劉篩板餾塔設計

化工原理課程設計篩板精餾塔設計劉平常州大學石油化工學院時間：

19周周四—20周周三(1周）

2014.7.3—2014.7.9地點：

W2209（上午8:30-10:30答疑）答辯：

2014.7.9上午總評成績=設計書+面試+平時指導教師：冷一欣劉平化工原理課程設計安排與考核設計專用文件袋設計說明書（先做草稿再抄寫，30-40頁，封皮）帶控制點工藝流程圖、塔設備條件圖，用3號圖紙2張其余工藝設計圖，用坐標紙3張（A4大?。┱n程設計提交資料總體要求：繪制帶控制點工藝流程圖，完成精餾塔工藝設計以及有關附屬設備的計算與選型。繪制塔板結構簡圖，編制設計說明書。1.精餾塔工藝設計內(nèi)容：全塔物料衡算、確定回流比；確定塔徑、實際板數(shù)及加料板位置。2.精餾塔塔板工藝設計內(nèi)容：塔板結構設計、流體力學計算、負荷性能圖、工藝尺寸裝配圖。3.輔助設備：接管、換熱器、加料泵。說明：1.寫出詳細計算步驟，并注明選用數(shù)據(jù)的來源。2.每項設計結束后，列出計算結果明細表。3.設計說明書要求字跡工整，按規(guī)范裝訂成冊。

裝備111、112

苯-甲苯混合液篩板精餾塔設計裝備113

甲醇-水混合液篩板精餾塔設計設計題目苯-甲苯混合液篩板精餾塔設計任務書基礎設計數(shù)據(jù)：1.處理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,…)噸/年

(n:名單序號)2.進料組成：苯40%，甲苯60%（wt.%，下同）3.進料狀態(tài)：泡點進料4.產(chǎn)品要求：塔頂餾出液組成：苯98%

塔釜釜殘液組成：苯2%5.塔頂壓強：4KPa（壓表）6.年工作時間：8000小時7.公用工程：循環(huán)冷卻水：進口溫度32℃，出口溫度38℃

導熱油：進口溫度260℃，出口溫度250℃

裝備111苯-甲苯混合液篩板精餾塔設計任務書基礎設計數(shù)據(jù)：

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

3.進料狀態(tài)：泡點進料

4.產(chǎn)品要求：塔頂餾出液組成：苯98%

塔釜釜殘液組成：苯2%5.塔頂壓強：4KPa（壓表）

6.年工作時間：8000小時

7.公用工程：循環(huán)冷卻水：進口溫度32℃，出口溫度38℃

導熱油：進口溫度260℃，出口溫度250℃

裝備112甲醇-水混合液篩板精餾塔設計任務書基礎設計數(shù)據(jù)：1.處理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,………)(n為名單序號)2.進料組成：甲醇55%，水45%（wt.%，下同）3.進料狀態(tài)：泡點進料4.產(chǎn)品要求：塔頂餾出液組成：甲醇98%

塔釜釜殘液組成：甲醇2%5.塔頂壓強：4KPa（壓表）6.年工作時間：8000小時7.公用工程：循環(huán)冷卻水：進口溫度32℃，出口溫度38℃

導熱油：進口溫度260℃，出口溫度250℃

裝備113設計說明書內(nèi)容1.封皮2.前言（設計的任務和目的）3.符號說明（參見課程設計95頁）4.目錄5.計算內(nèi)容6.附錄（圖）計算說明書目錄一、設計任務書二、工藝流程圖與工藝條件三、精餾塔工藝計算四、塔體設計五、塔板流體力學校核六、塔板負荷性能圖七、配管及輔助設備八、塔高計算九、結束語附錄注意頁碼標注！苯-甲苯混合液篩板精餾塔設計計算示例

一.設計任務書

按要求填入處理量和進料組成二.工藝流程和工藝條件

1.帶控制點工藝流程圖及工藝流程敘述（3號圖紙，參見P14，圖占2/3）

2.設計方案的確定（參見P98）

（1）操作壓強常壓、加壓、減壓。根據(jù)系統(tǒng)的物性、技術的可行性、經(jīng)濟的合理性等方面考慮。加壓：可使冷凝溫度提高，一般用于沸點低，常壓下為氣態(tài)的物料。減壓：可使沸點降低，用于熱敏性的物料。（2）進料熱狀態(tài)進料狀態(tài)與所需塔板的數(shù)目、加料位置及塔徑大小有關。在實際操作中，較多的采用將料液加熱到泡點或接近泡點進料。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，給設計和制備帶來方便。

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

（6）塔板類型（參見P99）比較幾種塔板，說明篩板塔的優(yōu)缺點。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：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：結構復雜，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：結構簡單、造價低、塔板阻力小。目前，廣泛應用的一種塔型。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：浮閥根據(jù)氣體流量，自動調(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)中得到廣泛的應用。缺點：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：氣泡夾帶現(xiàn)象比較嚴重。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：提高允許液體流量塔板的比較

塔板性能比較

塔板類型

相對生產(chǎn)能力

相

對板效率

操作范圍

壓強降

結構成本

泡罩板

1.0

1.0

10～100

高

復雜

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)點及適用范圍

優(yōu)點

缺點

適用范圍

塔板類型

泡罩板

較成熟，操作范圍寬

結構復雜，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

結構簡單,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.精餾塔工藝計算

3.1苯-甲苯相平衡關系安托因方程：

由t（在苯，甲苯沸點(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)泡點方程求出x,露點方程求出y

說明：平均相對揮發(fā)度為

?

3.2繪制t-x-y圖及x-y圖

在坐標紙上繪圖，大小要求t-x-y圖為10×10cm，x-y圖為

15×15cm左右tPA0PB0xyα828384…110表1.。。。。項目

數(shù)值進料流量F,kmol/h塔頂產(chǎn)品流量D,kmol/h塔釜殘液流量W,kmol/h進料組成，xF(摩爾分數(shù)）塔頂產(chǎn)品組成，xD(摩爾分數(shù)）塔釜殘液組成，xW(摩爾分數(shù)）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算

1.

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

=DxD+Wxw

W

3.4實際板數(shù)及進料位置的確定

1.確定最小回流比Rmin

2.確定操作回流比R

由Fenske方程計算最小理論板數(shù)Nmin

利用吉利蘭關聯(lián)圖書P200，計算

R

~NT如下：繪制NT~R關系圖，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

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

回流比理論板數(shù)板效率實際板數(shù)理論加料位置實際加料位置包括板間距的初估，塔徑的計算，塔板溢流形式的確定，板上清液高度、堰長、堰高的初估與計算，降液管的選型及系列參數(shù)的計算,塔板布置和篩孔的布置等,最后是水力學校核和負荷性能圖。四.塔體設計

設計參數(shù)如下（以塔頂?shù)谝粔K塔板數(shù)據(jù)為設計依據(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)驗關系（P103表3-4）說明：工業(yè)塔中，板間距范圍200~900mm4.2塔徑計算

查P104圖3-2，得C20由P104公式3-4,3-5得液泛氣速umax計算兩相流動參數(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：計算得到的塔徑需圓整，系列化標準：參見P104300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200，1400，1600，2000，2200mm等塔徑

，圓整。

由此重新計算：

AT=0.785D2Af=0.088ATAn=AT-Af

u=VS/An

計算結果匯總注意：

1）必須用圓整后的D重新計算確定實際的氣體流通截面積、實際氣速。

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+howHd

溢流裝置（10×20cm）4.3塔板結構設計

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hw=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)域為安定區(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)在坐標紙上畫出塔板的板面布置及主要尺寸

參見P106圖3-5

計算結果匯總五、塔板流體力學校核

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

—氣體通過板上孔的阻力（無液體時）；

（b）液層阻力hl—氣體通過液層阻力；（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）

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為相對泡沫密度，與物系的發(fā)泡性能有關。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間校核

目的：避免嚴重的氣泡夾帶降低板效率。

停留時間：P108公式3-13要求：說明：停留時間過小，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漏液點校核

P114公式3-38六、塔板負荷性能圖在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進行了流體力學驗算之后，便可確認所設計的塔板能在任務規(guī)定的氣液負荷下正常操作。此時，有必要進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、液負荷波動范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示。參見《化工原理課程設計》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計算出Lh(m3/h)2、液體流量上限線取在降液管中的停留時間為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LS值，依上式算出對應的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)時的VS-LS關系，塔板的適宜操作區(qū)應在此線之下，否則將因過多的霧沫夾帶而使板效率嚴重下降。5、液泛線

液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度達到最大允許值時的關系，塔板的適宜操作區(qū)也應在此線之下，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)象負荷性能圖的結果匯總在坐標紙上畫出負荷性能圖七、配管及輔助設備7.1接管（P1413.4.4節(jié)）無縫鋼管P24（