板式精餾塔的設(shè)計(jì)

1、 2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2板式精餾塔的設(shè)計(jì)原則 總的原則是盡可能多地采用先進(jìn)的技術(shù)，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點(diǎn)。n 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計(jì)出來(lái)的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計(jì)的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進(jìn)行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。設(shè)置必需的儀表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來(lái)觀測(cè)和控制生產(chǎn)過程。2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3n 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費(fèi)用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸

2、汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗?；亓鞅葘?duì)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。冷卻水的節(jié)省也對(duì)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用有影響，減少冷卻水用量，操作費(fèi)用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費(fèi)用增加。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。n 保證生產(chǎn)安全 生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。塔體大都安裝在室外，為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強(qiáng)度。2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院4(4)(4)穩(wěn)定性穩(wěn)定性:若操作不穩(wěn)定,就不能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻. n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,但原料液或

3、回流液的流量和溫度發(fā)生變化時(shí),穩(wěn)定情況也會(huì)受到一定的影響。n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(dòng)的影響.n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?yàn)樗斦魵饬咳缬胁▌?dòng),將影響回流液量及進(jìn)料溫度.從而影響整個(gè)塔的操作穩(wěn)定性。有時(shí)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(lái)控制冷凝器的操作,同時(shí)保證進(jìn)料溫度一定.n 塔釜液體雖然溫度很高,但用它來(lái)預(yù)熱原料液,對(duì)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.2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院5 精餾方案的選定n1.操作壓力(

4、常壓,加壓,減壓)-設(shè)計(jì)壓力一般指塔頂壓力 沸點(diǎn)低沸點(diǎn)低,常壓下為氣態(tài)的物料常壓下為氣態(tài)的物料-加壓操作加壓操作, 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(fèi)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(duì)揮發(fā)度下降. 熱敏性和高沸點(diǎn)的物料熱敏性和高沸點(diǎn)的物料-減壓操作減壓操作.nP降低,相對(duì)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(fèi)用和設(shè)備費(fèi)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

5、成和壓力同時(shí)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-如塔板壓降不是很大,工藝計(jì)算時(shí)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(jì)算,一般先假設(shè)再較核.多次試差. 2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院6n2.進(jìn)料狀態(tài)n 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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)問題及操作平穩(wěn)等多種因素.n 進(jìn)料進(jìn)料-預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)(進(jìn)料溫度不受季節(jié)氣溫變化和前一道工序波動(dòng)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

6、).n 有時(shí)為了減小再沸器的熱負(fù)荷有時(shí)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(shí)加入更多的熱量,甚至采用飽和蒸氣進(jìn)料.n 注意:實(shí)際設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮整個(gè)車間的流程安排. 2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院7n3.多股進(jìn)料n 原料來(lái)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(shí)(或其中的一種物料不多時(shí)),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.2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院8n4.加熱方式n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) n立式熱虹吸再沸器

7、的主要特點(diǎn)立式熱虹吸再沸器的主要特點(diǎn):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(shí)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(jià)較低,但要求較高的塔體裙座.n 臥式熱虹吸再沸器的主要特點(diǎn)臥式熱虹吸再沸器的主要特點(diǎn):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(dòng)穩(wěn)定,在加熱段停留時(shí)間短,不容易結(jié)垢,可以使用較臟的加熱介質(zhì).n 立式和臥式強(qiáng)制循環(huán)再沸器的共同特點(diǎn)立式和臥式強(qiáng)制循環(huán)再沸器的共同特點(diǎn):適應(yīng)于高粘度液體和熱敏性物料,因?yàn)閺?qiáng)制循環(huán)流速高,停留時(shí)間短,有利于工藝流體循環(huán)流量的控制和調(diào)節(jié).2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院9n5.冷卻方

8、式n 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(wú)機(jī)鹽析出.n 冷卻劑 還可以是冷凍鹽水.液氨等，一般用于較低溫度。n 2)冷凝設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式n 小塔-蛇管換熱器n 大塔-列管式換熱器2022-6-26篩板式精餾塔設(shè)計(jì)方法篩板式精餾塔設(shè)計(jì)方法一. 工藝計(jì)算二. 設(shè)備計(jì)算四. 輔助設(shè)備計(jì)算三. 塔體結(jié)構(gòu)五. 帶控制點(diǎn)工藝流程圖2022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院18n塔板間距n塔徑估算n溢流裝置n塔板布置n塔板流體力學(xué)

9、驗(yàn)算n塔板的負(fù)荷性能圖塔板的負(fù)荷性能圖二、塔板設(shè)計(jì)2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院19 1 塔板間距 n塔板間距過小，液沫夾帶嚴(yán)重，塔板效率降低。n塔板間距過大，設(shè)備增高，金屬耗量增大 ，塔的造價(jià)增加。n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。n塔板間距與塔徑同時(shí)考慮。板間距大，塔徑可小些。對(duì)于板數(shù)較多的塔，取較小的板間距，可適當(dāng)降低塔高。2022-6-262022-6-265 . 0232323220)()(ln)43196. 049123. 0088307. 007291. 0(ln)3212. 139. 1079. 0474675. 0(4695. 6549

10、6. 56562. 1531. 4expVLvLTvvVLLhHZLZZZLZZZZZZC2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院22 3 溢流堰2022-6-262022-6-26 齒形堰 hOW不超過齒頂時(shí) 2517. 1WnSOWlhLh hOW超過齒頂時(shí)2525735. 0nOWOWnWShhhhlL SL塔內(nèi)液體流量,Sm3 nh齒深, m;可取為 0.0150.015m(3).堰高Wh 堰高與板上液層高度及堰上液層高度的關(guān)系： OWLWhhh2022-6-262022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院262022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院275 進(jìn)口堰及受液盤進(jìn)口堰（對(duì)圓

11、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n當(dāng)hw h0（有液封）時(shí)，hw hwn當(dāng)hw h0（無(wú)液封）時(shí)，hwh0n為保證液體由降液管流出時(shí)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h1h0n對(duì)于直徑 800以上的大塔多采用受液盤。2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院28受液盤 對(duì)于直徑800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）2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院296 塔板布

12、置n塔板分成四個(gè)區(qū)域：鼓泡區(qū)鼓泡區(qū)：塔板上氣液接觸的有效區(qū)域。溢流區(qū)溢流區(qū)：降液管及受液盤所占的區(qū)域。破沫區(qū)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 無(wú)效區(qū)無(wú)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。2022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-262022-6-26(2) .(2) .降液管內(nèi)液體高度降液管內(nèi)液體高度( (液泛液泛 or or 淹塔淹塔) ) 降液管內(nèi)液體高度Hd代表液體

13、通過一層塔板時(shí)所需液位高度，可用下式表示: dpLdhhhH 式中 進(jìn)出口堰之間的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以忽略) ph氣體通過一塊塔板的壓降，m 液柱 hd液體流出降液管的壓降，m 液柱hd可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 無(wú)入口堰: hLL hdSW015302. 有入口堰： hLl hdSW0 202.2022-6-26 如果液體和氣體流動(dòng)所遇阻力增加，降液管中液面上升，當(dāng)超過上一層塔板的堰頂后，產(chǎn)生液體倒流，即發(fā)生了液泛，因此，需要足夠的降液管高度，或控制適當(dāng)阻力以防液泛的發(fā)生。實(shí)際降液管中液體和泡沫的總高度大于用上式計(jì)算的值。為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過上層塔板的出

14、口堰。因此 HhHTWd 式中 HT板間距，m 系數(shù)。為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。對(duì)于容易起泡的物系，取 0 0. .3 30 0. .4 4；對(duì)不易起泡的物系，取0 0. .6 60 0. .7 7；對(duì)于一般物系，取0 0. .5 5。2022-6-26（3 3）霧霧沫沫夾夾帶帶 霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過 0 0. .1 1kg，即控制霧沫夾帶量eV 0 0. .1 1kg(液)/kg(氣)。 2 . 36)5 . 2(10

15、7 . 5LTaVhHue2022-6-26（4）漏液點(diǎn)氣速）漏液點(diǎn)氣速 uOW當(dāng)氣速逐漸減小至某值時(shí)，塔板將發(fā)生明顯的漏夜現(xiàn)象，該氣速稱為漏液點(diǎn)氣速 uOW，若氣速繼續(xù)降低，更嚴(yán)重的漏夜將使篩板不能積液而破壞正常操作，故漏液點(diǎn)氣速為篩板的下限氣速。為使篩板具有足夠的操作彈性，應(yīng)保持穩(wěn)定性系數(shù) K:若穩(wěn)定性系數(shù)偏低，可適當(dāng)減小開孔率或降低堰高，前者影響較大。VLLOWhhCu/)13. 00056. 0(4 . 40/.,.0 . 25 . 1smuuuuKOWoOWO漏液點(diǎn)氣速篩孔氣速2022-6-262022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院43負(fù)荷性能圖2022-6-262022-6-2

16、62022-6-26在負(fù)荷性能圖上，由上述線所包圍的陰影區(qū)域，應(yīng)是所設(shè)計(jì)的塔板用于處理指定物系時(shí)的適宜操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，塔板上的流體力學(xué)狀況是正常的。（6）塔的操作彈性在塔的操作液氣比下，操作線 OAB 與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最低負(fù)荷之比，即：min,max,ssVV操作彈性ssVVmax,上操作彈性min, ssVV下操作彈性2022-6-262022-6-26 4 塔高 H(不包括封頭、裙坐)H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn實(shí)際塔板數(shù)；nF進(jìn)料板數(shù)HF進(jìn)料板處板間距，mnP人孔數(shù)Hp設(shè)人孔處的板間距，mHD塔頂空間，m（不包括頭蓋部分）HB

17、塔底空間，m（不包括底蓋部分）裙坐HHBHFHD2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院492022-6-262022-6-26 (4) 塔釜出料管 dw 塔釜出料，uw=0.5-1m/s, wswuLd4（1） 再沸器返塔蒸汽管 dv 取 uv=15m/S2. 2. 輔助設(shè)備輔助設(shè)備（1 1）冷凝器）冷凝器 a.熱負(fù)荷 QC = V rb.冷卻水用量 W 取冷卻水的進(jìn)口溫度為 30，出口溫度為 45，水的比熱為4.18kJ/kg 則 W=Q/(CPt)c.換熱平均溫差tm (泡點(diǎn)回流) d.換熱系數(shù) K 查教材上冊(cè) P229，表 4-4e.換熱面積 SS=Q/(Ktm) 可查表選設(shè)備。21

18、12lntTtTtttm2022-6-26（2 2）再再沸沸器器 a. 熱負(fù)荷QB = V r 由塔底壓強(qiáng)組成確定塔底溫度表。b.加熱蒸汽用量GG=QB/rc.換熱平均溫差tm tm=T 蒸汽-t 釜溫 d. 換熱系數(shù)K 查教材上冊(cè)P229，表4-4e.換熱面積SS=Q/(Ktm) 查表選設(shè)備。貯槽、加料泵、高位槽、產(chǎn)品冷卻器設(shè)計(jì)從略。2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院53五、帶控制點(diǎn)的工藝流程2022-6-26西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院54板式塔的機(jī)械設(shè)計(jì)整 塊 式 塔 板D = 3 0 0 m m 9 0 0 m m分 塊 式 塔 板D = 8 0 0 m m 塔 板 （ 塔 盤 ）塔 體 及 封 頭裙 座容 器 法