間接蒸汽加熱板式精餾塔設計

簡潔板式精餾塔設計設計條件與任務：F、xF、xD、xwF、xF、xD和η，塔頂設全凝器，泡點回流，塔底間接(直接)蒸汽加熱。全塔物料衡算求產(chǎn)品流量與組成間接蒸汽加熱FDW (1)Fx DxF D

WxW

(2)①假設規(guī)定F、x、x、x

則直接聯(lián)立求解方程(1)與(2)F D w②假設規(guī)定F、x、x 和ηF DDxD (3)FxF先由式(3x，再聯(lián)立求解方程(1)與(2)。D直接蒸汽加熱FSDW (1)Fx DxF D

WxW

(2)SV(R1)D(1q)FWLRDqF計算最小回流比設夾緊點在精餾段，其坐標為(xe,ye)則x yR D emin y xe e設夾緊點在提餾段，其坐標為(xe,ye)L R DqF y x min e WV (Rmin

1)D(1q)F x xe W根底數(shù)據(jù)：氣液相平衡數(shù)據(jù)3確定操作回流比 R(1.1~2.0)Rmin計算精餾段、提餾段理論板數(shù)①抱負溶液圖解法或求出相對揮發(fā)度用逐板計算法求取。②非抱負溶液相平衡數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù),用圖解法或數(shù)值積分法求取精餾段

NRdNxD dxR 1 xf

x xn1 n因 y n

R

xn1

DxR1x所以

xD

dx(4)R x yf n

x(x y)/Rn D n提餾段 NS

NSdNxf dx1 x x x因 y n

W n1 nxR1 xxWR n1RWRV

(R1)D(1q)F

(R1)D

(1q)FW W W W所以

xf

dx(5)S x yw n

x(y x)/(R1)n n w式(4)、(5)中塔板由下往上計數(shù)。冷凝器和再沸器熱負荷冷凝器的熱負荷

Q V(IC

I )DL再沸器的熱負荷

Q QB

DID

WIW

FIF待求量：進料溫度t、塔頂上升蒸汽溫度t (與x 對應的露點溫度)、回流溫度t x

對應的泡點F DV D DL D溫度)、再沸器溫度tw(與x 對應的泡點溫度)。W物性數(shù)據(jù)：①各組分在平均溫度下的液相熱容、氣相熱容或汽化熱。②各組分的熱容方程常數(shù)如c ABTCT2DT3p

(1T(③由沃森公式計算汽化熱H

r)0.3822V2計算實際塔板數(shù)

V11Tr1ET

0.49(L

)0.245——O”Connel公式式中：α——塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度；μ——塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度,mPa.sL①精餾段ET

0.49(L

)0.245式中：α——精餾段平均溫度下的相對揮發(fā)度；μ——精餾段平均溫度下的液相粘度,mPa.sL(N) p精

NR 留意：要圓整塔板數(shù)E②提餾段ET

T)0.245L式中：α——提餾段平均溫度下的相對揮發(fā)度；μ——提餾段平均溫度下的液相粘度,mPa.s(N)

NS1

L留意：要圓整塔板數(shù)p提 ETNp

(N)p精

(N)p提全塔效率：ET

(NT

1)/Np提示：0.3~0.7之間估算塔徑初高板間距，估算塔徑。su(0.6~0.8)umax

u C(max

L G)0.5GW C=C

L)0.2 C

=f(

-h ) L

0.5( )20 20

20 T L W G L式中：C——操作物系的負荷因子;σ——操作物系的液體外表張力，mN/m；HT——板間距；hL——L板上液層高度。留意：(1)板上液層高度由設計者選定。對常壓塔一般取為 0.05~0.08m，對減壓塔一般取為0.025~0.03m。(2)肯定要按壓力容器標準圓整塔徑。常用的標準塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2023、2200mm等。(3)以上計算的塔徑只是初估值，要依據(jù)流體力學原則進展驗算。因精餾段與提餾段的氣液負荷及物性數(shù)據(jù)不同，故設計中兩段的塔徑應分別計算，假設二者相差不大，應取較大者作為塔徑，假設二者相差較大，應承受變塔徑。所需物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)：氣體混合物的密度、液體混合物的密度、液體混合物的外表張力計算式：氣體混合物 pMG RTi1 wi液體混合物： wi——組分i的質量分數(shù)L i含水溶液的外表張力：

1/4

1/4 1式中：

x V /V

m x

WV /V

SO OSW SW W S SO SO O S計算精餾段塔徑時物性數(shù)據(jù)的處理：以上方程所用物性數(shù)據(jù)近似按塔頂?shù)谝话逄幚?如

pM 1G RT1以上方程中所用物性數(shù)據(jù)均取塔頂?shù)谝话迮c加料板物性數(shù)據(jù)的平均值計算提餾段塔徑時物性數(shù)據(jù)的處理：以上方程所用物性數(shù)據(jù)近似按加料板處理.以上方程中所用物性數(shù)據(jù)均取加料板與塔釜物性數(shù)據(jù)的平均值板式塔的塔板工藝尺寸計算溢流裝置的設計溢流裝置包括溢流堰、降液管和受液盤等幾局部，其構造與尺寸對塔的性能有重要的影響。①降液管的類型與溢流方式降液管的類型：圓形降液管一般用于小直徑塔；對于直徑較大的塔，常用弓形降液管。溢流方式：U形流、單溢流、雙溢流及階梯式雙溢流。依據(jù)塔徑大小和液體流量選取適宜的溢流方式。②溢流裝置的設計計算溢流裝置的設計包括堰長lW、堰高hW、弓形降液管的寬度W

、截面積A，降液管底隙高度h

，進口堰的高度h與降液管間的水平距離h等。

d f 0W l溢流堰(出口堰)：堰長和堰高溢流堰有平直型與齒形兩種，設計中一般承受平直型溢流堰。堰長弓形降液管的弦長。其值據(jù)閱歷定。單溢流：lW

(0.6~0.8)D lW

(0.5~0.6)D堰高降液管端面高出塔板板面的距離hw堰上液層高度太小→液體在堰上分布不均勻，影響傳質效果，設計時應使h ≥6mm，低于此值應采OW用齒形堰。堰上液層高度太大→增大塔板壓降及液沫夾帶量，h ≥60~70mm時改用雙溢流堰。OWh h hL W oW式中：h

——板上清液層高度,m；h

——堰上液層高度,mL OWh h hW L oWhOW

2.84103E(Lh

/l )2/3W式中：E——液流收縮系數(shù)，依據(jù)設計閱歷可取1。hw確實定：0.05h hOW W

0.1hOW在工業(yè)塔中，hw0.04~0.05m0.015~0.025m0.04~0.08m，一般不宜超過0.1m。降液管(以弓形降液管為例進展爭論)W及截面積Ad fW/Df(ld

/D)Wd

A/Af

f(lW

/D)Af

A 0.72T校核：緣由：為使液體中夾帶的氣泡得以分別，液體在降液管內(nèi)應有足夠的停留時間，實踐證明，液本在降3~5s，對于高壓下操作的塔及易起泡物系，停留時間應更長一些。H A方法： T L

3~5max式中：L —液體流量上限，m3/s；H—板間距，m；A—降液管截面積，m2。max T f留意：液相負荷上限與氣相液量無；假設校核不能滿足要求，應調整降液管尺寸或板間距，直至滿足要求為止。h0

降液管底隙高度是指降液管下端與塔板間的距離必需滿足h hO W

保證降液管底端有良好的液封，一般不應低于6mm，即h=hO W

-0.006h 也可按下式計算：Oh LO s

/(lw

u)ou——液體通過底隙時的流速，m/s。o依據(jù)閱歷，一般取u=0.07~0.25m/s。o降液管底隙高度一般不宜小于20~25mm，否則易于堵塞，或因安裝偏差而使液流不暢，造成液泛。受液盤受液盤有平受液盤和凹受形液盤兩種形式。平受液盤：一般需在塔板上設進口堰，但進口堰既占用板面，又易使沉淀物淤積此處造成堵塞。凹形受液盤：既可在低液量時形成良好的液封，又有轉變液體流向的緩沖作用，并便于液體從側線的抽出。對于φ600mm以上的塔，多承受凹形受液盤。凹形受液盤的深度一般在50mm以上，有側線采出時宜取深些。凹形受液盤不適于易聚合及有懸浮固體的狀況，因易造成死角而堵塞。塔板設計(以篩板為例)①塔板布置(無效區(qū))。WWcARftA”flWAaW”sWdxWSD塔板的構造開孔區(qū)上圖虛線以內(nèi)的區(qū)域為布置篩孔的有效傳質區(qū)，亦稱鼓泡區(qū)。開孔區(qū)面積以Aa表示。對單溢流型塔板，開孔區(qū)面積按下式計算：R2xR2x2A 2(xa

180

sin1R)D D xx

W)，m；R W

，msin1 為以角度表示的反正弦函數(shù)。2 d s

2 C R溢流區(qū)溢流區(qū)為降液管及受液盤所占的區(qū)域，其中降液管所占面積以Af表示，受液盤所占面積Af”表示。安定區(qū)開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域稱為安定區(qū)，也稱為破沫區(qū)。W以免液體大量夾帶氣泡進入降液管。進口堰后的安定區(qū)(入口安定區(qū))：其寬度為Ws”，其作用是在液體入口處，由于板上液面落差，液層較厚，有一段不開孔的安全地帶，可削減漏液量。進口堰后的安定區(qū)(入口安定區(qū))寬度W50~100 mms溢流堰前安定區(qū)(出口安定區(qū))寬度Ws

70~100 mm對小直徑的塔(D<1m)，因塔板面積小，安定區(qū)要相應減小。無效區(qū)在靠近塔壁的一圈邊緣區(qū)域供支持塔板的邊梁之用，稱為無效區(qū)，也稱邊緣區(qū)。無效區(qū)寬度為Wc，其值視塔板的支承需要而定。小塔 30~50mm 大塔 50~70mm為防止液體經(jīng)無效區(qū)流過而產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔壁設置檔板。②篩孔的計算及其排列篩孔直徑篩孔直徑的選取與塔的操作性能要求、物系性質、塔板厚度、加工要求等有關，是影響氣相分散和氣液接觸的重要工藝尺寸。外表張力為正系統(tǒng)的物系do=3~8mm(4~5mm)小孔徑外表張力為負系統(tǒng)的物系do=10~25mm(4~5mm)大孔徑篩板厚度碳鋼塔板：厚度δ=3~4mmdo≥δ不銹鋼塔板：厚度δ=2~2.5mmdo≥(1.5~2)δ孔中心距相鄰兩篩孔中心的距離稱為孔中心距，以t表示。一般t=(2.5~5)do。t/do過小易使氣流相互干擾，過大則鼓泡不均勻，都會影響傳質效率。推舉t=(3~4)do。篩孔的排列與篩孔數(shù)篩孔按正三角形排列。按正三角形排列時，篩孔數(shù)目的計算式為：n1.155Aa/t2式中：Aa——鼓泡區(qū)面積，m2；t——篩孔的中心距，m。開孔率Ao100%AaA當按正三角形排列時 o100Aa

d)t提示：按上述方法求篩孔直徑do、篩孔數(shù)目n后，還需通過流體力學性能驗算，檢驗是否合理，假設不合理需進展調整。篩板的流體力學性能驗算塔板流體體力學驗算的目的在于檢驗初步設計的塔板計算是否合理，塔板能束正常操作。驗算內(nèi)容有：塔板壓力降、液面落差、液沫夾帶、漏液及液泛等。塔板壓降氣體通過篩板時，需抑制篩板本身的干板阻力、板上充氣液層的阻力及液體外表張力造成的阻力，這些阻力即形成了篩板的壓降。p ghP L Ph hP

hhl hC

——與氣體通過篩板的干板壓降相當?shù)囊褐叨?m液柱；h——與氣體通過板上液層的壓降相當?shù)囊褐叨?m液柱；lh——與抑制液體外表張力的壓降相當?shù)囊褐叨?m液柱；(I)干板阻力按閱歷公式估算:u Ah o)2( G)[1( o)2]C C Ao L a式中：uo——氣體通過篩孔的速度,m/s；Co——流量系數(shù),Co=f(do/δ)。(II)氣體通過液層的阻力hhl

(hW

h )OWβ——充氣系數(shù)，反映板上液層的充氣程度。β=f(F)0.5~0.60VFuo a

u ASA )aT fa(III)液體外表張力的阻力4h L gdL opP

應小于設計允許值液面落差流體橫向流過塔板時，抑制板上的摩擦阻力和板上部件(如泡罩、浮閥等)的局部阻力，需要肯定的液位差，在板上形成由液體進入板面到離開板面的液面落差。D≤1600mm的篩板，液面落差可無視不計。對于液體流量很大及D≥2023mm的篩板，需要考慮液面落差的影響。液沫夾帶液沫夾帶造成液相在塔板間的返混，嚴峻的液沫夾帶會使塔板效率急劇下降，為保證塔板效率的根本穩(wěn)定，通常將液沫夾帶量限制在肯定范圍內(nèi)，設計中規(guī)定液沫夾帶量eV=0.1kg液/kg氣。確定方法：亨特關聯(lián)圖或亨特關聯(lián)式5.7106e

ua )3.2v H hL T fh 2.5hf

w

h )2.5(how

2.84103E(Lh

/l )2/3)wu

—按氣體實際通過面積計算的氣速(u

V/(A

—板間距；h—泡沫層高度.a漏液

n s T f T f10%10%時的氣速稱為漏液點氣速，它是塔板操作氣速的下限，以uo,min表示。uo,min的計算方法：① u 4.4C0,min

(0.056 1h ) /L L G② hL<30mmd0<3mm時u 4.

(0.01 .13h ) /0,min 0

L L GVs,min

u A0,min 0h h hL w

h 2.84103E(Lw

/l )2/3w③動能因子法FGu Go,min

o,min式中：F0,min——漏液點動能因子，F(xiàn)0,min8~10。穩(wěn)定系數(shù)KuK ouuo,minK1.5~2。(V)液泛液泛分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種狀況。設計中已對液沫夾帶液泛進展了驗算，故在篩板塔的流體力學驗算中通常只對降液管液泛進展驗算。為使液體能由上層塔板穩(wěn)定地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持肯定的液層高度Hd。降液管內(nèi)液層高度用來抑制相鄰兩層板間的壓降、板上清液層的阻力和液體流過降液管的阻力。H hd

h hL d式中Hd——降液管中清液層高度,m液柱;hp——與塔板壓降相當?shù)囊褐叨?m液柱；hd——與液體流過降液管的壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱。hL——板上清液層高度,m。hd的計算方法為：①塔板上設置進口堰Lh 0.2( s )30.2(u)2d lh 0wo②塔板上不設置進口堰sh 0.153(Lsd lh

)30.153(u)20wo檢驗：為防止液泛，應保證降液管中泡沫層液體總高度不能超過上層塔塔板的出口堰，即H (Hd T

h)w——安全系數(shù)。對易發(fā)泡物系，=0.3~0.5；不易發(fā)泡物系，=0.6~0.7塔板的負荷性能圖負荷性能圖：對于肯定的物系和塔構造，將其適宜的氣液負荷范圍在直角坐標中，以液相負荷L為橫坐標，氣相負荷V為縱坐標進展繪制，所得圖形稱為塔板的負荷性能圖。下面爭論適宜氣液負荷范圍確實定。氣相負荷下限線——漏液線確定依據(jù)：漏液線由不同流量下的漏液點組成，其位置漏液點氣速確定。確定方法：①在操作范圍內(nèi)任取幾個液相流量下，計算相應的漏液點氣速，氣相負荷Vs②由公式計算(以篩板塔為例)

u A；0,min 0u0,min

4.4C(0.0056(0.00560.12h h)L/L Vs,min

u A0,min 0h h hL w

h 2.84103E(Lw

/l )2/3w

—堰高；h —堰上液高；l—溢流堰長度；h—以清液高表示的液層阻力；h—液體外表張力的w ow w L σ阻力。整理后得到V f(L) (a)。在操作范圍內(nèi)任取幾個液相流量下，依式(a)計算出Vs。s s意義：當操作的氣相負荷低于此線時，將發(fā)生嚴峻的漏液現(xiàn)象。此時的漏液量大于液體流量的10%。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以上。氣相負荷上限線——過量液沫夾帶線確定依據(jù)：該線通常以e=0.1kg液/kg氣為依據(jù)確定的。V確定方法：亨特關聯(lián)圖或亨特關聯(lián)式5.7106e

ua )3.2v H hL T fh 2.5hf

w

h )2.5(how

2.84103E(Lh

/l )2/3)wu

—按氣體實際通過面積計算的氣速(u

V/(A

A))；H

—板間距；h—泡沫層高度.a a s T f T f整理后得到Vsf(Ls) (b)在操作范圍內(nèi)任取幾個液相流量下，依式(b)計算出Vs。意義：假設氣液負荷點位于此線上方，說明液沫夾帶現(xiàn)象嚴峻，已不宜承受。液相負荷下限線確定依據(jù)：對于平直堰，其位置可依據(jù)how=6mm確定。h 2.84103E(Low

/l )2/3w液相負荷下限與氣相液量無關。意義：假設操作的液相負荷低于此下限時，說明液體流量過低，板上液體流淌不能均勻分布，氣液接觸不良，易產(chǎn)生干吹、偏流等現(xiàn)象，導致塔板效率急劇下降。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以右。液相負荷上限線確定依據(jù)：液體在降液管內(nèi)的停留時間為3~5sH A T fL

3~5max式中：L —液體流量上限，m2/s；H—板間距，m；A—降液管截面積，m2。液相負荷上限與氣相液量無max T f關。意義：液量超過此上限，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，進入降液管內(nèi)的氣泡來不及與液相分別而被帶入下層塔板，造成氣相返混，使塔板效率下降，以致消滅溢流液泛。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以左。溢流液泛線確定依據(jù)：溢流液泛條件Hd

(HT

h)w式中H—降液管內(nèi)清液層高度；H—板間距；h—堰高。依上式得到V f(L) (c)d T w s s意義：假設操作的氣液負荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。塔板的適宜操作區(qū)在該線以下。負荷性能圖液Vmax 相/)h 負/3m 荷下

氣相負荷上限線操作線C

溢流液泛線A 液相負荷(V限Vmin

操作點 上B 限氣相負荷下限線 線L(m3/h)塔板負荷性能圖提示：要分別求出精餾段和提餾段的塔板負荷性能圖板式塔的構造塔體構造①塔頂空間塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂?shù)拈g距。作用：使出塔氣體夾帶的液滴因沉降作用而與氣流分別。高度：為利用出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距為〔1.5~2.0)HT

。假設要安裝除沫器時，需要依據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂間距。②塔底空間塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底距離。其值由如下因素打算：塔底儲液空間依據(jù)儲存液量停留3~8min(易結焦物料可縮短停留時間〕而定；再沸器的安裝方式及安裝高度；塔底液面至最下層塔板之間要留有1~2m的間距。③人孔D≥1000mm6~8層塔板設一人孔。人孔直徑一般為450mm~600mm，其伸出塔體的筒體長為200~250mm，人孔中心距操作平臺約800~1200mm。設人孔處的600mm。④塔高計算式為：H(nn n 1)H nH nh H H H HF p T F F p p D B 1 2

——進料板數(shù)；H——進料板處板間距,m；n

——人孔數(shù)；F F pH——設人孔處板間距,m；H——塔底空間高度,m；H——塔頂空間高度,m；H——封頭高度,m；H—p B D 1 2—裙座高度。塔板構造塔板按構造特點，大致可分為整形塊式和分塊式兩類塔板.塔徑小于800mm時，一般承受整塊式；塔徑超過800mm時，由于剛度、安裝、檢修等要求，多將塔板分成數(shù)塊通過人孔送入塔內(nèi)。塔板分塊方法參見文獻。附屬設備精餾塔的附屬設備包括蒸汽冷凝器、產(chǎn)品冷卻器、再沸器〔蒸餾釜、原料預熱器、原料罐、回流罐、產(chǎn)品罐、輸送物料的泵等，可依據(jù)有關教材或化工手冊進展選型與設計。冷凝器冷凝器常承受管殼式換熱器，一般為臥