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化工原理课程设计,筛板精馏塔设计,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 筛板精馏塔工艺设计任务书,基础设计数据: 1. 处理能力:50000 t/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:760 mmHg(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,45000 t/a,55000 t/a,35%,65%,72%,28%,学号11-21号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,55000 t/a,45000 t/a,32%,68%,72%,28%,学号22以后,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,50000 t/a,45000 t/a,26%,74%,77%,23%,计算说明书目录,设计任务书 带控制点工艺流程图与工艺说明 精馏塔工艺计算 塔板结构设计 换热器选型 精馏塔工艺条件图 塔板结构设计结果汇总 符号说明 结束语,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板精馏塔设计计算示例,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,181.9,0.000,0.000,179.1,0.025,0.099,4.28,176.4,0.050,0.186,4.34,173.8,0.075,0.263,4.40,171.3,0.100,0.333,4.49,说明:平均相对挥发度为 5.62,3.2 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1010cm, x-y图为 2020cm,表1 物料衡算表,3.3 全塔物料衡算,料液平均分子量:Mm = 0.3100 + 0.794 = 95.8 进料流量:F = 50000103 /800095.8 = 65.24 kmol/h F = D + W D=19.5 kmol/h Fxf = DxD + Wxw W=45.74 kmol/h,3.4 实际板数及进料位置的确定,1. 确定最小回流比Rmin,2. 确定操作回流比R 由Fenske方程计算最小理论板数Nmin,利用吉利兰关联图,计算NT R如下:,0.863,14.7,0.988,11.8,1.140,10.7,1.292,9.9,1.444,9.3,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)Rmin 6 个点,图解法求得NT =5.5(不包括塔釜) 加料板位置nT = 3.0,3. 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Oconnell关联式计算:,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 - 8 mm; 大孔径筛板d0 :12 - 25 mm。,lw,WD,(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。,舌形塔板:,(5)斜孔塔板,(6)网孔塔板,(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。,(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。,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 = 950 kg / m3 汽相密度 V = PM/ RT = 2.92 kg / m3 液相表面张力 = 32 dyn /cm 汽相流量VS = (R+1) DM /3600 V=0.408 m3/s 液相流量LS = RDM / 3600 L =0.000684 m3/s,4.2 初估塔径,取板间距HT = 350 mm,板上液层厚度hL= 0.07 m, 则HT -hL= 0.28m。,塔板间距和塔径的经验关系,说明:工业塔中,板间距范围200900 mm,两相流动参数FLV=,则液泛气速:,对于筛板塔、浮阀、泡罩塔,可查图 ,C20=(HT 、FLV),C20 :=20 dyn/cm 时的气体负荷因子,0.2,HT=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,塔板泛点关联图,取操作气速u =(0.6-0.8)uf=0.75uf =0.893 m/s 则气体流通面积 An= VS / u =0.457 m2,选取单溢流塔盘,取lw / D =0.7,查图得A f /AT = 0.088,则塔截面积:,塔径 D = ,圆整为0.8m。,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: A T =0.785D2 =0.5024 m2 A f = 0.088AT =0.0442 m2 A n= AT - Af =0.4582 m2 u = VS /An =0.89 m/s 实际泛点百分率: u /u f =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+how,Hd,溢流装置(1020cm),4.3 塔板结构设计,4.3.1 溢流装置 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。 降液管截面积:由Af /AT 确定; 底隙高度 h0:通常在 40 60 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。,采用弓形降液管,平堰及平型受液盘,l w =0.7D=0.56 m 堰上液层高度 堰高 h w =h L - h o w =0.06238 m 液管底隙高度 h o =h w -0.006=0.05638 m,要求:,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)mm,4.3.2 塔盘布置,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。,取筛孔直径d o =(38)mm,孔径比取 t/d0 = 3.0-3.5 由l w /D = 0.7,查图得 Wd /D=0.15 则 Wd = 0.15D=0.12 m x = D/2 - (Wd + Ws )= 0.21 m r = D/2 - Wc =0.36 m,鼓泡区面积:,开孔率 = A0 /A a = 0.907 /(t/d0)2 = 0.074 筛孔面积 A 0 = Aa = 0.021 m2 筛孔气速 u 0 =VS / A 0 =19.43 m/s 筛孔数目 n = 4 A 0 / d02 =1672个 以Aa为面积计算的气速 ua=VS/Aa,3. 筛板塔有效传质区布置,正三角排列,4.4 塔板流体力学校核,4.4.1 塔板阻力 筛板塔板阻力,塔板阻力 hf包括 以下几部分: (a)干板阻力 hd 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; (c)克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。,可用清液柱高度表示:,(a)干板阻力hd,查得 孔流系数C0=0.75,则:,取板厚 = 3 mm,,(b)液层阻力 hl,查图得充气系数=0.58,于是:,说明:(1)若塔板阻力过大,可增加开孔率或 降低 堰高。 (2)对于常压和加压塔,塔板阻力一般没有 什么特别要求。 (3)对于减压塔,塔板阻力有一定的要求。,(c)克服液体表面张力阻力(一般可不计),故塔板阻力:,4.4.2 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)ev : kg 液体 / kg气体,或 kmol液体 / kmol气体。指标为ev 0.1。 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:,方法1:利用Fair关联图,由 和实际泛点百分率0.75,查得=0.08,进而求出ev=0.0470.1。,ev的计算方法:,筛板塔液沫夹带量校核,方法2:用亨特(Hunt)经验公式计算ev:,说明:超过允许值,可调整塔板间距或塔径。,式中Hf 为板上泡沫层高度:,要求: ev 0.1 kg 液体 / kg气体,4.4.3 降液管溢流液泛校核 筛板塔降液管溢流液泛校核,降液管中清液柱高度 (m):,(a)液面落差一般较小,可不计。当不可忽略时:,一般要求:0.5h0,主要为底隙阻力,而进口堰阻力一般为0(当无进口堰时):,(b)液体通过降液管阻力 hf,降液管中泡沫层高度:,要求:,说明
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