筛板式精馏塔设计
筛板式精馏塔设计
目录
第一部分 概述
一、设计题目...........................................................................................3 二、设计任务...........................................................................................3 三、设计条件...........................................................................................3 四、工艺流程图………………………………………………………...3
第二部分 工艺设计计算
一、设计方案的确定..............................................................................4 二、精馏塔的物料衡算..........................................................................4
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数........................................................4 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量................................................4 3.物料衡算原料处理量....................................................................................4
三、塔板数的确定.................................................................................4
1.理论板层数NT的求取.................................................................................4 2.实际板层数的求取.......................................................................................6
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.................................6
1.操作压力计算................................................................................................6 2.操作温度计算................................................................................................6 3.平均摩尔质量计算........................................................................................6 ⑴塔顶摩尔质量计算.........................................6
⑵进料板平均摩尔质量计算...................................6 ⑶提馏段平均摩尔质量.......................................7 4.平均密度计算...............................................................................................7
⑴气相平均密度计算.........................................7 ⑵液相平均密度计算.........................................7 5.液相平均表面张力计算...............................................................................7 ⑴塔顶液相平均表面张力计算.................................7 ⑵进料板液相平均表面张力计算...............................7 6.液相平均粘度计算.......................................................................................8 ⑴塔顶液相平均粘度计算.....................................8 ⑵进料板液相平均粘度计算...................................8
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.........................................................8
1.塔径的计算...................................................................................................8 2.精馏塔有效高度计算...................................................................................9
六、塔板主要工艺尺寸的计算...........................................................9
1.溢流装置计算..............................................................................................9 ⑴堰长lW..................................................9 ⑵溢流堰高度hW...........................................9
⑶弓形降液管宽度Wd和截面积Af..........................9 2.塔板布置....................................................................................................9 ⑴塔板的分块.............................................9 ⑵边缘区宽度确定.........................................9 ⑶ 开孔区面积计算........................................9 ⑷筛孔计算及其排列.......................................10
七、筛板的流体力学验算..................................................................11
1.塔板压降....................................................................................................11 ⑴干板阻力hc计算........................................11 ⑵气体通过液层的阻力hL计算..............................11 ⑶液体表面张力的阻力h计算..............................11 2.液面落差...................................................................................................12 3.液沫夹带...................................................................................................12 4.漏液...........................................................................................................12 5.液泛...........................................................................................................12
八、塔板负荷性能图.........................................................................13
1.漏液线.......................................................................................................13 2.液沫夹带线...............................................................................................13 3.液相负荷下限线.......................................................................................14
4.液相负荷上限线.......................................................................................14 5.液泛线.......................................................................................................14 九、设计一览表.................................................................16
十、参考文献……………………………………………17
第一部分 概述
一、设计题目:筛板式精馏塔设计
二、设计任务:
试设计分离对二甲苯-异丙苯混合物的筛板精馏塔。已知原料液的处理量为1389kg/h,组成为0.5(对二甲苯的质量分数),要求塔顶馏出液的组成为大于等于0.98,塔底釜液的组成为0.98。
三、设计条件
试根据上述工艺条件作出筛板的设计计算。
四、工艺流程图
原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品(釜残液)再沸器中原料液部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表(流量计、温度计和压力表)。以测量物流的各项参
数。
第二部分 工艺设计计算
一、 设计方案的确定
本设计任务书为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。
二、精馏塔的物料衡算
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 对二甲苯的摩尔质量 MA=106Kg/mol 异丙苯的摩尔质量 MB=120Kg/mol XF=
0.50/106
=0..531
0.50/1060.50/120
0.98/106
XD==0.982
0.98/1060.02/120
0.02/106
XW==0.023
0.02/1060.98/120MF=0.531106+(1-0.531)120=112.6Kg/mol
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MD=0.982106+(1-0.982)120=106.3Kg/mol
MW=0.023106+(1-0.023)120=119.7Kg/mol 3.物料衡算原料处理量 F=
1389
=12.3Kmol/h 112.6
总物料衡算 12.3=D+W
苯物料衡算 12.30.531=0.982D+0.023W
联立解得 D=6.516Kg/mol,W=5.784Kg/mol
三、塔板数的确定 1.理论板层数NT的求取
对二甲苯-异丙苯属理论物系,可采用图解法求理论板层数。 ①由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据,绘出x-y图
y
1.0 f 6 7
q线
e(0.42,0.42)
1.0 0 x
②求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比。在图中对角线上,自点e(0.531,0.531)做垂线,ef即为 进料线(q线),该线与平衡线的交点坐标为: yq=0.625 xq=0.531
故最小回流比为:Rmin=
xdyqyqxq
0.9820.625
3.80
0.6250.531
取操作回流比为:R2Rmin23.87.6
③求精馏塔的气、液相负荷
LRD7.66.51649.5Kmol/h
V(R1)D(7.61)6.51656.03Kmol/h LLF49.512.361.8Kmol/h VV56.03Kmol/h ④求操作线方程 精馏段操作线方程 y 提
'
'
'
LD49.56.516xx0x0.9820.88x0.114 VV56.0356.03
段
操
作
线
方
程
馏
L''W61.8'5.784
y'x'xwx0.0231.103x'0.0024
56.0356.03VV
⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数,求解结果为:
总理论板层数NT13包括再沸器,进料板位置NF6 2.实际板层数的求取
5
9.610 0.527
13.514 提馏段实际板层数:N提
0.52
精馏段实际板层数:N精
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
以精馏段为例进行计算。 1.操作压力计算
塔顶操作压力 pD101.3kPa 每层塔板压降 p0.7kPa
进料板压力 pF101.30.710108.3kPa 提馏段平均压力 pm(101.3108.3)/2104.8kPa
2.操作温度计算
依据操作压力,由泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算,计算过程略。计算结果如下:
塔顶温度TD82.1C 进料板温度TF99.5C 3.平均摩尔质量计算
⑴塔顶摩尔质量计算:由xDy10.983,查平均曲线,得x10.926 MVDm0.98378.11(10.983)92.1378.35kg/kmol
M'LDm0.92678.11(10.926
)92.1379.15kg/kmol ⑵进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板,得 yF0.612 查平衡曲线,得 xF0.395
MVFm0.61278.11(10.612)92.1383.55kg/kmol MLFm0.39578.11(10.395)92.1386.59kg/kmol ⑶提馏段平均摩尔质量
MVm(78.3583.55)/280.95kg/kmol MLm(79.1586.59)/282.87kg/kmol 4.平均密度计算
⑴气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算,即
mMVmVm
pRT109.580.95
8.314(91.95273.15)
2.91kg/m3
m⑵液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算:
1
ai/i
Lm
①塔顶液相平均密度计算:
由T3
D82.1C,查手册得 A812.7kg/m,B807.9kg/m3
LDm
1
0.98/812.70.02/807.9
812.6kg/m3
②进料板液相平均密度计算
由T,查手册得 3
3
F99.5CA793.1kg/m,B790.8kg/m 进料板液相的质量分数计算
0.39578.11
a
A0.39578.110.60592.130.356
LFm
10.356/793.10.644/790.8
791.6kg/m3
③精馏段液相平均密度为 Lm(812.6791.6)/2802.1kg/m3 5.液相平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算,即 Lmxii ⑴塔顶液相平均表面张力计算
由TD82.1C,查手册得 A21.24mN/m,B21..24mN/m LDm0.98321.240.01721.2421.24mN/m ⑵进料板液相平均表面张力计算
由TF99.5C,查手册得 A18.90mN/m,B20.00mN/m LFm0.39518.900.60520.0019.57mN/m 精馏段液相平均表面张力为:
Lm(21.2419.57)/220.41mN/m 6.液相平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算:
lgLmxilgi ⑴塔顶液相平均粘度计算
由TD82.1C,查手册得 A0.302mPas,B0.306mPas lgLDm0.983lg(0.302)0.017lg(0.306) 解得 LDm0.302mPas ⑵进料板液相平均粘度计算
由TF99.5C,查手册得 A0.256mPas,B0.265mPas
lgLFm0.395lg(0.256)0.605lg(0.265)
解得 LFm0.261
mPas 精馏段液相平均粘度为 Lm(0.3020.261)/20.282mPas
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为: Vs
VMVm79.5280.95
0.616m3/s
3600Vm36002.91LMLm60.0382.81
0.0017m3/s
3600Lm3600802.1
Ls
由umaxC
LV
,式中C由式(5-5)计算,其中的C20由图5-1查取,图的横V
LhL1/20.00173600802.11/2
()()0.0460 VhV0.61436002.91
坐标为:
取板间距HT0.40,板上液层高度hL0.06m,则 HLhL0.40.060.34m 查图5-1得C20=0.070 CC20(
L
20
)0.20.07(
20.410.2
)0.0703 20
umax0.0703
802.12.91
1.165m/s
2.91
按标准塔径圆整后为 D1.0m 塔截面积为 AT实际空塔气速为 u 2.精馏塔的有效高度的计算
精馏段有效高度为 Z精(N精1)HT(101)0.43.6 提馏段有效高度为 Z提(N提1)HT(141)0.45.2 在进料板上方开一人孔,其高度为0.8m,故精馏塔的有效高度为 ZZ精Z提0.83.65.20.89.6m 六、塔板主要工艺尺寸的计算
4
1.020.785m2
Vs0.6140.782m/s AT0.785
1.溢流装置计算
筛板式塔的溢流装置包括溢流堰,降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素,当因D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管,不
设进口堰,采用凹形受液盘。各项计算如下:
⑴堰长lw
取lw0.66D0.661.00.66m ⑵溢流堰高度hw
由hwhlhow,选用平直堰,堰上液层高度h2.84ow1000E(Lh2/3
l) w
近似取E=1,则h2.84ow
10001(0.001736000.66
)2/3
0.013m 取板上清液层高度 hw0.060.0130.047m ⑶弓形降液管宽度Wd和截面积Af 由
lwD0.66,查图5-7,得AfW
A0.0762d0.0136 TD
故
Af0.0762AT0.07620.7850.0598m2Wd0.136D0.1361.00.136m
依式(5-9)验算液体在降液管中停留时间,即
3600AfHT
.05980.40
L
36000h
0.00173600
14.07s5s 故降液管设计合理。 ⑷降液管底隙高度h0 hLh
0
3600l'
wu0
取u'
00.08m/s,则
h0.00173600
0
36000.660.08
0.032m
hwh00.0470.0320.015m0.013m
故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘,深度h'
w50mm。
2.塔板布置 ⑴塔板的分块
因D800mm,故塔板采用分块式。查表5-3得,板块分为3快。
⑵边缘区快读确定
取WsWs'0.065m,Wc0.035m ⑶开孔区面积计算
开孔区面积Aa按式(5-12)计算,即
xarcsin)180r
D1.0x(WdWs)(0.1360.065)0.299m
22
Aa2(xrx
2
2
r2
其中 r
D1.0Wc0.0350.465m 22
2
2
故
Aa2(0.3110.4650.299
0.4652
180
arcsin
0.299
)0.524m2
0.465
⑷筛孔计算及其排列
本例所处理的物系无腐蚀性,可选用3mm碳钢板,取筛孔直径d05mm。 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t3d03515mm
1.155Aa1.1550.524
2690个 22
t0.015d20.0052
)10.1% 开孔率为 0.907(0)0.907(
t0.015
筛孔数目 n
气体通过筛孔的气速为 u0
Vs0.614
11.60m/s Ao0.1010.524
七、筛板的流体力学验算
1.塔板压降
⑴干板阻力hc计算
5-19)计算:hc0.051( 干板阻力hc由式(
u02v
)() c0L
由d0/5/31.67,查图5-10得:C200.772 故hc0.051(
11.6022.91
)()0.418m液柱 0.772802.1
⑵气体通过液层的阻力hL计算
气体通过液层的阻力hL由式(5-20)计算:
h1hLua
Vs0.614
0.843m/s
ATAf0.7850.0598
F0uav0.8432.911.44kg1/2/(sm1/2)
查图5-11,得0.61。故
h1hl(hwhow)0.61(0.0470.013)0.036m液柱 ⑶液体表面张力的阻力计算
液体表面张力所产生的阻力h由式(5-23)计算:
4L420.41103 h0.0021m液柱
Lgd0802.19.810.005
气体通过每层塔板的液柱高度hP可按下式计算:
hPhch1h0.4180.0360.00210.0799m液柱 气体通过每层塔板的压降为:
pphpLg0.0799802.19.81629Pa0.7kPa(设计允许值)
2.液面落差 对于筛板塔,液面落差很小,且本例的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响。 3.液沫夹带
液模夹带量由式(5-24)计算:
ev
5.7106
L
(
ua
)3.2
HThf
hf2.5hL2.50.060.15m
5.7106
3.2(0.014kg液/kg气0.1kg液/kg气 故 ev)3
20.4110
在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。
4.漏液
对筛板塔,漏液点气速u0,min可由式(5-25)计算:
uo,min4.4C0(0.00560.13hLh)L/v
4.40.7720.00560.130.060.0021)802.1/2.915.995m/s 实际孔速 u011.60m/su0,min
稳定系数为 K
u0u0,min
11.60
1.931.5 5.995
故在本设计中无明显漏液。
5.液泛
为防止塔内发生液泛,降液管内液层高Hd应服从式(5-32)的关系,即 Hd(HThw) 苯-甲苯物系属一般物系,取0.5,则
(HThw)0.5(0.400.047)0.224m
而HdhphLhd
板上不设进口堰,hd可由式(5-30)计算,即
'2
hd0.153(u0)0.1530.0820.001m液柱
Hd0.080.060.0010.141m液柱
Hd(HThw) 故在本设计中不会发生液泛现象。
八. 塔板负荷性能图
1漏液线
漏液线,又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象,气、液不能充分接触,使塔板效率下降。
u0,min4.4C0(0.00560.13hLhc)L/Vu0,min
Vs,2.84Lh2/3min
,hLhwhow,howE()A01000lw
2.84L
1(h)2/3]h}L/V
1000lw
得Vs,min4.4C0A0{0.00560.13[hw
4.40.7720.1010.524{0.00560.13[0.047
3600Ls2/32.84
1()]0.0021}802.1/2.9110000.66
2/3
2.9850.009510.114Ls 整理得 Vs,min
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表。
由此表数据即可作出漏液线1。 2.液沫夹带线
当气相负荷超过此线时,液沫夹带量过大,使塔板效率大为降低。对于精馏,一般控制eV≤0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下:
ev
5.7106
L
(
ua
)3.2
HThf
由 ua
VsVs
1.37V9s
ATAf0.7850.0598
3600Ls2/32.84/3
1()0.88L2s
10000.662/32/3
hf0.1182.2Ls,HThf0.2822.2Ls
1.379Vs5.7106
eV[]3.20.132/3
20.41100.2822.2Ls
hf2.5hL2.5(hwhow),hw0.047,how
/3
整理得 Vs1.2810.02L2s
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表。
由此表数据即可作出液沫夹带线2。 3液相负荷下限线
液相负荷低于此线,就不能保证塔板上液流的均匀分布,将导致塔板效率下降。 对于
平直堰,取堰上液层高度how0.006m作为最小液体负荷标准。由式(5-7)得
how
2.843600LS2/3
E()0.006 1000lW
0.00610002/30.66
)0.00056m3/s
2.843600
取E=1,则 LS,min(
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。
4.液相负荷上限线
该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线,表明液体流量过大,液体在降液管内停留时间过短,进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板,造成气相返混,降低塔板效率。
以4s作为液体在浆液管中停留时间的下限,由式(5-9)得
AfHTLS
4,LS,min
AfHT4
0.05980.40
0.00598m3/s
4
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。 5.液泛线
若操作的气液负荷超过此线时,塔内将发生液泛现象,使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况,在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板,降液管内须维持一定的液层高度Hd
dPLd
令hdhhThwh h,hhhPeLo,1LLwow
H(Hh),Hhhh
联立得 忽略h,将how,hd与LS,hc与VS的关系式带入上式,整理得
'2/3
a'VS2b'c'L2SdLS
0.051V ' a()2
(Aoco)L
HT(1)hW(1)howhchdh
式中bHT(1)hW,c 将有关数据带入,得:
''
0.15336002/3'3
,d2.8410E(1)()
(lWho)2lW
0.0512.91
()0.111
(0.1010.5240.772)802.1
b'0.50.4(0.50.611)0.0470.148
0.153
c'343.01
(0.660.032)2
36002/3
d'2.841031(10.61)()1.421
0.66/3
0.111V20.148343.01L2L2S1.421S
2/3
VS21.333090L212.79LSS
a'
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表:
由此表数据即可作出液泛线5
根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图:
VS
LS
在负荷性能图上,作出操作点A,连接OA,即作出操作线。由图可看出,该筛板上限为液泛控制,下限为漏液控制。由图查得
VS,m3/s,VS,m3/s min1.063min0.309 故操作弹性为
VS,1.063max
3.440 VS,0.309min
九、设计一览表
将设计筛板的主要结果汇总于下表:
十、参考文献
[1]王国胜. 化工原理课程设计[M]. 大连:大连理工大学出版社,2005. [2]杨同舟.食品工程原理.北京:中国农业出版社,2001
[3]匡国柱,史启才. 化工单元过程及设备课程设计[M]. 北京:化学工业出版社,2005 [4] 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 大连:天津大学出版社,2005