板式塔

化工原理课程设计分离二元体系混合物常压精馏（筛板）塔的工艺计算与设计板式塔优点：重量轻、效率高、处理量大、便于维修。缺点：结构复杂、压力降大。扶梯、平台等附件：吊柱、保温圈、仪表用接管等孔、物料进出口接管、设备接管口：人孔、手支持件、除沫器等溢流堰、紧固件、内件：塔盘、降液管、主体部分：塔体、裙座总体结构舌型塔浮阀塔筛板塔泡罩塔按塔板结构板式塔分类逆流式（无降液管）错流式（有降液管）按气液两相流动方式双溢流型单溢流型按液体流动路径浮动舌形塔舌形塔斜喷型塔导向筛板塔板塔）无降液管塔（穿流式筛筛板塔浮阀塔泡罩塔板式塔板式塔结构泡罩直径：Φ80Φ100Φ1501、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。泡罩塔优点1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。2、气体压力降大，雾沫夹带较严重，因此限制了气速的提高，生产能力不大。3、不好操作，液体或蒸汽流量很小时，会形成气液接触不良或蒸汽流动的脉动；反之会形成雾沫夹带、液泛等。泡罩塔缺点轻阀—δ=1.5mm，重约25g。重阀—δ=2.0mm，重约33g。δminδmax定距片锐边阀脚1、结构紧凑，生产能力大，比泡罩塔提高20-40%。2、蒸汽以水平方向吹入液层，阻力小，气液接触时间长且接触状况良好，故雾沫夹带少，塔板效率高。3、浮阀可根据气量大小上下浮动，操作弹性大。4、浮阀结构简单，安装容易，造价较低。1、气速较低时，塔板会出现漏液现象。2、阀片有卡死或吹落的可能。3、塔板压力降较大。浮阀塔的优点浮阀塔的缺点1、结构简单，制造容易，造价低。2、塔板效率较高，生产能力大。3、大孔径筛板对物料的适应性强，不易堵塞。1、操作弹性小，需保持较稳定的气、液流速，否则会造成漏液或气液接触不良。2、小孔径筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体颗粒的料液。筛板塔的优点筛板塔的缺点筛孔φ5-8mm；栅缝宽度4-6mm，长度60-150mm。筛孔或栅缝开孔率15-30%。1、无溢流和降液装置，结构简单，安装和维修方便。2、塔板上的开孔有效面积大，开孔率大，故生产能力大。3、开孔率大，气、液流动的压力降小，适用于真空蒸馏。4、孔道不易堵塞，对物料的适应性强。1、操作弹性小。2、塔板效率低。无降液管塔的优点无降液管塔的缺点lW液体n汽体降液管清液层溢流堰hW筛板塔一、塔板结构1．板式塔的设计意图1）要求塔板能提供足够大,且不断更新的相间触界面。2）塔内应尽量使汽液两相呈逆流流动。2．筛板塔的板构造1）筛孔—塔板上的汽体通道，筛孔直径3~8mm；2）溢流堰—保持塔板上有一定量的液体；弓形平直堰hwlw，堰高决定了塔板上液层的高度和持液量。3）降液管—液体自上而下的通道，一般为弓形；降液管下端必须保持液封，以防汽体短路；h0hw单流型塔板与多流型塔板接触状态接触界面传质性能连续相分散相鼓泡接触汽泡表面湍动程度低，传质阻力大液汽泡沫接触汽泡间液膜高度湍动，传质面积大液汽喷射接触液滴外表面传质良好汽液1．筛板上汽液接触状态随汽流通过筛孔的速度不同，接触状态大致分三种：二、塔板上流体力学状况：鼓泡接触状态泡沫接触状态喷射接触状态2．汽相通过塔板的阻力损失TldfHhhhhd：干板压降；hl：汽体穿过板上液层的阻力损失（液层压降）；=静液层压降+克服汽、液界面张力的能耗+通过液层的摩擦阻力HT：板间空间阻力在低汽速时，以液层阻力hl为主；在高汽速时，以干板压降hd为主3．筛板塔内汽液两相的非理想流动实际塔板上流动与理想流动的偏差（1）空间上的反向流动1）液沫夹带（雾沫夹带,Entraiment）现象—液滴被上升蒸汽挟带至上层塔板。危害—降低传质推动力。产生原因—汽速过大，板间距过小。2）汽泡夹带现象—气泡随液相流至下层。危害—使降液管中泡沫层的平均密度变小，降低降液管的通过能力，严重时将破坏塔的正常操作。1）汽体通过塔板的不均匀性原因—板上液面存在着落差（高度差）。2）液体沿塔板流动的不均匀性原因—汽体的搅动，产生大小不同尺寸的环流。（返混现象）。注#只有返混极为严重时，液体才能完全混合均匀，板上各点的液体浓度相等。若液体完全没有返混，呈“活塞流”流动，此时液体沿流动方向上的浓度梯度最大。（2）空间上的不均匀流动4．板式塔的不正常操作现象（1）液泛现象当汽速过大，液沫夹带严重，造成板间液相严重返混；同时板压降增大，降液管中液位升高，流体流过的阻力增大，上层塔板下流的液体不能畅通地流过降液管，导致液体阻塞。液泛时，造成淹塔，使塔无法正常地工作。液泛汽速也与液体流量有关，液流量越大，液泛汽速越低。液泛汽速是操作的上限。（2）漏液现象当汽速过小，板上液体从孔口直接落下，造成漏液。三、塔板效率由于塔板上非理想流动的存在，使实际板与理论板存在着差距，以塔板效率来衡量。1.点效率yxn-1yn+1xnxn1*1nnoVyyyyE*11xxxxEnnoLy*—与某点液相组成x成平衡之汽相组成；x*—与某点汽相组成y成平衡之液相组成。1*1nnnnmVyyyyE理论塔板的汽相增浓值实际塔板的汽相增浓值*11nnnnmLxxxxE理论塔板的液相增浓值实际塔板的液相增浓值ynxn-1yn+1xnnyn*是与xn成平衡的，xn*是与yn成平衡的。EmV≠EmL2.单板效率（MurphreeEfficiency）yn*xn*3.全塔效率—常用的度量板式塔分离性能的综合指标%1000PTNNE实际板数理论板数对双组分溶液：7.0~5.00EO’connell关联图10000.11.010E0L245.00)(49.0LE—塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；L—塔顶与塔底平均温度下料液的粘度，cP四、塔高的计算Z=NPHTHT—板间距,m；按经验值选取。五、塔径的计算uVDsT4Vs—塔内汽相流量，m3/s；u—汽相的空塔速度，m/s1.Vs计算设汽相为理想气体VmsVMV3600或PTTPVVs004.223600式中：V—汽相质量流量，k·mol/h2.利用Smith关联图求空速（1）先选定一板间距HT，计算HT-hL；（2）由Smith图查得汽相负荷因子C20，m/s；[m3/s][m3/s]（3）C20校正：2.020)20(CC—液相表面张力，mN/m；（4）最大允许空塔速度umaxGGLCumax（5）u=（0.60.8）umax线1：过量液沫夹带线，即汽体流量上限线；线2：漏液线，即汽体流量下限线；线3：液泛线；线4：液量下限线；线5：液量上限线。气量下限值气量上限值塔板操作弹性VLABC102345六、塔板负荷性能图a1a2设计任务苯生产过程精馏塔设计甲醇生产过程精馏塔设计四人一组，组内任务相同，但每人取值至少3处不同（生产天数、最小回流比倍数、板间距等）设计条件:1．生产能力：年产量D=吨（每年生产日自定）2．原料：进料浓度wF=(质量)%3．产品：塔顶浓度wD=(质量)%塔底浓度wW=(质量)%4．生产条件：原料在泡点下进料5．其它参数可自选（包括回流比的选择）设：混合液的表面张力=20[mN/m]体系为不易发泡体系苯～甲苯体系组别年产量（万吨）进料组成（质量分数）塔顶组成（质量分数）塔底组成（质量分数）1400.60.950.052400.50.920.083350.60.950.034350.50.920.055450.60.950.086450.50.920.05苯～甲苯体系组别年产量（万吨）进料组成（质量分数）塔顶组成（质量分数）塔底组成（质量分数）7300.70.920.058300.50.950.059350.70.920.0610350.50.950.08甲醇～水体系组别年产量（万吨）进料组成（质量分数）塔顶组成（质量分数）塔底组成（质量分数）11200.60.950.0512200.50.900.0813150.60.950.0314150.50.900.0515250.60.950.0816250.70.950.0817250.50.900.05设计步骤:1．精馏流程的确定2．工艺计算：物料衡算，最小回流比与实际回流比，理论塔板数，全塔效率与实际塔板数等3．塔工艺尺寸计算：塔径，塔高，塔板板面布置设计等4．塔板流体力学校核：板压降、液沫夹带量、溢流液泛、液体在降液管内的停留时间、漏液点等的校核，并绘制塔板负荷性能图5．绘制精馏流程图、塔板布置图、及塔结构示意图等设计过程：一、精馏流程精馏塔分配器再沸釜原料贮槽甲苯贮槽苯贮槽予热器二、工艺设计：主要求实际塔板数1.由已知原料、产物的质量分率求摩尔分率2.全塔物料衡算，求F、D、W、xF、xD、xwF=D+W塔顶回收率=///AAAAABBwMxwMwMWDFWxDxFx%100FDFxDx3.确定回流比及操作线方程精馏段操作线：提馏段操作线：（1）求进料热状态参数q（2）进料方程（q线方程）111RxxRRyDnn1mmWLWyxxLWLWhHhHqFrrttCFbP）（Fxqxqqy111（3）求q线与平衡线的交点（xd，yd）——用图解法及解析法（4）求最小回流比（5）适宜回流比minDdddxyRyxmin)0.21.1(RRoptyxFxq线d（6）求塔内上升蒸汽与下降液流量4．逐板计算法和图解法求理论塔板数NT5．全塔效率ET和实际塔板数NPLRD(1)VLDRDqFLLFqVV)1(%100PTTNNE实际板数理论板数O‘connell关联图(p164)实际塔板数245.00)(49.0LE—塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；L——塔顶与塔底平均温度下料液的粘度，cP10000.11.010E0%L0TpNNEZ=NPHTHT—板间距，m；按经验值选取。(p178)2.塔径计算塔径计算后需圆整uVDsT4Vs——塔内汽相流量，m3/s；u—汽相的空塔速度，m/s三、塔工艺尺寸计算1.塔高计算1．Vs计算设汽相为理想气体VmsVMV3600[m3/s]或PTTPVVs004.223600[m3/s]式中：V—汽相流量，kmol/h精馏段与提馏段应分别计算，若两段Vs相差不大，可采用相同的塔径，取Vs较大值者计算。由于整个塔内，不同高度的压强P和温度T都不同，V正比与T/P，所以可先算出塔顶、塔底和进料处的T/P值，取T/P大的，则Vs也大，以此为计算依据。（3）C20校正：2.020)20(CC—液相表面张力，mN/m；（4）最大允许空塔速度（液泛速度）uf：（5）u=（0.60.8）uf2.利用Smith关联图求空速(p178-179,p186例10-1)（1）先选定一板间距HT（2）由Smith图查得汽相负荷因子C20，m/s；液体密度：蒸汽密度：L1ABLABwwVVVpMRTGGLfCu3．塔板板面布置设计计算（p176，p186例10-1）lW液体汽体降液管清液层溢流堰hWAaAfA’f塔板面积可分为以下几部分:1）有效传质区：Aa2）降液区：Af，A’f3）塔板入口安定区，宽度W’s4）塔板出口安定区，宽度Ws5）边缘区，宽度Wc塔板的主要结构参数：1）塔板直径D2）板间距HT3）溢流堰型式，长度lW，高度hW4）降液管型式，降液管底部与塔板间距h05）入、出口安定区宽度W’s、Ws，边缘区宽度Wc6）筛孔直径d0，孔间距th0计算：（p187）选择单流型塔板，取堰长/塔径=lW/D=0.6-0.8所需气体流通面积An=Vs/u塔截面积AT=An+Af由图10-40(p176)查Af/AT，计算AT，D。D进行圆整，再重新进行计算：AT，Af，An，u，lW塔板设计：先取hW=0.05m，h0=0