筛板精馏塔设计

化工原理课程设计筛板精馏塔设计常压分离环己醇–苯酚连续操作筛板精馏塔工艺设计任务书基础设计数据：1.处理能力：50000t/a（年工作按8000小时计）2.进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2%塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99%5.塔顶压强：101kPa（绝压）6.公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃导热油：进口温度260℃，出口温度250℃总体要求：绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，编制设计说明书。1.精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。2.精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。3.换热器设计：确定冷热流体流动方式，根据换热面积初选换热器；核算总传热系数；计算实际传热面积；选定换热器型号，计算管程、壳程压降。说明：1.写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。2.每项设计结束后，列出计算结果明细表。3.设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册。带控制点工艺流程图,用3号图纸画塔设备条件图（带管口）,用3号图纸画其余工艺设计图,用坐标纸课程设计的要求注意事项:写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源每项设计结束后,列出计算结果明细表设计说明书要求字迹工整,装订成册上交学号1-10号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成45000t/a55000t/a35%65%72%28%学号11-21号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成55000t/a45000t/a32%68%72%28%学号22以后单号双号处理量环己醇组成苯酚组成50000t/a45000t/a26%74%77%23%计算说明书目录1.设计任务书2.带控制点工艺流程图与工艺说明3.精馏塔工艺计算4.塔板结构设计5.换热器选型6.精馏塔工艺条件图7.塔板结构设计结果汇总8.符号说明9.结束语常压分离环己醇―苯酚连续操作筛板塔设计计算示例1.设计任务书按要求填入处理量和进料组成2.带控制点工艺流程图与工艺说明（1）带控制点工艺流程图（2）操作压力的选择（3）工艺流程叙述3.精馏塔工艺计算3.1平均相对挥发度的计算181.90.0000.000179.10.0250.0994.28176.40.0500.1864.34173.80.0750.2634.40171.30.1000.3334.49t℃xyi说明：平均相对挥发度为5.62iiiiiyxxy11im3913.2绘制t-x-y图及x-y图在坐标纸上绘图，上大小要求t-x-y图为10×10cm，x-y图为20×20cm项目数值进料流量F，kmol/h塔顶产品流量D，kmol/h塔釜残液流量W，kmol/h进料组成，xF(摩尔分数）塔顶产品组成，xD(摩尔分数）塔釜残液组成，xW(摩尔分数）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算料液平均分子量：Mm=0.3×100+0.7×94=95.8进料流量：F=50000×103/8000×95.8=65.24kmol/hF=D+WD=19.5kmol/hFxf=DxD+WxwW=45.74kmol/h3.4实际板数及进料位置的确定1.确定最小回流比Rmin76.030.0687.0687.098.0minqqqDxyyxR2.确定操作回流比R由Fenske方程计算最小理论板数Nmin)(9.31lg11lgmin不包括塔釜mwwDDxxxxN利用吉利兰关联图，计算NT~R如下：0.86314.70.98811.81.14010.71.2929.91.4449.3RNT1.5209.0绘制NT~R关系图，找出最佳回流比。说明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0)Rmin6个点图解法求得NT=5.5（不包括塔釜）加料板位置nT=3.03.图解法求理论板数及加料板位置4.实际板数及加料板位置的确定全塔效率由O’connell关联式计算：ExTmLLfiLi0490495320304402450245.....'..回流比理论板数板效率实际板数理论加料位置实际加料位置表2塔板计算结果包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计算，塔板布置和筛孔/阀孔的布置等，最后是水力学校核和负荷性能图。4.塔板结构设计4.1常用塔板的类型（1）泡罩塔优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。塔板是气液两相接触传质的场所，为提高塔板性能，采用各种形式塔板。组成：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔（2）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径d0：3-8mm;大孔径筛板d0：12-25mm。lwWD（3）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀（4）喷射型塔板气流方向：垂直→小角度倾斜，改善液沫夹带、液面落差。气液接触状态：喷射状态连续相：气相；分散相：液相促进两相传质。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。缺点：气泡夹带现象比较严重。ⅠⅡⅢα=50Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角舌形塔板：溢流堰降液管安定区塔板连接区受液区液体分布区导向孔1015208111520液流方向3035.74.7(a)斜孔结构之一(b)塔板布置斜孔塔板（5）斜孔塔板AA降液管进口堰压延金属板A-A剖视图网孔塔板（6）网孔塔板垂直筛板液相塔板泡罩气相（6）垂直筛板（7）多降液管（MD）塔板优点：提高允许液体流量（8）林德筛板（导向筛板）应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。斜台：抵消液面落差的影响。导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。液流(a)斜台装置(b)导向孔林德筛板（9）无溢流塔板有溢流塔板：有降液管的塔板；无溢流塔板：无降液管的塔板；形式：无溢流栅板和无溢流筛板；特点：生产能力大，结构简单，塔板阻力小；但操作弹性小，塔板效率低。冲制栅板由金属条组成的栅板无溢流筛板设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）：液相密度L=950kg/m3汽相密度V=PM/RT=2.92kg/m3液相表面张力=32dyn/cm汽相流量VS=(R+1)DM/3600V=0.408m3/s液相流量LS=RDM/3600L=0.000684m3/s4.2初估塔径取板间距HT=350mm，板上液层厚度hL=0.07m，则HT-hL=0.28m。03.092.2950408.0000684.05.05.0VLSSVL塔板间距和塔径的经验关系塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距HT，m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8≥0.6说明：工业塔中，板间距范围200~900mm两相流动参数FLV=则液泛气速：smCuVVLf/19.1205.02.020对于筛板塔、浮阀、泡罩塔，可查图，C20=(HT、FLV)C20：σ=20dyn/cm时的气体负荷因子0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlVVVLLVssqqFVLVf20uC塔板泛点关联图取操作气速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893m/s则气体流通面积An=VS/u=0.457m2选取单溢流塔盘，取lw/D=0.7，查图得Af/AT=0.088则塔截面积：AAAAmTnfT105012.塔径D=，圆整为0.8m4079AmT/.说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准：300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200m等由此重新计算：AT=0.785D2=0.5024m2Af=0.088AT=0.0442m2An=AT-Af=0.4582m2u=VS/An=0.89m/s实际泛点百分率：u/uf=0.75注意：1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率。2）校核HT与D的范围。D-塔径hw-堰高how-堰上液层高度HT-板间距ho-降液管底隙高度Hd-降液管内清液层高度hL-板上液层高度hL=hw+how溢流装置（10×20cm）4.3塔板结构设计4.3.1溢流装置①溢流型式的选择依据：塔径、流量；型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。②降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Af/AT确定；底隙高度h0：通常在40~60mm。③溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。0采用弓形降液管，平堰及平型受液盘，lw=0.7D=0.56m堰上液层高度堰高hw=hL-how=0.06238m液管底隙高度ho=hw-0.006=0.05638mhELlmowhw284100000076223..要求：mmhOW6本设计采用:一般取安定区宽度WS=（50-100）mm一般取边缘区宽度WC=（30-50）mm4.3.2塔盘布置WCWDWSlWrx塔盘布置图（10×20cm）1.受液区和降液区一般两区面积相等。2.入口安定区和出口安定区。取筛孔直径do=（3–8）mm，孔径比取t/d0=3.0-3.5由lw/D=0.7，查图得Wd/D=0.15则Wd=0.15D=0.12mx=D/2-(Wd+Ws)=0.21mr=D/2-Wc=0.36m鼓泡区面积：AxrxrSinxrma2180028422212.开孔率=A0/Aa=0.907/(t/d0)2=0.074筛孔面积A0=Aa=0.021m2筛孔气速u0=VS/A0=19.43m/s筛孔数目n=4A0/d02=1672个以Aa为面积计算的气速ua=VS/Aa3.筛板塔有效传质区布置d0t正三角排列4.4塔板流体力学校核4.4.1塔板阻力液柱mgphLff塔板阻力hf包括以下几部分:（a）干板阻力hd—气体通过板上孔的阻力（无液体时）；（b）液层阻力hl—气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力hσ—孔口处表面张力。可用清液柱高度表示：（a）干板阻力hd200,21CuggphLVLdfdd0/δC0塔板孔流系数查得孔流系数C0=0.75，则：取板厚=3mm，液柱mCuggphLVLdfd11.021200,OWWlhhh（b）液层阻力hl查图得充气系数β=0.58VuFaa液柱mhhhOWWl0406.0于是：说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。（2）对于常压和加压塔，塔板阻力一般没有什么特别要求。（3）对于减压塔，塔板阻力有一定的要求。03104dghL（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）故塔板阻力：液柱mhhhhldf15.04.4.2液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev：kg液体/kg气体，或kmol液体/kmol气体。指标为ev0.1。液沫夹带分率ψ：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：VSLSVVLe1方法1：利用Fair关联图，