板式精餾塔的設計--化工原理課程設計

1、化工原理課程設計教案板式精餾塔的設計緒論. 錯誤!未定義書簽。第一節(jié)概述 (111.1精餾操作對塔設備的要求 (111.2板式塔類型 (111.3精餾塔的設計步驟 (13第二節(jié)設計方案的確定 (142.1操作條件的確定 (142.2確定設計方案的原則 (16第三節(jié)板式精餾塔的工藝計算 (173.1 物料衡算與操作線方程 (17第四節(jié)板式塔主要尺寸的設計計算 (214.1塔的有效高度和板間距的初選 (214.2 塔徑 (22第五節(jié)板式塔的結構 (255.1塔的總體結構 (255.2 塔體總高度 (255.3塔板結構 (28第六節(jié)精餾裝置的附屬設備 (296.1 回流冷凝器 (296.2管殼式換熱

2、器的設計與選型 (306.3 再沸器 (316.4接管直徑 (326.4加熱蒸氣鼓泡管 (336.5離心泵的選擇 (33緒論一、化工原理課程設計的目的和要求課程設計是化工原理課程的一個總結性教學環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練。在整個教學計劃中,它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。課程設計不同于平時的作業(yè),在設計中需要學生自己做出決策,即自己確定方案,選擇流程,查取資料,進行過程和設備計算,并要對自己的選擇做出論證和核算,經(jīng)過反復的分析比較,擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以,課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。通過課程設計,學

3、生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(yǎng):1. 查閱資料,選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集的能力;2. 樹立既考慮技術上的先進性與可行性,又考慮經(jīng)濟上的合理性,并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想,在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力;3. 迅速準確的進行工程計算的能力;4. 用簡潔的文字,清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。二、化工原理課程設計的內(nèi)容和步驟(一課程設計的基本內(nèi)容1. 設計方案簡介對給定或選定的工藝流程,主要的設備型式進行簡要的論述;2. 主要設備的工藝設計計算包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計;3.

4、 典型輔助設備的選型和計算包括典型輔助設備的主要工藝尺寸計算和設備型號規(guī)格的選定;4. 帶控制點的工藝流程簡圖以單線圖的形式繪制,標出主體設備和輔助設備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測量點;5. 主體設備工藝條件圖圖面上應包括設備的主要工藝尺寸,技術特性表和接管表;完整的課程設計由說明書和圖紙兩部分組成。說明書是設計的書面總結,也是后續(xù)設計工作的主要依據(jù),應包括以下主要內(nèi)容:(1封面(課程設計題目、班級、姓名、指導教師、時間;(2目錄;(3設計任務書;(4設計方案簡介;(5設計條件及主要物性參數(shù)表;(6工藝設計計算;(7輔助設備的計算及選型;(8設計結果匯總表;(9設計評述及設計者對

5、本設計有關問題的討論;(10工藝流程圖及設備工藝條件圖;(11參考資料。(二課程設計的步驟1. 動員和布置任務;2. 閱讀指導書和查閱資料;3. 現(xiàn)場調(diào)查;4. 設計計算,繪圖和編寫說明書;5. 考核和答辯。整個設計是由論述、計算和繪圖三部分組成。論述應該條理清晰,觀點明確;計算要求方法正確,誤差小于設計要求,計算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處;圖表應能簡要表達計算的結果。設計后期的答辯,及時了解學生設計能力的補充過程,也是提高設計水平,交流心得和擴大收獲的重要過程。答辯通常包括個別答辯和公開答辯兩種形式。個別答辯的目的不僅是對學生進行全面考核,更主要的是促進學生開動腦筋,提高設計水平。所以,在個

6、別答辯后,應允許學生修改補充自己的圖紙和說明書。公開答辯是在個別答辯的基礎上,選出幾個有代表性的學生在全班公開答辯,實際上是以他們的中心發(fā)言來引導全班性的討論,目的是交流心得、探討問題和擴大收獲。三、帶控制點的工藝流程圖的繪制帶控制點的工藝流程圖是一種示意性的圖樣,它以形象的圖形、符號、代號表示出化工設備、管路、附件和儀表自控等,借以表達出一個生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。工藝流程圖繪制范圍如下:必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設備;1. 應全部反映出主要物料管路,并表達出進出裝置界區(qū)的流向;2. 冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽(不包括副產(chǎn)品蒸汽及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設備和管線不

7、在圖內(nèi)表示,僅示意工藝設備使用點的進出位置;3. 標出有助于用戶確認及上級或有關領導審批用的一些工藝數(shù)據(jù)(例如:溫度、壓力、物流的質量流量或體積流量、密度、換熱量等;4. 包括繪制圖例,圖畫上必要的說明和標注,并按圖簽規(guī)定簽署;5. 必須標注工藝設備,工藝物流線上的主要控制點符及調(diào)節(jié)閥等。這里指的控制點符包括被測變量的儀表功能(如調(diào)節(jié)、紀錄、指示、積算、連鎖、報警、分析、檢測及集中,就地儀表等。流程圖的繪制步驟如下:1. 用細實線(0.3mm畫出設備簡單外形,設備一般按1:100或1:50的比例繪制,如某種設備過高(如精餾塔,過大或過小,則可適當放大或縮小;2. 常用設備外形可參照圖0-1所示

8、,對于無示例的設備可繪出其象征性的簡單外形,表明設備的特征即可;3. 用粗實線(0.9mm畫出連接設備的主要物料管線,并注出流向箭頭;4. 物料平衡數(shù)據(jù)可直接在物料管道上用細實線引出并列成表;5. 輔助物料管道(如冷卻水、加熱蒸汽等,用中粗實線(0.6mm表示;6. 設備的布置原則上按流程圖由左至右,圖上一律不標示設備的支腳、支架和平臺等,一般情況下也不標注尺寸。工藝物料的介質代碼自行編制,一般以分子式及其編寫字母表示。輔助物料如公用系統(tǒng)介質代號規(guī)定如表0-1。表0-1 輔助物料和共用系數(shù)介質代號 圖上應標注單元設備的代號,單元設備分類代號見表0-2。表0-2 單元設備分類代號 四、主體設備工

9、藝條件圖主體設備是指在每個單元操作中處于核心地位的關鍵設備,如傳熱中的換熱器,蒸發(fā)中的蒸發(fā)器,蒸餾和吸收中的塔設備(板式塔和填料塔,干燥中的干燥器等。一般,主體設備在不同單元操作中是不同的,即使同一設備在不同單元操作中其作用也不相同,如某一設備在某個單元操作中為主體設備,而在另一單元操作中就可變?yōu)檩o助設備。例如,換熱器在傳熱中為主體設備,而在精餾或干燥操作中就變?yōu)檩o助設備。泵、壓縮機等也有類似情況。主體設備工藝條件圖是將設備的結構設計和工藝尺寸的計算結果用一張總圖表示出來。圖面上應包括如下內(nèi)容:1. 設備圖形指主要尺寸(外形尺寸、結構尺寸、連接尺寸、接管、人孔等; 圖0-1 流程圖設備外形圖例

10、2. 技術特性指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大允許壓強、最高介質溫度、介質的毒性和爆炸危險性;3. 設備組成一覽表注明組成設備的各部件的名稱等。應予以指出,以上設計全過程統(tǒng)稱為設備的工藝設計。完整的設備設計,應在上述工藝設計基礎上再進行機械強度設計,最后提供可供加工制造的施工圖。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學中,屬于化工機械專業(yè)中的專業(yè)課程,在設計部門則屬于機械設計組的職責。第一節(jié)精餾塔的設計1.1精餾操作對塔設備的要求精餾所進行的是氣(汽、液兩相之間的傳質,而作為氣(汽、液兩相傳質所用的塔設備,首先必須要能使氣(汽、液兩相得到充分的接觸,以達到較高的傳質效率。但是,為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要,塔設備還得具

11、備下列各種基本要求:(1 氣(汽、液處理量大,即生產(chǎn)能力大時,仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。(2 操作穩(wěn)定,彈性大,即當塔設備的氣(汽、液負荷有較大范圍的變動時,仍能在較高的傳質效率下進行穩(wěn)定的操作并應保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。(3 流體流動的阻力小,即流體流經(jīng)塔設備的壓力降小,這將大大節(jié)省動力消耗,從而降低操作費用。對于減壓精餾操作,過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度,最終破壞物系的操作。(4 結構簡單,材料耗用量小,制造和安裝容易。(5 耐腐蝕和不易堵塞,方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。(6 塔內(nèi)的滯留量要小。實際上,任何塔設備都難以滿足上述所有要求,況

12、且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點,設計時應根據(jù)物系性質和具體要求,抓住主要矛盾,進行選型。1.2板式塔類型氣-液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔,也可采用填料塔,填料塔的設計將在其他分冊中作詳細介紹,故本書將只介紹板式塔。板式塔為逐級接觸型氣-液傳質設備,其種類繁多,根據(jù)塔板上氣-液接觸元件的不同,可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年、篩板塔(1832年,其后,特別是在本世紀五十年代以后,隨著石油、化學工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了大批新型塔板,如S

13、型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實際使用情況看,主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔,而前兩者使用尤為廣泛,因此,本章只討論浮閥塔與篩板塔的設計。篩板塔也是傳質過程常用的塔設備,它的主要優(yōu)點有:(1 結構比浮閥塔更簡單,易于加工,造價約為泡罩塔的60%,為浮閥塔的80%左右。(2 處理能力大,比同塔徑的泡罩塔可增加1015%。(3 塔板效率高,比泡罩塔高15%左右。(4 壓降較低,每板壓力比泡罩塔約低30%左右。篩板塔的缺點是:(1 塔板安裝的水平度要求較高,否則氣液接觸不勻。(2 操作彈性較小(約23。(3 小孔篩板容易堵塞。浮

14、閥塔是在泡罩塔的基礎上發(fā)展起來的,它主要的改進是取消了升氣管和泡罩,在塔板開孔上設有浮動的浮閥,浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動,自行調(diào)節(jié),使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面,又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質過程中。塔徑從200mm到6400mm,使用效果均較好。國外浮閥塔徑,大者可達10m,塔高可達80m,板數(shù)有的多達數(shù)百塊。浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用,是因為它具有下列特點:(1 處理能力大,比同塔徑的泡罩塔可增加2040%,而接近于篩板塔。(2 操作彈性大,一般約為59

15、,比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。(3 塔板效率高,比泡罩塔高15%左右。(4 壓強小,在常壓塔中每塊板的壓強降一般為400660N/m2。(5 液面梯度小。(6 使用周期長。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。(7 結構簡單,安裝容易,制造費為泡罩塔板的6080%,為篩板塔的120130%。本書雖未包括其它塔板的設計資料,但其設計的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學生在設計時,可以根據(jù)具體條件進行板塔的選型,而不限于選用上述兩種塔板。1.3精餾塔的設計步驟本設計按以下幾個階段進行:(1 設計方案確定和說明。根據(jù)給定任務,對精餾裝置的流程、操作條件、主要設備型式及其材質的

16、選取等進行論述。(2蒸餾塔的工藝計算,確定塔高和塔徑。(3塔板設計:計算塔板各主要工藝尺寸,進行流體力學校核計算。接管尺寸、泵等,并畫出塔的操作性能圖。(4管路及附屬設備的計算與選型,如再沸器、冷凝器。(5 抄寫說明書。(6 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設備圖。第二節(jié)設計方案的確定2.1操作條件的確定確定設計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結構型式和某些操作指標。例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機構和測量控制儀表的設置等。下面結合課程設計的需要,對某些問題作些闡述。進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有

17、密切的聯(lián)系。在實際的生產(chǎn)中進料狀態(tài)有多種,但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中,這主要是由于此時塔的操作比較容易控制,不致受季節(jié)氣溫的影響。此外,在泡點進料時,精餾段與提餾段的塔徑相同,為設計和制造上提供了方便。蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱,設置再沸器。有時也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水,而且在濃度稀薄時溶液的相對揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液,便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是:可以利用壓力較低的蒸汽加熱;在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管,不須安置龐大的傳熱面。這樣,可節(jié)省一些操作費用和設備費用。然而,直接蒸汽加熱,由于蒸汽的不斷通入,對塔底溶液起了稀釋作用,在塔底易揮

18、發(fā)物損失量相同的情況下,塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應較低,因而塔板數(shù)稍有增加。但對有些物系(如酒精與水的二元混合液,當殘液的濃度稀薄時,溶液的相對揮發(fā)度很大,容易分離,故所增加的塔板數(shù)并不多,此時采用直接蒸汽加熱是合適的。值得提及的是,采用直接蒸汽加熱時,加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力,以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對于酒精水溶液,一般采用0.40.7KPa(表壓。飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關系,其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時,飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大,價格較低廉,因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過180時,應考慮采用其它的加熱劑,如煙道氣或熱油。當采用飽和

19、水蒸汽作為加熱劑時,選用較高的蒸汽壓力,可以提高傳熱溫度差,從而提高傳熱效率,但蒸汽壓力的提高對鍋爐提出了更高的要求。同時對于釜液的沸騰,溫度差過大,形成膜狀沸騰,反而對傳熱不利。冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低,可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑,是最經(jīng)濟的。水的入口溫度由氣溫決定,出口溫度由設計者確定。冷卻水出口溫度取得高些,冷卻劑的消耗可以減少,但同時溫度差較小,傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定,但一般不宜超過50,否則溶于水中的無機鹽將析出,生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。精餾過程是組分反復汽化和反復冷凝的過程,耗能較多,

20、如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。選取適宜的回流比,使過程處于最佳條件下進行,可使能耗降至最低。與此同時,合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。若不計進料、餾出液和釜液間的焓差,塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量,其數(shù)量是相當可觀的。然而,在大多數(shù)情況,這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預熱原料,塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級低一些的物料,可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。此外,通過蒸餾系統(tǒng)的合理設置,也可以取得節(jié)能的效果。例如,采用中間再沸器和中間冷凝器的流程1,可以提高精餾塔的熱力學效率。因為設置中間再沸器,可以利用

21、溫度比塔底低的熱源,而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。2.2確定設計方案的原則確定設計方案總的原則是在可能的條件下,盡量采用科學技術上的最新成就,使生產(chǎn)達到技術上最先進、經(jīng)濟上最合理的要求,符合優(yōu)質、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此,必須具體考慮如下幾點:(1 滿足工藝和操作的要求所設計出來的流程和設備,首先必須保證產(chǎn)品達到任務規(guī)定的要求,而且質量要穩(wěn)定,這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定,入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定,從而需要采取相應的措施。其次所定的設計方案需要有一定的操作彈性,各處流量應能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié),必要時傳熱量也可進行調(diào)整。因此,在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門,在管路中安裝備用支線。

22、計算傳熱面積和選取操作指標時,也應考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次,要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計,流量計等及其裝置的位置,以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常,從而幫助找出不正常的原因,以便采取相應措施。(2 滿足經(jīng)濟上的要求要節(jié)省熱能和電能的消耗,減少設備及基建費用。如前所述在蒸餾過程中如能適當?shù)乩盟?、塔底的廢熱,就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水,也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低,一方面影響到冷卻水用量,另方面也影響到所需傳熱面積的大小,即對操作費和設備費都有影響。同樣,回流比的大小對操作費和設備費也有很大影響。降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務,因此在設計時,是否合理利用

23、熱能,采用哪種加熱方式,以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等,均要作全面考慮,力求總費用盡可能低一些。而且,應結合具體條件,選擇最佳方案。例如,在缺水地區(qū),冷卻水的節(jié)省就很重要;在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū),冷卻水出口溫度就可選低一些,以節(jié)省傳熱面積。(3 保證安全生產(chǎn)例如酒精屬易燃物料,不能讓其蒸汽彌漫車間,也不能使用容易發(fā)生火花的設備。又如,塔是指定在常壓下操作的,塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空,都會使塔受到破壞,因而需要安全裝置。以上三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設計中,對第一個原則應作較多的考慮,對第二個原則只作定性的考慮,而對第三個原則只要求作一般的考慮。第三節(jié)

24、板式精餾塔的工藝計算精餾塔的工藝設計計算,包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設計計算,塔板的布置,塔板流體力學性能的校核及繪出塔板的性能負荷圖。3.1 物料衡算與操作線方程通過全塔物料衡算,可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進料流量、組成之間的關系。物料衡算主要解決以下問題:(1根據(jù)設計任務所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求(塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度計算出每小時塔頂、塔底的產(chǎn)量;(2在加料熱狀態(tài)q和回流比R選定后,分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量;(3寫出精餾段和提餾段的操作線方程,通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況,塔內(nèi)各段的上升蒸汽量和下降液體量,為計算理論板數(shù)以

25、及塔徑和塔板結構參數(shù)提供依據(jù)。常規(guī)塔指僅有一處進料和塔頂、塔底各有一個產(chǎn)品,塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。(1全塔總物料衡算總物料F = D + W (3-1易揮發(fā)組分 F F = D D + W W(3-2若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品,則回收率為100%DWD W = (3-3 式中 F 、D 、W 分別為原料液、餾出液和釜殘液流量,kmol/h ;F 、D 、W 分別為原料液、餾出液和釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由(3-1和(3-2式得:W D WF x x x x FD -=(3-4WD FD x x x x F W -=(3-5(2操作線方程 (精餾段上升蒸汽量: D R V 1(+=

26、(3-6 下降液體量:RD L =(3-7操作線方程: D n n x V Dx V L y +=+1 (3-8 或: 1111n n D R y x x R R +=+(3-8a 式中 R 回流比;n 精餾段內(nèi)第n 層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率; n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。(提餾段上升蒸汽量: F q D R V 1(1('-+=(3-9 或: W qF L V -+='(3-10 下降液體量: qF RD L +='(3-11操作線方程: W m m x WqF L W x W qF L qF L y -+-+=+'&#

27、39;1 (3-12式中:m 提餾段內(nèi)第m 層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率; m+1提餾段內(nèi)第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。(3進料線方程( q 線方程11-=q x x q qy F (3-13(1全塔總物料衡算 總物料*0F V D W +=+(3-14易揮發(fā)組分*00F D WFx V y Dx W x +=+ (3-15 式中 V 0 直接加熱蒸汽的流量,kmol/h ;0 加熱蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率,一般0=0;W * 直接蒸汽加熱時釜液流量,kmol/h ;*W 直接蒸汽加熱時釜液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由(3-14和(3-15式得:W * = W + V 0 (3

28、-16*W W Wx x W V =+(3-17(2 操作線方程(精餾段(同常規(guī)塔111n n D D n L D y x x V Vx Rx R R +=+=+ (3-18式中 R 回流比;n 精餾段內(nèi)第n 層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率; n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。(提餾段 操作線方程: *''100m m W W W yx x V V +=- (3-19與間接加熱時一樣,所不同的是間接加熱時提餾段操作線終點是(W ,W ,而直接蒸汽加熱時,當m+1=0 時,m =*W ,因此提餾段操作線與X 軸相交于點(*W,0。第四節(jié) 板式塔主要尺寸

29、的設計計算板式塔主要尺寸的設計計算,包括塔高、塔徑的設計計算,板上液流形式的選擇、溢流裝置的設計,塔板布置、氣體通道的設計等工藝計算。板式塔為逐級接觸式的氣液傳質設備,沿塔方向,每層板的組成、溫度、壓力都不同。設計時,先選取某一塔板(例如進料或塔頂、塔底條件下的參數(shù)作為設計依據(jù),以此確定塔的尺寸,然后再作適當調(diào)整;或分段計算,以適應兩段的氣液相體積流量的變化,但應盡量保持塔徑相同,以便于加工制造。所設計的板式塔應為氣液接觸提供盡可能大的接觸面積,應盡可能地減小霧沫夾帶和氣泡夾帶,有較高的塔板效率和較大的操作彈性。但是由于塔中兩相流動情況和傳質過程的復雜性,許多參數(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經(jīng)驗來選取,而

30、參數(shù)與尺寸之間又彼此互相影響和制約,因此設計過程中不可避免要進行試差,計算結果也需要工程標準化?；谝陨显?在設計過程中需要不斷地調(diào)整、修正、和核算,直到設計出較為滿意的板式塔。4.1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: (1T T TN Z H E =- (4-1式中 Z 塔的有效高度,m ; E T 全塔總板效率;N T 塔內(nèi)所需的理論板層數(shù);H T 塔板間距,m 。板間距N T 的選定很重要。選取時應考慮塔高、塔徑、物系性質、分離效率、操作彈性及塔的安裝檢修等因素。對完成一定生產(chǎn)任務,若采用較大的板間距,能允許較高的空塔氣速,對塔板效率、操作

31、彈性及安裝檢修有利;但板間距增大后,會增加塔身總高度,金屬消耗量,塔基、支座等的負荷,從而導致全塔造價增加。反之,采用較小的板間距,只能允許較小的空塔氣速,塔徑就要增大,但塔高可降低;但是板間距過小,容易產(chǎn)生液泛現(xiàn)象,降低板效率。所以在選取板間距時,要根據(jù)各種不同情況予以考慮。如對易發(fā)泡的物系,板間距應取大一些,以保證塔的分離效果。板間距與塔徑之間的關系,應根據(jù)實際情況,結合經(jīng)濟權衡,反復調(diào)整,已做出最佳選擇。設計時通常根據(jù)塔徑的大小,由表4-1列出的塔板間距的經(jīng)驗數(shù)值選取。表4-1 塔板間距與塔徑的關系 化工生產(chǎn)中常用板間距為:200,250,300,350,400,450,500,600,

32、 700,800mm。在決定板間距時還應考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處,應留有足夠的工作空間,其值不應小于600mm。4.2 塔徑塔的橫截面應滿足汽液接觸部分的面積、溢流部分的面積和塔板支承、固定等結構處理所需面積的要求。在塔板設計中起主導作用,往往是氣液接觸部分的面積,應保證有適宜的氣體速度。計算塔徑的方法有兩類:一類是根據(jù)適宜的空塔氣速,求出塔截面積,即可求出塔徑。另一類計算方法則是先確定適宜的孔流氣速,算出一個孔(閥孔或篩孔允許通過的氣量,定出每塊塔板所需孔數(shù),再根據(jù)孔的排列及塔板各區(qū)域的相互比例,最后算出塔的橫截面積和塔徑。板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計算,即D = (4-2 式中

33、 D 塔徑m ; V s 塔內(nèi)氣體流量m 3/s ;u 空塔氣速m/s 。由式(4-2可見,計算塔徑的關鍵是計算空塔氣速u 。設計中,空塔氣速u 的計算方法是,先求得最大空塔氣速u max ,然后根據(jù)設計經(jīng)驗,乘以一定的安全系數(shù),即max (0.60.8u u = (4-3最大空塔氣速u max 可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導出,其結果為 max u = (4-4 式中 u max 允許空塔氣速,m/s ;V ,L 分別為氣相和液相的密度,kg/m 3 ;C 氣體負荷系數(shù),m/s ,對于浮閥塔和泡罩塔可用圖4-1確定;圖4-1中的氣體負荷參數(shù)C 20僅適用于液體的表面張力為0.02N/m ,若液體C

34、 C = (4-5 所以,初步估算塔徑為:uV D 785.0/= (4-6其中,u 適宜的空塔速度,m/s 。由于精餾段、提餾段的汽液流量不同,故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中,精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關物理參數(shù)計算,提餾段的塔徑可按釜中物料的有關物理參數(shù)計算。也可分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計算。目前,塔的直徑已標準化。所求得的塔徑必須圓整到標準值。塔徑在1米以下者,標準化先按100mm增值變化;塔徑在1米以上者,按200mm增值變化,即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm 圖4-1 史密斯關聯(lián)圖圖中H T塔板間距,m; h L板上液層

35、高度,m;V ,L分別為塔內(nèi)氣、液兩相體積流量,m3/s;V,L分別為塔內(nèi)氣、液相的密度, kg/m3。塔徑標準化以后,應重新驗算霧沫夾帶量,必要時在此先進行塔徑的調(diào)整,然后再決定塔板結構的參數(shù),并進行其它各項計算。當液量很大時,亦宜先按式4-7核查一下液體在降液管中的停留時間。如不符合要求,且難以加大板間距來調(diào)整時,也可在此先作塔徑的調(diào)整。第五節(jié) 板式塔的結構5.1 塔的總體結構塔的外殼多用鋼板焊接,如外殼采用鑄鐵鑄造,則往往以每層塔板為一節(jié),然后用法蘭連接。板式塔除內(nèi)部裝有塔板、降液管及各種物料的進出口之外,還有很多附屬裝置,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

36、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動的吊柱。如圖5-1為一板式塔的總體結構簡圖。一般說來,各層塔板的結構是相同的,只有最高一層,最低一層和進料層的結構有所不同。最高一層塔板與塔頂?shù)木嚯x常大于一般塔板間距,以便能良好的除沫。最低一層塔板到塔底的距離較大,以便有較大的塔底空間貯液,保證液體能有1015min 的停留時間,使塔底液體不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器來的蒸氣,塔底與再沸器間有管路連接,有時則再塔底釜中設置列管或蛇管換熱器,將釜中液體加熱汽化。若是直接蒸汽加熱,則在釜的下部裝一鼓泡管,直接接入加熱蒸汽。另外,進料板的板間距也比一般間距大。5.2 塔體總高

37、度板式塔的塔高如圖5-2所示,塔體總高度(不包括裙座由下式?jīng)Q定:'(2D p T T F B H H N S H S H H H =+-+(5-1式中 H D 塔頂空間,m ;H B 塔底空間,m ;H T 塔板間距,m ;H T 開有人孔的塔板間距,m ;H F 進料段高度,m ;N實際塔板數(shù);pS人孔數(shù)目(不包括塔頂空間和塔底空間的人孔。塔頂空間(見圖5-2指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降,其高度應大于板間距,通常取H D為( 1.52.0H T。若圖5-2 塔高示意圖需要安裝除沫器時,要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料

38、的清洗程度而定。對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料,可隔810塊塔板設置一個人孔;對于易結垢、結焦的物系需經(jīng)常清洗,則每隔46塊塔板開一個人孔。人孔直徑通常為450mm。 圖5-1 板式塔總體結構簡圖 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值視具體情況而定:當進料有15分鐘緩沖時間的容量時,塔底產(chǎn)品的停留時間可取35分鐘,否則需有1015分鐘的儲量,以保證塔底料液不致流空。塔底產(chǎn)品量大時,塔底容量可取小些,停留時間可取35分鐘;對易結焦的物料,停留時間應短些,一般取11.5分鐘。5.3 塔板結構塔板類型按結構特點可分為整塊式或分塊式兩種。一般,塔徑從300900mm時采用整塊式塔板;當塔徑在800m

39、m以上時,人已能在塔內(nèi)進行拆裝操作,無須將塔板整塊裝入。并且,整塊式塔板在大塔中剛性也不好,結構顯得復雜,故采用分塊式塔板;塔徑在800900mm之間,設計時可按便于制造、安裝的具體情況選定。小塔的塔板均做成整塊式的,相應地,塔體則分成若干段塔節(jié),塔節(jié)與塔節(jié)之間用法蘭連接。每個塔節(jié)中安裝若干塊疊置起來的塔板。塔板與塔板之間用一段管子支承,并保持所需要的板間距。圖5-3為整塊式塔板中的定距管式塔板結構。塔節(jié)內(nèi)的板數(shù)與塔徑和板間距有關。如以塔徑D g=600700mm的塔節(jié)為例,對應于不同的板間距,圖5-2 板式塔的塔高塔節(jié)內(nèi)安裝的塔板數(shù)NF塔板與下法蘭端面的距離h1以及塔節(jié)高度L如表5-1所示。

40、表5-1 塔板的有關尺寸 第六節(jié)精餾裝置的附屬設備精餾裝置的主要附屬設備包括蒸氣冷凝器、產(chǎn)品冷凝器、塔底再沸器、原料預熱器、直接蒸汽鼓管、物料輸送管及泵等。前四種設備本質上屬換熱器,并多采用列管式換熱器,管線和泵屬輸送裝置。下面簡要介紹。6.1 回流冷凝器按冷凝器與塔的位置,可分為:整體式、自流式和強制循環(huán)式。(1整體式如圖6-1(a和(b所示。將冷凝器與精餾塔作成一體。這種布局的優(yōu)點是上升蒸汽壓降較小,蒸汽分布均勻,缺點是塔頂結構復雜,不便維修,當需用閥門、流量計來調(diào)節(jié)時,需較大位差,須增大塔頂板與冷凝器間距離,導致塔體過高。該型式常用于減壓精餾或傳熱面較小場合。 圖6-1 冷凝器的型式(2

41、自流式如圖6-1(c 所示。將冷凝器裝在塔頂附近的臺架上,靠改變臺架的高度來獲得回流和采出所需的位差。(3強制循環(huán)式如圖6-1(D 、(e 所示。當冷凝器換熱面過大時,裝在塔頂附近對造價和維修都是不利的,故將冷凝器裝在離塔頂較遠的低處,用泵向塔提供回流液。需指出的是,在一般情況下,冷凝器采用臥式,因為臥式的冷凝液膜較薄,故對流傳熱系數(shù)較大,且臥式便于安裝和維修。6.2 管殼式換熱器的設計與選型管殼式換熱器的設計與選型的核心是計算換熱器的傳熱面積,進而確定換熱器的其它尺寸或選擇換熱器的型號。(1管程流動阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器,其阻力p i 等于各程直管阻力、回彎阻力

42、及進、出口阻力之和。一般情況下進、出口阻力可忽略不計,故管程總阻力的計算式為12(i t s p p p p F N N =+ (6-1 式中 P 1、P 2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降,P a ;F t 結垢校正因數(shù),對25mm ×2.5mm 的管子取1.4;對19mm ×2mm 的管子取1.5;N P 管程數(shù);N s 串聯(lián)的殼程數(shù)。上式中直管壓強降P 1可按第一章中介紹的公式計算;回彎管的壓強降P 2由下面的經(jīng)驗公式估算,即2232u p = (6-2 (2殼程流動阻力殼程流動阻力的計算公式很多,在此介紹埃索法計算殼程壓強降P 0的公式,即012S p p

43、 p N =+S (F (6-3式中 P 1流體橫過管束的壓強降,Pa ;P 2流體通過折流板缺口的壓強降,Pa ;F S 殼程壓強降的結垢校正因數(shù);液體可取1.15,氣體可取1.0。2'0102'02(122(3.52c B B u p Ff n N u h p N D =+=- (6-4 式中 F 管子排列方法對壓強降的校正因數(shù),對正三角形排列F =0.5,對轉角三角形為0.4,正方形為0.3;f 0殼程流體的摩擦系數(shù);N c 橫過管束中心線的管子數(shù);N c 值可由下式估算: 管子按正三角形排列:c n = (6-5 管子按正方形排列:c n = (6-6 式中 n 換熱器

44、總管數(shù)。N B 折流擋板數(shù); h 折流擋板間距;a .確定流體在換熱器中的流動途徑b .根據(jù)傳熱任務計算熱負荷Q 。c .確定流體在換熱器兩端的溫度,選擇列管換熱器的形式;計算定性溫度,并確定在定性溫度下的流體物性。d .計算平均溫度差,并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應小于0.8的原則,決定殼程數(shù)。e .依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍,或按生產(chǎn)實際情況,選擇總傳熱系數(shù)K 值。f .由總傳熱速率方程Q = KS t m ,初步計算出傳熱面積S ,并確定換熱器的基本尺寸(如D 、L 、n 及管子在管板上的排列等,或按系列標準選擇設備規(guī)格。 (2計算管程、殼程壓強降根據(jù)初定的設備規(guī)格,計算管程、殼程流體的流速和

45、壓強降。檢查計算結果是否合理或滿足工藝要求。若壓降不符合要求,要調(diào)整流速,在確定管程數(shù)或折流板間距,或選擇另一規(guī)格的換熱器,重新計算壓強降直至滿足要求為止。 (3核算總傳熱系數(shù)計算管程、殼程對流傳熱系數(shù),確定污垢熱阻R si 和R so ,在計算總傳熱系數(shù)K ,比較K 的初設值和計算值,若K /K =1.151.25,則初選的換熱器合適。否則需另設K 值,重復以上計算步驟。6.3 再沸器精餾塔底的再沸器可分為:釜式再沸器、熱虹吸式再沸器及強制循環(huán)再沸器。 (1釜式式再沸器如圖6-2(a和(b所示。(a是臥式再沸器,殼方為釜液沸騰,管內(nèi)可以加熱蒸汽。塔底液體進入底液池中,再進入再沸器的管際空間被

46、加熱而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一塊塔板的下面,部分液體則通過再沸器內(nèi)的垂直擋板,作為塔底產(chǎn)物被引出。液體的采出口與垂直塔板之間的空間至少停留810分鐘,以分離液體中的氣泡。為減少霧沫夾帶,再沸器上方應有一分離空間,對于小設備,管束上方至少有300mm高的分離空間,對于大設備,取再沸器殼徑為管束直徑的1.31.6倍。(b是夾套式再沸器,液面上方必須留有蒸發(fā)空間,一般液面維持在容積的70%左右。夾套式再沸器,常用于傳熱面較小或間歇精餾中。(2熱虹吸式再沸器如圖6-2(c、(D、(e所示。它是依靠釜內(nèi)部分汽化所產(chǎn)生的汽、液混合物其密度小于塔底液體密度,由密度差產(chǎn)生靜壓差使液體自動從塔底流入再沸器,

47、因此該種再沸器又稱自然循環(huán)再沸器。這種型式再沸器汽化率不大于40%,否則傳熱不良。(3強制循環(huán)再沸器如圖6-2中(f所示。對于高粘度液體和熱敏性氣體,宜用泵強制循環(huán)式再沸器,因流速大、停留時間短,便于控制和調(diào)節(jié)液體循環(huán)量。原料預熱器和產(chǎn)品冷卻器的型式不象塔頂冷凝器和塔底再沸器的制約條件那樣多,可按傳熱原理計算。 圖6-2 再沸器的型式6.4接管直徑各接管直徑由流體速度及其流量,按連續(xù)性方程決定,即: d=(6-7式中:V S流體體積流量,m3/ s;u流體流速,m/ s;d管子直徑,m。(1塔頂蒸氣出口管徑D V蒸氣出口管中的允許氣速U V應不產(chǎn)生過大的壓降,其值可參照表6-1。表6-1 蒸氣

48、出口管中允許氣速參照表 (2回流液管徑D R冷凝器安裝在塔頂時,冷凝液靠重力回流,一般流速為0.20.5m/s,速度太大,則冷凝器的高度也相應增加。用泵回流時,速度可取1.52.5m/s。(3進料管徑d F料液由高位槽進塔時,料液流速取0.40.8m/s。由泵輸送時,流速取為1.52.5 m/s。(4釜液排除管徑d W釜液流出的速度一般取0.51.0m/s。(5飽和水蒸氣管飽和水蒸氣壓力在295kPa(表壓以下時,蒸氣在管中流速取為2040m/s;表壓在785 kPa以下時,流速取為4060m/s;表壓在2950 kPa以上時,流速取為80m/s。6.4加熱蒸氣鼓泡管加熱蒸氣鼓泡管(又叫蒸氣噴

49、出器若精餾塔采用直接蒸氣加熱時,在塔釜中要裝開孔的蒸氣鼓泡管。使加熱蒸氣能均勻分布與釜液中。其結構為一環(huán)式蒸氣管,管子上適當?shù)拈_一些小孔。當小孔直徑小時,汽泡分布的更均勻。但太小不僅增加阻力損失,而且容易堵塞。其孔直徑一般為510mm,孔距為孔徑的510倍。小孔總面積為鼓泡管橫截面積的1.21.5倍,管內(nèi)蒸氣速度為2025m/s。加熱蒸氣管距釜中液面的高度至少在0.6m 以上,以保證蒸氣與溶液有足夠的接觸時間。6.5離心泵的選擇離心泵的選擇,一般可按下列的方法與步驟進行:(1確定輸送系統(tǒng)的流量與壓頭液體的輸送量一般為生產(chǎn)任務所規(guī)定,如果流量在一定范圍內(nèi)波動,選泵時應按最大流量考慮。根據(jù)輸送系統(tǒng)

50、管路的安排,用柏努利方程計算在最大流量下管路所需的壓頭。(2選擇泵的類型與型號首先應根據(jù)輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型,然后按已確定的流量Q e和壓頭H e從泵的樣本或產(chǎn)品目錄中選出合適的型號。顯然,選出的泵所提供的流量和壓頭不見得與管路要求的流量Q e和壓頭H e完全相符,且考慮到操作條件的變化和備有一定的裕量,所選泵的流量和壓頭可稍大一點,但在該條件下對應泵的效率應比較高,即點(Q e 、H e 坐標位置應靠在泵的高效率范圍所對應的H-Q 曲線下方。另外,泵的型號選出后,應列出該泵的各種性能參數(shù)。(3核算泵的軸功率 若輸送液體的密度大于水的密度時,可按,102QH N kW =核算泵

51、的軸功率。題目:乙醇水連續(xù)精餾塔(篩板塔或浮閥塔的設計。基本條件:含乙醇25%(質量分數(shù),下同的料液以泡點狀態(tài)進入塔內(nèi),回流比為最小回流比的1.25倍,塔頂產(chǎn)品中乙醇含量為94%,塔底殘液中含乙醇為0.1%。該塔的生產(chǎn)能力為日產(chǎn)(24h10噸94%的乙醇產(chǎn)品。頂壓強為4kPa(表壓,單板壓降0.7kPa,再沸器采用低壓蒸汽加熱。 設計內(nèi)容:設計方案的確定及流程說明; 塔的工藝計算;塔和塔板的工藝尺寸設計; 塔高、塔徑及塔板結構尺寸的確定; 塔板的流體力學驗算; 塔板的負荷性能圖。 設計結果概要或設計一覽表; 輔助設備選型與計算;生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔的工藝條件圖;對本設計的評述或有關問題的分析

52、討論。常壓下乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)如表16所示。表16 乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù) 乙醇相對分子質量:46;水相對分子質量:1825時的乙醇和水的混合液的表面張力與乙醇濃度之間的關系為:式中25時的乙醇和水的混合液的表面張力,N/m; x乙醇質量分數(shù),%。其他溫度下的表面張力可利用下式求得(1-54式中溫度為T1時的表面張力;N/m;12溫度為T2時的表面張力;N/m;T混合物的臨界溫度,T C=x i T ci,K;Cx組分i的摩爾分數(shù);iT組分i的臨界溫度, K。Ci第二章板式精餾塔設計舉例2.1苯-甲苯板式精餾塔設計 設計題目年處理輕油13000噸浮閥精餾塔工藝設計。 已知條件原料組成:輕油中含苯58%,其余為甲苯,溫度25。產(chǎn)品要求:含苯98%(質量的塔頂產(chǎn)品。塔底釜液要求:含苯0.5%。(質量。加熱劑:經(jīng)壓力調(diào)節(jié)后為0.3 MPa的(表壓的飽和水蒸氣。冷卻劑:32的循環(huán)冷卻水。 精餾方式的選擇本設計采用連續(xù)精餾方式。連續(xù)精餾中原料連續(xù)加入精餾塔中,與其它精餾方式相比操作穩(wěn)定,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。由于涉及濃度范圍內(nèi)苯和甲苯揮發(fā)度相差較大,所以不需要采用特殊精餾方式。操作壓力