精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算-2012.ppt

精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算 一 化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求通過課程設(shè)計(jì) 學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個(gè)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng) 1 查閱數(shù)據(jù)手冊 正確選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力 2 樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性 又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性 并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想 在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力 3 迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力 4 用簡潔的文字 清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力 第一節(jié)概述 二 化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1 課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 1 設(shè)計(jì)方案簡介對給定或選定的工藝流程 主要的設(shè)備型式進(jìn)行簡要的論述 2 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算包括工藝參數(shù)的選定 物料衡算 熱量衡算 設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算對典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號規(guī)格的選定 4 工藝流程簡圖以單線圖的形式繪制流程圖 標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向 物流量 能流量和主要化工參數(shù)測量點(diǎn) 5 主體設(shè)備工藝條件圖 裝配圖 圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸 技術(shù)特性表和接管表 封面 課程設(shè)計(jì)題目 班級 姓名 指導(dǎo)教師 時(shí)間 目錄 設(shè)計(jì)任務(wù)書 工藝流程及設(shè)計(jì)方案說明 設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)及選型 設(shè)計(jì)評述及設(shè)計(jì)者對本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論 參考資料 2 工藝流程圖及主體設(shè)備裝配圖 2 課程設(shè)計(jì)組成 1 設(shè)計(jì)說明書及主要內(nèi)容 3 注意事項(xiàng)整個(gè)設(shè)計(jì)是由論述 計(jì)算和繪圖三部分組成 論述應(yīng)該條理清晰 觀點(diǎn)明確 計(jì)算要求方法正確 誤差小于設(shè)計(jì)要求 計(jì)算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處 圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果 三 化工原理課程設(shè)計(jì)的步驟 本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行 1 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求 確定設(shè)計(jì)方案 根據(jù)給定任務(wù) 對精餾裝置的流程 操作條件 塔板類型等進(jìn)行論述 2 蒸餾塔的工藝計(jì)算 確定理論塔板數(shù) 作圖法 實(shí)際板數(shù) 確定塔高和塔徑 3 塔板設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)塔板各主要工藝尺寸溢流裝置 塔板布置 篩孔或浮閥的設(shè)計(jì)及排列 圖 進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算 畫出塔的負(fù)荷性能圖 4 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì) 換熱器的熱負(fù)荷 求取塔頂冷凝器 冷卻器的熱負(fù)荷和所需冷卻水用量 再沸器的熱負(fù)荷和所需加熱蒸汽用量 換熱器的設(shè)計(jì)選型 輸液用泵的型號 根據(jù)流體的輸送量 楊程和流體物性 選定泵的型號 在各輸液泵中任選一個(gè)選型 流程中主要管線的設(shè)計(jì) 先選定物料在管路中的適宜流速 經(jīng)計(jì)算 圓整 最后確定管路尺寸和材質(zhì) 5 抄寫說明書 6 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔裝配圖 第二節(jié)板式精餾塔的工藝計(jì)算 一 設(shè)計(jì)方案的確定1 設(shè)計(jì)方案確定的原則 滿足工藝和操作的要求 保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求 質(zhì)量要穩(wěn)定 有一定的操作彈性 要考慮必需裝置的儀表 如溫度計(jì) 壓強(qiáng)計(jì) 流量計(jì)等 經(jīng)濟(jì)方面 要節(jié)省熱能和電能的消耗 降低操作費(fèi)用 減少設(shè)備及基建費(fèi)用 保證安全生產(chǎn) 2 操作壓力的選擇 設(shè)計(jì)壓力一般指塔頂壓力 蒸餾操作通?？稍诔?加壓和減壓下進(jìn)行 確定操作壓力時(shí) 必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì) 兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮 減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料 但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加 同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備 對于沸點(diǎn)低 在常壓下為氣態(tài)的物料 則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾 當(dāng)物性無特殊要求時(shí) 一般是在稍高于大氣壓下操作 本次設(shè)計(jì) 塔頂操作壓力為4kPa 表壓 每層塔板壓降 p 0 7kPa 3 進(jìn)料狀況的選擇進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù) 塔徑 回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系 在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種 但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中 這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制 不致受季節(jié)氣溫的影響 此外 在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí) 精餾段與提餾段的塔徑相同 為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便 4 加熱方式的選擇 加熱方式 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱 設(shè)置再沸器 若塔底產(chǎn)物近于純水 而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對揮發(fā)度較大 如酒精與水的混合液 便可采用直接蒸汽加熱 加熱劑 T 180 常用飽和水蒸氣 再沸器結(jié)構(gòu) 小塔可在塔底 形式有夾套式 蛇管式 列管式 大塔一般在塔外 形式為列管式 有立式和臥式兩種 5 冷卻方式 冷卻器 通常在塔頂設(shè)置蒸氣全部冷凝的全凝器 其為輔助設(shè)備 需進(jìn)行選型 多采用列管式 水平或垂直放置 冷卻劑的選擇 由塔頂蒸汽溫度決定 如果塔頂蒸汽溫度低 可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑 如果能用常溫水作冷卻劑 是最經(jīng)濟(jì)的 水的入口溫度 由氣溫決定 出口溫度由設(shè)計(jì)者確定 冷卻水出口溫度取得高些 冷卻劑的消耗可以減少 但同時(shí)溫度差較小 傳熱面積將增加 冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定 但一般不宜超過50 否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出 生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱 6 熱能的利用精餾過程耗能較多 節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能 選取適宜的回流比 使過程處于最佳條件下進(jìn)行 可使能耗降至最低 塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用 一 全塔物料衡算1 計(jì)算原料液 塔頂 塔底濃度2 平均分子量 原料液MF 塔頂MD 塔底MW 3 物料衡算求W D 或F kmol h4 塔板數(shù)的計(jì)算 1 理論板數(shù)的計(jì)算 作y x圖 t x y圖 求最小回流比Rmin 實(shí)際回流比R 圖解法求理論板數(shù)N 二 工藝計(jì)算 2 全塔效率ET可查P145頁圖11 21確定 篩板塔 浮閥塔應(yīng)進(jìn)行校正 或 av 0 1 1 0時(shí) 3 實(shí)際塔板數(shù)NP分別求精餾段和提餾段所需實(shí)際板數(shù) 確定進(jìn)料板位置 二 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)1 操作壓強(qiáng) 平均壓強(qiáng) pm 精 pD pF 2pm 提 pW pF 2 2 操作溫度塔頂tD 可由t x y圖查得塔頂tD 塔底tW 進(jìn)料處tF 平均溫度 tm 精 tD tF 2tm 提 tW tF 2 如圖 xF 0 5 xw 0 05時(shí) 泡點(diǎn)進(jìn)料tF 92 露點(diǎn)進(jìn)料tF 101 塔底tw 108 提餾段平均溫度 tm tW tF 2 92 108 2 100 110 2 平均摩爾質(zhì)量 1 由塔頂 塔底 進(jìn)料處的濃度計(jì)算平均摩爾質(zhì)量 2 計(jì)算精餾段平均摩爾質(zhì)量MVm 精 MLm 精 3 計(jì)算提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm 提 MLm 提 如塔頂 y1 xD 0 966 可查得x1 0 916氣液平衡關(guān)系則 MVDm 0 966 78 11 1 0 966 92 13 78 59kg kmolMLDm 0 916 78 11 1 0 916 92 13 79 29kg kmol 3 平均密度 1 氣相平均密度 2 液相平均密度 3 計(jì)算塔頂 塔底 進(jìn)料處氣 液相平均密度 4 計(jì)算精餾段 提餾段平均密度 平均密度 Lm 精 LD LF 2 Vm 精 VD VF 2 Lm 提 LW LF 2 Vm 提 VW VF 2 4 液體平均表面張力 1 液相平均表面張力 2 查塔頂 塔底 進(jìn)料溫度下的液體的表面張力 3 計(jì)算塔頂 塔底 進(jìn)料處液相平均表面張力 4 計(jì)算精餾段 提餾段平均表面張力 5 液體平均粘度 1 液相平均粘度 2 查塔頂 塔底 進(jìn)料溫度下的液體的粘度 3 計(jì)算塔頂 塔底 進(jìn)料處液相平均粘度 4 計(jì)算精餾段 提餾段平均粘度 物性參數(shù)表 三 氣液負(fù)荷的計(jì)算精餾段 V R 1 Dkmol hm3 sL RDm3 s提餾段 V V q 1 FL L F 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 塔高 板間距 塔徑 塔板形式 溢流裝置 塔板布置 流體力學(xué)效驗(yàn)及負(fù)荷性能圖等 設(shè)計(jì)目的 塔板設(shè)計(jì)是以塔內(nèi)氣液的物流量 操作條件和特性數(shù)據(jù)為依據(jù) 設(shè)計(jì)出具有良好性能 壓降小 彈性寬 效率高 的塔板結(jié)構(gòu)尺寸 設(shè)計(jì)的基本思路 以塔內(nèi)氣液的物流量和板上的氣液組成 溫度 壓力等條件為依據(jù) 先參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步確定有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù) 然后進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算 校核單項(xiàng)指標(biāo)是否符合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍 再繪制負(fù)荷性能圖 考核其操作彈性等綜合指標(biāo)是否合適 如不符合要求必須調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù) 重復(fù)上述設(shè)計(jì)步驟 直到滿意為止 第三節(jié)板式塔主要尺寸的計(jì)算 設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)時(shí) 先選取某段塔板 如精餾段 提餾段 條件下的參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù) 以此確定塔的尺寸 應(yīng)盡量保持塔徑相同 以便于加工制造 由于塔中兩相流動(dòng)情況和傳質(zhì)過程的復(fù)雜性 許多參數(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選取 因此設(shè)計(jì)過程中不可避免要進(jìn)行試差 計(jì)算結(jié)果也需要工程標(biāo)準(zhǔn)化 一 精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 塔的有效高度和板間距已知 實(shí)際塔板數(shù)NP 選取塔板間距HT 塔板間距和塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 實(shí)際塔體高度 有效高 頂部空間 底部空間 塔裙座高度 有效塔高 0 8 最大空塔氣速 液泛氣速 課本P 128 129 2 塔徑估算確定原則 防止過量液沫夾帶液泛步驟 先確定最大空塔氣速umax m s 然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)氣速u 最后計(jì)算塔徑D 篩板塔 可查教材Smith圖求C20 浮閥塔可查數(shù)據(jù)手冊書確定C20 篩板塔氣體負(fù)荷因子關(guān)聯(lián)圖 課本P 129 選取設(shè)計(jì)氣速u選取泛點(diǎn)率 u umax一般液體 0 6 0 8易起泡液體 0 5 0 6 設(shè)計(jì)氣速u 泛點(diǎn)率 umax 氣體流通有效截面積An 計(jì)算塔徑D 教材P137 A 塔截面Ad 降液管截面 說明 計(jì)算得到的塔徑需圓整 標(biāo)準(zhǔn)直徑為 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 m 直徑確定后應(yīng)重新計(jì)算實(shí)際氣速及泛點(diǎn)率 lw D的確定 Ad A也可由lw D查圖得 教材P 137 lw D Ad A和Wd D 底隙 hb堰頭液高 h0W堰高 hW 3 溢流裝置設(shè)計(jì) 教材P136 溢流型式的選擇依據(jù) 塔徑 流量 型式 單流型 回流型 雙流型等 回流型單流型雙流型 液流型式選取參考表 降液管形式和底隙降液管 弓形 圓形 降液管截面積 一般Ad A 0 06 0 12 由lw D確定 圖11 16 Ad A過大 氣液兩相接觸傳質(zhì)區(qū)小 生產(chǎn)能力和板效率將較低 Ad A過小 易產(chǎn)生氣泡夾帶 引起降液管液泛 底隙hb 應(yīng)小于hw 通常在30 40mm 液體流經(jīng)底隙的流速ub Ls lwhb 一般ub 0 07 0 25m s 溢流堰 又稱出口堰 作用 維持塔板上一定液層 使液體均勻橫向流過 型式 平直堰 溢流輔堰 三角形齒堰及柵欄堰 主要尺寸 堰高h(yuǎn)w和堰長lw 堰高h(yuǎn)W 直接影響塔板上液層厚度過小 相際傳質(zhì)面積過小 過大 塔板阻力大 效率低 常 加壓塔 hW 50 80mm 減壓塔 hW 25mm hW hL h0W板上液層高度 常壓 hL 50 100mm E可由圖11 11查取 P 131 若Lh不是過大 可近似取E 1 堰上方液頭高度hOW可用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算 how過小時(shí) 板上液體流動(dòng)不均 效率降低 可調(diào)整lW D Lh 液體流量m3 h 堰長lW 對于弓形降液管 堰長由計(jì)算得到的塔徑確定 lW D也可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊推薦值按塔徑選取 受液區(qū)和降液區(qū)一般兩區(qū)面積相等 邊緣區(qū)小塔 大塔 安定區(qū) 入口安定區(qū) 因板上液面落差 減少漏液出口安定區(qū) 避免夾帶氣泡的液體進(jìn)入降液管 4 塔板及其布置 塔徑小于0 9m時(shí)可用整塊板 塔徑較大時(shí) 常采用分塊式塔板 5 篩孔 閥孔的尺寸和排列 1 篩板塔 單流型弓形降液管塔板 有效傳質(zhì)區(qū) 開孔區(qū) 篩孔直徑d0 3 8mm常用d0 3 3 5 6 8mm孔中心距t 常壓 t 3 4 d0取整 板厚 碳鋼 3 4mm 不銹鋼2 4mm 孔氣速 孔數(shù) 開孔率 常壓 通常為0 10 0 14 有效傳質(zhì)區(qū)內(nèi) 常按正三角形排列 選定do 計(jì)算得到Aa后 可確定孔數(shù)n 并核算開孔率 畫出塔板排孔圖 2 浮閥塔浮閥型式 F1 V 4 V 6 十字架浮閥孔徑 d0 39mm排列方式 正三角形和等腰三角形孔中心距t 正三角形排列時(shí) 75 100 125mm大塔常采用分塊 不便錯(cuò)排 可按等腰三角形排列 t 70 75 80 90 100等 液流方向 液流方向 順排 錯(cuò)排 常用 閥孔數(shù) 動(dòng)能因子 適宜閥孔氣速u0 常壓塔 u0 3 7m s減壓塔 u0 10m s開孔率 常壓 hf為板上泡沫層高度 有效傳質(zhì)區(qū)的氣速 u Vs A Ad 二 塔板流動(dòng)性能的校核對初步設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和修正 1 液沫夾帶量校核單位質(zhì)量 或摩爾 氣體所夾帶的液體質(zhì)量 或摩爾 ev kg液體 kg氣體 或kmol液體 kmol氣體 要求 ev 0 1kg液體 kg氣體 1 篩板塔 查關(guān)聯(lián)圖或用Hunt經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算ev 說明 兩式計(jì)算的F1中的較大值若超過允許值 應(yīng)調(diào)整塔板間距或塔徑 2 浮閥塔 利用Fair關(guān)聯(lián)圖求泛點(diǎn)率F 為控制液沫夾帶量過大 應(yīng)使泛點(diǎn)率F 0 8 0 82 單流型 液體在塔板上流動(dòng)的行程Z D 2Wd塔板上的液流面積An A 2Ad物性系數(shù) 正常系統(tǒng) K 1 0泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)CF查圖求取 塔板阻力 塔板阻力hp包括以下幾部分 干板阻力hc 氣體通過板上孔的阻力 設(shè)無液體時(shí) 液層阻力he 氣體通過液層阻力 克服液體表面張力阻力h 孔口處表面張力 2 塔板阻力的計(jì)算和校核 1 干板阻力hc浮閥塔 臨界孔速 1 15 校正系數(shù)C0 孔流系數(shù) 查圖得 塔板孔流系數(shù) 篩板塔 d0 12mm d0 12mm 孔徑與板厚之比 2 液層阻力he 充氣系數(shù) 浮閥塔 0 5篩板塔 由Fa查圖求 單板壓降說明 若塔板阻力過大 可增加開孔率或降低堰高 3 克服液體表面張力阻力 一般可不計(jì) 故塔板阻力 3 降液管液泛校核為防止降液管液泛 應(yīng)保證降液管內(nèi)液流暢通 液體經(jīng)降液管下降時(shí) 要克服各種阻力 故必須在降液管中維持一定的高度清液層 降液管中清液柱高度 m 其中hw h0w已確定 hp已算出 還要計(jì)算出 hd 1 液面落差 一般較小 可不計(jì) 浮閥塔 可忽略 篩板塔若D 1600mm時(shí) 可忽略 不可忽略時(shí) 一般要求 0 5hc 2 液體通過降液管阻力hd 不設(shè)進(jìn)口堰時(shí) 設(shè)進(jìn)口堰時(shí) Av 液流經(jīng)堰時(shí)的最小斷面 泡沫層高度 要求 說明 若泡沫高度過大 可減小塔板阻力或增大塔板間距 泡沫層相對密度 不易起泡物系 0 6 0 7一般物系 0 5 0 6易起泡物系 0 3 0 4 4 液體在降液管中停留時(shí)間校核目的 避免嚴(yán)重的氣泡夾帶 停留時(shí)間 要求 說明 停留時(shí)間過小 可增加降液管面積或增大塔板間距 1 計(jì)算嚴(yán)重漏液時(shí)干板阻力h0 2 計(jì)算漏液點(diǎn)氣速u0 min 5 嚴(yán)重漏液校核漏液點(diǎn)氣速u0 min 發(fā)生嚴(yán)重漏液時(shí)的孔氣速 穩(wěn)定系數(shù) 要求 篩板塔 說明 如果穩(wěn)定系數(shù)K過小 可減小開孔率或降低堰高 浮閥塔 一般取F 5時(shí)對應(yīng)的閥孔氣速為漏液點(diǎn)氣速u0 min 不發(fā)生漏液時(shí) 動(dòng)能因子F0 5 由u0 min可算出此時(shí)的最小氣相量Vs 是一水平直線 過量液沫夾帶線 氣相負(fù)荷上限線 篩板塔 規(guī)定 ev 0 1 kg液體 kg氣體 為限制條件 6 塔板的負(fù)荷性能圖 確定塔板的操作彈性 可整理出u與L關(guān)系 因u又與V有關(guān) 故可關(guān)聯(lián)出V與L關(guān)系 板上泡沫層高度 有效傳質(zhì)區(qū)的氣速 u Vs A Ad 浮閥塔 令泛點(diǎn)率F1 0 8 可整理出Vs與Ls關(guān)系 Vs與Ls關(guān)系為直線方程 有兩點(diǎn)即可確定直線 嚴(yán)重漏液線 氣相下限線 浮閥塔 不發(fā)生漏液時(shí) 動(dòng)能因子F0 5 由u0 min可算出此時(shí)的最小氣相量Vs 是一水平直線 當(dāng) hL 30mm 或d0 3mm 一般情況 篩板塔 可由上式關(guān)聯(lián)出L與V的關(guān)系 整理出 液相下限線是一條垂直與L軸的直線 與氣相流量無關(guān) 流體流量過低 塔板上的液層就不均勻 因此流體流量應(yīng)使堰上液層高度how達(dá)到0 006m 液相下限線 液相上限線 可得Ls 常數(shù)的垂直線 液體流量過大則降液管內(nèi)超負(fù)荷 流體在其中停留時(shí)間短使其中的泡沫來不及破碎 為此規(guī)定液體在降液管中的停留時(shí)間最短為3 5s 降液管液泛線 液體或