设计实例(板式塔)

化工原理课程设计实例
板式塔的设计内容
工艺流程的设计 板式塔的工艺计算 板式塔的机械设计 塔的辅助设备设计与选型

工艺流程的设计

1.经济方面:应该充分考虑整个系 统热能的利用,以便降低操作费用. 例如:从塔顶出来的蒸气和从塔底 排出的液体带出的热量可用于预热 原料液或它处. 2.全塔操作的稳定性:若操作不稳 定,就不能保证产品质量的均匀. 有 时也把冷凝器分割为两部分,一部 分预热原料液,另一部分用冷却水 使蒸气冷凝.这样可以用控制冷却 水量来控制冷凝器的操作,同时保 证进料温度一定.为此

卧式热虹吸再沸器的主要特点:可用低裙座,但占地面积大,出
塔产品缓冲容积较大,故流动稳定,在加热段停留时间短,不容易结垢, 可以使用较脏的加热介质.

立式和卧式强制循环再沸器的共同特点:适应于高粘度液体
和热敏性物料,因为强制循环流速高,停留时间短,有利于工艺流体循 环流量的控制和调节.
精馏方案的选定
负荷性能图
浮阀塔的负荷性能图
• 在负荷性能图上，由上述的五条线所包围的区域是设
计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区。即在此 区域内操作，塔板上的流体力学状况是正常的。但该 区域内各点处的板效率并不完全相同。 • 代表塔板的预定气、液负荷的设计点P应位于适中位 置，则可望获得稳定良好的操作效果。若P点紧靠某 一边界线，则负荷稍有波动，便会使效率急剧下降， 甚至完全破坏塔的操作。 • 物系一定时，负荷性能图中各条线的相对位置随塔板 结构尺寸而改变。 • 操作弹性：气相负荷上、下限之比称为塔板的操作弹 性系数简称操作弹性。浮阀塔的操作弹性一般为3~4。
塔径的估算
塔径的大小取决于上升的蒸汽流量和空塔气速

适宜的空塔气速与流体的物理性质、塔板结 构、流体力学等情况有关。计算时 u=(0.6~0.8)umax
D 4 Vs u


最大空塔气速umax 根据液滴在沉降过程中 受力情况导出，其中气体负荷系数C值由图 1~7查出 . 塔径 D（按标准GB9019-88圆整）
浮阀塔中浮阀数目与排列
浮阀塔的操作性能以板上所有浮阀处于刚刚全 开时的情况为最好，这时塔板的压强降及板上液 体的泄漏都比较小而操作弹性较大。 浮阀的开度与阀孔处气相的动压有关，动压的大 小取决于气体的速度与密度。 即动能因数：由动能因数作为衡量气体流动时动压 大小的指标

F uo
• F0——气体通过阀孔时的动能因数 • uο————气体通过阀孔时的速度m/s • ρν————气体密度kg/m3

对于选定的塔板间距是否合适，还要在后面进行 流体力学验算，如果不合适需要重新选定，再估 算塔径。
ÒÒ ×Ò ÒÒÒ ÒÒ ÷° á
•ÒÒ ÒÒÒ ÒÒ Ò
÷ ×ÒÒÒÒ°ÒÒÒÒÒ· Ò ° Ò – ÒÒÒ how =2.84*10-3E(Lh/ lw )2/3 m ± •ÒÒÒÒÒÒhowÒÒÒ6mmÒÒÒÒÒÒÒ° è ± Ò óá Ò ÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒÒ howÒ6mmÒ °í Ò ÒÒÒÒÒÒÒ – ÒÒÒ how =1.17(LShn/ l w ) 2/3 m
附属设备的设计与选型
1. 2. 3. 4. 5. 热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量； 再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量； 选定冷凝器和再沸器的型式； 取所需的换热面积并查阅换热器标淮，选取合适的换热器型号； 确定主要接管尺寸，列出接管表；精馏塔的主要接管包括蒸气出 口管、回流管、加料管、进气管、釜液排出管等，接管的结构型式 和设计计算所需数据可查有关资料； 选择一换热器进行校核设计。各换热器型式的选定得视具体换热系 统、介质性质以及热负荷大小等而定。换热器设计中应注意传热温 度差至少保持10—20℃左右，冷却水出口温度则不应大于50℃ 对必须配置的原料泵、回流泵等进行选型计算。精馏装置使用泵一 般包括回流泵、产品泵、加料泵和冷却水泵等，泵的选型计算可查 阅有关资料

5.冷却方式
1)冷却剂----通常是水,水温随气候而定.入口一般为15℃-20℃,出口<50℃，目的防止溶解于水中的无机盐析出.


冷却剂 还可以是冷冻盐水.液氨等，一般用于较低温度。
2)冷凝设备的结构形式


小塔---蛇管换热器 大塔---列管式换热器
工艺流程的设计
工艺流程设计的要求
根据规定的操作条件进行工艺流程的设计 时，所选的参数、设备的型式必须进行简 要的论证，对合理利用热能的可能性要做 简要分析。 绘制精馏装置的工艺流程图。 设计开始时通常只能对方案、流程作初步 安排，待整个设计计算完成后再对方案流 程进行修正并作较全面的论证讨论。

板式塔的工艺计算

精馏塔的物料衡算,热量衡算,工艺流程图




1.物料衡算 确定各股物料的流量和组成 2.热量衡算 确定 冷凝器热负荷、再沸器热负 荷、冷却器、预热器 3.确定最小回流比和适宜的回流比 4.求解理论板层数 5.估算全塔效率 6.确定实际塔板数
塔板的工艺设计

v
v
排孔要求
1、排孔图（鼓泡区）：排完之后的总孔数与算得的N相近，并 按实排数目重算阀孔气速，核算阀孔动能因数F0。若F0在9~12 范围内，即可认为作图得出的阀数能够满足要求。否则应调整孔 矩、阀数，重新作图，反复计算。 2、也可根据已算出的阀数及溢流装置尺寸等，用作图法求出所 需的塔径，并与最初估算的塔径相比较，经反复调整有关参数， 直到作图所得出的塔径与最初估算的塔径相符为止。 3、最后核算开孔率是否合适，否则前述过程重算。 开孔率：对于常压塔或减压塔开孔率在10~14%之间， 对于加压塔开孔率常小于10%。

有时为了减小再沸器的热负荷(如再沸器所需
加热剂温度较高,或物料容易在再沸器内结焦等)可在 料液预热时加入更多的热量,甚至采用饱和蒸气进料. 注意:实际设计还应该考虑整个车间的流程安排.

精馏方案的选定
3.多股进料 原料来源不同,浓度差别很大,从分离角度, 应该从不同的位置加入.但所处理的物料量 不多时(或其中的一种物料不多时),从设备 加工和操作方便考虑,也往往多股混合以后 作一股物料加入.

精馏方案的选定
4.加热方式

大塔---塔外，形式----夹套式.蛇管式,列管式(立式再沸器,卧式再沸 器) 立式热虹吸再沸器的主要特点:传热系数较高,结构紧凑,占地面积小, 液体在管内停留时间短,不容易结垢,且容易清洗;但壳程不能清洗,因 此用于较脏的加热介质;其本身造价较低,但要求较高的塔体裙座.
热敏性和高沸点的物料-----减压操作.P降低,相对挥
发度提高,有利于分离.操作的平均温度降低,加热剂温度降低.但可导致D增 加,塔顶蒸气冷凝温度降低,必须使用真空设备.相应的操作费用和设备费用增 加. 由于塔板压降,从塔顶到塔底压力逐渐增加,温度也相应的增加(物料组成 和压力同时作用的结果).因而沿塔物性和气液负荷也随之变化. 常压和减压塔---如塔板压降不是很大,工艺计算时假定全塔各处压力相等-误差不大. 减压塔---压力分布与塔板的结构形式,气液负荷,气液物性等多种因素有关, 很难计算,一般先假设再较核.多次试差. .
精馏方案的选定

2.进料状态

原则讲,要使回流在全塔发挥作用,全部冷量应该加在 塔顶,全部热量加在塔底.但实际设计时应该考虑设备 费和操作费问题及操作平稳等多种因素.

进料---预热到泡点或接近泡点(进料温度不受季
节气温变化和前一道工序波动限制,塔的操作比较容易 控制.而且精馏段和提馏段的上升蒸气量相近).
进口堰及受液盘
进口堰（对圆形降液管多用）作用： 1）保证液封， 2）使液体在塔板上分布均匀， 3）但因其占用较多塔截面，还易使沉淀物淤积造成阻塞，故 多数不设。若设，hw’ 应这样考虑



当hw ＞h0（有液封）时，hw’＝ hw 当hw ＜h0（无液封）时，hw’＞h0 为保证液体由降液管流出时不致受到很大的阻力，进 口堰与降液管间的水平距离h1不应小于h0，即h1≥h0 对于直径 800以上的大塔多采用受液盘。
浮阀塔板的流体力学验算
目的：检验上述各项工艺尺寸已经确定的 塔板，在设计任务规定的气液负荷下能否 正常操作 内容：对塔板压强降、液泛、雾沫夹带、 泄漏、等情况的验算

浮阀塔板的流体力学验算
----气体通过浮阀塔板的压强降
原则：在保证较高效率的前提下，应力求减
小塔板压降，以降低能耗及改善塔的操作性能。 气体通过一层浮阀塔板时的压强降 1）气体克服干板阻力所产生的压强降 2）气流克服板上充气液层的静压力所产生 的压强降 3）气流克服液体表面张力所产生的压强降


板式塔的结构设计

板式塔的结构设计内容包括塔的总体结构，塔盘 结构和接管结构，可参见有关资料
板式塔的机械设计
塔的机械设计
塔板（塔盘）
塔体及封头
裙座
容器法兰 JB4700~4707-92 附录三
接管及法兰 GB8163-87 HB5010-58
精馏方案的选定

1.操作压力(常压,加压,减压)-----设计压力一般指塔顶压力
沸点低,常压下为气态的物料-----加压操作,
加压可提高操作的平均温度,有利于塔顶蒸气冷凝热的利用或可使用较便宜 的冷却剂,减少冷凝,冷却的费用.在相同的塔径下,适当提高操作压力,还可提 高塔的处理能力.但P提高,再沸器的T提高,相对挥发度下降.
阀塔板的流体力学验算

液泛
为防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不能超过上层塔板 出口堰。

雾沫夹带
• 现象：板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。 • 后果：过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。 • 雾沫夹带到上一层塔板的液体量不应超过0.1kg。通过泛点 率控制。

漏液现象
控制阀孔动能因数在5~6之间。
浮阀塔的负荷性能图
• 雾沫夹带线：指控制ev=0.1kg液/kg气时的Vs——
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Ls之间关系 溢流液泛线：指降液管内泡沫层高度达到最大允许值 时的Vs——Ls之间关系 液相负荷上限线（降液管超负荷线），反映了对于液 体在降液管内停留时间的起码要求 泄漏线（气相负荷下限线），不发生泄漏的最低气体 负荷，是条平行于横轴的直线，控制动能因数F0 液相负荷下限线，平堰，一般取堰上液层高度 how=0.006m。作为液相负荷下限条件。低于此限 便不能保证板上液流的均匀分布，降低气液接触效果
Fra Baidu bibliotek液盘
对于直径800以上的大塔 多采用受液盘。
作用： 1、液封良好，且有改变 液体流向的缓冲作用 2、有侧线抽出取深些， （一般大于50mm）
塔板布置

塔板分成四个区域：
1鼓泡区：塔板上气液接触的有效区域。 2溢流区：降液管及受液盘所占的区域。 3破沫区（安定区）：前两区之间的面积,不装浮 阀，主要作用为在液体进入降液管之前有一段 不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带泡沫进 入降液管 4无效区（边缘区）：支持塔板的边梁，其宽 度根据塔板支承的需要而定。

板式塔的设计从两方面考虑:



控制再沸器中加热蒸气压力的恒 定是保证操作稳定的条件之一,但 原料液或回流液的流量和温度发 生变化时,稳定情况也会受到一定 的影响
为了使进料保持稳定,一般入塔的 原料液由高位槽供给,以免受泵的 流量波动的影响. 为了保持回流液的稳定,冷凝器常 采用冷却水,而不用塔顶蒸气预热 原料液.因为塔顶蒸气量如有波动, 将影响回流液量及进料温度.从而 影响整个塔的操作稳定性。有时 也把冷凝器分割为两部分,一部分 预热原料液,另一部分用冷却水使 蒸气冷凝.这样可以用控制冷却水 量来控制冷凝器的操作,同时保证 进料温度一定. 塔釜液体虽然温度很高,但用它来 预热原料液,对液-液传热过程其传 热系数很小,则所需传热面积必然 很大


塔板间距 塔径估算 溢流装置 塔板布置 浮阀装置 塔板流体力学验算
塔板间距




塔板间距过小，雾沫夹带 严重，塔板效率降低。 塔板间距过大，设备增高， 金属耗量增大 ，塔的造 价增加。 塔板间距直接影响塔的生 产能力、分离效率、操作 弹性及塔的高度。 塔板间距与塔径同时考虑。 板间距大，塔径可小些。 对于板数较多的塔，取较 小的板间距，可适当降低 塔高。