板式塔(筛板塔)设计

板式塔（筛板塔）精馏选定相平衡关系工艺计算塔和塔板主要尺寸的设计塔体总高及辅助装置1.精馏方案选定方案选定是指确定整个精馏设备的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：（1）满足工艺要求；（2）操作平稳、易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。1.1操作压力精馏可在常压、加压或减压下进行。沸点低、常压下为气态的物料必须选用加压精馏；热敏性、高沸点物料常用减压精馏。1.2进料状态一般将料液预热到泡点或接近泡点后送入塔内。这样可使：(1)塔的操作比较容易控制；(2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近，塔径相似，设计制造比较方便。1.3加热方式（1）间接蒸汽加热（2）直接蒸汽加热适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混合物。优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的蒸汽进行加热。操作费用和设备费用均可降低。2.相平衡关系2.1图查取操作压力下的气相摩尔分率和相应的液相摩尔分率，标绘图。2.2相对挥发度对于理想物系饱和蒸汽压可直接由手册查取，或由Antoine方程计算。全塔平均相对挥发度——分别为塔顶、加料、塔底组成的相对挥发度。汽液相平衡关系：3.工艺计算3.1物料衡算物料衡算的任务（1）由设计任务所给定的F、求D、W（2）在q和R选定后，计算（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程精馏段：提馏段：3.2回流比的选定选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，同时应考虑到操作时的调节弹性。选择方法：（1）参考生产现场所提供的回流比数据；（2）回流比取最小回流比Rmin的1.2～2倍；（3）先求最少理论板数Nmin,以理论板数为Nmin的两倍求取回流比R；（4）作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线图上确定合适的回流比R。3.3理论板数的确定（1）若物系符合恒摩尔流假定，可用逐板计算法或图解法求取理论板数NT及理论加料板位置。（2）对于非恒摩尔流物系，应在焓—浓度图上图解求取理论板数。3.4实际塔板数的确定3.4.1实际塔板数及实际加料板位置的确定塔釜为一块理论板式中N—塔内实际板数NT—理论板数ET—全塔总效率式中Nm——实际加料板位置NR——精馏段理论板数由于在计算中引用了诸多简化假定，Nm与实际情况有一定偏差。所以在设计时可在Nm的上下各多设一个加料口，待开车调试时再确定最佳实际加料板位置。 3.4.2塔板效率的估计塔板效率与物系性质、塔板结构及操作条件等众多因素有关，尚无精确的计算方法。常用的估计方法有：（1）参考生产现场同类型的塔板、物系性质相同（或相近）的塔板效率数据。（2）（3）朱汝瑾公式（4）VanWinkle关联（5）A·I·Ch·E法O’connell关联图ET——全塔效率——塔顶、塔底平均温度下的相对挥发度——液体平均粘度，mN·s/m2;温度以塔顶、塔底平均温度计；组成以进料组成计。图1精馏塔全塔效率关联图3.5热量衡算目的：确定再沸器的热负荷和冷凝器的冷却负荷。塔顶蒸汽带出热量Qv=VIv(I—焓，kJ/kg)塔底产品带出热量Qw=WIw进料带入热量QF=FIF回流带入热量QL=LIL塔釜加热量QB设备热损失Qn≈0.1QB总热量衡算Qv+Qw+Qn=QL+QF+QB∴QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF)塔顶冷凝器带走的热量QC塔顶产品带走的热量QD=DID冷凝器热量衡算QV=QC+QD+QL塔顶冷凝器冷却负荷QC=QV-QD-QL若为恒摩尔流，塔顶全凝，泡点回流且热损失很小，则可化简计算：QBQC=Vrc式中rc—组成为的混合液的平均气化热rb—组成为的混合液的平均气化热。 4.塔和塔板主要尺寸的设计4.1塔和塔板设计的主要依据进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是：汽相流量VS(m³/s),密度ρV(kg/m³)液相流量LS(m³/s),密度ρL(kg/m³)表面张力σ（mN/m）注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下：(1)若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为代表进行设计.(2)若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值进行设计。 4.2塔板的设计参数筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅）：（1）塔板直径D；（2）板间距HT；（3）溢流堰的型式，长度和高度hw；（4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho；（5）液体进、出口安定区的宽度Ws’、Ws,边缘区宽度Wc；（6）筛孔直径do,孔间距t。图2图2筛板的板面布置及主要尺寸4.3筛孔塔板的设计程序塔板设计的基本程序是：（1）选择板间距和初步确定塔径；（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必要，需对某些结构参数加以调整。4.3.1板间距的选择和塔径的初步确定一、板间距的选择HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系理论上，存在一个经济上最佳的HT；实际上，HT的选择常取决于制造和维修的方便，可参考下表选择。 表1不同塔径的板间距参考表450、500、550、600、650、700、750、800400、450、500、550、600、650、700300、350、400、450、500板间距TH/mm2600～66001400～2400800～1200塔径D/mm二、塔径计算HT选定之后，可根据夹带液泛条件初步确定D。具体方法是：(1)计算液泛速度式中——气体负荷因子，m/s；可由查取——液相表面张力，mN/m——气、液相密度，kg/m³ 注意：是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降液管面积（AT–Af）为依据计算的。图3图3筛板塔的泛点关联图(2)确定泛点百分率泛点百分率可取为0.8~0.85；对易起泡物系可取为0.75。泛点百分率确定后，便可计算出。(3)确定液流型式和液流型式可由确定的选取与液体流量L及系统发泡情况有关。单流型：=0.6~0.8双流型：=0.5~0.7对易发泡的物质：可取得高一些当液流型式和确定后，降液管面积Af和塔板总面积AT之比可由求得。 表2图4表2选择液流型式的参考表250～450110～250<110<116.0250～400110～250<110<115.0230～350110～230<110<114.0200～300110～200<110<113.090～160<90<112.0<70<91.4<45<71.0阶梯流型双流型单流型U形流型液体流量（m³/h)塔径/m图4弓型降液管的宽度与面积(4)计算塔径塔内气体流通面积且已求出，所以AT可确定。塔径根据塔设备系列化规格，将D圆整后作为初选塔径。4.3.2塔板结构设计一、溢流堰的型式和高度的选择（1）溢流堰一般为平顶的，当堰上液高how≤6mm时应采用齿形堰。（2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫层亦低，相际接触表面小；hw太高，液层阻力大，板压降高。堰高hw可参考下表选定。 805020最大值402010最小值加压常压真空堰高hW/mm表3各种操作情况的堰高参考表二、降液管和受液盘的结构和有关尺寸的选择(1) 降液管分为圆形降液管和弓形降液管两种，一般多采用弓形降液管。(2)受液盘有平型和凹型两种型式，对直径大于800mm的塔板推荐使用凹形受液盘。(3)为保证液封,ho应小于hw,但不应小于20~25mm以免堵塞。三、安定区和边缘区宽度的选择Ws’可取为50~100mmWs一般等于Ws’Wc与塔径有关，一般可取25~50mmWs、Ws’、Wc取定以后，单流型塔板的有效传质面积Aa可以确定。式中——分别为弓形降液管和受液盘的宽度，m。可由图4查出。四、孔径和开孔率的选择(1)孔径do的选择do小，加工麻烦，易堵塞；但不易漏液，操作弹性大。do大，加工容易，不易堵塞；但漏液点高，操作弹性小。推荐取3~8mm(2)的选择小，相际接触表面小，且板压降大。大，干板压降小且漏液点高，操作弹性下降。一般情况下，可取孔间距t=(2.5~5)do开孔率开孔率是孔径与孔间距t的比值d0/t决定的式中Ao——筛孔总面积Aa——有效面积4.3.3塔板的校核一、板压降的校核板压降等于干板压降与液层阻力之和，即(1)干板压降图5干板孔流系数图中δ——塔板厚度，一般碳钢塔板取3~4mm;合金钢板取2~2.5mmdo——孔径(2)液层阻力式中堰上液高βEFaβ为液层充气系数，可由图7求取若算出的板压降hf超过允许值，可增大开孔率或降低堰高hw使hf下降。图7充气系数β和动能因子Fa间的关系E为校正系数，也称液流收缩系数，其值可由图6查出。图3-6液流收缩系数式中——以塔截面积与降液面积之差即为基准计算的气体速度，m/s。二、液沫夹带的校核为使筛板具有较高的板效率，应控制液沫夹带量ev<0.1kg液体/kg干气。由可查出液沫夹带分率Ψ 液沫夹带量若算出的ev>0.1kg液体/kg干气，可增大塔径或板间距使ev下降。 图8图8液沫夹带关联图三、溢流液泛条件的校核为避免发生溢流液泛，必须满足式中相对泡沫密度与物系的发泡性有关：对一般物系，可取为0.5；对不易发泡物系可取为0.6～0.7;对于容易发泡物系，可取为0.3～0.4。降液管内清液高度其中hw已选定，hf,how前已算出，其余二项分别计算如下：(a)液面落差△对筛板塔，液面落差通常可忽略不计。(b)降液管阻力主要集中于降液管出口，可由下式计算四、液体在降液管内停留时间的校核为避免严重的气泡夹带现象，通常规定液体在降液管的停留时间不小于3～5s,即对易起泡物系，可取其中较高数值。五、漏液点的校核为使塔板具有足够的操作弹性，通常要求设计孔速uo与漏液点孔速uow之比不小于1.5～2.0，即k称为筛板的稳定系数 漏液点的干板压降hd或漏液点孔速uow与板上当量清液高度hc有关，Davies和Gordon对hd和hc进行了关联，结果如右图所示。图9筛板漏液点关联图 图中hc为漏液点当量清液高度，可由下式计算式中：——气体的动能因子，——以面积（AT-2Af）计算的漏液点气速，m/s。利用上式和图9可以试差求出漏液点的干板压降和相应的孔速。若算出的k值太小，可减少开孔率和降低堰高hw。4.3.4负荷性能图对一定物系和一定的塔结构，必相应有一个适宜的气液流量范围。该范围即为塔板负荷性能图所包围的区域。 图10筛板塔的负荷性能图V/(m³/h)图中线1为过量液沫夹带线。其位置通常是以液沫夹带量ev=0.1kg液体/kg干气为依据确定的。图中线2为漏液线。其位置可根据漏液点气速确定。图中线3为溢流液泛线。该线可根据溢流液泛的产生条件确定。图中线4为液量下限线。其位置可根据how=6mm确定。图中线5为液量上限线。其位置可根据液体在降液管中停留时间不小于3～5s确定。负荷性能图对于现有塔的操作、塔板的改造和设计有一定的指导意义。5.塔体总高及辅助装置5.1塔体总高度塔总高度（不包括裙座）由下式决定H=HD+(N－2－S)HT+SHT’+HF+HB式中H—塔高（不包括裙座），m—塔顶空间，mHT—塔板间距，m—开有人孔的塔板间距，m—进料段高度，m—塔底空间，mN—实际塔板数—人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）HDHT’HFHBS塔顶空间的作用是供安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口气体中液体夹带。一般HD取1.0～1.5m。HT’应大于或等于600mm。一般HF要比HT大，有时要大一倍，以保证防冲设施的安装。塔底空间具有中间贮槽的作用，釜液在此应有10～15分钟的储量。对于易结垢、结焦的物料每隔4～6块板开一个人孔；对于较清洁的物料，可每隔8～10板开一个人孔。人孔直径一般450～550mm。5.2接管尺寸5.2.1塔顶蒸汽管式中Vs——汽相流量，m³/s;——蒸汽速度，m/s。常压操作取12～20m/s。5.2.2回流管dR 式中Lh——回流液量，kg/h;ρL——液相密度，kg/m³;——液相在回流管内速度，m/s。重力回流取0.2～0.5m/s;强制回流取1.5～2.5m/s。5.2.3进料管df式中F——进料量，kg/h;——进料管内流速，一般取0.4～0.8m/s;由泵输送时取1.5～2.5m/s。5.2.4塔釜出料管dw 式中W——塔釜出料量，kg/h;——塔釜出料速度，一般取0.5～1.0m/s注意：所有计算所得尺寸均应圆整到相应规格的管径。5.3回流冷凝器5.3.1回流型式（1）小型塔冷凝器可安装在塔顶，冷凝液由重力作用回流入塔。（2）大型塔冷凝器安装在地面或平台上，回流液由泵输送，即强制回流。冷凝器常采用管壳式换热器，一般认为卧式壳程冷凝较好。 5.3.2工艺计算回流冷凝器的工艺计算内容包括：(1)按工艺要求决定冷凝器的热负荷QR，选择冷却剂、冷却剂进出口温度并计算冷却剂用量；(2)初估设备尺寸，由平均温度△tm和经验的总传热系数K,计算所需的传热面积A，并由此选择标准型号的冷凝器或自行设计；(3)复核传热面积，对已选型号或自行设计的设备计算实际的总传热系数K和实际所需传热面积；(4)决定安装尺寸，估计各管线长度及阻力损失，以决定冷凝器底部与回流入口之间的高度差HR。5.4再沸器5.4.1再沸器型式小塔再沸器可直接安装在塔底部，大型塔再沸器一般安装在塔外。常用再沸器的型式有热虹吸式再沸器，此种型式的再沸器可分为立式和卧式两种。 5.4.2工艺计算再沸器工艺计算的步骤与回流冷凝器计算相同，可参见5.3.2