡性有關(guān)： 對一般物系， 可取為0.5；對不易發(fā)泡物系 可取為0.60.7; 對于容易發(fā)泡物系，可取為0.30.4,降液管內(nèi)清液高度 其中hw已選定，hf , how前已算出，其余二項分別計算如下： (a) 液面落差 對篩板塔，液面落差通常可忽略不計。 (b) 降液管阻力 主要集中于降液管出口，可由下式計算,四、液體在降液管內(nèi)停留時間的校核 為避免嚴重的氣泡夾帶現(xiàn)象，通常規(guī)定液體在降液管的停留時間不小于35s,即 對易起泡物系，可取其中較高數(shù)值,五、 漏液點的校核 為使塔板具有足夠的操

14、作彈性，通常要求設(shè)計孔速uo與漏液點孔速uow之比不小于1.52.0，即 k稱為篩板的穩(wěn)定系數(shù),漏液點的干板壓降hd 或漏液點孔速uow與板上當(dāng)量清液高度hc有關(guān)，Davies和Gordon對hd和hc進行了關(guān)聯(lián)，結(jié)果如右圖所示,圖 9 篩板漏液點關(guān)聯(lián)圖,圖中hc為漏液點當(dāng)量清液高度，可由下式計算 式中： 氣體的動能因子， 以面積（AT -2Af）計算的漏液點氣 速，m/s。 利用上式和圖 9可以試差求出漏液點的干板壓降和相應(yīng)的孔速 。 若算出的k 值太小，可減少開孔率 和降低堰高hw,4.3.4負荷性能圖,對一定物系和一定的塔結(jié)構(gòu)，必相應(yīng)有一個適宜的氣液流量范圍。該范圍即為塔板負荷性能圖所包

15、圍的區(qū)域。 圖 10 篩板塔的負荷性能圖,V/(m/h,圖中線1為過量液沫夾帶線。其位置通常是以液沫夾帶量ev=0.1kg液體/kg干氣為依據(jù)確定的。 圖中線2為漏液線。其位置可根據(jù)漏液點氣速確定。 圖中線3為溢流液泛線。該線可根據(jù)溢流液泛的產(chǎn)生條件確定。 圖中線4為液量下限線。其位置可根據(jù)how=6mm確定。 圖中線5為液量上限線。其位置可根據(jù)液體在降液管中停留時間不小于35s確定。 負荷性能圖對于現(xiàn)有塔的操作、塔板的改造和設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義,5.塔體總高及輔助裝置,5.1塔體總高度 塔總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定 H = HD+(N2S)HT+SHT+HF+HB 式中H 塔高（不包括裙

16、座），m 塔頂空間，m HT 塔板間距，m 開有人孔的塔板間距，m 進料段高度，m 塔底空間，m N 實際塔板數(shù) 人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間 的人孔,HD,HT,HF,HB,S,塔頂空間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，減少塔頂出口氣體中液體夾帶。一般HD取1.01.5m,HT應(yīng)大于或等于600mm,一般HF要比HT大，有時要大一倍，以保證防沖設(shè)施的安裝,塔底空間具有中間貯槽的作用，釜液在此應(yīng)有1015分鐘的儲量,對于易結(jié)垢、結(jié)焦的物料每隔46塊板開一個人孔；對于較清潔的物料，可每隔810板開一個人孔。人孔直徑一般450550mm,5.2接管尺寸,5.2.1塔

17、頂蒸汽管 式中 Vs 汽相流量，m/s; 蒸汽速度，m/s。常壓操作取12 20m/s,5.2.2回流管dR,式中 Lh 回流液量，kg/h; L 液相密度，kg/m; 液相在回流管內(nèi)速度，m/s。 重力回流取0.20.5m/s; 強制回 流取1.52.5m/s,5.2.3進料管df,式中 F 進料量，kg/h; 進料管內(nèi)流速，一般取0.40.8 m/s;由泵輸送時取1.52.5m/s,5.2.4 塔釜出料管dw,式中 W 塔釜出料量，kg/h; 塔釜出料速度，一般取0.51.0m/s 注意：所有計算所得尺寸均應(yīng)圓整到相應(yīng)規(guī)格的管 徑,5.3 回流冷凝器,5.3.1 回流型式 （1）小型塔冷凝器可安裝在塔頂，冷凝液由重力作用回流入塔。 （2）大型塔冷凝器安裝在地面或平臺上，回流液由泵輸送，即強制回流。 冷凝器常采用管殼式換熱器，一般認為臥式殼程冷凝較好,5.3.2 工藝計算,回流冷凝器的工藝計算內(nèi)容包括： (1)按工藝要求決定冷凝器的熱負荷QR，選擇冷卻劑、冷 卻劑進出口溫度并計算冷卻劑用量； (2)初