劉篩板餾塔設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)篩板精餾塔設(shè)計(jì)劉平常州大學(xué)石油化工學(xué)院時(shí)間：

19周周四—20周周三(1周）

2014.7.3—2014.7.9地點(diǎn)：

W2209（上午8:30-10:30答疑）答辯：

2014.7.9上午總評(píng)成績=設(shè)計(jì)書+面試+平時(shí)指導(dǎo)教師：冷一欣劉平化工原理課程設(shè)計(jì)安排與考核設(shè)計(jì)專用文件袋設(shè)計(jì)說明書（先做草稿再抄寫，30-40頁，封皮）帶控制點(diǎn)工藝流程圖、塔設(shè)備條件圖，用3號(hào)圖紙2張其余工藝設(shè)計(jì)圖，用坐標(biāo)紙3張（A4大?。┱n程設(shè)計(jì)提交資料總體要求：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)算與選型。繪制塔板結(jié)構(gòu)簡圖，編制設(shè)計(jì)說明書。1.精餾塔工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：全塔物料衡算、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.輔助設(shè)備：接管、換熱器、加料泵。說明：1.寫出詳細(xì)計(jì)算步驟，并注明選用數(shù)據(jù)的來源。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)說明書要求字跡工整，按規(guī)范裝訂成冊(cè)。

裝備111、112

苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)裝備113

甲醇-水混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：1.處理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,…)噸/年

(n:名單序號(hào))2.進(jìn)料組成：苯40%，甲苯60%（wt.%，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：苯98%

塔釜釜?dú)堃航M成：苯2%5.塔頂壓強(qiáng)：4KPa（壓表）6.年工作時(shí)間：8000小時(shí)7.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℃

裝備111苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：

1.處理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,………)(n為名單序號(hào))2.進(jìn)料組成：苯50%，甲苯50%（wt.%，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：苯98%

塔釜釜?dú)堃航M成：苯2%5.塔頂壓強(qiáng)：4KPa（壓表）

6.年工作時(shí)間：8000小時(shí)

7.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℃

裝備112甲醇-水混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：1.處理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,………)(n為名單序號(hào))2.進(jìn)料組成：甲醇55%，水45%（wt.%，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：甲醇98%

塔釜釜?dú)堃航M成：甲醇2%5.塔頂壓強(qiáng)：4KPa（壓表）6.年工作時(shí)間：8000小時(shí)7.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℃

裝備113設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容1.封皮2.前言（設(shè)計(jì)的任務(wù)和目的）3.符號(hào)說明（參見課程設(shè)計(jì)95頁）4.目錄5.計(jì)算內(nèi)容6.附錄（圖）計(jì)算說明書目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書二、工藝流程圖與工藝條件三、精餾塔工藝計(jì)算四、塔體設(shè)計(jì)五、塔板流體力學(xué)校核六、塔板負(fù)荷性能圖七、配管及輔助設(shè)備八、塔高計(jì)算九、結(jié)束語附錄注意頁碼標(biāo)注！苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算示例

一.設(shè)計(jì)任務(wù)書

按要求填入處理量和進(jìn)料組成二.工藝流程和工藝條件

1.帶控制點(diǎn)工藝流程圖及工藝流程敘述（3號(hào)圖紙，參見P14，圖占2/3）

2.設(shè)計(jì)方案的確定（參見P98）

（1）操作壓強(qiáng)常壓、加壓、減壓。根據(jù)系統(tǒng)的物性、技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)的合理性等方面考慮。加壓：可使冷凝溫度提高，一般用于沸點(diǎn)低，常壓下為氣態(tài)的物料。減壓：可使沸點(diǎn)降低，用于熱敏性的物料。（2）進(jìn)料熱狀態(tài)進(jìn)料狀態(tài)與所需塔板的數(shù)目、加料位置及塔徑大小有關(guān)。在實(shí)際操作中，較多的采用將料液加熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)進(jìn)料。一方面可以提高操作的穩(wěn)定性；另一方面，精餾段和提餾段的上升蒸汽量相同，可以采用相同的塔徑，給設(shè)計(jì)和制備帶來方便。

（3）加料方式可采用直接進(jìn)料的方式，將料液先經(jīng)過預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)后進(jìn)塔，在進(jìn)塔處安裝流量計(jì)，計(jì)量。另可采用泵將料液打進(jìn)高位槽，再由高位槽進(jìn)塔。（4）塔釜加熱方式采用間接蒸汽加熱（設(shè)置再沸器）。（5）塔頂冷凝方式采用全凝器，泡點(diǎn)回流。

（6）塔板類型（參見P99）比較幾種塔板，說明篩板塔的優(yōu)缺點(diǎn)。降液管受液區(qū)溢流堰安定區(qū)開孔區(qū)塔板俯視圖常用塔板的類型（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d0：3-8mm;大孔徑篩板d0

：12-25mm。（3）浮閥塔板方形浮閥塔盤圓形條形優(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，具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：浮閥易脫落或損壞。（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。垂直篩板液相塔板泡罩氣相舌形塔板（5）多降液管（MD）塔板

優(yōu)點(diǎn)：提高允許液體流量塔板的比較

塔板性能比較

塔板類型

相對(duì)生產(chǎn)能力

相

對(duì)板效率

操作范圍

壓強(qiáng)降

結(jié)構(gòu)成本

泡罩板

1.0

1.0

10～100

高

復(fù)雜

1.0

篩板

1.2～1.4

1.1

35～100

低

簡單

0.4～0.5

浮閥板

1.2～1.3

1.1～1.2

10～100

中

一般

0.7～0.8

舌型塔板

1.3～1.5

01.1

50～100

低

最簡單

0.5~0.6

斜孔板

1.5～1.8

1.1

30～100

低

簡單

0.5

各種塔板的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

適用范圍

塔板類型

泡罩板

較成熟，操作范圍寬

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力大，生產(chǎn)能力低

某些要求彈性好的特殊塔

浮閥板

效率高，操作范圍寬

采用不銹鋼，浮閥易脫落

分離要求高,負(fù)荷變化大;原油常壓分餾塔

篩板

效率較高，成本低

安裝要求水平,易堵,操作范圍窄

分離要求高,塔板較多;化工中丙烯塔

舌型板

結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)能力大

操作范圍窄，效率較低

分離要求較低的閃蒸塔

斜孔板

生產(chǎn)能力大,效率高

操作范圍比浮閥塔和泡罩塔窄

分離要求高，生產(chǎn)能力大

三.精餾塔工藝計(jì)算

3.1苯-甲苯相平衡關(guān)系安托因方程：

由t（在苯，甲苯沸點(diǎn)(80.1,110.6)之間取值）根據(jù)安托因方程求出PA0和PB0

，再根據(jù)泡點(diǎn)方程求出x,露點(diǎn)方程求出y

說明：平均相對(duì)揮發(fā)度為

?

3.2繪制t-x-y圖及x-y圖

在坐標(biāo)紙上繪圖，大小要求t-x-y圖為10×10cm，x-y圖為

15×15cm左右tPA0PB0xyα828384…110表1.。。。。項(xiàng)目

數(shù)值進(jìn)料流量F,kmol/h塔頂產(chǎn)品流量D,kmol/h塔釜?dú)堃毫髁縒,kmol/h進(jìn)料組成，xF(摩爾分?jǐn)?shù)）塔頂產(chǎn)品組成，xD(摩爾分?jǐn)?shù)）塔釜?dú)堃航M成，xW(摩爾分?jǐn)?shù)）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算

1.

質(zhì)量分?jǐn)?shù)af\aD\aW轉(zhuǎn)化為摩爾分?jǐn)?shù)x,生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)換為F(kmol/h)料液平均分子量：Mm=xAMA+xBMB進(jìn)料流量：F=50000×103/（8000×Mm）F=D+WDFxf

=DxD+Wxw

W

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)圖書P200，計(jì)算

R

~NT如下：繪制NT~R關(guān)系圖，找出最佳回流比。

工程上取R=（1.1-2.0）RminR/RminRNT1.11.2…2.0圖解法求得NT

（不包括塔釜）和Nf

（在x-y

圖上畫）

3.圖解法求理論板數(shù)及加料板位置

4.總板效率

ET

t-x-y圖：由xD

得到tD，由xW

得到tW

，計(jì)算出t=0.5（tD+tW）找出溫度t下x,y,計(jì)算出α.μL=xAμA+xBμB5.實(shí)際板數(shù)及加料板位置的確定

回流比理論板數(shù)板效率實(shí)際板數(shù)理論加料位置實(shí)際加料位置包括板間距的初估，塔徑的計(jì)算，塔板溢流形式的確定，板上清液高度、堰長、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,塔板布置和篩孔的布置等,最后是水力學(xué)校核和負(fù)荷性能圖。四.塔體設(shè)計(jì)

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)）：

4.1初估板間距HT

取板間距HT=350mm或400mm

，板上液層厚度hL=0.06m，則HT-hL=0.29m。塔板間距和塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（P103表3-4）說明：工業(yè)塔中，板間距范圍200~900mm4.2塔徑計(jì)算

查P104圖3-2，得C20由P104公式3-4,3-5得液泛氣速umax計(jì)算兩相流動(dòng)參數(shù)FLVu=(0.6-0.8)umax則氣體流通面積An=VS/u選取單溢流塔盤，取lw

/D=0.7，查P108圖3-10得Af/AT=0.088

Af:降液管截面積則塔截面積：說明：計(jì)算得到的塔徑需圓整，系列化標(biāo)準(zhǔn)：參見P104300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200，1400，1600，2000，2200mm等塔徑

，圓整。

由此重新計(jì)算：

AT=0.785D2Af=0.088ATAn=AT-Af

u=VS/An

計(jì)算結(jié)果匯總注意：

1）必須用圓整后的D重新計(jì)算確定實(shí)際的氣體流通截面積、實(shí)際氣速。

2）校核HT與D的范圍。D-塔徑hw-堰高h(yuǎn)ow-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+howHd

溢流裝置（10×20cm）4.3塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3.1溢流裝置

①溢流型式的選擇依據(jù)：塔徑、流量；（D＜2m，一般采用單溢流、弓形降液管）

型式：單流型、U形流型、雙流型、階梯流型等。②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40~60mm。③

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。型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。0采用弓形降液管，平直堰及平型受液盤，l

w=(0.6~0.8)

D堰上液層高度P106公式3-7

（E取1）堰高h(yuǎn)w=hL-how（常壓hw=20-50mm

）液管底隙高度ho=hw-0.006

（m）（一般大于20-25mm

）要求：溢流裝置計(jì)算弓形降液管寬度Wd和截面積Af

查P108圖3-104.3.2塔盤布置WCWDWSlWrx塔盤布置圖（10×10cm）

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)。

D＜800mm，采用整塊D＞800mm，采用分塊

參見P116-117(1)安定區(qū)寬度Ws

開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域?yàn)榘捕▍^(qū)，其作用為使自降液管流出液體在塔板上均布并防止液體夾帶大量泡沫進(jìn)入降液管。其寬度指堰與它最近一排孔中心之間的距離。

Ws=Ws’=50~100mm（2）邊緣區(qū)寬度Wc

在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區(qū)域供支撐塔板的邊緣之用，稱無效區(qū)。其寬度視需要選定,小塔為25-50mm，大塔可達(dá)50-75mm。這里可取25～50mm。取篩孔直徑do=（3–8）mm，孔徑比取t/d0=3.0-3.5開孔率(P110公式3-19)=0.907/(t/d0)2(=5-15%)

篩孔面積A0=

Aa

篩孔氣速u0=VS/A0

篩孔數(shù)目n=4A0/d02以Aa為面積計(jì)算的氣速ua=VS/Aa(3)篩板塔有效傳質(zhì)區(qū)布置

d0t正三角排列鼓泡區(qū)面積Aa(P109公式3-16)在坐標(biāo)紙上畫出塔板的板面布置及主要尺寸

參見P106圖3-5

計(jì)算結(jié)果匯總五、塔板流體力學(xué)校核

5.1塔板阻力（壓降）

塔板阻力hp包括

以下幾部分:

（a）干板阻力hc

—?dú)怏w通過板上孔的阻力（無液體時(shí)）；

（b）液層阻力hl—?dú)怏w通過液層阻力；（c）克服液體表面張力阻力hσ—孔口處表面張力?？捎们逡褐叨缺硎荆喝“搴瘭?3mm，δ/d0=3/6=0.5

查圖P112圖3-14得C0

再由公式3-27求得hc（a）干板阻力hc

（b）氣體通過液層的阻力hl

β為液層充氣系統(tǒng)，由P112圖3-15查得

說明：（1）若塔板阻力過大，可增加開孔率或降低堰高。（c）克服液體表面張力阻力hσ

（一般可不計(jì)）

故氣體通過篩板阻力（壓降）hp和ΔPp

（P111公式3-24）

5.2液沫夾帶量校核

單位質(zhì)量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質(zhì)量（或摩爾）ev

：

kg液體/kg氣體，或kmol液體

/kmol氣體。

P113公式3-36說明：超過允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。

要求：ev≤

0.1

kg

液體/kg氣體降液管內(nèi)的清液高度要求（P.115公式3-46）式中φ為相對(duì)泡沫密度，與物系的發(fā)泡性能有關(guān)。一般物系：φ=0.5不易發(fā)泡：φ=0.6-0.7容易發(fā)泡：φ=0.3-0.45.3降液管溢流液泛校核Hd=hp+hl+hdhl、hp已求。hd由P115公式3-44求取。說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或增大塔板間距。5.4液體在降液管中停留時(shí)間校核

目的：避免嚴(yán)重的氣泡夾帶降低板效率。

停留時(shí)間：P108公式3-13要求：說明：停留時(shí)間過小，可增加降液管面積或增大塔板間距。說明：如果穩(wěn)定系數(shù)k過小，可減小開孔率或降低堰高。5.5漏液點(diǎn)校核

P114公式3-38六、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。參見《化工原理課程設(shè)計(jì)》P.153操作彈性=Vmax

/Vmin(1、液體流量下限線令how=0.006m，由P106公式3-7計(jì)算出Lh(m3/h)2、液體流量上限線取在降液管中的停留時(shí)間為3s，根據(jù)P108公式3-13得Ls，換算成Lh(m3/h)3、漏液線P153在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)LS值，依上式算出對(duì)應(yīng)的VS,min值4、霧沫夾帶線霧沫夾帶線表示霧沫夾帶量ev=0.1kg(液)/kg(氣)時(shí)的VS-LS關(guān)系，塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線之下，否則將因過多的霧沫夾帶而使板效率嚴(yán)重下降。5、液泛線

液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度達(dá)到最大允許值時(shí)的關(guān)系，塔板的適宜操作區(qū)也應(yīng)在此線之下，否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象，破壞塔的正常操作。液泛現(xiàn)象負(fù)荷性能圖的結(jié)果匯總在坐標(biāo)紙上畫出負(fù)荷性能圖七、配管及輔助設(shè)備7.1接管（P1413.4.4節(jié)）無縫鋼管P24（