工學(xué)化工原理課程設(shè)計實例課件

1、 化工原理課程設(shè)計實例板式塔的設(shè)計第1頁，共48頁。板式塔的設(shè)計內(nèi)容工藝流程的設(shè)計板式塔的工藝計算板式塔的機(jī)械設(shè)計塔的輔助設(shè)備設(shè)計與選型第2頁，共48頁。工藝流程的設(shè)計 板式塔的設(shè)計從兩方面考慮: 1.經(jīng)濟(jì)方面:應(yīng)該充分考慮整個系統(tǒng)熱能的利用,以便降低操作費用. 例如:從塔頂出來的蒸氣和從塔底排出的液體帶出的熱量可用于預(yù)熱原料液或它處. 2.全塔操作的穩(wěn)定性:若操作不穩(wěn)定,就不能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻. 有時也把冷凝器分割為兩部分,一部分預(yù)熱原料液,另一部分用冷卻水使蒸氣冷凝.這樣可以用控制冷卻水量來控制冷凝器的操作,同時保證進(jìn)料溫度一定.為此控制再沸器中加熱蒸氣壓力的恒定是保證操作穩(wěn)定的條件之一

2、,但原料液或回流液的流量和溫度發(fā)生變化時,穩(wěn)定情況也會受到一定的影響為了使進(jìn)料保持穩(wěn)定,一般入塔的原料液由高位槽供給,以免受泵的流量波動的影響. 為了保持回流液的穩(wěn)定,冷凝器常采用冷卻水,而不用塔頂蒸氣預(yù)熱原料液.因為塔頂蒸氣量如有波動,將影響回流液量及進(jìn)料溫度.從而影響整個塔的操作穩(wěn)定性。有時也把冷凝器分割為兩部分,一部分預(yù)熱原料液,另一部分用冷卻水使蒸氣冷凝.這樣可以用控制冷卻水量來控制冷凝器的操作,同時保證進(jìn)料溫度一定. 塔釜液體雖然溫度很高,但用它來預(yù)熱原料液,對液-液傳熱過程其傳熱系數(shù)很小,則所需傳熱面積必然很大第3頁，共48頁。 精餾方案的選定1.操作壓力(常壓,加壓,減壓)-設(shè)計

3、壓力一般指塔頂壓力 沸點低,常壓下為氣態(tài)的物料-加壓操作, 加壓可提高操作的平均溫度,有利于塔頂蒸氣冷凝熱的利用或可使用較便宜的冷卻劑,減少冷凝,冷卻的費用.在相同的塔徑下,適當(dāng)提高操作壓力,還可提高塔的處理能力.但P提高,再沸器的T提高,相對揮發(fā)度下降. 熱敏性和高沸點的物料-減壓操作.P降低,相對揮發(fā)度提高,有利于分離.操作的平均溫度降低,加熱劑溫度降低.但可導(dǎo)致D增加,塔頂蒸氣冷凝溫度降低,必須使用真空設(shè)備.相應(yīng)的操作費用和設(shè)備費用增加. 由于塔板壓降,從塔頂?shù)剿讐毫χ饾u增加,溫度也相應(yīng)的增加(物料組成和壓力同時作用的結(jié)果).因而沿塔物性和氣液負(fù)荷也隨之變化. 常壓和減壓塔-如塔板壓降

4、不是很大,工藝計算時假定全塔各處壓力相等-誤差不大. 減壓塔-壓力分布與塔板的結(jié)構(gòu)形式,氣液負(fù)荷,氣液物性等多種因素有關(guān),很難計算,一般先假設(shè)再較核.多次試差. 第4頁，共48頁。 精餾方案的選定2.進(jìn)料狀態(tài) 原則講,要使回流在全塔發(fā)揮作用,全部冷量應(yīng)該加在塔頂,全部熱量加在塔底.但實際設(shè)計時應(yīng)該考慮設(shè)備費和操作費問題及操作平穩(wěn)等多種因素. 進(jìn)料-預(yù)熱到泡點或接近泡點(進(jìn)料溫度不受季節(jié)氣溫變化和前一道工序波動限制,塔的操作比較容易控制.而且精餾段和提餾段的上升蒸氣量相近). 有時為了減小再沸器的熱負(fù)荷(如再沸器所需加熱劑溫度較高,或物料容易在再沸器內(nèi)結(jié)焦等)可在料液預(yù)熱時加入更多的熱量,甚至采

5、用飽和蒸氣進(jìn)料. 注意:實際設(shè)計還應(yīng)該考慮整個車間的流程安排. 第5頁，共48頁。 精餾方案的選定3.多股進(jìn)料 原料來源不同,濃度差別很大,從分離角度,應(yīng)該從不同的位置加入.但所處理的物料量不多時(或其中的一種物料不多時),從設(shè)備加工和操作方便考慮,也往往多股混合以后作一股物料加入.第6頁，共48頁。 精餾方案的選定4.加熱方式大塔-塔外，形式-夾套式.蛇管式,列管式(立式再沸器,臥式再沸器) 立式熱虹吸再沸器的主要特點:傳熱系數(shù)較高,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,液體在管內(nèi)停留時間短,不容易結(jié)垢,且容易清洗;但殼程不能清洗,因此用于較臟的加熱介質(zhì);其本身造價較低,但要求較高的塔體裙座. 臥式熱虹吸再

6、沸器的主要特點:可用低裙座,但占地面積大,出塔產(chǎn)品緩沖容積較大,故流動穩(wěn)定,在加熱段停留時間短,不容易結(jié)垢,可以使用較臟的加熱介質(zhì). 立式和臥式強(qiáng)制循環(huán)再沸器的共同特點:適應(yīng)于高粘度液體和熱敏性物料,因為強(qiáng)制循環(huán)流速高,停留時間短,有利于工藝流體循環(huán)流量的控制和調(diào)節(jié).第7頁，共48頁。 精餾方案的選定5.冷卻方式 1)冷卻劑-通常是水,水溫隨氣候而定.入口一般為15-20,出口50，目的防止溶解于水中的無機(jī)鹽析出. 冷卻劑 還可以是冷凍鹽水.液氨等，一般用于較低溫度。 2)冷凝設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式 小塔-蛇管換熱器 大塔-列管式換熱器第8頁，共48頁。工藝流程的設(shè)計第9頁，共48頁。工藝流程設(shè)計的要

7、求 根據(jù)規(guī)定的操作條件進(jìn)行工藝流程的設(shè)計時，所選的參數(shù)、設(shè)備的型式必須進(jìn)行簡要的論證，對合理利用熱能的可能性要做簡要分析。繪制精餾裝置的工藝流程圖。設(shè)計開始時通常只能對方案、流程作初步安排，待整個設(shè)計計算完成后再對方案流程進(jìn)行修正并作較全面的論證討論。第10頁，共48頁。板式塔的工藝計算精餾塔的物料衡算,熱量衡算,工藝流程圖1.物料衡算 確定各股物料的流量和組成2.熱量衡算 確定 冷凝器熱負(fù)荷、再沸器熱負(fù)荷、冷卻器、預(yù)熱器3.確定最小回流比和適宜的回流比4.求解理論板層數(shù)5.估算全塔效率6.確定實際塔板數(shù)第11頁，共48頁。塔板的工藝設(shè)計塔板間距塔徑估算溢流裝置塔板布置浮閥裝置塔板流體力學(xué)驗算

8、第12頁，共48頁。 塔板間距塔板間距過小，霧沫夾帶嚴(yán)重，塔板效率降低。塔板間距過大，設(shè)備增高，金屬耗量增大 ，塔的造價增加。塔板間距直接影響塔的生產(chǎn)能力、分離效率、操作彈性及塔的高度。塔板間距與塔徑同時考慮。板間距大，塔徑可小些。對于板數(shù)較多的塔，取較小的板間距，可適當(dāng)降低塔高。第13頁，共48頁。塔徑的估算塔徑的大小取決于上升的蒸汽流量和空塔氣速適宜的空塔氣速與流體的物理性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)等情況有關(guān)。計算時 u=(0.60.8)umax 最大空塔氣速umax 根據(jù)液滴在沉降過程中受力情況導(dǎo)出，其中氣體負(fù)荷系數(shù)C值由圖17查出 .塔徑 D（按標(biāo)準(zhǔn)GB9019-88圓整）對于選定的塔板間

9、距是否合適，還要在后面進(jìn)行流體力學(xué)驗算，如果不合適需要重新選定，再估算塔徑。 第14頁，共48頁。第15頁，共48頁。第16頁，共48頁。第17頁，共48頁。第18頁，共48頁。進(jìn)口堰及受液盤進(jìn)口堰（對圓形降液管多用）作用：1）保證液封，2）使液體在塔板上分布均勻，3）但因其占用較多塔截面，還易使沉淀物淤積造成阻塞，故多數(shù)不設(shè)。若設(shè)，hw 應(yīng)這樣考慮當(dāng)hw h0（有液封）時，hw hw當(dāng)hw h0（無液封）時，hwh0為保證液體由降液管流出時不致受到很大的阻力，進(jìn)口堰與降液管間的水平距離h1不應(yīng)小于h0，即h1h0對于直徑 800以上的大塔多采用受液盤。第19頁，共48頁。受液盤 對于直徑80

10、0以上的大塔多采用受液盤。作用：1、液封良好，且有改變液體流向的緩沖作用2、有側(cè)線抽出取深些，（一般大于50mm）第20頁，共48頁。塔板布置塔板分成四個區(qū)域：1鼓泡區(qū)：塔板上氣液接觸的有效區(qū)域。2溢流區(qū)：降液管及受液盤所占的區(qū)域。3破沫區(qū)（安定區(qū)）：前兩區(qū)之間的面積,不裝浮閥，主要作用為在液體進(jìn)入降液管之前有一段不鼓泡的安定地帶，以免液體大量夾帶泡沫進(jìn)入降液管 4無效區(qū)（邊緣區(qū)）：支持塔板的邊梁，其寬 度根據(jù)塔板支承的需要而定。第21頁，共48頁。浮閥塔中浮閥數(shù)目與排列 浮閥塔的操作性能以板上所有浮閥處于剛剛?cè)_時的情況為最好，這時塔板的壓強(qiáng)降及板上液體的泄漏都比較小而操作彈性較大。浮閥的開

11、度與閥孔處氣相的動壓有關(guān)，動壓的大小取決于氣體的速度與密度。即動能因數(shù)：由動能因數(shù)作為衡量氣體流動時動壓大小的指標(biāo) F0氣體通過閥孔時的動能因數(shù)u氣體通過閥孔時的速度m/s氣體密度kg/m3第22頁，共48頁。第23頁，共48頁。第24頁，共48頁。排孔要求1、排孔圖（鼓泡區(qū)）：排完之后的總孔數(shù)與算得的N相近，并按實排數(shù)目重算閥孔氣速，核算閥孔動能因數(shù)F0。若F0在912范圍內(nèi)，即可認(rèn)為作圖得出的閥數(shù)能夠滿足要求。否則應(yīng)調(diào)整孔矩、閥數(shù)，重新作圖，反復(fù)計算。2、也可根據(jù)已算出的閥數(shù)及溢流裝置尺寸等，用作圖法求出所需的塔徑，并與最初估算的塔徑相比較，經(jīng)反復(fù)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，直到作圖所得出的塔徑與最初估

12、算的塔徑相符為止。3、最后核算開孔率是否合適，否則前述過程重算。開孔率：對于常壓塔或減壓塔開孔率在1014%之間， 對于加壓塔開孔率常小于10%。第25頁，共48頁。浮閥塔板的流體力學(xué)驗算目的：檢驗上述各項工藝尺寸已經(jīng)確定的塔板，在設(shè)計任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下能否正常操作內(nèi)容：對塔板壓強(qiáng)降、液泛、霧沫夾帶、泄漏、等情況的驗算第26頁，共48頁。浮閥塔板的流體力學(xué)驗算-氣體通過浮閥塔板的壓強(qiáng)降原則：在保證較高效率的前提下，應(yīng)力求減小塔板壓降，以降低能耗及改善塔的操作性能。氣體通過一層浮閥塔板時的壓強(qiáng)降 1）氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 2）氣流克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 3）氣流克服液

13、體表面張力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降第27頁，共48頁。閥塔板的流體力學(xué)驗算液泛 為防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不能超過上層塔板出口堰。霧沫夾帶現(xiàn)象：板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。后果：過多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。霧沫夾帶到上一層塔板的液體量不應(yīng)超過0.1kg。通過泛點率控制。漏液現(xiàn)象 控制閥孔動能因數(shù)在56之間。第28頁，共48頁。浮閥塔的負(fù)荷性能圖霧沫夾帶線：指控制ev=0.1kg液/kg氣時的VsLs之間關(guān)系溢流液泛線：指降液管內(nèi)泡沫層高度達(dá)到最大允許值時的VsLs之間關(guān)系液相負(fù)荷上限線（降液管超負(fù)荷線），反映了對于液體在降液管內(nèi)停留時間的起碼要求泄漏線（氣相負(fù)荷下限線

14、），不發(fā)生泄漏的最低氣體負(fù)荷，是條平行于橫軸的直線，控制動能因數(shù)F0液相負(fù)荷下限線，平堰，一般取堰上液層高度how=0.006m。作為液相負(fù)荷下限條件。低于此限便不能保證板上液流的均勻分布，降低氣液接觸效果第29頁，共48頁。負(fù)荷性能圖第30頁，共48頁。浮閥塔的負(fù)荷性能圖在負(fù)荷性能圖上，由上述的五條線所包圍的區(qū)域是設(shè)計的塔板用于處理指定物系時的適宜操作區(qū)。即在此區(qū)域內(nèi)操作，塔板上的流體力學(xué)狀況是正常的。但該區(qū)域內(nèi)各點處的板效率并不完全相同。代表塔板的預(yù)定氣、液負(fù)荷的設(shè)計點P應(yīng)位于適中位置，則可望獲得穩(wěn)定良好的操作效果。若P點緊靠某一邊界線，則負(fù)荷稍有波動，便會使效率急劇下降，甚至完全破壞塔的

15、操作。物系一定時，負(fù)荷性能圖中各條線的相對位置隨塔板結(jié)構(gòu)尺寸而改變。操作彈性：氣相負(fù)荷上、下限之比稱為塔板的操作彈性系數(shù)簡稱操作彈性。浮閥塔的操作彈性一般為34。第31頁，共48頁。第32頁，共48頁。附屬設(shè)備的設(shè)計與選型1. 熱量衡算求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負(fù)荷和所需的冷卻水用量；2. 再沸器的熱負(fù)荷和所需的加熱蒸氣用量；3. 選定冷凝器和再沸器的型式；4. 取所需的換熱面積并查閱換熱器標(biāo)淮，選取合適的換熱器型號；5. 確定主要接管尺寸，列出接管表；精餾塔的主要接管包括蒸氣出口管、回流管、加料管、進(jìn)氣管、釜液排出管等，接管的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計計算所需數(shù)據(jù)可查有關(guān)資料；選擇一換熱器進(jìn)行校核設(shè)計。各換熱器型式的選定得視具體換熱系統(tǒng)、介質(zhì)性質(zhì)以及熱負(fù)荷大小等而定。換熱器設(shè)計中應(yīng)注意傳熱溫度差至少保持1020左右，冷卻水出口溫度則不應(yīng)大于50 對必須配置的原料泵、回流泵等進(jìn)行選型計算。精餾裝置使用泵一般包括回流泵、產(chǎn)品泵、加料泵和冷卻水泵等，泵的選型計算可查閱有關(guān)資料第33頁，共48頁。板式塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計板式塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括塔的總體結(jié)構(gòu)，塔盤結(jié)構(gòu)和接管結(jié)構(gòu)，可參