化工原理課程設(shè)計實例

1、,化工原理課程設(shè)計實例,板式塔的設(shè)計,板式塔的設(shè)計內(nèi)容,工藝流程的設(shè)計板式塔的工藝計算板式塔的機械設(shè)計塔的輔助設(shè)備設(shè)計與選型,工藝流程的設(shè)計,板式塔的設(shè)計從兩方面考慮: 1.經(jīng)濟方面:應(yīng)該充分考慮整個系統(tǒng)熱能的利用,以便降低操作費用.

2、 例如:從塔頂出來的蒸氣和從塔底排出的液體帶出的熱量可用于預(yù)熱原料液或它處. 2.全塔操作的穩(wěn)定性:若操作不穩(wěn)定,就不能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻. 有時也把冷凝器分割為兩部分,一部分預(yù)熱原料液,另一部分用冷卻水使蒸氣冷凝.這樣可以用控制冷卻水量來控制冷凝器的操作,同時保證進料溫度一

3、定.為此控制再沸器中加熱蒸氣壓力的恒定是保證操作穩(wěn)定的條件之一,但原料液或回流液的流量和溫度發(fā)生變化時,穩(wěn)定情況也會受到一定的影響,為了使進料保持穩(wěn)定,一般入塔的原料液由高位槽供給,以免受泵的流量波動的影響. 為了保持回流液的穩(wěn)定,冷凝器常采用冷卻水,而不用塔頂蒸氣預(yù)熱原料液.因為塔頂蒸氣量如有波動,將影響回流液量及進料溫度.從而影響整個塔的操作穩(wěn)定性。有時也把冷凝器分割為兩部分,一部分預(yù)熱原料液,另一部分用冷卻水使蒸氣冷凝.這樣可

4、以用控制冷卻水量來控制冷凝器的操作,同時保證進料溫度一定. 塔釜液體雖然溫度很高,但用它來預(yù)熱原料液,對液-液傳熱過程其傳熱系數(shù)很小,則所需傳熱面積必然很大,精餾方案的選定,1.操作壓力(常壓,加壓,減壓)-----設(shè)計壓力一般指塔頂壓力 沸點低,常壓下為氣態(tài)的物料-----加壓操作, 加壓可提高操作的平均溫度,有利于塔頂蒸氣冷凝熱的利用或可使用較便宜的冷卻劑,減少冷凝,冷卻的費用.在相同的塔徑下,適當提高操作壓力,還可

5、提高塔的處理能力.但P提高,再沸器的T提高,相對揮發(fā)度下降. 熱敏性和高沸點的物料-----減壓操作.P降低,相對揮發(fā)度提高,有利于分離.操作的平均溫度降低,加熱劑溫度降低.但可導(dǎo)致D增加,塔頂蒸氣冷凝溫度降低,必須使用真空設(shè)備.相應(yīng)的操作費用和設(shè)備費用增加. 由于塔板壓降,從塔頂?shù)剿讐毫χ饾u增加,溫度也相應(yīng)的增加(物料組成和壓力同時作用的結(jié)果).因而沿塔物性和氣液負荷也隨之變化. 常壓和減壓塔---如塔板壓降不

6、是很大,工藝計算時假定全塔各處壓力相等--誤差不大. 減壓塔---壓力分布與塔板的結(jié)構(gòu)形式,氣液負荷,氣液物性等多種因素有關(guān),很難計算,一般先假設(shè)再較核.多次試差..,精餾方案的選定,2.進料狀態(tài) 原則講,要使回流在全塔發(fā)揮作用,全部冷量應(yīng)該加在塔頂,全部熱量加在塔底.但實際設(shè)計時應(yīng)該考慮設(shè)備費和操作費問題及操作平穩(wěn)等多種因素. 進料---預(yù)熱到泡點或接近泡點(進料溫度不受季節(jié)氣溫變化和前一道工序波動限制,塔的操作比較容易控制

7、.而且精餾段和提餾段的上升蒸氣量相近). 有時為了減小再沸器的熱負荷(如再沸器所需加熱劑溫度較高,或物料容易在再沸器內(nèi)結(jié)焦等)可在料液預(yù)熱時加入更多的熱量,甚至采用飽和蒸氣進料. 注意:實際設(shè)計還應(yīng)該考慮整個車間的流程安排.,精餾方案的選定,3.多股進料 原料來源不同,濃度差別很大,從分離角度,應(yīng)該從不同的位置加入.但所處理的物料量不多時(或其中的一種物料不多時),從設(shè)備加工和操作方便考慮,也往往多股混合以后作一股物料加入.

8、,精餾方案的選定,4.加熱方式大塔---塔外，形式----夾套式.蛇管式,列管式(立式再沸器,臥式再沸器) 立式熱虹吸再沸器的主要特點:傳熱系數(shù)較高,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,液體在管內(nèi)停留時間短,不容易結(jié)垢,且容易清洗;但殼程不能清洗,因此用于較臟的加熱介質(zhì);其本身造價較低,但要求較高的塔體裙座. 臥式熱虹吸再沸器的主要特點:可用低裙座,但占地面積大,出塔產(chǎn)品緩沖容積較大,故流動穩(wěn)定,在加熱段停留時間短,不容易結(jié)垢,可以使用較臟的加

9、熱介質(zhì). 立式和臥式強制循環(huán)再沸器的共同特點:適應(yīng)于高粘度液體和熱敏性物料,因為強制循環(huán)流速高,停留時間短,有利于工藝流體循環(huán)流量的控制和調(diào)節(jié).,精餾方案的選定,5.冷卻方式 1)冷卻劑----通常是水,水溫隨氣候而定.入口一般為15℃--20℃,出口<50℃，目的防止溶解于水中的無機鹽析出. 冷卻劑 還可以是冷凍鹽水.液氨等，一般用于較低溫度。 2)冷凝設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式 小塔---蛇管換熱器 大塔-

10、--列管式換熱器,工藝流程的設(shè)計,,工藝流程設(shè)計的要求,根據(jù)規(guī)定的操作條件進行工藝流程的設(shè)計時，所選的參數(shù)、設(shè)備的型式必須進行簡要的論證，對合理利用熱能的可能性要做簡要分析。繪制精餾裝置的工藝流程圖。設(shè)計開始時通常只能對方案、流程作初步安排，待整個設(shè)計計算完成后再對方案流程進行修正并作較全面的論證討論。,板式塔的工藝計算,精餾塔的物料衡算,熱量衡算,工藝流程圖1.物料衡算 確定各股物料的流量和組成2.熱量衡算

11、 確定 冷凝器熱負荷、再沸器熱負荷、冷卻器、預(yù)熱器3.確定最小回流比和適宜的回流比4.求解理論板層數(shù)5.估算全塔效率6.確定實際塔板數(shù),塔板的工藝設(shè)計,塔板間距塔徑估算溢流裝置塔板布置浮閥裝置塔板流體力學驗算,,塔板間距,塔板間距過小，霧沫夾帶嚴重，塔板效率降低。塔板間距過大，設(shè)備增高，金屬耗量增大 ，塔的造價增加。塔板間距直接影響塔的生產(chǎn)能力、分離效率、操作彈性及塔的高度。塔板間距與塔徑同時考慮。

12、板間距大，塔徑可小些。對于板數(shù)較多的塔，取較小的板間距，可適當降低塔高。,塔徑的估算塔徑的大小取決于上升的蒸汽流量和空塔氣速,適宜的空塔氣速與流體的物理性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)、流體力學等情況有關(guān)。計算時 u=(0.6~0.8)umax 最大空塔氣速umax 根據(jù)液滴在沉降過程中受力情況導(dǎo)出，其中氣體負荷系數(shù)C值由圖1~7查出 .塔徑 D（按標準GB9019-88圓整）對于選定的塔板間距是否合適，還要在后面進行流體力學驗

13、算，如果不合適需要重新選定，再估算塔徑。,,,,,,,進口堰及受液盤,進口堰（對圓形降液管多用）作用：1）保證液封，2）使液體在塔板上分布均勻，3）但因其占用較多塔截面，還易使沉淀物淤積造成阻塞，故多數(shù)不設(shè)。若設(shè)，hw’ 應(yīng)這樣考慮當hw ＞h0（有液封）時，hw’＝ hw當hw ＜h0（無液封）時，hw’＞h0為保證液體由降液管流出時不致受到很大的阻力，進口堰與降液管間的水平距離h1不應(yīng)小于h0，即h1≥h0對于直徑?

14、800以上的大塔多采用受液盤。,,受液盤,對于直徑?800以上的大塔多采用受液盤。作用：1、液封良好，且有改變液體流向的緩沖作用2、有側(cè)線抽出取深些，（一般大于50mm）,塔板布置,塔板分成四個區(qū)域：1鼓泡區(qū)：塔板上氣液接觸的有效區(qū)域。2溢流區(qū)：降液管及受液盤所占的區(qū)域。3破沫區(qū)（安定區(qū)）：前兩區(qū)之間的面積,不裝浮閥，主要作用為在液體進入降液管之前有一段不鼓泡的安定地帶，以免液體大量夾帶泡沫進入降液管 4無效區(qū)（邊

15、緣區(qū)）：支持塔板的邊梁，其寬 度根據(jù)塔板支承的需要而定。,浮閥塔中浮閥數(shù)目與排列,浮閥塔的操作性能以板上所有浮閥處于剛剛?cè)_時的情況為最好，這時塔板的壓強降及板上液體的泄漏都比較小而操作彈性較大。浮閥的開度與閥孔處氣相的動壓有關(guān)，動壓的大小取決于氣體的速度與密度。即動能因數(shù)：由動能因數(shù)作為衡量氣體流動時動壓大小的指標 F0——氣體通過閥孔時的動能因數(shù)uο————氣體通過閥孔時的速度m/sρν————氣體密度kg/m

16、3,排孔要求,1、排孔圖（鼓泡區(qū)）：排完之后的總孔數(shù)與算得的N相近，并按實排數(shù)目重算閥孔氣速，核算閥孔動能因數(shù)F0。若F0在9~12范圍內(nèi)，即可認為作圖得出的閥數(shù)能夠滿足要求。否則應(yīng)調(diào)整孔矩、閥數(shù)，重新作圖，反復(fù)計算。2、也可根據(jù)已算出的閥數(shù)及溢流裝置尺寸等，用作圖法求出所需的塔徑，并與最初估算的塔徑相比較，經(jīng)反復(fù)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，直到作圖所得出的塔徑與最初估算的塔徑相符為止。3、最后核算開孔率是否合適，否則前述過程重算。開孔率：對于

17、常壓塔或減壓塔開孔率在10~14%之間， 對于加壓塔開孔率常小于10%。,浮閥塔板的流體力學驗算,目的：檢驗上述各項工藝尺寸已經(jīng)確定的塔板，在設(shè)計任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下能否正常操作內(nèi)容：對塔板壓強降、液泛、霧沫夾帶、泄漏、等情況的驗算,浮閥塔板的流體力學驗算----氣體通過浮閥塔板的壓強降,原則：在保證較高效率的前提下，應(yīng)力求減小塔板壓降，以降低能耗及改善塔的操作性能。氣體通過一層浮閥塔板時的壓強

18、降 1）氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強降 2）氣流克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓強降 3）氣流克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓強降,閥塔板的流體力學驗算,液泛 為防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不能超過上層塔板出口堰。霧沫夾帶現(xiàn)象：板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。后果：過多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴重下降。霧沫夾帶到上一層塔板的液體量不應(yīng)超過0.1kg。通過泛點率控制。漏液現(xiàn)象

19、 控制閥孔動能因數(shù)在5~6之間。,浮閥塔的負荷性能圖,霧沫夾帶線：指控制ev=0.1kg液/kg氣時的Vs——Ls之間關(guān)系溢流液泛線：指降液管內(nèi)泡沫層高度達到最大允許值時的Vs——Ls之間關(guān)系液相負荷上限線（降液管超負荷線），反映了對于液體在降液管內(nèi)停留時間的起碼要求泄漏線（氣相負荷下限線），不發(fā)生泄漏的最低氣體負荷，是條平行于橫軸的直線，控制動能因數(shù)F0液相負荷下限線，平堰，一般取堰上液層高度how=0.006m。作為液相負

20、荷下限條件。低于此限便不能保證板上液流的均勻分布，降低氣液接觸效果,負荷性能圖,浮閥塔的負荷性能圖,在負荷性能圖上，由上述的五條線所包圍的區(qū)域是設(shè)計的塔板用于處理指定物系時的適宜操作區(qū)。即在此區(qū)域內(nèi)操作，塔板上的流體力學狀況是正常的。但該區(qū)域內(nèi)各點處的板效率并不完全相同。代表塔板的預(yù)定氣、液負荷的設(shè)計點P應(yīng)位于適中位置，則可望獲得穩(wěn)定良好的操作效果。若P點緊靠某一邊界線，則負荷稍有波動，便會使效率急劇下降，甚至完全破壞塔的操作。物系

21、一定時，負荷性能圖中各條線的相對位置隨塔板結(jié)構(gòu)尺寸而改變。操作彈性：氣相負荷上、下限之比稱為塔板的操作彈性系數(shù)簡稱操作彈性。浮閥塔的操作彈性一般為3~4。,,,附屬設(shè)備的設(shè)計與選型,1. 熱量衡算求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負荷和所需的冷卻水用量；2. 再沸器的熱負荷和所需的加熱蒸氣用量；3. 選定冷凝器和再沸器的型式；4. 取所需的換熱面積并查閱換熱器標淮，選取合適的換熱器型號；5. 確定主要接

22、管尺寸，列出接管表；精餾塔的主要接管包括蒸氣出口管、回流管、加料管、進氣管、釜液排出管等，接管的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計計算所需數(shù)據(jù)可查有關(guān)資料；選擇一換熱器進行校核設(shè)計。各換熱器型式的選定得視具體換熱系統(tǒng)、介質(zhì)性質(zhì)以及熱負荷大小等而定。換熱器設(shè)計中應(yīng)注意傳熱溫度差至少保持10—20℃左右，冷卻水出口溫度則不應(yīng)大于50℃ 對必須配置的原料泵、回流泵等進行選型計算。精餾裝置使用泵一般包括回流泵、產(chǎn)品泵、加料泵和冷卻水泵等，泵的選型計算可查閱有關(guān)