化工原理课程设计简易步骤文档格式.docx
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12.精馏段计算结果汇总……………………………… ()
13.设计评述……………………………………………()
14.参考文献………………………………………………()
15.附件……………………………………………………()
附件1:
附图1精馏工艺流程图………………………()
附件2:
附图2降液管参数图……………………………()
附件3:
附图3塔板布孔图………………………………()
板式塔设计简易步骤
一、设计方案的确定及工艺流程的说明
对塔型板型、工艺流程、加料状态、塔顶蒸汽冷凝方式、塔釜加热方式等进行说明,并
绘制工艺流程图。
(图可附在后面)
二、精馏塔物料衡算:
见教材P270
计算出F、D、W,单位:
kmol/h
三、塔板数的确定
1.汽液相平衡数据:
查资料或计算确定相平衡数据,并绘制t-x-y图。
2.确定回流比:
先求出最小回流比:
P266。
再确定适宜回流比:
P268。
3.确定理论板数
逐板法或梯级图解法(塔顶采用全凝器)计算理论板层数,并确定加料板位置:
P257-258。
(逐板法需先计算相对挥发度)
确定精馏段理论板数N1、提馏段理论板数N2
4.确定实际板数:
估算塔板效率:
P285。
(需知全塔平均温度,可由t-x-y图确定塔顶、塔底温度,或通过试差确定塔顶、塔底温度,再取算术平均值。
需知相对挥发度,可由安托因方程求平均温度下的饱和蒸汽压,再按理想溶液计算。
)
由塔板效率计算精馏段、提馏段的实际板层数N1’,N2’:
P284式6-67。
四、精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算
1.操作压力:
取
2.精馏段平均温度:
查t-x-y图确定塔顶、进料板温度,再取平均值。
或由泡点方程试差法确定塔顶、进料板温度。
3.平均摩尔质量MVm、MLm:
由P8式0-27分别计算塔顶、进料板处的摩尔质量,再分别取两处的算术平均值。
汽相的摩尔分率查t-x-y图。
4.平均密度、:
:
用P13式1-7分别计算塔顶、进料板处液相密度,再取算术平均值。
5.液体表面张力:
由分别计算塔顶与进料板,再取平均值。
6.液体粘度:
与表面张力的计算类似。
五、精馏段汽液负荷(Vs、Ls)计算
V=(R+1)D L=RD
同时计算Vh、Lh。
冷凝器的热负荷:
(本设计不要求计算)
六、精馏段主要工艺结构尺寸的计算
(一)板间距HT的初估。
板间距初估是为了估算塔径,在P286表6-8初选。
(二)塔径的初估与圆整P286
1.液泛速度。
2.塔径:
计算,并圆整,再按P286表6-5,检验塔径是否合适。
3.实际操作气速。
七、塔板工艺尺寸的计算
(一)溢流装置:
说明采用何种形式的溢流堰、降液管、受液盘。
(以下为选择依据:
1.降液管:
降液管有圆形与弓形两类。
通常,圆形降液管只用于小直径塔,而弓形降液管由部分塔壁和一块夹板围成,它能充分利用塔内空间,普遍用于直径较大、负荷较大的塔板。
2.溢流方式:
溢流方式与降液管的布置有关。
常用的降液管布置方式有U型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等。
常选择的为单流型和双流型P281。
可依下表进行选择。
3.溢流堰的形式:
有平直形和齿形两种。
一般选择平型。
4)受液盘:
受液盘有平受液盘和凹形受液盘两种形式,如下图所示。
ﻫ(a)平受液盘(b)凹受液盘
平受液盘一般需在塔板上设置进口堰,以保证降液管的液封,并使液体在板上分布均匀。
但设置进口堰既占用板面,又易使沉淀物淤积此处造成阻塞,因此可不设进口堰。
采用凹形受液盘不需设置进口堰。
凹形受液盘既可在低液量时能形成良好的液封,又有改变液体流向的缓冲作用,并便于液体从侧线的抽出。
对于φ600mm以上的塔,多采用凹形受液盘。
凹形受液盘的深度一般在50 mm以上,有侧线采出时宜取深些。
凹形受液盘不适于易聚合及有悬浮固体的情况,因易造成死角而堵塞。
3.溢流装置的设计计算
1)堰长lw:
参见P281堰长lW应由液体负荷及溢流型式而定。
对于常用的弓形降液管:
ﻫ单溢流取lW=(0.6~0.8)D 其中D为塔径,m。
双流型塔板,两侧堰长取为塔径的0.5~0.7倍。
并保证堰上溢流强度,满足筛板塔的堰上溢流强度要求。
2)堰上液层高度how:
太小,堰上的液体均布差,太大则塔板压强增大,物沫夹带增加。
对于平直堰,堰上液层高度how可用弗朗西斯(Francis)经验公式求算:
ﻫ
式中:
Ls——塔内液体流量,m3/h;
lw——堰长,m;
E——液流收缩系数。
ﻫ 液流收缩系数E,可由液流收缩系数计算图查取。
一般情况下可取E=1,所引起的误差对计算结果影响不大。
平直堰,一般how>0.006m,若低于此值,改用齿形堰。
How也不宜超过0.06~0.07m,否则改用双溢流型塔板。
3)出口堰高hw:
堰高hw需根据工艺条件与操作要求确定。
设计时,一般应保持塔板上清液层高度在50~100mm。
计算公式:
式中:
hL——板上液层高度,在50~100mm内取值,m;
how——堰上液层高度,m。
堰高一般在0.03~0.05m范围内,对于减压塔的hw值应较低,以降低塔板的压降。
堰高还要考虑降液管底端的液封,一般应使堰高在降液管底端0.006m以上,大塔径相应增大此值。
若堰高不能满足液封要求时,可设进口堰。
在求出how后,检验堰高是否在下式范围:
4)弓形降液管宽度Wd与截面积Af:
可根据查由下图查得。
(图中AT为塔横截面积。
)
按P306式6-65验算停留时间。
即
若不能满足上式要求,应调整降液管尺寸或板间距,直至满足要求为止。
5)降液管底隙高度h0:
降液管底隙高度h0应低于出口堰高度hw,才能保证降液管底端有良好的液封,一般取为:
,m
降液管底隙高度一般也不宜小于20~25mm,否则易于堵塞,或因安装偏差而使液流不畅,造成液泛。
在设计中,塔径较小时可取h0为25~30mm,塔径较大时可取h0为40mm左右,最大可达150mm。
降液管底隙高度h0也可用下式计算:
ﻫ式中:
LS——塔内液体流量,m3/s;
u0′——液体通过降液管底隙的流速,m/s;
一般可取u0′=0.07~0.25m/s。
(二)塔板布置
1.边缘区宽度与安定区宽度
塔板通常分为四个区:
即边缘区、安定区、溢流区、开孔区。
确定边缘区宽度:
在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用,称为无效区,也称边缘区。
其宽度Wc视塔板的支承需要而定,小塔一般为30~76mm,大塔一般为50~75mm。
为防止液体经无效区流过而产生短路现象,可在塔板上沿塔壁设置挡板。
确定安定区宽度:
开孔区与溢流区之间的不开孔区域称为安定区,也称为破沫区。
溢流堰前的安定区宽度为Ws,其作用是在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带,以免液体大量夹带气泡进入降液管;
安定区的宽度可按下述范围选取,即:
溢流堰前的安定区宽度Ws=70~100mm 。
对小直径的塔(D<
lm),因塔板面积小,安定区要相应减小。
溢流区为降液管及受液盘所占的区域,其中降液管所占面积以Af表示,受液盘所占面积以A′f表示。
2.计算开孔区面积:
ﻫ 对单溢流型塔板,开孔区面积可用下式计算,即
式中,m;
m;
为以角度表示的反正弦函数。
对双流型塔板,请查资料。
3. 开孔数及筛孔排列(浮阀塔板):
①阀孔直径:
阀孔直径由所选浮阀的型号决定,如常用的F1型浮阀的阀孔直径为39mm。
②阀孔数:
阀孔数n取决于操作时的阀孔气速u0,而u0由阀孔动能因数F0决定。
式中uo——孔速,m/s;
ρV——气相密度,kg/m3;
F0——阀孔的动能因子,一般取8~11(苯-甲苯体系取9-13),对于不同的工艺条件,也可适当调整。
阀孔数n的计算:
式中 n——阀孔数;
V——气相流量,m3/s;
d0——阀孔孔径,m。
由所选浮阀的型号决定。
③阀孔的排列:
阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。
正三角形排列又有顺排和叉排两种方式(见下图)。
采用叉排时,相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显,而且相邻两阀容易被吹开,液面梯度较小,鼓泡均匀,所以采用叉排更好。
在整块式塔板中,阀孔一般按正三角形排列,其孔心距t有75mm,100mm,125mm,150mm等几种。
ﻫ 在分块式塔板中,阀孔也可按等腰三角形排列,三角形的底边t′固定为75mm,三角形高h(即排间距)有65mm,70mm,80mm,90mm,l00mm,110mm几种,必要时还可以调整。
ﻫ按等腰三角形排列时:
按正三角形排列时:
ﻫ ﻫ式中h——等腰三角形的高,m;
Aa——开孔鼓泡区面积,m2;
ﻫt′——等腰三角形的底边长,m,一般取为0.075m;
ﻫA0——阀孔总面积,;
t——正三角形的孔心距,m。
估算后要根据实际排间距核算实际阀孔数。
根据实际阀孔数校核孔速及阀孔动能因数。
和塔板开孔率。
塔板上阀孔的开孔率指阀孔面积与塔截面之比。
即。
一般开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏液量大,板效率低,最好为6%-9%。
八、精馏段塔高(精馏段):
九、精馏段塔板的流体力学验算
1.塔板压降:
塔板压降计算式为:
:
即要验算:
是否小于设计规定的0.7kPa。
其中hp的计算:
hp——与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度,m;
ﻫhc——与气体克服干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度,m;
ﻫhl——与气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降相当的液柱高度,m;
hσ——与气体克服液体表面张力所产生的压强降相当的液柱高度,m。
1)hC的计算:
将浮阀达到全开时的阀孔气速称之为临界孔速,以uoc表示。
对于F1重阀(质量约33g,阀孔直径为39mm)干板压降计算式为:
ﻫ 阀片全开前(uo<
uoc) 阀片全开后(uo≥uoc)
ﻫ式中:
uo——阀孔气速,m/s;
uoc——气体通过阀孔的临界气速,m/s。
浮阀塔板在浮阀全开前和全开后,压降随气流速度的变化规律不同,计算时应先计算出临界气速uoc,以判别用不同公式计算。
将上二
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