筛板精馏塔设计示例Word文档下载推荐.docx
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3塔板数的确定
(1)理论板层数NT的求取
苯一甲苯属理想物系,可采用图解法求理论板层数。
①由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据,绘出x~y图,见图3-22。
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3-19中对角线上,自点e(0.45,0.45)作垂线ef即为进料线(q线),该线与平衡线的交点坐标为
yq=0.667xq=0.450
故最小回流比为
取操作回流比为
③求精馏塔的气、液相负荷
图3-22图解法求理论板层数
④求操作线方程
精馏段操作线方程为
提馏段操作线方程为
⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数,如图3-22所示。
求解结果为
总理论板层数NT=12.5(包括再沸器)
进料板位置NF=6
(2)实际板层数的求取
精馏段实际板层数
5/0.52=9.6≈10,
提馏段实际板层数
6.5/0.52=12.5≈13
4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PD=101.3+4=105.3kPa
每层塔板压降△P=0.7kPa
进料板压力PF=105.3+0.7×
10=112.3kPa
精馏段平均压力Pm=(105.3+112.3)/2=108.8kPa
(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、甲苯的饱和蒸气压由
安托尼方程计算,计算过程略。
计算结果如下:
塔顶温度tD=82.1℃
进料板温度tF=99.5℃
精馏段平均温度tm=(82.l+99.5)/2=90.8℃
(3)平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
由xD=y1=0.966,查平衡曲线(见图3-22),得x1=0.916
进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板(见图3-22,得yF=0.604
查平衡曲线(见图3-22),得xF=0.388
精馏段平均摩尔质量
(4)平均密度计算
①气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算,即
②液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算,即
塔顶液相平均密度的计算
由tD=82.1℃,查手册得
进料板液相平均密度的计算
由tF=99.5℃,查手册得
进料板液相的质量分率
精馏段液相平均密度为
ρLm=(812.5+791.6)/2=802.1kg/m3
(5)液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算,即
塔顶液相平均表面张力的计算
由tD=82.1℃,查手册得σA=21.24mN/mσB=21.42mN/m
σLDm=0.966×
21.24+(1-0.966)×
21.42=21.25mN/m
进料板液相平均表面张力的计算
由tF=99.5℃,查手册得σA=18.90mN/mσB=20.0mN/m
σLFm=0.388×
18.90+(1-0.388)×
20.0=19.57mN/m
精馏段液相平均表面张力为
σLm=(21.25+19.57)/2=20.41mN/m
(6)液体平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算,即
lgμLm=Σxilgμi
塔顶液相平均粘度的计算
μA=0.302mPa·
sμB=0.306mPa·
s
lgμLDm=0.966×
lg(0.302)+(1-0.966)×
lg(0.306)
解出μLDm=0.302mPa·
进料板液相平均粘度的计算
μA=0.256mPa·
sμB=0.265mPa·
lgμLFm=0.388×
lg(0.256)+(1-0.388)×
lg(0.265)
解出μLFm=0.261mPa·
精馏段液相平均粘度为
μLm=(0.302+0.261)/2=0.282mPa·
5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
由umax=C·
式中C由式3-5计算,其中的C20由图3-2查取,图的横坐标为
取板间距HT=0.40m,板上液层高度hL=0.06m,则
HT-hL=0.4-0.06=0.34m
查图3-2得C20=0.072
C=0.072·
umax=C·
(m/s)
取安全系数为0.7,则空塔气速为
u=0.7×
umax=0.7×
1.196=0.837m/s
D=
m
按标准塔径圆整后为D=1.0m
塔截面积为
AT=0.785D2=0.785×
1.02=0.785m2
u=VS/AT=0.621/0.785=0.791m/s
(2)精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
Z精=(N精-1)HT=(10-1)×
0.4=3.6m
提馏段有效高度为
Z提=(N提-1)HT=(15-1)×
0.4=5.6m
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
Z=Z精+Z提+0.8=3.6+5.6+0.8=10m
6塔板主要工艺尺寸的计算
(1)溢流装置计算
因塔径D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘。
各项计算如下:
①堰长lw
取
②溢流堰高度hw
由
选用平直堰,堰上液层高度hOW由式3-7计算,即
近似取E=1,则
取板上清液层高度hL=60mm
故
③弓形降液管宽度Wd和截面积Af
,查图3-10,得
依式3-13验算液体在降液管中停留时间,即
>
5s
故降液管设计合理。
④降液管底隙高度h0
取降液管底隙的流速
,则
0.006m
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘,深度
=50mm。
(2)塔板布置
①塔板的分块
因D≥800mm,故塔板采用分块式。
查表3-7得,塔极分为3块。
②边缘区宽度确定
取Ws=
=0.065m,Wc=0.035m
③开孔区面积计算
开孔区面积Aa按式3-16计算,即
其中x=D/2-(Wd+Ws)=0.5-(0.124+0.065)=0.311m
r=D/2-Wc=0.5-0.035=0.465m
故
④筛孔计算及其排列
本例所处理的物系无腐蚀性,可选用δ=3mm碳钢板,取筛孔直径d0=5mm。
筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为
t=3d0=3×
5=15mm
筛孔数目n为
开孔率为
Φ=A0/Aa=0.907/(t/d0)2=10.1%
气体通过筛孔的气速为
筛孔气速u0=VS/A0=0.621/(0.101×
0.532)=11.56m/s
7筛板的流体力学验算
(1)塔板压降
①干板阻力hc计算
干板阻力hc由式3-26计算,即
由d0/δ=5/3=1.67,查图3-14得,C0=0.772
②气体通过液层的阻力hl计算
气体通过液层的阻力hL由式3-31计算,即
查图3-15,得β=0.61。
③液体表面张力的阻力hσ计算
液体表面张力所产生的阻力hσ由式3-34计算,即
气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算,即
气体通过每层塔板的压降为
<
0.7kPa(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
液沫夹带量由式3-36计算,即
kg液/kg气<
0.1kg液/kg气
故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,max可由式3-38计算,
实际孔速u0=11.56m/s>u0,min
稳定系数为K=uo/u0,min=11.56/5.985=1.93>
1.5
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3-46的关系,即
Hd≤φ(HT+hw)
苯一甲苯物系属一般物系,取φ=0.5,则
φ(HT+hw)=0.5(0.40+0.047)=0.224
而Hd=hP+hL+hd
板上不设进口堰,hd可由式3-44计算,即
hd=0.153(u0/)2=0.153(0.08)2=0.001m液柱
Hd=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱
Hd≤φ(HT+hw),故在本设计中不会发生液泛现象。
8塔板负荷性能图
(1)漏液线
,
得
整理得
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-19。
表3-19
Ls/(m3/s)
0.0006
0.0015
0.0030
0.0045
Vs/(m3/s)
0.309
0.319
0.331
0.341
由上表数据即可作出漏液线l。
(2)液沫夹带线
以ev=0.1kg液/kg气为限,求Vs-Ls关系如下:
由
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-20。
表3-20
1.218
1.158
1.081
1.016
由上表数据即可作出液沫夹带线2。
(3)液相负荷下限线
对于平直堰,取堰上液层高度hOW=0.006m作为最小液体负荷标准。
由式3-21得
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
以θ=4s作为液体在降液管中停留时间的下限
据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线4。
(5)液泛线
令
联立得
忽略hσ,将hOW与Ls,hd与Ls,hc与Vs的关系式代人上式,并整理得
式中:
将有关的数据代入整理,得
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-22。
表3-22
1.129
1.091
1.033
0.974
由上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,如图5-20所示。
图3-23精馏段筛板负荷性能图
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,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为漏液控制。
由图3-23查得
Vs,max=1.075m3/sVs,min=0.317m3/s
故操作弹性为Vs,max/Vs,min=3.391
所设计筛板的主要结果汇总于表3-23。
表3-23筛板塔设计计算结果
序号
项目
数值
1
平均温度tm,℃
90.8
17
边缘区宽度,m
0.035
2
平均压力pm,kPa
108.8
18
开孔区面积,m2
0.532
3
气相流量VS,(m3/s)
0.621
19
筛孔直径,m
0.005
4
液相流量LS,(m3/s)
0.0017
20
筛孔数目
2731
5
塔的有效高度Z,m
9.2
21
孔中心距,m
0.015
6
实际塔板数
23
22
开孔率,%
10.1
7
塔径,m
1.0
空塔气速,m/s
0.791
8
板间距
0.4
24
筛孔气速,m/s
11.56
9
溢流型式
单溢流
25
稳定系数
1.93
10
降液管型式
弓型
26
单板压降,kPa
0.629
11
堰长,m
0.66
27
负荷上限
液泛控制
12
堰高,m
0.047
28
负荷下限
漏夜控制
13
板上液层高度,m
0.06
29
液沫夹带,kg液/kg气
0.014
14
堰上液层高度,m
0.013
30
气相负荷上限,m3/s
1.075
15
降液管底隙高度,m
0.032
31
气相负荷下限,/s
0.317
16
安定区宽度,m
0.065
32
操作弹性
3.391
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