化工原理課程設計——板式精餾塔設計

2010年9月化工原理課程設計4/7/2023——板式精餾塔設計第一部分：化工原理課程設計任務書第二部分：設計方法第三部分：化工塔器CAD設計軟件介紹第四部分：設計示例

三.設計任務完成精餾塔工藝設計，精餾設備設計，有關附屬設備的設計和選用，繪制帶控制點工藝流程圖，塔板結構簡圖，編制設計說明書。四.設計內容處理量噸/年進料組成35%40%45%50%55%學號800003264917398500093452204290000123802284595000174210324810000020451436511.

工藝設計

（1）選擇工藝流程和工藝條件a．加料方式b.加料狀態c.塔頂蒸汽冷凝方式d.塔釜加熱方式e.塔頂塔底產品的出料狀態塔頂產品由塔頂產品冷卻器冷卻至常溫。

（2）精餾工藝計算：a.

物料衡算確定各物料流量和組成。b.經濟核算確定適宜的回流比根據生產經常費和設備投資費綜合核算最經濟原則，盡量使用計算機進行最優化計算，確定適宜回流比。c.

精餾塔實際塔板數用近似后的適宜回流比在計算機上通過逐板計算得到全塔理論塔板數以及精餾段和提餾段各自的理論塔板數。然后根據全塔效率ET，求得全塔、精餾段、提餾段的實際塔板數，確定加料板位置。

2.

精餾塔設備設計(1)選擇塔型和板型采用板式塔，板型為篩板塔或浮閥塔。(2)塔板結構設計和流體力學計算(3)繪制塔板負荷性能圖畫出精餾段或提餾段某塊的負荷性能圖。(4)有關具體機械結構和塔體附件的選定*接管規格：根據流量和流體的性質，選取經驗流速，選擇標準管道。*全塔高度：包括上、下封頭，裙座高度。一.流程和方案的確定1、塔設備的選擇板式塔和填料塔的比較（例如：浮閥塔的特點）2、蒸餾裝置流程的確定蒸餾裝置包括：精餾塔、原料預熱器、再沸器、冷凝器、塔釜冷卻器和產品冷卻器等設備，操作方式（1）操作壓力的選擇（2）進料狀態的選擇（3）加料方式的選擇（預加熱）（4）回流比的選擇（5）加熱器的選擇（6）冷凝器的選擇塔頂產品（全凝器）和塔釜產品（冷卻器）（7）加料方式的選擇高位槽或泵（8）工藝流程3、正戊烷和正己烷的性質、用途等3、物料衡算塔頂產品易揮發組分回收率η為：η=DxD/FxF式中:F、D、W分別為進料、塔頂產品、塔底餾出液的摩爾流量(kmol/h),xF、xD、xW分別為進料、塔頂產品、塔底餾出液組成的摩爾分率列表：進料、塔頂、塔底產品流量和組成（二）常壓下正戊烷－正己烷混合汽液相平衡關系Antoine方程：A、B、C教材附錄1查得用Antonie方程求出附錄2表2.2不同溫度下的正戊烷、正己烷飽和蒸汽壓及相對揮發度1、作出x-y相圖（三）塔板數的確定2、最小回流比及操作回流比2、最小回流比及操作回流比3、理論板數及加料位置①求精餾塔的汽、液相負荷②求精餾段、提餾段的操作線方程③作圖求出理論板數④逐板計算求理論板數（四）精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算1、操作壓力塔頂操作壓力=大氣壓+表壓每層塔板壓力=0.7KPa求出進料板、塔底壓降、精餾段、提餾段平均壓降。2、操作溫度依據操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，苯、甲苯的飽和蒸氣壓由Antonie方程計算。依次求出塔頂溫度、進料板溫度、塔底溫度及精餾段、提餾段平均溫度3、平均摩爾質量塔頂氣、液混合物平均摩爾質量進料板氣、液混合物平均摩爾質量塔底氣、液混合物平均摩爾質量精餾段、提餾段氣液混合物平均摩爾質量4、平均密度（1）氣相平均密度注意：精餾段、提餾段分別計算（2）液相平均密度例：塔頂液相平均密度：tD=查手冊得ρA、ρB（盧煥章石油化工基礎數據手冊）同理求得：進料板、塔底液相平均密度求得：精餾段、提餾段液相平均密度（列表）5、液相平均表面張力塔頂液相平均表面張力：塔頂溫度查教材附錄4：同理求得：進料板、塔底液相平均表面張力求得：精餾段、提餾段液相平均表面張力（列表）6、液相平均黏度提餾段（五）精餾塔的塔體工藝計算1、塔徑的計算（1）最大空塔氣速和空塔氣速（2）氣體負荷系數CC20由smith關聯圖求得（3）塔徑精餾段、提餾段分別計算由上式計算的塔徑按部頒發塔盤標準圓整，圓整后的塔徑除了滿足板間距和塔徑的關系外，還須進行空塔氣速校核塔截面積：塔截面積：實際空塔氣速：2、精餾塔有效高度的計算（1）塔板效率ET“奧康奈爾的精餾塔關聯圖“精餾段有效高度：提餾段有效高度：精餾段實際板數：提餾段實際板數：在進料板上方開一人孔，高度為0.8m（六）塔板主要工藝尺寸的計算（2）降液管（圓形和弓形）①降液管的寬度Wd和截面積Af可根據堰長與塔徑比值，查圖求取。

降液管的截面積應保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管中的停留時間一般等于或大于3～5秒，對低發泡系統可取低值，對高發泡系統及高壓操作的塔，停留時間應加長些。故在求得降液管的截面積之后，應按下式驗算液體在降液管內的停留時間，即注意：精餾段與提餾段不同②降液管底隙高度h0為保證良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取為2、塔板布置和浮閥數目與排列①孔速每一層塔板上的浮閥數：②邊緣寬度wc在塔壁邊緣留出寬度為WC的區域，以固定塔板。③安定區ws在液體入塔處，有一寬度為ws的狹長帶不開孔區，其作用是防止氣體進入降液管或因降液管流出的液流的沖擊而漏液。塔徑小于1.5m的塔塔徑大于1.5m的塔④有效傳質面積Aa對于單流型塔板

以弧度表示的反三角函數

式中：對于雙流型塔板

式中：(（為雙溢流中間降液管的寬度)其它符號與單流型塔板公式同⑤浮閥的排列正三角形排列（小塔）等腰三角形叉排（大塔）⑥核算孔速和閥孔動能因數⑦塔板開孔率（七）塔板流體力學驗算1、氣相通過浮閥塔的壓降塔板流體力學驗算目的是為了檢驗以上初算塔徑及各項工藝尺寸的計算是否合理，塔板能否正常操作。—氣體通過每層塔板壓降相當的液柱高度，m液柱—氣體通過篩板的干板壓降，m液柱—氣體通過板上液層的阻力，m液柱

—克服液體表面張力的阻力，m液柱

①干板阻力ho臨界孔速uoc②板上充氣液層阻力hl板上充氣液層阻力受堰高、氣速及溢流長度等因素的影響，一般用下面的經驗公式計算：4/7/2023③表面張力所產生的阻力hσ一般浮閥塔的壓降比篩板塔大，對常壓和加壓塔，每層浮閥塔壓降為265～530pa，減壓塔約為200pa。2、降液管內液體高度（淹塔or液泛）為防止淹塔現象的發生，要求控制降液管中清液層高度：式中:

—進出口堰之間的液面梯度，m液柱(一般很小，可以忽略)—氣體通過一塊塔板的壓降，m液柱

—液體流出降液管的壓降，m液柱可按下列經驗公式計算：

無入口堰:

有入口堰：

如果液體和氣體流動所遇阻力增加，降液管中液面上升，當超過上一層塔板的堰頂后，產生液體倒流，即發生了液泛，因此，需要足夠的降液管高度，或控制適當阻力以防液泛的發生。實際降液管中液體和泡沫的總高度大于用上式計算的值。為了防止液泛，應保證降液管中泡沫液體總高度不超過上層塔板的出口堰。因此:

為考慮降液管內液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數。對于容易起泡的物系，取0.3～0.4；對不易起泡的物系，取0.6～0.7；對于一般物系，取0.5。—板間距，m3、霧沫夾帶

霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現象。過多的霧沫夾帶將導致塔板效率嚴重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過0.1kg，即控制霧沫夾帶量<0.1kg(液)/kg(氣)。泛點百分率：大塔：直徑小于0.9m塔：減壓塔：泛點率：計算泛點率都在80%以下，（八）塔板負荷性能圖①霧沫夾帶線計算出：在操作范圍內任取兩個qv,L,結果列表。②液泛線由上式確定液泛線在操作范圍內任取若干個qv,L,結果列表。液泛線表示降液管內泡沫層高度達到最大允許值時的關系，塔板的適宜操作區也應在此線之下，否則將可能發生液泛現象，破壞塔的正常操作。③液相負荷上限線

此線反映對于液體在降液管內停留時間的起碼要求。對于尺寸已經確定的降液管，若液體流量超過某一限度，使液體在降液管中的停留時間過短，則其中氣泡來不及放出就進入下層塔板，造成氣相返混，降底塔板效率。液體的最大流量應保證在降液管中停留時間不低于3～5s求出上限液體量qV,L，在qV,V-qV,L圖上，液相負荷上限線是與氣體流量無關的豎直線。④漏液線由此式求出氣相負荷的下限值。⑤液相負荷下限線取E=1，計算出液相負荷的下限值。塔板負荷性能圖Vs,m3/sLs,m3/s(1)霧沫夾帶線(2)液泛線(3)液相上限線(4)漏夜線(5)液相負荷下限線AVs,minP操作點BVs,maxO在負荷性能圖上，由上述線所包圍的陰影區域，應是所設計的塔板用于處理指定物系時的適宜操作區。在此區域內，塔板上的流體力學狀況是正常的。⑥塔的操作彈性在塔的操作液氣比下，操作線OAB與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最低負荷之比，即：(4)塔釜出料管dw,塔釜出料，uw=0.5-1m/s,(5)再沸器返塔蒸汽管dv'取uv'=15m/S2、法蘭由于常壓，所有法蘭均采用標準法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑選用相應的法蘭。3、筒體和封頭筒體采用鋼板卷焊而成，其公稱直徑等于內徑。當筒體直徑較小時采用無縫鋼管制成。封頭采用橢圓形封頭。1、塔頂空間HD塔頂空間HD的作用是供安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取1～1.5m。2、塔底空間HB塔底空間HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有10～15分鐘的儲量，以保證塔釜料液不致排完。若塔的進料設有緩沖時間的容量，塔底容量可取為3～5分鐘的儲量。3、人孔一般每隔10-20層塔板設一人孔（安裝、檢修用），人孔處板間距≥600mm，人孔直徑一般為450～500mm,其伸出塔體的筒體長為200～250mm,人孔中心距操作平臺約800～1200mm。裙座應開2個人孔。塔體結構4．塔高H(不包括封頭、裙坐)H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn——實際塔板數；nF——進料板數HF——進料板處板間距，mnP——人孔數Hp——設人孔處的板間距，mHD——塔頂空間，m（不包括頭蓋部分）HB——塔底空間，m（不包括底蓋部分2.換熱器（1）冷凝器a.熱負荷QC=Vrb.冷卻水用量W取冷卻水的進口溫度為30℃，出口溫度為45℃，水的比熱為4.18kJ/kg℃則qm2=Q/(CPt)c.換熱平均溫差tm

(泡點回流)

d.換熱系數K查教材上冊e.換熱面積AA=Q/(Ktm)可查表選設備。（2）再沸器a.熱負荷QB=V'r由塔底壓強組成確定塔底溫度表。b.加熱蒸汽用量GG=QB/r'c.換熱平均溫差tm

tm=T蒸汽-t釜溫d.換熱系數K查教材上冊e.換熱面積A'A'=Q/(Ktm)查表選設備。貯槽、加料泵、高位槽、產品冷卻器設計從略。五.帶控制點工藝流程圖主要參考文獻：[1]夏清，陳常貴.化工原理（上冊）.天津：天津大學出版社，2006

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