课程设计-板式塔设计计算2013.ppt
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1、化工原理课程设计电子教案 板式塔及其设计计算,化工原理课程设计的目的,化工原理课程设计是培养学生综合运用化工原理 及先修课程的基本知识进行化工工艺设计的能力,使学生掌握化工设计的基本程序和方法,得到一次化工设计的基本训练,并应着重培养学生以下几方面的能力: 查阅技术资料 选用公式和搜集数据的能力。 树立既考虑技术上的先进性与可靠性,又考虑经济上的合理性,并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思路,在这种设计思想的指导下去分析和解决工程实际问题的能力 迅速准确地进行工程计算(包括电算)的能力。 用简洁的文字 清晰的图表示表达自己设计结果的能力。,设计的实践性,1.经济性:应符合能量充分合理
2、利用和节能原则,符合经常生产费和设备投资费的综合核算最经济的原则;符合有用物质高回收率、低损耗率原则。 2.先进性:应对目前工厂生产过程和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施,并尽量采用国内外最新技术成果。 3.可靠性和稳定性:保证运行的安全可靠和操作的稳定易控是现代化生产应优先考虑的原则,不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技术和设备,不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。 4.可行性:流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力,整个设计方案应考虑符合国情和因地制宜的原则。,设计说明书的编写要求,目录(根据说明书的内容编写) 设计任务书(由生产任务给定) 方案的说明与论证(流
3、程方案) 设计结果概要(主要设备的特性数据,设计规定的主要操作参数,各种物料的量及状态,能耗指标以及附属设备的规格型号及数量) 设计计算与论述(工艺与结构) 对设计的评述及有关问题的分析讨论 参考文献,工程图纸的要求,2#图纸的要求 主视图(设备的主要结构形状及主要零部件间的装配连接关系) 尺寸(表示设备的总体大小 规格 装配 安装等尺寸) 主要零部件编号及明细栏 管口符号及管口表 技术特性表 技术要求 标题栏 3#图纸(2张)的要求 带控制点的工艺流程图:注明主、副物料的流动路线,设备的位号及名称主要设备的工艺参数、标题栏 塔板结构图:,板式塔的设计内容,工艺流程的设计 板式塔的工艺计算 塔
4、的辅助设备设计与选型,工艺流程的设计,板式塔的设计从两方面考虑: 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 ,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
5、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。,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
6、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。 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
7、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). 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
8、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. 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
9、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,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。
10、,塔板的主要部件:,筛孔(阀孔、升气管) 提供气体上升的通道;,2. 溢流堰 维持塔板上一定高度的液层,以保证在 塔板上气液两相有足够的接触面积;,3. 降液管 作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。,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, 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。, 降液管(液体通道) 液体流通通道,多为弓形。, 受液盘 塔板上接受液体的部分。, 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
11、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: 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。,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。,液 泛现象:,6.10.2 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。, 过量雾沫夹带液泛,原因: 气相在液层中鼓泡,气泡破裂,将雾沫弹溅至上一层塔板; 气相运
12、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 。, 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 。,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
13、,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,塔板上开圆孔,孔径:3 - 8 mm,大孔径筛板:12 - 25 mm。,(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,浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔板效率高的优点,但是在处理粘稠度较大的物料方面不及泡罩塔,在结构、生产能力、塔板效率、压力降
14、等方面不及筛板塔。,浮阀塔具有下列特点: 1 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增大2040%,接近于筛板塔 2 操作弹性大,一般约为59,比筛板塔的操作弹性要大得多 3 塔板效率高,比泡罩塔高15%左右,与筛板塔接近 4 压降小,在常压塔中每块板的压降一般为400660Pa 5 液面落差小 6 使用周期长。粘度稍大一些的液体也能正常操作 7 结构简单,安装容易,制造费用为泡罩塔板的6080%,为筛板塔的120130%,精馏塔的设计步骤,1 设计方案确定和说明。根据给定任务,对精馏装置的流程、操作条件、主要设备形式及其材质的选取进行论述。 2 精馏塔的工艺计算,确定塔高和塔径。 3 塔板设计;计算
15、塔板各主要工艺尺寸,进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等,并画出塔的操作性能图。 4 管路及附属设备的计算与选型,如再沸器、冷凝器。 5 抄写说明书。 6 绘制静流装置工艺流程图和精馏塔的设备图。,精馏塔的工艺设计,一、分析待分离物系,确定分离方案 1、确定系统的气液平衡关系 相平衡参数一般以查取工程手册为主。 2、分析系统,确定分离方案,二、确定工艺参数 1、用全塔物料衡算式确定产品流量 2、用图解法确定最小回流比Rmin,然后确定适宜回流比R 3、图解法确定塔板数及加料板的位置 先求出理论塔板数,然后查取工程手册或借助奥康奈尔关联式确定塔板效率,从而确定所需的实际塔板数及加料位置,奥康内尔
16、(Oconnell)关联方法 精馏塔:采用相对挥发度 与液相粘度 L 的乘积为参数来表示全塔效率 ET:, 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系,取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算,4、查取系统的t-x-y关系,确定出塔顶、加料版及塔釜处得操作温度 因为精馏设备的尺寸随气、液两相的体积流量变化,而体积流量又是随温度而变化,因此,为确定精馏塔中气、液两相的体积流量,必须先确定操作温度。 5、借助精馏段、提馏段和加料板的物料衡算,确定上述位置的气、液相体积流量。,三、选择设计板面,确定物性参数 在精馏塔中气液两相的流量、组成均随位置变化,为了简化设计过程,通常先选择具有典
17、型意义的塔板,以该板上的流量、组成、温度等物性参数为依据,设计出成套的塔板结构参数,然后推广至全塔。塔顶第一块板,塔底最下一块板和加料版都是比较典型的塔板。,塔板的结构参数设计,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,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;,选取塔板间距 HT :,塔板间距和塔径的经验关系,塔体高度:有效高+顶部+底部+ 其它,有效塔高:,C:气体负荷因子,与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。, 液泛气速,(2)塔径 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
18、); 然后选设计气速 u; 最后计算塔径 D。,C20液体表面张力为20 mN/m时的气体负荷系数,由史密斯关联图查得,史密斯(Smith, R. B)关系曲线, 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 0.6,所需气体流通截面积,设计气速 u = 泛点率 uf, 计算塔径 D,塔截面积:,A = AT - Af,塔径,说明:计算塔径需圆整,且重新计算实际气速及泛点率。,或,(3)溢流装置设计 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。, 降液管形式和底隙 降液管:弓形、圆形。 溢流形式确定堰长 l
19、w 与D 的比值。 单流型:lw/D =0.60.75 降液管截面积: 由Af/AT = 0.06 0.12 确定; 底隙 hb :通常在 30 40 mm。, 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。,堰长: 堰高:,E液流收缩系数 对水溶液E可取1,堰长 lW :影响液层高度。,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 80 mm ; 减压塔:25 mm 左右。,说明:通常应使溢流强度Lh /lW 不大于100130 m3/(mh)。,或:,双流型:,单流
20、型:,(4) 塔板及其布置 受液区和降液区 一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区, 边缘区:,(5)筛孔的尺寸和排列 筛孔面积: 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:, 有效传质区:,双流型弓形降液管塔板:,筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 开孔率: 通常为 0.08 0.12。 板厚:碳钢(3 4mm)、不锈钢。,筛孔气速:,筛孔数:,d0,t,(6) 塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。, 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)
21、 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:夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。 故有:,所以,质量流量,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:利用Fair关联图求,进而求出ev。 方法2:用Hunt经验公式计算ev。,式中Hf 为板上泡沫层高度:,要求: ev 0.1 kg 液体 / kg气体。, 塔板阻力的计算和校核 塔板阻力:,塔板阻力 hf包括 以下几部分: (a)干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力(设无液体
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