板式塔设计

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化工原理课程设计一、精馏过程工艺设计1.概述1.1精馏过程工艺设计的基本内容(1)确定精馏过程工艺流程方案精馏过程、操作条件、辅助设备(2)精馏塔设备设计塔形式、塔高、塔径、塔盘设计——核心(3)辅助设备设计再沸器、冷凝器、贮罐、预热器、冷却器(4)管路设计及泵的选择管路阻力计算、选泵的类型(5)控制方案主要控制点的控制方案(6)设计结果设计说明书、带控制点的工艺流程图、主体设备工艺条件图1.2设计方案(1)工艺流程确定分离序列、能量利用、辅助设备、控制方案(2)操作条件的选择操作压力——加压、常压、减压进料状态——过冷液体、饱和液体、汽液混合、饱和蒸汽、过热蒸汽(3)加热剂及加热方法加热剂——饱和水蒸气、热水、热工艺物流、热油等加热方法——间接加热、直接加热(4)冷却剂冷却水——5~10℃温升,出口小于50℃。高品位冷剂——液氨(5)回流比1.3精馏过程的模拟计算(1)塔分离计算注意:相对挥发度的确定=KA/KB(2)物料及热量衡算1.4实际塔板数及塔高(1)实际塔板数TTPENN注意:NT不包括塔釜(2)塔高塔高=有效高度+塔顶空间高度+塔底空间高度+塔底裙座高度2板式塔2.1板式塔结构及性能(1)板式塔结构进料回流液塔顶气相塔底液相塔板结构①气体通道形式很多,如筛板、浮阀、泡罩等,对塔板性能影响很大。②降液管(液体通道)液体流通通道,多为弓形。③受液盘塔板上接受液体的部分。④溢流堰使塔板上维持一定高度的液层,保证两相充分接触。汽、液两相接触方式两相流动的推动力全塔:逆流接触塔板上:错流接触液体:重力气体:压力差塔板结构①气体通道形式很多,如筛板、浮阀、泡罩等,对塔板性能影响很大。②降液管(液体通道)液体流通通道,多为弓形。③受液盘塔板上接受液体的部分。④溢流堰使塔板上维持一定高度的液层,保证两相充分接触。浮阀塔内部结构塔板上理想流动情况:液体横向均匀流过塔板,气体从气体通道上升,均匀穿过液层。气液两相接触传质,达相平衡,分离后,继续流动。传质的非理想流动情况:①反向流动液沫夹带、气泡夹带,即:返混现象后果:使已分离的两相又混合,板效率降低,能耗增加。②不均匀流动液面落差(水力坡度):引起塔板上气速不均;塔壁作用(阻力):引起塔板上液速不均,中间近壁;后果:使塔板上气液接触不充分,板效率降低。(2)板式塔性能要求①生产能力大;②塔板效率高;③具有适当的操作弹性;④塔板阻力小;⑤塔结构简单,易于加工制造,维修保养。(3)设计的基本任务设计分为两个阶段:基础设计(初步设计);详细设计(施工设计)。基础设计阶段的设计任务:①根据精馏过程严格的分离计算获得塔设计的基础数据;②根据体系性质、气液流量以及操作条件选择适宜的塔型;③根据基础数据确定塔径、塔盘间距、液流形式及塔盘设计;④塔盘水力学性能校核。详细设计阶段的设计任务:按基础设计提供的工艺尺寸进行具体布置和安排,即对塔体、塔板用材的选择,机械强度和结构的设计,精馏塔进料、回流、采出等物流管线的配管设计,以及人孔、扶梯平台等辅助配件的设计。2.2塔内气、液两相异常流动(1)液泛如果由于某种原因,使得气、液两相流动不畅,使板上液层迅速积累,以致充满整个空间,破坏塔的正常操作,称此现象为液泛。液泛现象:①过量雾沫夹带液泛原因:①气相在液层中鼓泡,气泡破裂,将雾沫弹溅至上一层塔板;②气相运动是喷射状,将液体分散并可携带一部分液沫流动。说明:开始发生液泛时的气速称之为液泛气速。②降液管液泛当塔内气、液两相流量较大,导致降液管内阻力及塔板阻力增大时,均会引起降液管液层升高,当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时,降液管内液层迅速上升,以致达到上一层塔板,逐渐充满塔板空间,即发生液泛。并称之为降液管内液泛。说明:两种液泛互相影响和关联,其最终现象相同。(2)严重漏液漏液量增大,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面,无法操作。此漏液为严重漏液,称相应的孔流气速为漏液点气速。2.3塔板上气、液两相接触状态从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态,即:鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态及乳化状态。塔板上的气液接触状态①泡沫状态各种尺寸的气泡连串迅速上升,将液相拉成液膜展开在气相内,因泡沫剧烈运动,使泡沫不断破裂和生成,以及产生液滴群,泡沫为传质创造了良好条件。是工业上重要的接触状态之一。②喷射状态速气流将液相分散成高度湍动的液滴群,液相由连续相转变为分散相,两相间传质面为液滴群表面。由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚,表面不断更新,为传质创造了良好的条件,是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。2.4常用塔板的类型(1)泡罩塔优点:塔板操作弹性大,塔效率也比较高,不易堵。缺点:结构复杂,制造成本高,塔板阻力大但生产能力不大。塔板是气液两相接触传质的场所,为提高塔板性能,采用各种形式塔板。组成:升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔(2)筛板塔板优点:结构简单、造价低、塔板阻力小,目前广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔,孔径:3~8mm,大孔径筛板:12~25mm。筛板(3)浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点:浮阀根据气体流量,自动调节开度,提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降,同时具有较高塔板效率,在生产中得到广泛的应用。缺点:浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀(4)喷射型塔板气流方向:垂直→小角度倾斜,改善液沫夹带、液面落差。气液接触状态:喷射状态连续相:气相;分散相:液相促进两相传质。形式:舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。缺点:气泡夹带现象比较严重。ⅠⅡⅢα=50Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角舌形塔板:溢流堰降液管安定区塔板连接区受液区液体分布区导向孔1015208111520液流方向3035.74.7(a)斜孔结构之一(b)塔板布置斜孔塔板斜孔塔板:AA降液管进口堰压延金属板A-A剖视图网孔塔板网孔塔板:垂直筛板液相塔板泡罩气相垂直筛板:(5)多降液管(MD)塔板优点:提高允许液体流量(6)林德筛板(导向筛板)应用:用于减压塔的低阻力、高效率塔板。斜台:抵消液面落差的影响。导向孔:使气、液流向一致,减小液面落差。液流(a)斜台装置(b)导向孔林德筛板2.5筛板塔化工设计计算(1)塔的有效高度Z已知:实际塔板数NP;选取塔板间距HT;有效塔高:塔体高度:有效高+顶部+底部+裙座安装高度:裙座pTNHZ选取塔板间距HT:HT↑,则塔内气速↑,塔径↓,但塔高↑HT↓,则塔高↓,液沫夹带量↑,液泛气速↓考虑经济性,经验选取。塔径D,m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距HT,m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8≥0.6塔板间距和塔径的经验关系说明:工业塔中,板间距范围200~900mm(2)塔径溢流型式的选择依据:塔径、流量;型式:单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。溢流堰板上的流型液流型式选取参考表液体流量m3/h塔径mU型流型单流型双流型阶梯流型1.07451.49702.0119090-1603.011110110-200200-3004.011110110-230230-3505.011110110-250250-4006.011110110-250250-450塔径确定确定原则:防止过量液沫夹带液泛步骤:先确定液泛气速uf(m/s);然后选设计气速u;最后计算塔径D。VVLfCuLVVLLVLLVssmmVVVqqqqFC:气体负荷因子,与HT、液体表面张力和两相接触状况有关。式中,qVVs、qVLs:气、液相体积流率m3/s;qmL、qmV:气、液相质量流率kg/s。①液泛气速两相流动参数FLV:对于筛板塔(浮阀、泡罩塔),可查图,C20=(HT、FLV)C20:σ=20mN/m时的气体负荷因子0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlVVVLLVssqqFVLVf20uC图5-13气体负荷因子与气液流动参数、液滴沉降高度的关联图2.02020CCVVLfCu所以:②选取设计气速u选取泛点率:u/uf一般液体:0.6-0.8易起泡液体:0.5-0.6uqAVVs所需气体流通截面积设计气速u=泛点率×uf选取Ad/AT,计算塔径Dπ4TADTdT1AAAA塔截面积AT=气体流通截面积A+降液管面积Ad即:A=AT-Ad说明:计算塔径需圆整。系列化标准:0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等塔截面积:ADAd选取Ad/AT原则单流型弓形降液管:0.06~0.12多流型:可适当增大;U形流型:可适当减小。注意:1)必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率。2)校核HT与D的范围。①降液管形式和底隙降液管:弓形、圆形。降液管截面积:由Ad/AT=0.06~0.12确定;底隙hb:通常在30~40mm。(3)溢流装置设计②溢流堰(出口堰)作用:维持塔板上一定液层,使液体均匀横向流过。型式:平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。平流堰溢流辅堰三角形齿堰栅栏堰堰长lW:影响液层高度(P205)。堰高hW:直接影响塔板上液层厚度过小,相际传质面积过小;过大,塔板阻力大,效率低。常、加压塔:40~80mm;减压塔:25mm左右。TdWAAfDlDbfDldW75.06.0WDl7.05.0WDl说明:通常应使溢流强度qVLh/lW不大于100~130m3/(mh)。或:双流型:单流型:3/231084.2WLowlqEhh(4)塔板及其布置①受液区和降液区一般两区面积相等。②入口安定区和出口安定区其中,E:液流收缩系数,一般可近似取E=1。mmhOW6mm10050ssbbmm50cb堰上方液头高度hOW:要求:③边缘区:bcbdbslWrx)sin(21222arxrxrxA)sin(2)sin(211221211222arxrxrxrxrxrxA(5)筛孔的尺寸和排列筛孔:有效传质区内,常按正三角形排列。筛板开孔率:单流型弓形降液管塔板:④有效传质区:双流型弓形降液管塔板:20220ao907.060sin214π21tdtdAAobcbdbslWrxd0t00AquSVV20200785.04dAdAna筛孔直径d0:3~8mm(一般)。12~25mm(大筛孔)孔中心距t:(2.5~5)d0取整。开孔率φ:通常为0.08~0.12。板厚:碳钢(3~4mm)、不锈钢。筛孔气速:筛孔数:d0t型式:F1、V-4、十字架型、A型、V-O型F1型:d0=39mmt=75、100、125、150mm排列:一般为正三角形错排、顺排阀孔的尺寸及排列浮阀个数的初步确定:选取阀孔动能因子F0=8~1222022044DdnDdn0205.0004)(udVnFuSV注意:先要排阀,排列后确定u0、F0、Ф常压、减压塔:Ф=10%~14%加压塔:10%开孔率:(6)塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。VVLVLeqqeeqemmmVVLLVLvss11VVmmqqqqe①液沫夹带量校核单位质量(或摩尔)气体所夹带的液体质量(或摩尔)ev:kg液体/kg气体,或kmol液体/kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量(或摩尔)e:kg液体/h或kmol液体/h液沫夹带分率ψ:夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有:所以2.3fT3v107.5HHue说明:超过允许值,可调整塔板间距或塔径。ev的计算方法:方法1

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