篩板精餾塔設(shè)計(jì)方案

1 篩板精餾塔 設(shè)計(jì) 方案 1 緒論 題研究意義、研究現(xiàn)狀及擬采用的技術(shù)路線 題研究意義、研究現(xiàn)狀 在化工或煉油廠中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量 ， 質(zhì)量 ， 生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面都有重大的影響 。 據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，塔設(shè)備的投資費(fèi)用占整個(gè)工藝設(shè)備投資費(fèi)用的較大比例 。 因此，塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究，受到化工 、 煉油等行業(yè)的極大重視 6。 塔設(shè)備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。 它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的 。 常見的、可在塔設(shè)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(zhì)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(zhì)。生產(chǎn)中為了滿足儲(chǔ)存，運(yùn)輸，加工和使用的需求，時(shí)常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)。 塔設(shè)備的基本功能就是提供氣、液兩相以充分接觸的機(jī)會(huì)，使傳熱、傳質(zhì)兩種傳遞過程能夠迅速有效的進(jìn)行；還能使接觸之后的氣、液兩相及時(shí)分開，互不夾帶。 篩板塔是最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備 之一，五十年代之后，通過大量的工業(yè)實(shí)踐逐步改進(jìn)了設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)。近年來與浮閥塔一起成為化工生產(chǎn)中主要的傳質(zhì)設(shè)備。 篩板塔 普遍用作 塔 ， 應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)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(zhì)效率高的優(yōu)點(diǎn)，是化工生產(chǎn)中常見的單元操作設(shè)備之一。 篩板塔始于 1830 年，是結(jié)構(gòu)最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當(dāng)氣量過小或過大時(shí)，易發(fā)生嚴(yán)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(jié)焦的物料，一度時(shí)間曾影響到它的應(yīng)用推廣。 20世紀(jì) 50年代后，隨著林德塔板、導(dǎo)向塔板的應(yīng)用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨廣泛。導(dǎo)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(yīng)用的，國內(nèi)有北京化工大學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，他們認(rèn)為導(dǎo)向 篩板從導(dǎo)向噴出的水平氣速均勻穩(wěn)定的推動(dòng)板上液 2 流前進(jìn)，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(zhì)效率和生產(chǎn)能力。在酒精工業(yè)，導(dǎo)向篩板使固含率達(dá) 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩(wěn)定流動(dòng)，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(jié)構(gòu)最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當(dāng)氣量過小或過大時(shí)，易發(fā)生嚴(yán)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(jié)焦的物料，一度時(shí)間曾影響到它的應(yīng)用推廣。 20 世紀(jì) 50年代后，隨著林德塔板、導(dǎo)向塔板的應(yīng)用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨 廣泛。導(dǎo)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(yīng)用的，國內(nèi)有北京化工大學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，他們認(rèn)為導(dǎo)向篩板從導(dǎo)向噴出的水平氣速均勻穩(wěn)定的推動(dòng)板上液流前進(jìn)，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(zhì)效率和生產(chǎn)能力。在酒精工業(yè)，導(dǎo)向篩板使固含率達(dá) 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩(wěn)定流動(dòng)，解決了長期存在的賭塔和液泛問題，并增產(chǎn)約 50；在鄰、對(duì)硝基氯苯精餾過程中，導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，維修方便，造價(jià)低廉的特點(diǎn)，該類塔板經(jīng)過深入研究和大 力推廣，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、香料的領(lǐng)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(shù)之一，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質(zhì)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(shè)備的技術(shù)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(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，需要更多、更好的板式 塔來進(jìn)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(shí)際傳質(zhì)過程進(jìn)行的反映 ， 是衡量塔板性能和塔板設(shè)計(jì)的主要依據(jù) ， 由于其影響因素多而且復(fù)雜 ,準(zhǔn)確預(yù)測有一定的難度 ， 目前解決的辦法是采用經(jīng)驗(yàn)方法或建立在較簡單的傳質(zhì)模型 (例如雙膜理論 )基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法 。為了衡量塔板的傳質(zhì)性能，研究人員提出了塔板點(diǎn)效率的概念，并對(duì)塔板的點(diǎn)效率進(jìn)行了深入研究。板式塔作為重要的傳質(zhì)設(shè)備之一， 在各種分離工藝過程中廣泛應(yīng)用 ， 開發(fā)新型傳質(zhì)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(shù)的發(fā)展方向 6。 餾塔設(shè)計(jì)的擬采用的技術(shù)路線 設(shè)計(jì)是典型的塔設(shè)備設(shè)計(jì)，其主要任務(wù)是參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及強(qiáng)度校核等 。 擬采用以下設(shè)計(jì)步驟： 一、篩板精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算部分 3 二、篩板精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算部分 定塔高； 蘭的設(shè)計(jì) 三、繪制精餾塔裝備圖，塔板結(jié)構(gòu)圖 4 2 工藝設(shè)計(jì) 計(jì)方案的確定及工藝流程的說明 原料液經(jīng)臥式列管式預(yù)熱器預(yù)熱至泡點(diǎn)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(duì)分子質(zhì)量為 苯的相對(duì)分子量為 kg/料組分： = 液組分： = 殘液組分： 平均摩爾質(zhì)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(shí)計(jì)，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(xiàn) 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(shí)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(fù)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(diǎn) ( (點(diǎn)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(jìn)料板為第七塊板。 7 際塔板數(shù)的計(jì)算 ( 1 )塔效率的計(jì)算 當(dāng) ， 1x 當(dāng) t， y。 塔的平均溫度為： WD 查閱 文獻(xiàn) 2，在塔的平均溫度下，苯和甲苯的黏度為： A ，B 。所以進(jìn)料液的平均黏度為： 塔頂相對(duì)揮發(fā)度： 1 塔底相對(duì)揮發(fā)度： 8 8 精餾塔的平均相對(duì)揮發(fā)度為： 用奧康奈爾關(guān)聯(lián)公式計(jì)算全塔效率，對(duì)于篩板塔， k=以： mT ( 2 )實(shí)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(shí)際總共有 26 塊板。 的精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)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(qiáng)： k P 14 作溫度 由苯甲苯的 ，查得塔頂溫度為 進(jìn)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(zhì)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(xiàn) 3 查得： 9 當(dāng) ， 3, kg/ 3, kg/ ， 3, kg/ 3, kg/ t時(shí)， 3, kg/ 3, kg/料板液相質(zhì)量分率： 釜液相質(zhì)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(xiàn) 3 查得： 當(dāng) ， ， mN/ t時(shí)， mN/ mN/10 塔頂： m N / 進(jìn)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(xiàn) 2，得： 當(dāng) ， ， t時(shí)， 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(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 徑的計(jì)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(guān)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(shí)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(guān)聯(lián)圖得： C 12 負(fù)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(shí)的操作氣速m/ m a ，安全系數(shù)為： 66.0 ，在 徑合適。 板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)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(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高對(duì)平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 0 5 0 文獻(xiàn) 2 圖 11 ，于是： 6 0 00 0 5 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設(shè) 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度3 由 文獻(xiàn) 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)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(xiàn) 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(yīng)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(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高度對(duì)平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 1 文獻(xiàn) 2 圖 11 ，于是： 6 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設(shè) 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度文獻(xiàn) 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間 （滿足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分塊式塔板，查文獻(xiàn) 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(yīng)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(xué)驗(yàn)算 餾段篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 (1)氣體通過篩板壓降的驗(yàn)算 （ a） 式中孔流系數(shù)文獻(xiàn) 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻(xiàn) 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(yàn)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(yàn)算結(jié)果表明不會(huì)產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗(yàn)算 氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降 漏液點(diǎn)的氣速 m / 80 0 2 0 5 5 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 會(huì)產(chǎn)生過量液漏） (4)液泛的驗(yàn)算 為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)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(huì)產(chǎn)生液泛。 通過流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適。 17 餾段篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 (1)氣體通過篩板壓降的驗(yàn)算 （ a） 式中孔流系數(shù)文獻(xiàn) 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻(xiàn) 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(yàn)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(yàn)算結(jié)果表明不會(huì)產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗(yàn)算 氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降 漏液點(diǎn)的氣速 m / 1 9 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 會(huì)產(chǎn)生過量液漏） 18 (4)液泛的驗(yàn)算 為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng) 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(huì)產(chǎn)生液泛。 通過流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適。 板負(fù)荷性能圖 餾段的塔板負(fù)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(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng) 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(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng)的 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線。 (3)液相負(fù)荷上限線 / 8 2 m a x, 20 (4)漏液線（氣相負(fù)荷下限線） 3/25 8 5.0 漏液點(diǎn)氣速： u 整 理得： , V （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng)的 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線。 (5)液相負(fù)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(fù)荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負(fù)荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷： 21 操作彈性 = in,m a x, 餾段的塔板負(fù)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(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng)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(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng)的 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線。 (3)液相負(fù)荷上限線 / 8 2 m a x, (4)漏液線（氣相 負(fù)荷下限線） 3/25 9 5.0 漏液點(diǎn)氣速 u 整理得： , V （ 2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)式（ 2出對(duì)應(yīng)的 23 表 233據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線。 (5)液相負(fù)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(fù)荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負(fù)荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷： 操作彈性 = in,m a x, 24 3 塔盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 盤的選型 由于塔徑 D = 1800 塔盤選用分塊式塔盤（五塊）其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3盤板選用自身梁式。 圖 3盤結(jié)構(gòu)示意圖 2和 4為標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)選用可拆分、傾斜式、弓形降液管，傾斜的角度為 10 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 受液盤 當(dāng)液體通過降液管與受液盤的壓力降大于 ，應(yīng)采用凹型受液盤。凹型受液盤對(duì)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(shè)計(jì)選用可拆分、凹型受液盤，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 325 圖 3流裝置結(jié)構(gòu)示意圖 流裝置計(jì)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