化工原理课程设计——浮阀精馏塔设计

化工原理课程设计浮阀精馏塔设计常州大学石油化工学院基础化工部常压分离环己醇–苯酚连续操作筛板/浮阀精馏塔工艺设计任务书基础设计数据：1.处理能力：50000t/a（年工作按8000小时计）2.进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2%塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99%5.塔顶压强：760mmHg（绝压）6.公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃导热油：进口温度260℃，出口温度250℃总体要求：绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，编制设计说明书。1.精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。2.精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。3.换热器设计：确定冷热流体流动方式，根据换热面积初选换热器；核算总传热系数；计算实际传热面积；选定换热器型号，计算管程、壳程压降。说明：1.写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。2.每项设计结束后，列出计算结果明细表。3.设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册。带控制点工艺流程图,用3号图纸画塔工艺条件图（带管口）,用3号图纸画其余工艺设计图,用坐标纸课程设计的要求注意事项:写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源每项设计结束后,列出计算结果明细表设计说明书要求字迹工整,装订成册上交学号1-10号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成45000t/a55000t/a35%65%72%28%学号11-21号单号双号处理量环己醇组成苯酚组成55000t/a45000t/a32%68%72%28%学号22以后单号双号处理量环己醇组成苯酚组成50000t/a45000t/a26%74%77%23%计算说明书目录1.设计任务书2.带控制点工艺流程图与工艺说明3.精馏塔工艺计算4.塔板结构设计5.换热器选型6.精馏塔工艺条件图7.塔板结构设计结果汇总8.符号说明9.结束语常压分离环己醇―苯酚连续操作浮阀塔设计计算示例1.设计任务书按要求填入处理量和进料组成2.带控制点工艺流程图与工艺说明（1）带控制点工艺流程图（2）操作压力的选择（3）工艺流程叙述3.精馏塔工艺计算3.1平均相对挥发度的计算181.90.0000.000179.10.0250.0994.28176.40.0500.1864.34173.80.0750.2634.40171.30.1000.3334.49t℃xyi说明：平均相对挥发度为5.62iiiiiyxxy11im3913.2绘制t-x-y图及x-y图在坐标纸上绘图，上大小要求t-x-y图为10×10cm，x-y图为20×20cm项目数值进料流量F,kmol/h塔顶产品流量D,kmol/h塔釜残液流量W,kmol/h进料组成，xF(摩尔分数）塔顶产品组成，xD(摩尔分数）塔釜残液组成，xW(摩尔分数）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算料液平均分子量：Mm=0.3×100+0.7×94=95.8进料流量：F=50000×103/8000×95.8=65.24kmol/hF=D+WD=19.5kmol/hFxf=DxD+WxwW=45.74kmol/h3.4实际板数及进料位置的确定1.确定最小回流比Rmin76.030.0687.0687.098.0minqqqDxyyxR2.确定操作回流比R由Fenske方程计算最小理论板数Nmin)(9.31lg11lgmin不包括塔釜mwwDDxxxxN利用吉利兰关联图，计算NT~R如下：0.86314.70.98811.81.14010.71.2929.91.4449.3RNT1.5209.0绘制NT~R关系图，找出最佳回流比。说明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0)Rmin6个点图解法求得NT=5.5（不包括塔釜）加料板位置nT=3.03.图解法求理论板数及加料板位置4.实际板数及加料板位置的确定全塔效率由O’connell关联式计算：ExTmLLfiLi0490495320304402450245.....'..回流比理论板数板效率实际板数理论加料位置实际加料位置表2塔板计算结果包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计算，塔板布置和筛孔/阀孔的布置等，最后是水力学校核和负荷性能图。4.塔板结构设计4.1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d0：3-8mm;大孔径筛板d0：12-25mm。lwWD（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（5）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（6）网孔塔板垂直筛板液相塔板泡罩气相（6）垂直筛板（7）多降液管（MD）塔板优点：提高允许液体流量（8）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（9）无溢流塔板有溢流塔板：有降液管的塔板；无溢流塔板：无降液管的塔板；形式：无溢流栅板和无溢流筛板；特点：生产能力大，结构简单，塔板阻力小；但操作弹性小，塔板效率低。冲制栅板由金属条组成的栅板无溢流筛板设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）：液相密度L=950kg/m3汽相密度V=PM/RT=2.92kg/m3液相表面张力=32dyn/cm汽相流量VS=(R+1)DM/3600V=0.408m3/s液相流量LS=RDM/3600L=0.000684m3/s4.2初估塔径取板间距HT=350mm，板上液层厚度hL=0.07m，则HT-hL=0.28m。03.092.2950408.0000684.05.05.0VLSSVL塔板间距和塔径的经验关系塔径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说明：工业塔中，板间距范围200~900mm两相流动参数FLV=则液泛气速：smCuVVLf/19.1205.02.020对于筛板塔、浮阀、泡罩塔，可查图，C20=(HT、FLV)C20：σ=20dyn/cm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塔板泛点关联图取操作气速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893m/s则气体流通面积An=VS/u=0.457m2选取单溢流塔盘，取lw/D=0.7，查图得Af/AT=0.088则塔截面积：AAAAmTnfT105012.塔径D=，圆整为0.8m。4079AmT/.说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准：300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200m等由此重新计算：AT=0.785D2=0.5024m2Af=0.088AT=0.0442m2An=AT-Af=0.4582m2u=VS/An=0.89m/s实际泛点百分率：u/uf=0.75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。D-塔径hw-堰高how-堰上液层高度HT-板间距ho-降液管底隙高度Hd-降液管内清液层高度hL-板上液层高度hL=hw+howHd溢流装置（10×20cm）4.3塔板结构设计4.3.1溢流装置①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。②降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Af/AT确定；底隙高度h0：通常在40~60mm。③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。0采用弓形降液管，平堰及平型受液盘，lw=0.7D=0.56m堰上液层高度堰高hw=hL-how=0.06238m液管底隙高度ho=hw-0.006=0.05638mhELlmowhw284100000076223..要求：mmhOW6本设计采用:一般取安定区宽度WS=（50-100）mm一般取边缘区宽度WC=（30-50）mm4.3.2塔盘布置WCWDWSlWrx塔盘布置图（10×10cm）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。采用F-1型浮阀塔盘:阀孔直径do=39mm，取阀孔动能因子F0=9-13之间。则阀孔气速为u0=F0/(V)0.5=12/(2.92)0.5=7.02m/s浮阀个数N=VS/（0.785d02.u0）=48.7圆整为49个浮阀排列：采用等腰三角形叉排，确定相邻两排孔的间距t。由lw/D=0.7，查图得Wd/D=0.15则Wd=0.15D=0.12mx=D/2-(Wd+Ws)=0.21mr=D/2-Wc=0.36m鼓泡区面积：AxrxrSinxrma2180028422212.4.浮阀塔有效传质区布置相邻两排孔的间距t=Aa/（0.075*N）=0.077m，取80mm。按孔中心距t’=75mm和两排孔的间距t=80mm（一般有65、80和100mm三种规格）以等腰三角形叉排方式绘图排列，得到实际浮阀个数为N=53个。核算孔速和动能因子：u0=VS/（0.785d02×53）=6.5m/sF0=u0×(V)0.5=11.1F0在9-13之间，即在适宜范围内。4.4塔板流体力学校核（2）浮阀塔板阻力塔板阻力hp包括以下几部分:（a）干板阻力hc—气体通过板上孔的阻力（无液体时）；（b）液层阻力hl—气体通过液层阻力；（a）干板阻力hcuoc为浮阀全开前后的临界孔速度，用下式计算:825.1175.00/Vocuu)()/(9.19175.00ocoVcuuuh)()/)(2/(34.520ocoVLcuuguhm液柱Llhh0（b）液层阻力hl工业浮阀塔的单板压降hp=hc+hl，一般在20-100mm水柱一般用下面经验式计算：为板上液层高度Lh5.04.00化合物，一般取为起泡因素，对于碳氢bFLSVLVSACKZLV36.1)]/([5.0泛点率ev的计算通常采用费尔等人提出的泛点率进行估算。按下面两个公式的结果取较大值。4.4.2液沫夹带