篩板精餾塔設計方案

1 篩板精餾塔 設計 方案 1 緒論 題研究意義、研究現(xiàn)狀及擬采用的技術路線 題研究意義、研究現(xiàn)狀 在化工或煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量 ， 質量 ， 生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面都有重大的影響 。 據(jù)有關資料報道，塔設備的投資費用占整個工藝設備投資費用的較大比例 。 因此，塔設備的設計和研究，受到化工 、 煉油等行業(yè)的極大重視 6。 塔設備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設備。 它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的 。 常見的、可在塔設備中 完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等 2。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等 。 化工生產(chǎn)中所處理的原料，中間產(chǎn)物，粗產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成的混合物，而且其中大部分都是均相物質。生產(chǎn)中為了滿足儲存，運輸，加工和使用的需求，時常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質。 塔設備的基本功能就是提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使傳熱、傳質兩種傳遞過程能夠迅速有效的進行；還能使接觸之后的氣、液兩相及時分開，互不夾帶。 篩板塔是最早應用于工業(yè)生產(chǎn)的設備 之一，五十年代之后，通過大量的工業(yè)實踐逐步改進了設計方法和結構。近年來與浮閥塔一起成為化工生產(chǎn)中主要的傳質設備。 篩板塔 普遍用作 塔 ， 應用于 蒸餾 、 吸收和 除塵 等。 篩板精餾塔屬于板式塔，篩板精 餾塔具有結構簡單，造價低，板上液面落差小，氣體壓降小，生產(chǎn)能力大，氣體分散均勻，傳質效率高的優(yōu)點，是化工生產(chǎn)中常見的單元操作設備之一。 篩板塔始于 1830 年，是結構最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當氣量過小或過大時，易發(fā)生嚴重漏液或過量液沫夾帶現(xiàn)象；而且易堵塞，不宜處理粘度大、易結焦的物料，一度時間曾影響到它的應用推廣。 20世紀 50年代后，隨著林德塔板、導向塔板的應用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨廣泛。導向篩板是 60年代由美國聯(lián)合碳化物公司林德子公司開發(fā)應用的，國內(nèi)有北京化工大學進行系統(tǒng)研究，他們認為導向 篩板從導向噴出的水平氣速均勻穩(wěn)定的推動板上液 2 流前進，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化區(qū)，提高了傳質效率和生產(chǎn)能力。在酒精工業(yè)，導向篩板使固含率達 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩(wěn)定流動，解決了長期存在的賭塔和液泛問題，并增產(chǎn)約篩板塔始于 1830年，是結構最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當氣量過小或過大時，易發(fā)生嚴重漏液或過量液沫夾帶現(xiàn)象；而且易堵塞，不宜處理粘度大、易結焦的物料，一度時間曾影響到它的應用推廣。 20 世紀 50年代后，隨著林德塔板、導向塔板的應用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨 廣泛。導向篩板是 60年代由美國聯(lián)合碳化物公司林德子公司開發(fā)應用的，國內(nèi)有北京化工大學進行系統(tǒng)研究，他們認為導向篩板從導向噴出的水平氣速均勻穩(wěn)定的推動板上液流前進，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化區(qū)，提高了傳質效率和生產(chǎn)能力。在酒精工業(yè)，導向篩板使固含率達 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩(wěn)定流動，解決了長期存在的賭塔和液泛問題，并增產(chǎn)約 50；在鄰、對硝基氯苯精餾過程中，導向篩板解決了要求理論塔板數(shù)多、壓降低的難題。這種塔板還具有結構簡單，維修方便，造價低廉的特點，該類塔板經(jīng)過深入研究和大 力推廣，目前已廣泛應用于石油、化工、輕工、香料的領域。 近年來 ， 國際上涌現(xiàn)出來了一些新型板式塔，如 新型垂直篩板塔（ 是世界上第三代（最新一代）板式塔技術之一，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優(yōu)異性能 6。 此外，具有優(yōu)良特性的新型篩板還有 士 此就不一一闡述了。 在塔設備的技術改造中，國內(nèi)多種性能優(yōu)良的新型板式塔已經(jīng)得到成功的應用，隨著科學技術的進步，需要更多、更好的板式 塔來進行生產(chǎn)，這就要求板式塔向著低耗損，低成本，高效率和環(huán)保的方向發(fā)展。塔板效率是實際傳質過程進行的反映 ， 是衡量塔板性能和塔板設計的主要依據(jù) ， 由于其影響因素多而且復雜 ,準確預測有一定的難度 ， 目前解決的辦法是采用經(jīng)驗方法或建立在較簡單的傳質模型 (例如雙膜理論 )基礎上的半經(jīng)驗計算方法 。為了衡量塔板的傳質性能，研究人員提出了塔板點效率的概念，并對塔板的點效率進行了深入研究。板式塔作為重要的傳質設備之一， 在各種分離工藝過程中廣泛應用 ， 開發(fā)新型傳質效率高、壓降小、通量大的板式塔，塔內(nèi)件始終是板式塔技術的發(fā)展方向 6。 餾塔設計的擬采用的技術路線 設計是典型的塔設備設計，其主要任務是參數(shù)選擇和結構設計、計算及強度校核等 。 擬采用以下設計步驟： 一、篩板精餾塔工藝設計計算部分 3 二、篩板精餾塔結構設計計算部分 定塔高； 蘭的設計 三、繪制精餾塔裝備圖，塔板結構圖 4 2 工藝設計 計方案的確定及工藝流程的說明 原料液經(jīng)臥式列管式預熱器預熱至泡點后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至苯液貯罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜產(chǎn)品經(jīng)臥式列管式冷卻器冷卻后送入氯苯貯罐。 塔的物料衡算 液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率 苯的相對分子質量為 苯的相對分子量為 kg/料組分： = 液組分： = 殘液組分： 平均摩爾質量 k g/ k m 5 . 2 4 9 110 . 4 9 k g/ k m k g / k m o 塔物料衡算 依題給條件：年處理量 10 萬噸，一年以 330 天，一天以 24 小時計，有： 2433010100000 3 = 12626.3 F = k g / k m o l g / h = 全塔物料衡算： 5 易揮發(fā)組分： 聯(lián)立方程組： （ 2 D （ 2 解方程組 （ 2（ 2得： D = W = 板數(shù)的確定 論塔板數(shù)的確定 苯 以采用圖解法來求得理論塔板數(shù)。 （ 1） 繪制苯 查閱文獻 3，得苯甲苯的汽液相組分。繪制圖形如下： 圖 2 （ 2）確定操作的回流比 R 在 上，因 q=1,查得： 712.0 Fq 6 故有： i n xy 考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的2 倍： m （ 3）求精餾塔的氣、液相負荷 1( () = 1 = = （ 4）求理論塔板數(shù) 精餾段操作線方程： 2 8 xR y D 提餾段操作線方程為過點 ( (點的直線。 圖 2論塔板圖 圖解 得理論塔板數(shù)為 13 塊（包括再沸器），理論進料板為第七塊板。 7 際塔板數(shù)的計算 ( 1 )塔效率的計算 當 ， 1x 當 t， y。 塔的平均溫度為： WD 查閱 文獻 2，在塔的平均溫度下，苯和甲苯的黏度為： A ，B 。所以進料液的平均黏度為： 塔頂相對揮發(fā)度： 1 塔底相對揮發(fā)度： 8 8 精餾塔的平均相對揮發(fā)度為： 用奧康奈爾關聯(lián)公式計算全塔效率，對于篩板塔， k=以： mT ( 2 )實際塔板數(shù) 精餾段： 6/=整為 13 塊；提餾段： 6/=整為 13塊。加料板在第十四塊板，全塔實際總共有 26 塊板。 的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算 作壓力 取每層塔板壓降為 算。 塔頂壓力： k P 1 加料板壓力： k P 5 塔釜壓力： k P 5 k P 05 提餾段平均壓強： k P 14 作溫度 由苯甲苯的 ，查得塔頂溫度為 進料板為 塔釜為 所以： 精餾段平均溫度為： 提餾段平均溫度為： 均摩爾質量 塔頂： x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 加料板： y ， x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 塔釜： y ， x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 6 6 精餾 段： k g / k m o k g / k m o 提餾段： k g / k m o k g / k m o 均密度 (1)液相平均密度 由文獻 3 查得： 9 當 ， 3, kg/ 3, kg/ ， 3, kg/ 3, kg/ t時， 3, kg/ 3, kg/料板液相質量分率： 釜液相質量分率： 0 1 3 6 6 6 頂液相平均密度： 3,kg/ 加板液相平均密度： 3,kg/ 塔釜液相平均密度 ： 3,kg/ 精餾段液相平均密度： 3, k g / 72/ 餾段液相平均密度： 3, k g / 01 2)氣相平均密度 精餾段： 3, k g / m 餾段： 3, kg/ m R 液體的平均表面張力 由文獻 3 查得： 當 ， ， mN/ t時， mN/ mN/10 塔頂： m N / 進料板： m N / 塔釜： m N / 精餾段： m N / m提餾段： m N / m體的平均粘度 查文獻 2，得： 當 ， ， t時， 頂液體平均黏度： , 加料板液體平均黏度： , 塔釜液體平均黏度： , 精餾段液體平均黏度： 餾段液體平均黏度： 體和塔板主要工藝結構尺寸的計算 徑的計算 (1)精餾段的塔徑 精餾段的汽液相體積流量為： /, 11 /, 初選塔板間距 H 及板上液層高度 h ，則： LT 按 求取允許的空塔氣速： 查 用關聯(lián)圖得： 所以： m / 80 7 2 a x 取安全系數(shù)為 空塔氣速： a x 精餾段的塔徑： s 圓整取 ，塔截面積 22 54 t ，此時的操作氣速m/ m a ，安全系數(shù)為： 62.0 ，在 塔徑合適。 (2)提餾段的塔徑 提餾段的汽液相體積流量為： /, /, 初選塔板間距 H 及板上液層高度 h ，則： LT 按 求取允許的空塔氣速： 查 用關聯(lián)圖得： C 12 負荷因子： 所以： m / 20 6 9 a x 取安全系數(shù)為 空塔氣速： a x 精餾段的塔徑： s 圓整取 ，塔截面積 22 54 t ，此時的操作氣速m/ m a ，安全系數(shù)為： 66.0 ，在 徑合適。 板工藝結構尺寸的設計與計算 (1)精餾段的塔板 溢流裝置： 由于塔徑中等，根據(jù)流量，可以采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤，且不設進口內(nèi)堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高對平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 0 5 0 文獻 2 圖 11 ，于是： 6 0 00 0 5 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度3 由 文獻 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內(nèi)的停留時間 5 0 （滿足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分塊式塔板，查文獻 2 可知塔板分為 5 塊。 （ a）邊緣區(qū)寬度080 （ b）i i 開孔數(shù) n 和開孔率 ： 取篩孔的孔徑 三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每層塔板的開孔數(shù) ） 每層塔板的開孔率 1 0 9 0 2 應在 515%，故滿足要求） 每層塔板的開孔面積 A 氣體通過篩孔的孔速 m / 8 2 )提餾段的塔板 14 溢流裝置： 由于塔徑中等，根據(jù)流量，可以采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤，且不設進口內(nèi)堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高度對平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 1 文獻 2 圖 11 ，于是： 6 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度文獻 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內(nèi)的停留時間 （滿足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分塊式塔板，查文獻 2 可知塔板分為 5 塊。 （ a）邊緣區(qū)寬度080 （ b）開孔區(qū)面積5 i i 開孔數(shù) n 和開孔率 ： 取篩孔的孔徑 三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每層塔板的開孔數(shù) ）， 每層塔板的開孔率 1 0 9 0 2 應在 515%，故滿足要求）， 每層塔板的開孔面積 A ， 氣體通過篩孔的孔速 m / 0 板的流體力學驗算 餾段篩板的流體力學驗算 (1)氣體通過篩板壓降的驗算 （ a） 式中孔流系數(shù)文獻 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻 3 圖 12： c）氣體通過篩板的壓降（單板壓降） 4 4 16 0 . 7 k P 3 4 （滿足工藝要求）。 (2)霧沫夾帶量的驗算 氣體通過有效流通截面積的氣速單流型塔板有： m / A 足要求）液氣液 / 式中： ，驗算結果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗算 氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降 漏液點的氣速 m / 80 0 2 0 5 5 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 會產(chǎn)生過量液漏） (4)液泛的驗算 為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度 3 8 0 5 0 h 3 8 4 一般物系 液柱液柱 故不會產(chǎn)生液泛。 通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適。 17 餾段篩板的流體力學驗算 (1)氣體通過篩板壓降的驗算 （ a） 式中孔流系數(shù)文獻 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻 3 圖 12： c）氣體通過篩板的壓降（單板壓降） 7 7 0 . 7 k P 8 80 7 7 2 （滿足工藝要求）。 (2)霧沫夾帶量的驗算 氣體通過有效流通截面積的氣速單流型塔板有： m/ A 足要求）液氣液 / k k 6 式中： ，驗算結果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗算 氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降 漏液點的氣速 m / 1 9 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 會產(chǎn)生過量液漏） 18 (4)液泛的驗算 為防止降液管發(fā)生液泛，應 使降液管中的清液層高度 h 5 7 一般物系 液柱液柱 故不會產(chǎn)生液泛。 通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適。 板負荷性能圖 餾段的塔板負荷性能圖 (1)霧沫夾帶線 2 式中： 3/23/23/將已知數(shù)據(jù)代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應 的 19 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線。 (2)液泛線 3/23/23/ 2 8 2 8 3/23/ h h 23/23/ 23/22 1 5 5 0 （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線。 (3)液相負荷上限線 / 8 2 m a x, 20 (4)漏液線（氣相負荷下限線） 3/25 8 5.0 漏液點氣速： u 整 理得： , V （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應的 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線。 (5)液相負荷下限線 取平堰堰上液層高度 006.0 。 3/2m i n, , 精餾段塔板負荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷： 21 操作彈性 = in,m a x, 餾段的塔板負荷性能圖 (1)霧沫夾帶線 2 式中： 3/23/23/ 7 0 2 8 0 00 0 2 8 將已知數(shù)據(jù)代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線。 (2)液泛線 3/23/23/ 2 8 2 8 22 3/23/ h h 23/23/ 23/22 6 4 （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線。 (3)液相負荷上限線 / 8 2 m a x, (4)漏液線（氣相 負荷下限線） 3/25 9 5.0 漏液點氣速 u 整理得： , V （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個式（ 2出對應的 23 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線。 (5)液相負荷下限線 取平堰堰上液層高度 006.0 。 3/2m i n, , 提餾段塔板負荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷： 操作彈性 = in,m a x, 24 3 塔盤結構設計 盤的選型 由于塔徑 D = 1800 塔盤選用分塊式塔盤（五塊）其結構示意圖如圖3盤板選用自身梁式。 圖 3盤結構示意圖 2和 4為標準塔盤寬度為 415 3為通道板其寬度為 420 1、 5為弓形切角塔板。 液管及受液盤 液管 本設計選用可拆分、傾斜式、弓形降液管，傾斜的角度為 10 其結構示意圖如圖 3 受液盤 當液體通過降液管與受液盤的壓力降大于 ，應采用凹型受液盤。凹型受液盤對液流流向有緩沖作用，可降低塔盤人口處的液峰，使 得液流平穩(wěn)，有利于塔盤人口區(qū)更好地鼓泡。 本設計選用可拆分、凹型受液盤，其結構示意圖如圖 325 圖 3流裝置結構示意圖 流裝置計算 因塔徑 D = 1800 用單溢流弓形降液管，采用凹型受液盤。 板布置