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精餾塔的設計計算,一、化工原理課程設計的目的和要求 通過課程設計，學生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(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. 樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力； 3. 迅速準確的進行工程計算的能力； 4. 用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。,第一節(jié)　概述,二、化工原理課程設計的內容 　1、課程設計的基本內容 （1）設計方案簡介 　對給定或選定的工藝流程，主要的設備型式進行簡要的論述； （2）主要設備的工藝設計計算 　包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計； （3）典型輔助設備的選型和計算 　對典型輔助設備的主要工藝尺寸計算和設備型號規(guī)格的選定； （4）工藝流程簡圖 　以單線圖的形式繪制流程圖，標出主體設備和輔助設備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測量點； （5）主體設備工藝條件圖（裝配圖） 　 圖面上應包括設備的主要工藝尺寸，技術特性表和接管表；,◇封面（課程設計題目、班級、姓名、指導教師、時間 ）； 　◇ 目錄； 　◇ 設計任務書； 　◇ 工藝流程及設計方案說明； 　◇ 設計條件及主要物性參數(shù)表； 　◇ 工藝設計計算； 　◇ 設計結果匯總表； 　◇ 輔助設備的設計及選型； 　◇ 設計評述及設計者對本設計有關問題的討論； 　◇參考資料。 （2） 工藝流程圖及主體設備裝配圖；,2、課程設計組成 （1）設計說明書及主要內容：,3、注意事項 　整個設計是由論述、計算和繪圖三部分組成。 　◇論述應該條理清晰，觀點明確； 　◇計算要求方法正確，誤差小于設計要求，計算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處； 　◇圖表應能簡要表達計算的結果。,,三、化工原理課程設計的步驟,,本設計按以下幾個階段進行： 1、根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案。根據(jù)給定任務，對精餾裝置的流程、操作條件、塔板類型等進行論述。 2、蒸餾塔的工藝計算 　◇確定理論塔板數(shù)（作圖法）、實際板數(shù)； 　◇確定塔高和塔徑。,3、塔板設計： 　◇設計塔板各主要工藝尺寸 　溢流裝置、塔板布置、篩孔或浮閥的設計及排列（圖）； 　◇進行流體力學校核計算； 　◇畫出塔的負荷性能圖。 4、輔助設備的設計： ◇換熱器的熱負荷：求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負荷和所需冷卻水用量；再沸器的熱負荷和所需加熱蒸汽用量。,◇換熱器的設計選型 ◇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選型)； ◇流程中主要管線的設計：先選定物料在管路中的適宜流速，經計算、圓整，最后確定管路尺寸和材質。 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算,一、設計方案的確定 1、設計方案確定的原則： 　◇滿足工藝和操作的要求：保證產品達到任務規(guī)定的要求，質量要穩(wěn)定 ，有一定的操作彈性 ，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)。 　◇經濟方面：要節(jié)省熱能和電能的消耗，降低操作費用；減少設備及基建費用。 　◇保證安全生產,2、操作壓力的選擇：設計壓力一般指塔頂壓力。 　◇蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進行。 　◇確定操作壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性進行考慮。 　◇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，但壓力降低將導致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設備?！　τ诜悬c低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應在加壓下進行蒸餾。當物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。 　◇本次設計，塔頂操作壓力為4kPa（表壓），每層塔板壓降?p≤0.7kPa。,3、進料狀況的選擇 　　進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。 　　在實際的生產中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。 　　此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計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，設置再沸器。 若塔底產物近于純水，而且在濃度稀薄時溶液的相對揮發(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。 　◇再沸器結構： 　　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：通常在塔頂設置蒸氣全部冷凝的全凝器。其為輔助設備，需進行選型，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，是最經濟的。 　◇水的入口溫度：由氣溫決定，出口溫度由設計者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50℃，否則溶于水中的無機鹽將析出，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行，可使能耗降至最低。 ◇塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產品的余熱充分利用。,（一）全塔物料衡算 　1、計算原料液、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/h 　4、塔板數(shù)的計算 ?。?）理論板數(shù)的計算： 　　　作y－x圖、t－x－y圖； 　　　求最小回流比Rmin、實際回流比R； 　　　圖解法求理論板數(shù)N。,,二、工藝計算,（2）全塔效率ET 可查P145頁圖11-21確定(篩板塔、浮閥塔應進行校正) 　或：??av =0.1～1.0時， 　（3）實際塔板數(shù)NP　 　　分別求精餾段和提餾段所需實際板數(shù)，確定進料板位置。 （二）塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù) 　1、操作壓強,平均壓強：pm(精)=( pD+ pF)/2 　pm(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 、進料處tF 。,平均溫度：tm(精)=( tD+ tF)/2 　tm(提)=( tW+ tF)/2,如圖：xF=0.5， xw=0.05時， 　　泡點進料tF=92℃ 　　（露點進料tF=101℃） 　　塔底　tw=108℃ 提餾段平均溫度： 　 　tm=( tW+ tF)/2 　?。?92+108)/2＝100 ℃,110,2、平均摩爾質量 （1）由塔頂、塔底、進料處的濃度計算平均摩爾質量； （2）計算精餾段平均摩爾質量MVm (精)、 MLm (精)； （3）計算提餾段平均摩爾質量MVm (提)、 MLm (提)。 　 如塔頂：y1 = xD =0.966， 可查得x1 =0.916 氣液平衡關系 　則：MVDm= 0.966×78.11+(1－0.966) ×92.13=78.59 kg/kmol 　 MLDm= 0.916×78.11+(1－0.916) ×92.13=79.29 kg/kmol,3、平均密度 （1）氣相平均密度 （2）液相平均密度 （3）計算塔頂、塔底、進料處氣、液相平均密度； （4）計算精餾段、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、進料溫度下的液體的表面張力； （3）計算塔頂、塔底、進料處液相平均表面張力； （4）計算精餾段、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、進料溫度下的液體的粘度； （3）計算塔頂、塔底、進料處液相平均粘度； （4）計算精餾段、提餾段平均粘度。,物性參數(shù)表,(三)　氣液負荷的計算 精餾段：V＝(R＋1)D kmol/h m3/s 　　　　 L＝RD m3/s 提餾段： V?＝V ＋(q－1)F 　　　　 L? ＝L ＋F,,,,,◇設計主要內容：塔高、板間距、塔徑、塔板形式、溢流裝置、塔板布置、流體力學效驗及負荷性能圖等。,◇設計目的：塔板設計是以塔內氣液的物流量、操作條件和特性數(shù)據(jù)為依據(jù)，設計出具有良好性能(壓降小、彈性寬、效率高)的塔板結構尺寸。 ◇設計的基本思路：以塔內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)，先參考經驗數(shù)據(jù)初步確定有關結構參數(shù)，然后進行流體力學計算，校核單項指標是否符合經驗數(shù)據(jù)范圍，再繪制負荷性能圖，考核其操作彈性等綜合指標是否合適。如不符合要求必須調整結構參數(shù)，重復上述設計步驟，直到滿意為止。,第三節(jié)　板式塔主要尺寸的計算,◇設計過程： 設計時，先選取某段塔板（如精餾段、提餾段）條件下的參數(shù)作為設計依據(jù)，以此確定塔的尺寸，應盡量保持塔徑相同，以便于加工制造。 　由于塔中兩相流動情況和傳質過程的復雜性，許多參數(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經驗來選取，因此設計過程中不可避免要進行試差，計算結果也需要工程標準化。,一、精餾塔的結構設計 1、塔的有效高度和板間距 已知：實際塔板數(shù) NP ； 選取塔板間距 HT；,塔板間距和塔徑的經驗關系,實際塔體高度＝有效高＋頂部空間＋底部空間＋塔裙座高度,有效塔高：,0.8,① 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)經驗確定設計氣速 u； 最后計算塔徑 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 。,篩板塔氣體負荷因子關聯(lián)圖,課本P.129,② 選取設計氣速 u 選取泛點率： u / umax 一般液體， 0.6 ～0.8 易起泡液體， 0.5 ～ 0.6,設計氣速 u = 泛點率 ×umax,氣體流通有效截面積An,③ 計算塔徑 D(教材P137),A：塔截面 Ad：降液管截面,,說明：計算得到的塔徑需圓整。 標準直徑為：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0（m）……。 直徑確定后應重新計算實際氣速及泛點率。,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、溢流裝置設計（教材P136）,① 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,② 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，氣液兩相接觸傳質區(qū)小，生產能力和板效率將較低； Ad/A 過小，易產生氣泡夾帶，引起降液管液泛。 底隙 hb ：應小于hw ，通常在 30 ~ 40 mm。 　　液體流經底隙的流速 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hw和堰長lw,堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度 過小，相際傳質面積過??； 過大，塔板阻力大，效率低。 常、加壓塔： hW =50 ~ 80 mm ； 減壓塔： hW = 25 mm 。 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可用經驗式計算：,how過小時，板上液體流動不均，效率降低，可調整lW/D 。,Lh ：液體流量m3/h,堰長 lW ：對于弓形降液管,堰長由計算得到的塔徑確定,lW/D也可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊推薦值按塔徑選取,① 受液區(qū)和降液區(qū) 一般兩區(qū)面積相等。 ②邊緣區(qū) 　小塔： 　大塔：,③ 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入降液管,4、塔板及其布置,塔徑小于0.9m時可用整塊板； 塔徑較大時，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：,④ 有效傳質區(qū)(開孔區(qū))：,篩孔直徑 d0 : 3 ~ 8 mm 　　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φ(常壓): 通常為 0.10 ~ 0.14。 有效傳質區(qū)內，常按正三角形排列。,選定do，計算得到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 =39 mm 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：75、100、125mm 　　 大塔常采用分塊，不便錯排，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,錯排(常用),閥孔數(shù)：,動能因子：,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： 有效傳質區(qū)的氣速： u=Vs/(A －Ad),二、 塔板流動性能的校核 對初步設計的結果進行調整和修正。,1、 液沫夾帶量校核 單位質量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質量（或摩爾） ev ： kg 液體 / kg氣體，或 kmol液體 / kmol氣體,要求： ev ≤ 0.1 kg 液體 / kg氣體。,(1)篩板塔：查關聯(lián)圖或用Hunt經驗公式計算ev,說明：兩式計算的F1中的較大值若超過允許值，應調整塔板間距或塔徑。,,（2）浮閥塔：利用Fair關聯(lián)圖求泛點率F。,為控制液沫夾帶量過大，應使泛點率 F≤0.8～0.82,單流型：液體在塔板上流動的行程 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 泛點負荷因數(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（設無液體時）； 液層阻力 he —氣體通過液層阻力； 克服液體表面張力阻力 hσ—孔口處表面張力。,2、塔板阻力的計算和校核,（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）,故塔板阻力：,3、降液管液泛校核 　　為防止降液管液泛，應保證降液管內液流暢通。液體經降液管下降時，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，還要計算出 ?、hd,（1） 液面落差Δ一般較小，可不計。 浮閥塔Δ可忽略。 　　篩板塔若D≤1600mm時，Δ可忽略。不可忽略時：,一般要求： Δ<0.5hc,（2）液體通過降液管阻力 hd,不設進口堰時：,設進口堰時：,Av：液流經堰時的最小斷面,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Ф ：不易起泡物系：Ф=0.6～0.7 　一般物系： Ф=0.5 ～0.6 　　　　　　　　　易起泡物系： Ф=0.3～0.4,4、 液體在降液管中停留時間校核 目的：避免嚴重的氣泡夾帶。,停留時間：,要求：,說明：停留時間過小，可增加降液管面積 或增大塔板間距。,（1）計算嚴重漏液時干板阻力 h0 ′,（2）計算漏液點氣速 u0,min,5、 嚴重漏液校核 漏液點氣速 u0,min ：發(fā)生嚴重漏液時的孔氣速。 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時對應的閥孔氣速為漏液點氣速 u0,min,不發(fā)生漏液時，動能因子 F0=5,由u0,min可算出此時的最小氣相量Vs，是一水平直線。,① 過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線） 篩板塔： 　 規(guī)定：ev = 0.1（ kg 液體 / kg氣體） 為限制條件。,6、塔板的負荷性能圖——確定塔板的操作彈性,可整理出u與L關系，因u又與V有關，故可關聯(lián)出V與L關系。,板上泡沫層高度： 有效傳質區(qū)的氣速： u=Vs/(A －Ad),浮閥塔：令泛點率　F1=0.8,可整理出Vs與Ls關系。 Vs與Ls關系為直線方程，有兩點即可確定直線 。,②嚴重漏液線（氣相下限線）,浮閥塔： 不發(fā)生漏液時，動能因子 F0=5,由u0,min可算出此時的最小氣相量Vs，是一水平直線。,當：hL＜30mm，　或d0＜3mm,一般情況：,篩板塔：,可由上式關聯(lián)出L與V的關系。,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。,流體流量過低，塔板上的液層就不均勻，因此流體流量應使堰上液層高度how達到0.006m：,③液相下限線,④ 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超負荷，流體在其中停留時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間最短為3～5s。,⑤ 降液管液泛線,液體或氣體流量過大，便會導致液泛。為避免液泛，降液管內泡沫層高度應小于板間距與堰高之和。,如浮閥塔：,塔板的操作彈性： 　或,畫出塔板負荷性能圖,三、塔高計算,（1）塔頂空間HD：一般取1.2～1.5m （2）塔底空間HB 　使儲液量停留3～5min，保證塔底料液不被排完。 　塔底液面距最下層塔板間1～2m。 （3）人孔數(shù)目 　D≥1000mm，為安裝、檢修方便，每隔6～8層塔設一人孔； 　人孔直徑一般450～600mm；設人孔處的板間距≥600mm。 （4）塔高,四、塔板設計結果匯總,實際塔板數(shù)： 進料板位置： 塔總高度： 精餾段塔板設計結果匯總表 提餾段塔板設計結果匯總表,一、塔盤 　當塔徑大于800mm時可采用分塊,第四節(jié)　塔的機械設計,二、塔體： 選用材料：可查得材料的許用應力[ ?] t,注意：計算出的壁厚應圓整。 Di：塔內徑mm C：壁厚附加量，可取C＝3mm; [ ?] t ：材料的許用應力， Mpa pc：工作壓力，Mpa ?：焊縫系數(shù)(≤1)，可取?＝0.85,塔體的壁厚：,焊接接頭系數(shù)f,三、封頭 常用的是橢圓形，封頭壁厚與塔體一致或稍厚， 封頭選取參見輕院設計教材附錄二。,四、容器法蘭：參見附錄三,法蘭密封面形式,結構繪草圖,a.板式平焊,HG20592-97 管法蘭類型：,b.帶頸對焊法蘭,五、裙座：參見附錄四,其它尺寸見手冊,裙座與塔體的連接,六、接管及管法蘭 （1）管徑確定 　根據(jù)流體性質選取適宜的流速u（課本第一章P.33）； 　計算管徑d 　根據(jù)管規(guī)格圓整。 （2）接管長度：根據(jù)管的公稱直徑，確定接管長度?！?（3）根據(jù)管的公稱直徑，選擇管法蘭。附錄六,一、傳熱設備 冷凝器、再沸器、進料預熱器及產品冷卻器 可任選一進行計算并選用(參見化工原理上冊) 二、 除沫器：見手冊 三、原料泵：教材第二章,第五節(jié)　輔助設備的設計及選型,