板式精馏塔设计讲义.pptx

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1、课程设计课程设计B课程设计题目：课程设计题目：年产6万吨（10万吨）苯-甲苯板式精馏塔工艺设计注：注：学号尾号是奇数的选学号尾号是奇数的选6万吨万吨学号尾数是偶数的选学号尾数是偶数的选10万吨万吨第1页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算B一、设计任务一、设计任务（1）年处理含苯）年处理含苯41%、44%、47%、50%、53%（质量分数，下同）的苯（质量分数，下同）的苯-甲苯混合液甲苯混合液 注：学号尾号是0、9选41%学号尾数是1、8选44%学号尾号是2、7选47%学号尾数是3、6选50%学号尾数是4、5选53%第2页/共63页化工原理课程设计化工原理

2、课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算B一、设计任务一、设计任务（2）产品苯的含量不低于）产品苯的含量不低于94%、98%注：学号尾号是01-05选94%学号尾数是06-10选98%（3）残夜中苯的含量不高于）残夜中苯的含量不高于2%、3%注：男生选2%女生选3%第3页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算B一、设计任务一、设计任务（4）操作条件：）操作条件：精馏塔的塔顶压力精馏塔的塔顶压力 4kPa(表压表压)进料状态进料状态 泡点进料泡点进料 回流比回流比 算完最小回流比后，老师定算完最小回流比后，老师定 加热蒸汽压力加热蒸汽压力 101.33kPa(

3、表压表压)单板压降单板压降 算出塔径后自选算出塔径后自选 全塔效率全塔效率 52%（5）设备型式）设备型式 浮阀塔（浮阀塔（F1型）（推荐）型）（推荐）（6）厂址）厂址 天津地区天津地区（7）设备工作日）设备工作日 300天，天，24h连续运行连续运行（8）水温）水温 17（9）天津大气压）天津大气压 101kPa 第4页/共63页第5页/共63页板式精馏塔设计主要内容：一、塔设备简介二、板式精馏塔主体设备的设计三、板式塔的结构和附属设备选型配套设计第6页/共63页第一节 塔设备简介 塔设备是气液传质设备 分类：板式塔和填料塔。工业生产对塔设备的主要要求：生产能力大；传质、传热效率高；流体流动

4、的摩 擦阻力小；操作稳定，适应性强，操作弹性大；结构 简单，材料耗用少；制造安装容易，操作维修方便。应综合考虑以上诸因素。化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第7页/共63页第二节 板式精馏塔的工艺设计主要内容：一.设计方案的确定二.物料衡算和操作线方程三.理论板数的求算方法四.塔和塔板主要工艺尺寸的设计五.流体力学验算化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第8页/共63页一.设计方案的选定1.装置流程的确定 包括：热量的利用，进料方式的选择，冷凝器的选择（全凝器或分凝器）2.操作压强的选择：取决于冷凝温度 包括：常压、减压、加压化工原理课程设计化

5、工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第9页/共63页 3.3.进料热状况的选择：用 表示 五种进料热状况:冷液进料：饱和液体（泡点）进料：饱和蒸汽（露点）进料：气液混合进料：过热气进料：原则上采用冷液进料，但通常采用泡点进料。化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第10页/共63页4.加热方式的选择 大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。5.回流比的选择 主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用之和最低。一般经验值为 化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第11页/共63页二、物料衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程 1.1.气液平衡相图气

6、液平衡相图(vapor-liquid equilibrium)：溶液与其上：溶液与其上方蒸气达到平衡时气液两相各组分组成的关系。方蒸气达到平衡时气液两相各组分组成的关系。物系的分类：理想物系和非理想物系。物系的分类：理想物系和非理想物系。理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律（理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律（Raoults law)，即，即 式中式中 p溶液上方组分的平衡分压溶液上方组分的平衡分压 p0同温度下纯组分的饱和蒸气压同温度下纯组分的饱和蒸气压 x溶液中组分的摩尔分率溶液中组分的摩尔分率第12页/共63页根据道尔顿分压定律和根据道尔顿分压定律和拉乌尔定律拉乌尔定律 当总压当总压P

7、不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即分压定律，即 式（式（a）和（）和（b）为）为 两组分理想物系的气液平衡关系式两组分理想物系的气液平衡关系式。（a）（b）化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第13页/共63页 当总压不高时，蒸气服从道尔顿分压定律对于二元溶液 xB=1-xAyB=1-yA整理后，略去下标.气液平衡方程板式精馏塔设计板式精馏塔设计第14页/共63页必须用CAD自己画出来样条曲线第15页/共63页2.物料衡算与操作线方程全塔物料衡算总物料 F=D+W易挥发组分 FxF=DxD+WxW二、物料

8、衡算和操作线方程二、物料衡算和操作线方程第16页/共63页第17页/共63页精馏段操作线方程或 其中 L=RD 提留段操作线方程或 其中化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第18页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计进料线方程（线方程）线方程代表精馏段操作线与提留段操作线交点的线方程代表精馏段操作线与提留段操作线交点的轨迹方程。轨迹方程。第19页/共63页三、理论板数的求算化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计 求算理论板数之前，需知原料液组成，选择进料热状求算理论板数之前，需知原料液组成，选择进料热状况（即况（即

9、 q 值）和操作回流比等精馏操作条件，利用气、液相值）和操作回流比等精馏操作条件，利用气、液相平衡关系和操作方程求算。平衡关系和操作方程求算。常用理论板数的求算方法有三种方法，现分别予以介绍。常用理论板数的求算方法有三种方法，现分别予以介绍。第20页/共63页（1）逐板计算法 设塔顶采用全凝器，泡点回流，则化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计 xnxq第21页/共63页注意：间接蒸汽加热时，再沸器内可视为气液两相达平衡，故再沸器相当于一层理论板，则提馏段理论板数为(m-1)层。缺点：计算虽然准确，但较繁琐。化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第2

10、2页/共63页（2 2）直角梯级求解法（M.T.M.T.图解法）推荐使用！方法和步骤如下：设采用间接蒸汽加热，全凝器（），泡点进料。首先在y-x图上作平衡线和对角线。作精馏段操作线。作进料线（q线）。与精馏段操作线相交与点d。作提留段操作线。图解理论板层数。跨过交点d的梯级为进料板。如采用再沸器，应减去一层塔板数，如采用分凝器，应再减去一层塔板数。化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第23页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计第24页/共63页（3 3）简捷法 (Gilliland）求算Rmin和选定R。Rmin的求算如下式：a.进料为

11、饱和液体时,xq=xF ,故 b.进料为饱和蒸汽时,Yq=YF ,故对于平衡曲线形状不正常的情况，可用作图法求Rmin.化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计Rmin=xD-yqyq-xq第25页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计平衡曲线形状不正常情况下Rmin求法第26页/共63页四、塔主要工艺尺寸的设计主要内容：1.塔高 2.塔径 3.溢流装置与液体流型 4.塔板设计第27页/共63页1.1.塔高塔径塔径DT/m0.30.5 0.50.80.81.6 1.62.42.44.0 板间距板间距HT/mm 200300 250350 30

12、0450 350600 400600 化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计1.1 1.1 计算公式：计算公式：选定时，还要考虑实际情况。选定时，还要考虑实际情况。1.2 1.2 板间距板间距HTHT选取的一般依据选取的一般依据第28页/共63页2.2.塔径2.1 2.1 计算公式：计算公式：式中-塔内的气相流量，m/s -空塔气速，m/s C为负荷系数，可由为负荷系数，可由Smith关联图查取。如图关联图查取。如图5-1所示。所示。注意：查得的负荷系数为液体表面张力注意：查得的负荷系数为液体表面张力20mN/m的值的值C20，故，故一般应将一般应将C值加以修

13、正。值加以修正。式中式中 Vs 气体体积流量气体体积流量，m/s u 空塔气速空塔气速，m/s化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第29页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计2.2.塔径2.2 2.2 圆整圆整 将计算所得塔径向系列标准圆整将计算所得塔径向系列标准圆整 400 400、500500、700700、800800、1000 1000 46002.3 2.3 变径塔或通径塔变径塔或通径塔第30页/共63页3.3.溢流装置设计 化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计hwh

14、owHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw溢流堰溢流堰降液管降液管受液盘受液盘第31页/共63页 3.1 3.1 降液管类型与溢流方式化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计（a a）圆形降液管）圆形降液管（b b）内弓形降液管）内弓形降液管（c c）弓形降液管）弓形降液管 它由部分壁面和一块平板围成的，由于能充分利用内空它由部分壁面和一块平板围成的，由于能充分利用内空间，提供较大降液面积及两相分离空间，被普遍用。间，提供较大降液面积及两相分离空间，被普遍用。（d d）倾斜式弓形降液管）倾斜式弓形降液管 它既增大了分离空间又不过多占用塔板面

15、积，故适用于它既增大了分离空间又不过多占用塔板面积，故适用于大直径大负荷塔板。大直径大负荷塔板。第32页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计 U型流型流 小液体负小液体负荷，液体流荷，液体流程长，板面程长，板面利用好，板利用好，板效较高，但效较高，但液面落差大。液面落差大。单流型单流型 液体流程液体流程较长，板面利较长，板面利用好，用好，塔板塔板结构简单，直结构简单，直径径2.2米以下的米以下的塔。塔。阶梯溢流阶梯溢流 结构复杂，结构复杂，适用于大塔径适用于大塔径负荷大的塔。负荷大的塔。双溢流双溢流 流程短可流程短可减少液面落差，减少液面落差，但板

16、面利用率但板面利用率低且结构复杂，低且结构复杂，用于液体负荷用于液体负荷大，直径大，直径2m以上塔。以上塔。一般可根据初估塔径和液体流量，参考表一般可根据初估塔径和液体流量，参考表5-2选塔板的选塔板的液流型式。液流型式。第33页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第34页/共63页4.4.溢流堰装置的设计计算化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计lw 单流型单流型 lw 为（为（0.6 0.8）D 双溢流双溢流 lw 为（为（0.5 0.7）D 也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的 l

17、w：其中其中 D 塔径塔径 lw 溢流堰长溢流堰长 Lh 液体流量液体流量4.1 4.1 溢流堰溢流堰第35页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计式中式中 hL 板上液层高度板上液层高度(一一般般50100mm）how 堰上液层高度堰上液层高度（可按图（可按图5-6进行计算，一般低进行计算，一般低于于60mm）hw堰上液层高度堰上液层高度how 也可按也可按 Francis 公式计算公式计算hwhowHdhLhoHTD第36页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计堰上液层高度堰上液层高度 平直堰的平直堰的

18、hOW按下式计算按下式计算 l W 堰长，m Lh 塔内液体流量，m/h E 液流收缩系数，一般取1第37页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计 常压常压 0.04 0.05m 减压减压 0.015 0.025m 高压高压 0.04 0.08m 一般均不宜超过一般均不宜超过 0.1m求得求得how后，即可按下式指出的范围确定堰高后，即可按下式指出的范围确定堰高hwhw 堰高堰高 第38页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计若若how小于小于6mm6mm，应采用齿形堰，应采用齿形堰 第39页/共63页 降

19、液管的宽度降液管的宽度 Wd 与截面积与截面积 Af4.2 4.2 降液管化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计 若知堰长与塔径的比值，由右图即可查取降液管的宽度与截面积。第40页/共63页 降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内的停留时间一般等于或大于3 35s5s。求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间。即 式中 液体在降液管中的停留时间，s A Af f降液管的截面积，m2化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第41页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的

20、设计塔主要工艺尺寸的设计hw h0 6 mm h0 应低于应低于 hw howHdhLhwHTh0第42页/共63页 降液管底隙高度 h0（1）一般取为：（2）也可按下式计算 式中 液体通过降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超过0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第43页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计4.34.3 受液盘及进口堰受液盘及进口堰 howHdhLhwHT平受液盘及出口堰平受液盘及出口堰 hwhowHdhLHTD凹形受液盘凹形受液盘 第4

21、4页/共63页F 但有时为使液体进入塔板时平稳但有时为使液体进入塔板时平稳并防止塔板液流进口处头几排筛孔并防止塔板液流进口处头几排筛孔因冲击而漏液，对直径为因冲击而漏液，对直径为800mm800mm以上的塔板，推荐使用凹形受液盘。以上的塔板，推荐使用凹形受液盘。当大塔采用平形受液盘时，为保证当大塔采用平形受液盘时，为保证降液管的液封并均布进入塔板的液降液管的液封并均布进入塔板的液流，可设进口堰。流，可设进口堰。化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计4.3 受液盘及进口堰受液盘及进口堰 F一般情况下多采用平受液盘一般情况下多采用平受液盘F有平受液盘和凹形受液盘之

22、分有平受液盘和凹形受液盘之分 hwhowHdhLhohwHTD第45页/共63页（1）塔板布置（2）筛板的筛孔与开孔率化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计5.5.塔板的设计计算第46页/共63页hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计5.1 5.1 塔板布置 开孔区、溢流区、安定区 和 无效区第47页/共63页开孔区 也称为鼓泡区。对垂直弓形降液管的单流型塔板按下式计算。式中 AaAa鼓泡面积，m m2 2 化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸

23、的设计塔主要工艺尺寸的设计第48页/共63页 溢流区 溢流区面积Af和Af分别为降液管和受液盘所占面积。安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区（破沫区），其作用为使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。无效区 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的边梁。小塔为3050mm,大塔为5075mm。为防止液体经边缘区流过产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第49页/共63页5.2 筛板的筛孔与开孔率化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计 孔径孔

24、径 筛板厚度筛板厚度 孔心距孔心距 开孔率开孔率 筛孔数筛孔数td0筛孔的正三角形排列筛孔的正三角形排列 第50页/共63页 筛孔的孔径d0 筛孔的孔径d0 的选取与塔的操作性能要求、物质性质、塔板厚度、材质及加工费用等有关，一般认为，表面张力为正的物系易起泡沫，可采用d0 为38mm（常用的46mm）的小孔径筛板，属鼓泡型操作；表面张力为负系统的物系易堵，可采用d0 为1025mm的大孔径筛板，其造价低，不易堵塞，属喷射型操作。化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第51页/共63页 筛板厚度 一般碳钢 或 不锈钢 或 化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要

25、工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第52页/共63页 孔心距t t 筛孔在筛板上一般按正三角形排列，孔心距 t=(2.55)d0，常取t=(34)d0 t/d t/d0 0过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板的传质效率。开孔率 筛板上筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。筛孔按正三角形排列的计算公式：一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量小，但操作弹性小，漏液量大，板效率低。通常开孔率为 5%15%。化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第53页/共63页 筛孔数目 化工原理课程设计化工原理课程设计塔主要工艺尺寸的设计塔主要工艺尺寸的设计第54页/

26、共63页五、塔板流体力学验算五、塔板流体力学验算一、塔板流体力学验算的目的一、塔板流体力学验算的目的F 检验初设的塔板计算是否合理检验初设的塔板计算是否合理 F 判定塔板能否维持正常操作判定塔板能否维持正常操作二、验算内容二、验算内容1.1.塔板压力降塔板压力降 hc 与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，m液柱；液柱；hc 与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度，与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度，m液柱；液柱；hc 与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度，与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度，mm液柱；液柱；计算结果计算结果hp值应低于设计允

27、许值（设计任务书已给出）值应低于设计允许值（设计任务书已给出）第55页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算1.1.塔板压力降塔板压力降 1.1 1.1 干板阻力干板阻力 hc 的计算的计算故上式可简化为故上式可简化为u0 气体通过筛孔的速度，气体通过筛孔的速度，m/s；C0 流量系数，由图流量系数，由图5 51010查取查取。第56页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算1.1.塔板压力降塔板压力降 1.2 气体通过液层的阻力 hl 计算 充气系数，反映板上充气程度可由图充气系数，反映板上充气程度可由图5 51111查取

28、查取第57页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计塔板流体力学验算塔板流体力学验算1.1.塔板压力降塔板压力降 1.3 1.3 液体表面张力的阻力液体表面张力的阻力 h 计算计算第58页/共63页化工原理课程设计化工原理课程设计三、塔板的负荷性能图三、塔板的负荷性能图 1.气相下限操作线气相下限操作线 2.过量雾沫夹带线过量雾沫夹带线 3.液相下限线液相下限线 4.液相上限线液相上限线 5.液泛线液泛线 可通过适当调整塔板结构参数可通过适当调整塔板结构参数来改变负荷性能图。来改变负荷性能图。塔板流体力学验算塔板流体力学验算BV(m/s)L(m/s)12345稳定操作区稳定操作区ABCD第59页/共63页时间节点完成内容9.02-9.09气液平衡相图、物料衡算、理论塔板数9.10-9.16塔高、塔径9.17-9.23溢流装置设计9.24-10.30流体力学验算第60页/共63页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第61页/共63页第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页