化工原理課程設(shè)計(jì)——浮閥精餾塔設(shè)計(jì)課件

1、化工原理課程設(shè)計(jì),浮閥精餾塔設(shè)計(jì),常州大學(xué)石油化工學(xué)院 基礎(chǔ)化工部,常壓分離環(huán)己醇苯酚連續(xù)操作 篩板/浮閥精餾塔工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)： 1. 處理能力：50000 t/a（年工作按8000小時(shí)計(jì)） 2. 進(jìn)料組成：環(huán)己醇30%，苯酚70%（mol%，下同） 3. 進(jìn)料狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料 4. 產(chǎn)品要求：塔頂餾出液組成：環(huán)己醇98%，苯酚2% 塔釜釜?dú)堃航M成：環(huán)己醇1%，苯酚99% 5. 塔頂壓強(qiáng)：760 mmHg（絕壓） 6. 公用工程：循環(huán)冷卻水：進(jìn)口溫度32，出口溫度38 導(dǎo)熱油：進(jìn)口溫度260，出口溫度250,總體要求： 繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，完成精餾塔工藝設(shè)計(jì)以及有關(guān)附屬設(shè)備的計(jì)

2、算與選型。繪制塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 1. 精餾塔工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：全塔物料恒算、確定回流比；確定塔徑、實(shí)際板數(shù)及加料板位置。 2. 精餾塔塔板工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體力學(xué)計(jì)算、負(fù)荷性能圖、工藝尺寸裝配圖。 3. 換熱器設(shè)計(jì)：確定冷熱流體流動(dòng)方式，根據(jù)換熱面積初選換熱器；核算總傳熱系數(shù)；計(jì)算實(shí)際傳熱面積；選定換熱器型號(hào)，計(jì)算管程、殼程壓降。 說(shuō)明： 1. 寫出詳細(xì)計(jì)算步驟，并注明選用數(shù)據(jù)的來(lái)源。 2. 每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后，列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表。 3. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求字跡工整，按規(guī)范裝訂成冊(cè)。,帶控制點(diǎn)工藝流程圖,用3號(hào)圖紙畫 塔工藝條件圖（帶管口）,用3號(hào)圖紙畫 其余工藝設(shè)計(jì)圖,用坐標(biāo)紙

3、,課程設(shè)計(jì)的要求,注意事項(xiàng): 寫出詳細(xì)計(jì)算步驟,并注明選用數(shù)據(jù)的來(lái)源 每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后,列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表 設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求字跡工整,裝訂成冊(cè)上交,學(xué)號(hào)1-10號(hào),單號(hào),雙號(hào),處理量,環(huán)己醇組成,苯酚組成,45000 t/a,55000 t/a,35%,65%,72%,28%,學(xué)號(hào)11-21號(hào),單號(hào),雙號(hào),處理量,環(huán)己醇組成,苯酚組成,55000 t/a,45000 t/a,32%,68%,72%,28%,學(xué)號(hào)22以后,單號(hào),雙號(hào),處理量,環(huán)己醇組成,苯酚組成,50000 t/a,45000 t/a,26%,74%,77%,23%,計(jì)算說(shuō)明書目錄,設(shè)計(jì)任務(wù)書 帶控制點(diǎn)工藝流程圖與工藝說(shuō)明 精餾塔工

4、藝計(jì)算 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱器選型 精餾塔工藝條件圖 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 符號(hào)說(shuō)明 結(jié)束語(yǔ),常壓分離環(huán)己醇苯酚連續(xù)操作浮閥塔設(shè)計(jì)計(jì)算示例,1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書 按要求填入處理量和進(jìn)料組成 2. 帶控制點(diǎn)工藝流程圖與工藝說(shuō)明 （1）帶控制點(diǎn)工藝流程圖 （2）操作壓力的選擇 （3）工藝流程敘述,3. 精餾塔工藝計(jì)算,3.1 平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算,181.9,0.000,0.000,179.1,0.025,0.099,4.28,176.4,0.050,0.186,4.34,173.8,0.075,0.263,4.40,171.3,0.100,0.333,4.49,說(shuō)明：平均相對(duì)揮發(fā)度為 5.62,3.2

5、 繪制t-x-y圖及x-y圖 在坐標(biāo)紙上繪圖，上大小要求t-x-y圖為1010cm， x-y圖為 2020cm,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 進(jìn)料流量：F = 50000103 /800095.8 = 65.24 kmol/h F = D + W D=19.5 kmol/h Fxf = DxD + Wxw W=45.74 kmol/h,3.4 實(shí)際板數(shù)及進(jìn)料位置的確定,1. 確定最小回流比Rmin,2. 確定操作回流比R 由Fenske方程計(jì)算最小理論板數(shù)Nmin,利用吉利蘭關(guān)聯(lián)圖，計(jì)算NT R如下：,0.863,

6、14.7,0.988,11.8,1.140,10.7,1.292,9.9,1.444,9.3,繪制NT R關(guān)系圖，找出最佳回流比。,說(shuō)明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、 1.8、2.0)Rmin 6 個(gè)點(diǎn),圖解法求得NT =5.5（不包括塔釜） 加料板位置nT = 3.0,3. 圖解法求理論板數(shù)及加料板位置,4.實(shí)際板數(shù)及加料板位置的確定 全塔效率由Oconnell關(guān)聯(lián)式計(jì)算：,表2 塔板計(jì)算結(jié)果,包括板間距的初估，塔徑的計(jì)算，塔板溢流 形式的確定，板上清液高度、堰長(zhǎng)、堰高的初 估與計(jì)算，降液管的選型及系列參數(shù)的計(jì)算， 塔板布置和篩孔/閥孔的布置等，最后是水力 學(xué)校核和負(fù)荷性能圖。,4

7、. 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),4.1 常用塔板的類型,（1）泡罩塔,優(yōu)點(diǎn)：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大但生產(chǎn)能力不大。,塔板是氣液兩相接觸傳質(zhì)的場(chǎng)所，為提高塔板性能，采用各種形式塔板。,組成：升氣管和泡罩,圓形泡罩,條形泡罩,泡罩塔,（2）篩板塔板,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、塔板阻力小。 目前，廣泛應(yīng)用的一種塔型。,塔板上開圓孔，孔徑d0：3 - 8 mm; 大孔徑篩板d0 ：12 - 25 mm。,lw,WD,（3）浮閥塔板,圓形浮閥,條形浮閥,浮閥塔盤,方形浮閥,優(yōu)點(diǎn)：浮閥根據(jù)氣體流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時(shí)具有較高塔

8、板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：浮閥易脫落或損壞。,方形浮閥,F1型浮閥,（4）噴射型塔板 氣流方向：垂直 小角度傾斜， 改善液沫夾帶、液面落差 。,氣液接觸狀態(tài)：噴射狀態(tài) 連續(xù)相：氣相；分散相：液相 促進(jìn)兩相傳質(zhì)。,形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直篩板等。,缺點(diǎn)：氣泡夾帶現(xiàn)象比較嚴(yán)重。,舌形塔板：,（5）斜孔塔板,（6）網(wǎng)孔塔板,（6）垂直篩板,（7）多降液管（MD）塔板 優(yōu)點(diǎn)：提高允許液體流量,（8）林德篩板（導(dǎo)向篩板） 應(yīng)用：用于減壓塔的低阻力、高效率塔板。 斜臺(tái)：抵消液面落差的影響。 導(dǎo)向孔：使氣、液流向一致，減小液面落差。,（9）無(wú)溢流塔板 有溢流塔板：有降液管的塔板

9、； 無(wú)溢流塔板：無(wú)降液管的塔板； 形式：無(wú)溢流柵板和無(wú)溢流篩板； 特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔板阻力??； 但操作彈性小，塔板效率低。,設(shè)計(jì)參數(shù)如下（以塔頂?shù)谝粔K塔板數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)）： 液相密度 L = 950 kg / m3 汽相密度 V = PM/ RT = 2.92 kg / m3 液相表面張力 = 32 dyn /cm 汽相流量VS = (R+1) DM /3600 V=0.408 m3/s 液相流量LS = RDM / 3600 L =0.000684 m3/s,4.2 初估塔徑,取板間距HT = 350 mm，板上液層厚度hL= 0.07 m， 則HT -hL= 0.28m。,塔板

10、間距和塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,說(shuō)明：工業(yè)塔中，板間距范圍200900 mm,兩相流動(dòng)參數(shù)FLV=,則液泛氣速：,對(duì)于篩板塔、浮閥、泡罩塔，可查圖 ，C20=(HT 、FLV),C20 ：=20 dyn/cm 時(shí)的氣體負(fù)荷因子,0.2,HT=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,塔板泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖,取操作氣速u =（0.6-0.8）uf=0.75uf =0.893 m/s 則氣體流通面積 An= VS / u =0.457 m

11、2,選取單溢流塔盤，取lw / D =0.7，查圖得A f /AT = 0.088,則塔截面積：,塔徑 D = ，圓整為0.8m。,說(shuō)明：計(jì)算得到的塔徑需圓整，系列化標(biāo)準(zhǔn)： 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200m 等,由此重新計(jì)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 實(shí)際泛點(diǎn)百分率： u /u f =0.75,注意： 1）必須用圓整后的D重新計(jì)算確定實(shí)際的氣

12、體流通截 面積、實(shí)際氣速及泛點(diǎn)率。 2）校核HT與D的范圍。,D-塔徑 hw-堰高 how-堰上液層高度 HT-板間距 ho-降液管底隙高度 Hd-降液管內(nèi)清液層高度 hL-板上液層高度 hL=hw+how,Hd,溢流裝置（1020cm）,4.3 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),4.3.1 溢流裝置 溢流型式的選擇 依據(jù)：塔徑 、流量； 型式：?jiǎn)瘟餍汀 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Af /AT 確定； 底隙高度 h0：通常在 40 60 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(guò)。 型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵

13、欄堰。,采用弓形降液管，平堰及平型受液盤，l w =0.7D=0.56 m 堰上液層高度 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：,本設(shè)計(jì)采用:,一般取安定區(qū)寬度 WS =（50-100）mm 一般取邊緣區(qū)寬度 WC =（30-50）mm,4.3.2 塔盤布置,1. 受液區(qū)和降液區(qū) 一般兩區(qū)面積相等。 2. 入口安定區(qū)和出口 安定區(qū)。,采用F-1型浮閥塔盤: 閥孔直徑do = 39 mm，取閥孔動(dòng)能因子F0 = 9-13之間。 則閥孔氣速為 u0 = F0 / (V)0.5 = 12 / (2.92)

14、0.5 = 7.02 m/s 浮閥個(gè)數(shù) N =VS /（0.785d02.u0）= 48.7 圓整為49個(gè) 浮閥排列：采用等腰三角形叉排，確定相鄰兩排孔的間距 t。 由l w /D = 0.7，查圖得 Wd /D=0.15 則 Wd = 0.15D=0.12 m x = D/2 - (Wd + Ws )= 0.21 m r = D/2 - Wc =0.36 m,鼓泡區(qū)面積：,4. 浮閥塔有效傳質(zhì)區(qū)布置,相鄰兩排孔的間距 t = Aa /（0.075*N）= 0.077 m，取80mm。按孔中心距 t =75mm和兩排孔的間距 t =80mm（一般有65、80和100mm三種規(guī)格）以等腰三角形叉

15、排方式繪圖排列，得到實(shí)際浮閥個(gè)數(shù)為N=53個(gè)。,核算孔速和動(dòng)能因子：u0=VS /（0.785d0253）= 6.5 m/s F0 = u0(V)0.5 = 11.1 F0在 9-13 之間，即在適宜范圍內(nèi)。,4.4 塔板流體力學(xué)校核 （2）浮閥塔板阻力,塔板阻力 hp包括 以下幾部分: （a）干板阻力 hc 氣體通過(guò)板上孔的阻力（無(wú)液體時(shí)）； （b）液層阻力 hl 氣體通過(guò)液層阻力；,（a）干板阻力hc,uoc為浮閥全開前后的臨界孔速度，用下式計(jì)算:,m液柱,（b）液層阻力 hl,工業(yè)浮閥塔的單板壓降hp=hc+hl，一般在20-100mm水柱,一般用下面經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：,ev的計(jì)算通常采用費(fèi)爾

16、等人提出的泛點(diǎn)率進(jìn)行估算。按下面兩個(gè)公式的結(jié)果取較大值。,4.4.2 液沫夾帶量校核 (2) 浮閥塔板液沫夾帶量校核,式中，ZL=D-2Wd，Ab=AT-2Af，K一般取0.75-1.0，CF為泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)，由下圖查到。,對(duì)于D0.8m, 泛點(diǎn)率80% 對(duì)于減壓塔, 泛點(diǎn)率75% 以上三種情況產(chǎn)生的ev0.1,為防止發(fā)生液泛，清液層高度Hd應(yīng)滿足：,對(duì)不易起泡物系：,易起泡物系：,4.4.3 降液管溢流液泛校核 (2) 浮閥塔降液管溢流液泛校核,hg為液體經(jīng)過(guò)降液管底隙的局部阻力, 由下式計(jì)算：,塔板上不設(shè)進(jìn)口堰時(shí)：,塔板上設(shè)進(jìn)口堰時(shí)：,4.4.4 液體在降液管中停留時(shí)間校核(同時(shí)適用于兩種塔

17、盤) 目的：避免嚴(yán)重的氣泡夾帶降低板效率。,停留時(shí)間：,要求：,說(shuō)明：停留時(shí)間過(guò)小，可增加降液管面積或增大塔板間距。,4.5 塔板負(fù)荷性能圖,在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進(jìn)行了流體力學(xué)驗(yàn)算之后，便可確認(rèn)所設(shè)計(jì)的塔板能在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下正常操作。此時(shí)，有必要進(jìn)一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負(fù)荷波動(dòng)范圍。這個(gè)范圍通常以塔板負(fù)荷性能圖的形式表示。,操作彈性=Vmax / Vmin,(,（1）漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（浮閥塔）,取閥孔動(dòng)能因素F0=5時(shí)的氣相負(fù)荷作為操作下限，則：,在圖中作平行與橫坐標(biāo)的直線即可。,漏液量增大，導(dǎo)致塔板上難以維持正常操作所需

18、的液面，無(wú)法操作。此漏液為嚴(yán)重漏液，稱相應(yīng)的孔流氣速為漏液點(diǎn)氣速。,（2）過(guò)量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線） （浮閥塔）,由以下公式得到Vh和Lh的關(guān)系式：,對(duì)于D0.8m, 泛點(diǎn)率取0.8 對(duì)于減壓塔, 泛點(diǎn)率取0.75,原因： 氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板； 氣相運(yùn)動(dòng)是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動(dòng)。,（3）液相負(fù)荷下限線（篩板塔和浮閥塔）,(,對(duì)于平直堰，一般取堰上液層高度,作為液相負(fù)荷下限條件，低于此限便不能保證板上液流均勻分布，降低氣液接觸效果。,依此式可求得液相負(fù)荷下限，據(jù)此作出液 相負(fù)荷下限線(3)。塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在豎直 線(3)的右方。,（4）

19、液相負(fù)荷上限線（篩板塔和浮閥塔）,(,此線反映對(duì)于液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的起碼要求。對(duì)于尺寸已經(jīng)確定的降液管，若液體流量超過(guò)某一限度，使液體在降液管中的停留時(shí)間過(guò)短，則其中氣泡來(lái)不及放出就進(jìn)入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。,依此式可求得液相負(fù)荷上限，據(jù)此作出液 相負(fù)荷上限線(4)。塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在豎直 線(4)的左方。,（5）液泛線（浮閥塔）,由以下公式得到Vh和Lh的關(guān)系式：,液泛現(xiàn)象,5. 換熱器選型,5.1 換熱器的初步選型,（1）塔頂冷凝器 熱負(fù)荷QC = (R+1)D(IVD - ILD)= (R+1)DMDrD = 4.63105 kcal/h。 取冷卻水的進(jìn)口溫度為3

20、2，出口溫度為38，則換熱平均溫 差tm =87.3，取換熱系數(shù)K = 350 w/m2，則所需換熱面積： S = 4.631051034.18 / (360035087.3) = 17.7 m2 選擇型號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)系列JB1145-73 Fg18（雙程）,（2）塔底再沸器 熱負(fù)荷QB = (R+1)DMBrB = 2.08106 kJ/h。 取導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為260，出口溫度為250， 則換熱平均溫差tm =57.5，取換熱系數(shù)K = 500 w /m2；則所需換熱面積：S = 2.08106103 / (360050057.5) = 20.0 m2 選擇型號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)系列JB1145-73 Fg2

21、0（單程）,塔頂冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表,項(xiàng)目,數(shù)值,備注,換熱器類型,固定管板式,換熱器面積,57m2,管程流體,冷卻水,殼程流體,塔頂汽相,外殼直徑,500mm,管程流速,2.5m/s,殼程流速,12.5m/s,管程數(shù),雙程,管子長(zhǎng)度,3.0m,管子尺寸,252.5,正方形排列,管程壓降,殼程壓降,3.7kpa,5.3kpa,折流板型式,弓形折流板,折流板間距,200mm,塔頂空間HD,塔頂空間HD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，一般取11.5m。,塔底空間HB,塔底空間HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有1015分鐘的儲(chǔ)量，以保證塔釜料液不致迅速排完，一般取2.02.5m。,6.1 塔體總高,6. 精餾塔工藝條件圖,人孔,一般每隔68層塔板設(shè)一人孔（供安裝、檢修 用），人孔處板間距650mm，人孔直徑一般為 450550mm,其伸出塔體的筒體長(zhǎng)為200250mm, 人孔中心距操作平臺(tái)約8001200mm。,塔高,H=(n-np-2)HT+HF+nPHp+HD+HB n實(shí)際塔板數(shù) HF進(jìn)料板處板間距，m nP人孔數(shù) Hp人孔處的板間距，取0.8m HD塔頂空間，