填料塔附属设备设计
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5 优化设计计算 5.1 数据预处理 5.2 塔径的计算 5.3 填料层高度的计算
5.4 精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用1J 5.5 冷凝器年运转费用2J 5.6 再沸器年运转费用或加热蒸汽费用3J
5.7 填料年折旧费用 5.8 汽液负荷
5.9 年总费用与回流比的关系
6 填料塔水力学性能校核 6.1 泛点率校核 6.2核算径比
80032825
T p D d ==>>8 6.3核算喷淋密度
v min ()(M.W.R)0.0820916.72
L a =?? t a [m 3/(m .h)] 回流液opt L R D mol h
==? 6.4 填料塔压降
化原下册P151图11-27Ekert 泛点和压降通用关联图可查得每米填料层压力降。 7 附属设备的设计与选型 7.1 塔顶冷凝器
7.1.1 初估冷凝器传热面积 7.1.1.1 冷凝器传热量
D opt D D D Dr R Dr R Vr Q )1()1(+=+== 7-1
式中 D Q
冷凝器传热量,kJ/h ; V 精馏段汽相流量,kmol/h ;
D r
冷凝器中汽相冷凝潜热,kmol kJ/; D
塔顶产品流量,kmol/h ;
R 、opt R
回流比和最佳回流比。
7.1.1.2 冷凝器传热推动力
opt
D D opt m t T t T t t t ,211,2ln ---=
? 7-2
式中 m t ? 冷凝器传热推动力,C ?;
D T 冷凝器汽相(第一块塔板汽相)露点温度,C ?; 1t
冷凝器中冷却水进口温度,C ?;
opt t ,2
冷凝器中冷却水最佳出口温度,C ?。
若C 50)(1max ?>-=?t T t D m ,则冷凝器应装有温度补偿装置或采用浮头式换热器。 7.1.1.3 初估冷凝器传热面积
)(m D D D t K Q A ?= 7-3
式中 D A 冷凝器传热面积,2m ;
D K
冷凝器总传热系数,C)h kJ/(m 2???。
取D K (初估)值代入式7-3 得D A (初估)。
根据D A (初估)从换热器系列型号中选择固定管板式列管换热器,其尺寸为:
公称直径 公称压力 管程数 管子根数 换热面积 管长
管子排列方式 管子规格 7.1.2 冷凝器选型
7.1.2.1 冷凝器传热系数的校核
1
2
1121222111d d d d R d d b R K s m s αλα++++= 7-4 式中
1α、2α
冷凝器管内、外对流给热系数,C)W/(m 2??;
1s R 、2s R
冷凝器管内、外污垢热阻,/W C)(m 2??; λ
冷凝器管壁导热系数,C)W/(m ??; 1d 、2d
冷凝器管内、外径,m ; m d
冷凝器管壁平均直径,m ; b
冷凝器管壁厚度,m 。
K
冷凝器总传热系数,C)W/(m 2??;6.3/D K K =。
管外为有机物甲醇,管内为未经处理的井水,可查得1s R 、2s R ; (1)管外2α的计算
对水平管外冷凝的对流给热系数可用下式计算
3
1'3
13222451.1-??
????=??
????μλρμαM g 7-5
其中 32'T
s
Ln m M =
式中 s m
冷凝液质量流量,kg/s ;3600/)1(M D R m opt s +=;
M
冷凝液平均分子量; L
冷凝器管长,m ; T n
冷凝器总管数;
μ 冷凝液粘度,s Pa ?;(注意:粘度、密度、导热系数的混合规则) ρ
冷凝液密度,3kg/m ;
λ
冷凝液导热系数,C)W/(m ??。
注意:物性参数μ、ρ、λ等应用塔顶蒸汽温度D T 和冷凝器壁温w T 的平均值即膜温计算,故应先初估冷凝器管外侧壁温(接近D T )。
假设冷凝器壁温w T ,可求得63.37C T =,查得此温度下物性参数,并计算得α2。
根据牛顿粘性定律
2
26.3A Q T T D
D w α-
= 7-6
式中 w T
冷凝器管外壁温度,C ?;
2A
冷凝器管外表面积,即冷凝器的换热面积2m 。
代入式7-6计算得管外侧壁温w T ,直至w T 的计算值与初估值接近,迭代计算成功。(可以采用Excel 软件进行迭代计算) (2)管内1α的计算
当10000Re >、160~6.0Pr =、50/>d l 时,管内对流给热系数可用下式计算
4
.08
.01023.0???
?
?????
?
??=λμμρλαp C du d 7-7 该式适用于低粘度流体(o H 22μμ<),本次设计对像为甲醇—水溶液,为低粘度流体,故该式可用。当雷诺数小于10000时,应乘以校正因子8.15Re /1061?-=f 。 式中 λ
冷却剂(水)导热系数,C)W/(m ??; d
冷凝器管内径,m ;即2d ; u
冷凝器管内流速,m/s ; ρ
冷凝器管内流体密度,3kg/m ; μ
冷凝器管内流体粘度,s Pa ?;
p C
冷凝器管内流体的比热,C)kJ/(kg ??;
注意点:
① p C 的单位为C)J/(kg ??;
② 物性参数λ、ρ、μ、p C 等应由平均温度查表或计算,2/)(1,2t t t opt m +=; ③流速的计算:
管内流体(冷却水)的用量:)
(1,2t t C Q W opt p D
-=
,kg/h ;则流速为
n
d W u 224
3600/π
ρ?
=
7-8
式中n 为单程管子数。
把以上相关数据代入计算得13374.3a =,2835.95a =及K =
(计算值) 7.1.2.2 冷凝器传热面积的校核
由.3/D K K =可求得D K K ==(计算值)
,则可由)46.59D D D m A Q K t =D =求得实际所需冷凝器传热面积A D (需要)。
K (计算)值需大于K (初估)值,即A D (初估)需大于A D (需要),所选择的换
热器才能满足要求,其裕度需满足:(初估)
(需要)初估)D D D A A A
-( %10~15%D D A A A -?>。 (1)如果K (计算)值小于K (初估)值,即A D (初估)小于A D (需要),所选择的换热器不满足要求,应重新选择面积更大的换热器。
(2)如果K (计算)值大于K (初估)值,即A D (初估)需大于A D (需要), 但
裕度太小,也可重新选择选择面积较大的换热器。
(3)如果K (计算)值大于K (初估)值,即A D (初估)需大于A D (需要),但裕度太大,比如达到30%以上,则要重新选择换热器,可以选择采用以下方案:
① 选择管程数较少的换热器,如原来为四管程,重选时可以选择双管程,使总管数
不变得情况下单程管子数增大,管内流速u 增减小,最终可使K (计算)减小,使A D (需要)增大,裕度减小;②选择其它参数相同但换热管直径较大的换热器,如原来为A 型换
热管的改为B 型换热管的换热器,使管内流速u 减小,同样可使裕度减小,原理同①。 7.1.2.3 冷凝器管程、壳程流动阻力 (1)管程阻力损失t p ?
p s r i t N N p p p ???+?=?)( 7-9
其中: 2
2
u d L p i ρλ=?,∑=
?2
2
u p r ρξ
式中 i p ?
每程直管压降,Pa ; r p ? 每程局部阻力,Pa ; s N
壳程数; p N
每壳程的管程数;
ρ
冷凝器管内流体密度,3kg/m ; λ
冷凝器管内流体流动摩擦因素。
∑ξ
局部阻力系数,含回弯及进出口阻力系数,
∑ξ=3
参考化原上册P206: 碳钢的粗糙度0.2mm e =,
(2)壳程阻力损失s p ?
2
)1(2
0u d N D p e B s s ρλ+=? 7-10
其中: 19.0Re 72.1-=s λ,μ
ρ
0Re u d e =
式中 0D 换热器壳程内径,m ;
B N
折流板数目;蒸汽冷凝时折流挡板间距只有480、600mm 两种类型;
e d
冷凝器壳程当量直径,m ;
0u
冷凝器壳程流速,m/s ;0
0)1(S M
D R u opt ρ+=
;设有折流挡板时,
)1(000d hD S -=;无折流挡板时,T n d D S 2
02004
4
π
π
-
=
;
h 冷凝器壳程折流挡板间距,m ; 0d
管子外径,m ;
t
管子中心距,m 。
参考化原上册P207。
当换热器管子正方形排列时,0
2
02)
785.0(4d d t d e π-=;正三角形排列时,
???
? ??-=
2020
4234d t d d e ππ。 7.2 接管选型
针对不同的流体,选择适宜的流速u ,由
u
d V s 24
π
=
求得接管的直径,依据它选择合适
的接管型号,最后校核接管中的实际流速,本次设计所选择的钢管材料均为无缝钢管。 需选型的接管主要有:
进料接管:0.4~0.8m/s ,泵送1.5~2.5m/s 冷却水接管:1.0~2.5m/s 塔顶蒸汽接管:12~20m/s 塔顶产品接管:0.5~1.0m/s 塔底产品接管:0.5~1.0m/s
塔顶产品回流接管:0.2~0.5m/s ,泵送1.0~2.5m/s 塔底加热蒸汽接管:20~40m/s(表压
p <295kPa),40~60m/s(
表压
p <785kPa),
80m/s(
表压
p >2950kPa)
注意:计算中s V 为体积流量,必须针对不同流体、不同状态(气体),不同组成(气体、液体)计算。举例:冷却水接管尺寸计算 冷却水用量为13662kg/h , 密度为998.2kg/m 3 所以求得s V =13.68 m 3/h
设u =1.0m/s , 则u
V d S
π4=
=69.59mm
设u =2.5m/s, 则u
V d S
π4=
=44.01mm 选取57 3.5mm f ′的无缝钢管,验算2
4s
v u d
p ==1.94m/s ,符合要求。 7.3 冷却水输送泵 7.3.1 塔高计算
Q
B F D H H H HETP N H H +++?+= 7-11
式中 H 塔高,m ; D H 塔顶空间高度,m ;0.5~1m
N 理
论塔板数; HETP 等
板高度,m ; F H 塔内件及人孔、手孔、进料位置等空间的总高度;1.8m B H 塔釜空间高度,m ;保证釜液10~15min 的储量;
Q
H
裙座高度,m 。1.2~2m 塔釜空间高度要保证釜液有一定的储量,假设为10min 的储量,由*
W =L ’=RD +F (Kmol/h )
有
B T H D W 2
*4
4.958181060/π=??,可得B H 7.3.2 冷却水输送泵选型
输水泵的选型主要计算体积流量Q 和扬程e H 。
ρ/W Q = 7-12
∑+?+?+?=f
e h g
u g p Z H 22
ρ 7-13
其中: 0
=?g p ρ,022
≈?g u ,
g p g u d l l h t
f ρλ?++=∑∑22
式中 Q 体积流量,/h m 3
; e H 扬程,m ;
W 冷却水流量,kg/h ; ρ 冷却水密度,3
kg/m 。
Z ?
塔高,H
l
H+管长余量4m
∑l
含2个弯头,1个阀门
t p ?
冷凝器管程阻力损失
(λ由粗糙度和雷诺数计算,d 由接管选型得到,u 由Q 和d 计算得到。) 查泵的型号如下表: 表2 泵的选型
转速 r/min 流量/m 3 扬程m 效率 轴功率 电机功率 NPSH
7.4 填料支承结构 7.5 填料压紧装置 7.6 液体分布装置 7.7 液体收集再分布装置 7.8 气体分布装置 8 设计结果汇总
表3 工艺参数表
参数
数值
单位
参数
数值
单位
处理量 Kmol/h 产品汽化潜热 kJ/kmol
进料浓度 摩尔分率 塔顶蒸汽温度 ℃
产品浓度 摩尔分率
塔顶产品流率 Kmol/h 回收率 等板高度HETP m 实际生产时间
小时/年
空塔气速
m/s
表4 精馏塔费用表
项目
费用 / 元/年
项目
费用/ 元/年
精馏塔塔体设备费 冷凝器设备费 精馏塔塔体年投资折旧费用及维修费
冷却水费用
填料年折旧费用 加热蒸汽费用
表5 填料精馏塔参数
参数
参数值
单位
塔材料 塔材料密度 塔壁厚度
塔径
塔高
填料类型
填料比表面
填料层高度
精馏段填料层高
精馏段填料层分层数
精馏段填料层第一层高度
精馏段填料层第二层高度
提馏段填料层高
提馏段填料层分层数
填料压降
表6 接管表
接管物流型号流量
m3/h 流速
m/s
适宜流速范围
m/s
进料管
塔顶液相回流管
塔顶蒸汽管
塔顶产品管
冷却水输送管
塔底残液管
塔底蒸汽管
9 设计心得:
参考文献格式:
[1]王梦华.精馏过程节能技术探讨.齐鲁石油化工,2003,31(4):324-326
[2]王明辉.化工单元过程课程设计. 北京:化学工业出版社,2002