1 篩板精餾塔 設計 方案 1 緒論 題研究意義、研究現狀及擬采用的技術路線 題研究意義、研究現狀 在化工或煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量 ， 質量 ， 生產能力和消耗定額，以及三廢處理和環境保護等各個方面都有重大的影響 。 據有關資料報道，塔設備的投資費用占整個工藝設備投資費用的較大比例 。 因此，塔設備的設計和研究，受到化工 、 煉油等行業的極大重視 6。 塔設備是化工、石油等工業中廣泛使用的重要生產設備。 它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的 。 常見的、可在塔設備中 完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等 2。此外，工業氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等 。 化工生產中所處理的原料，中間產物，粗產品幾乎都是由若干組分組成的混合物，而且其中大部分都是均相物質。生產中為了滿足儲存，運輸，加工和使用的需求，時常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態的物質。 塔設備的基本功能就是提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使傳熱、傳質兩種傳遞過程能夠迅速有效的進行；還能使接觸之后的氣、液兩相及時分開，互不夾帶。 篩板塔是最早應用于工業生產的設備 之一，五十年代之后，通過大量的工業實踐逐步改進了設計方法和結構。近年來與浮閥塔一起成為化工生產中主要的傳質設備。 篩板塔 普遍用作 塔 ， 應用于 蒸餾 、 吸收和 除塵 等。 篩板精餾塔屬于板式塔，篩板精 餾塔具有結構簡單，造價低，板上液面落差小，氣體壓降小，生產能力大，氣體分散均勻，傳質效率高的優點，是化工生產中常見的單元操作設備之一。 篩板塔始于 1830 年，是結構最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當氣量過小或過大時，易發生嚴重漏液或過量液沫夾帶現象；而且易堵塞，不宜處理粘度大、易結焦的物料，一度時間曾影響到它的應用推廣。 20世紀 50年代后，隨著林德塔板、導向塔板的應用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨廣泛。導向篩板是 60年代由美國聯合碳化物公司林德子公司開發應用的，國內有北京化工大學進行系統研究，他們認為導向 篩板從導向噴出的水平氣速均勻穩定的推動板上液 2 流前進，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化區，提高了傳質效率和生產能力。在酒精工業，導向篩板使固含率達 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩定流動，解決了長期存在的賭塔和液泛問題，并增產約篩板塔始于 1830年，是結構最簡單的一種板型。由于其操作彈性小，當氣量過小或過大時，易發生嚴重漏液或過量液沫夾帶現象；而且易堵塞，不宜處理粘度大、易結焦的物料，一度時間曾影響到它的應用推廣。 20 世紀 50年代后，隨著林德塔板、導向塔板的應用推廣，篩板塔又重新啟用并日趨 廣泛。導向篩板是 60年代由美國聯合碳化物公司林德子公司開發應用的，國內有北京化工大學進行系統研究，他們認為導向篩板從導向噴出的水平氣速均勻穩定的推動板上液流前進，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化區，提高了傳質效率和生產能力。在酒精工業，導向篩板使固含率達 10的粘稠成熟醪在塔板上均勻穩定流動，解決了長期存在的賭塔和液泛問題，并增產約 50；在鄰、對硝基氯苯精餾過程中，導向篩板解決了要求理論塔板數多、壓降低的難題。這種塔板還具有結構簡單，維修方便，造價低廉的特點，該類塔板經過深入研究和大 力推廣，目前已廣泛應用于石油、化工、輕工、香料的領域。 近年來 ， 國際上涌現出來了一些新型板式塔，如 新型垂直篩板塔（ 是世界上第三代（最新一代）板式塔技術之一，它是噴射型板式塔，與后者相比具有傳質效率高、處理能力大、阻力小、操作彈性好等優異性能 6。 此外，具有優良特性的新型篩板還有 士 此就不一一闡述了。 在塔設備的技術改造中，國內多種性能優良的新型板式塔已經得到成功的應用，隨著科學技術的進步，需要更多、更好的板式 塔來進行生產，這就要求板式塔向著低耗損，低成本，高效率和環保的方向發展。塔板效率是實際傳質過程進行的反映 ， 是衡量塔板性能和塔板設計的主要依據 ， 由于其影響因素多而且復雜 ,準確預測有一定的難度 ， 目前解決的辦法是采用經驗方法或建立在較簡單的傳質模型 (例如雙膜理論 )基礎上的半經驗計算方法 。為了衡量塔板的傳質性能，研究人員提出了塔板點效率的概念，并對塔板的點效率進行了深入研究。板式塔作為重要的傳質設備之一， 在各種分離工藝過程中廣泛應用 ， 開發新型傳質效率高、壓降小、通量大的板式塔，塔內件始終是板式塔技術的發展方向 6。 餾塔設計的擬采用的技術路線 設計是典型的塔設備設計，其主要任務是參數選擇和結構設計、計算及強度校核等 。 擬采用以下設計步驟： 一、篩板精餾塔工藝設計計算部分 3 二、篩板精餾塔結構設計計算部分 定塔高； 蘭的設計 三、繪制精餾塔裝備圖，塔板結構圖 4 2 工藝設計 計方案的確定及工藝流程的說明 原料液經臥式列管式預熱器預熱至泡點后送入連續板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用循環式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產品經冷卻后送至苯液貯罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜產品經臥式列管式冷卻器冷卻后送入氯苯貯罐。 塔的物料衡算 液及塔頂底產品含苯的摩爾分率 苯的相對分子質量為 苯的相對分子量為 kg/料組分： = 液組分： = 殘液組分： 平均摩爾質量 k g/ k m 5 . 2 4 9 110 . 4 9 k g/ k m k g / k m o 塔物料衡算 依題給條件：年處理量 10 萬噸，一年以 330 天，一天以 24 小時計，有： 2433010100000 3 = 12626.3 F = k g / k m o l g / h = 全塔物料衡算： 5 易揮發組分： 聯立方程組： （ 2 D （ 2 解方程組 （ 2（ 2得： D = W = 板數的確定 論塔板數的確定 苯 以采用圖解法來求得理論塔板數。 （ 1） 繪制苯 查閱文獻 3，得苯甲苯的汽液相組分。繪制圖形如下： 圖 2 （ 2）確定操作的回流比 R 在 上，因 q=1,查得： 712.0 Fq 6 故有： i n xy 考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的2 倍： m （ 3）求精餾塔的氣、液相負荷 1( () = 1 = = （ 4）求理論塔板數 精餾段操作線方程： 2 8 xR y D 提餾段操作線方程為過點 ( (點的直線。 圖 2論塔板圖 圖解 得理論塔板數為 13 塊（包括再沸器），理論進料板為第七塊板。 7 際塔板數的計算 ( 1 )塔效率的計算 當 ， 1x 當 t， y。 塔的平均溫度為： WD 查閱 文獻 2，在塔的平均溫度下，苯和甲苯的黏度為： A ，B 。所以進料液的平均黏度為： 塔頂相對揮發度： 1 塔底相對揮發度： 8 8 精餾塔的平均相對揮發度為： 用奧康奈爾關聯公式計算全塔效率，對于篩板塔， k=以： mT ( 2 )實際塔板數 精餾段： 6/=整為 13 塊；提餾段： 6/=整為 13塊。加料板在第十四塊板，全塔實際總共有 26 塊板。 的精餾段操作工藝條件及相關物性數據的計算 作壓力 取每層塔板壓降為 算。 塔頂壓力： k P 1 加料板壓力： k P 5 塔釜壓力： k P 5 k P 05 提餾段平均壓強： k P 14 作溫度 由苯甲苯的 ，查得塔頂溫度為 進料板為 塔釜為 所以： 精餾段平均溫度為： 提餾段平均溫度為： 均摩爾質量 塔頂： x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 加料板： y ， x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 塔釜： y ， x （查相平衡圖） k g / k m o k g / k m o 6 6 精餾 段： k g / k m o k g / k m o 提餾段： k g / k m o k g / k m o 均密度 (1)液相平均密度 由文獻 3 查得： 9 當 ， 3, kg/ 3, kg/ ， 3, kg/ 3, kg/ t時， 3, kg/ 3, kg/料板液相質量分率： 釜液相質量分率： 0 1 3 6 6 6 頂液相平均密度： 3,kg/ 加板液相平均密度： 3,kg/ 塔釜液相平均密度 ： 3,kg/ 精餾段液相平均密度： 3, k g / 72/ 餾段液相平均密度： 3, k g / 01 2)氣相平均密度 精餾段： 3, k g / m 餾段： 3, kg/ m R 液體的平均表面張力 由文獻 3 查得： 當 ， ， mN/ t時， mN/ mN/10 塔頂： m N / 進料板： m N / 塔釜： m N / 精餾段： m N / m提餾段： m N / m體的平均粘度 查文獻 2，得： 當 ， ， t時， 頂液體平均黏度： , 加料板液體平均黏度： , 塔釜液體平均黏度： , 精餾段液體平均黏度： 餾段液體平均黏度： 體和塔板主要工藝結構尺寸的計算 徑的計算 (1)精餾段的塔徑 精餾段的汽液相體積流量為： /, 11 /, 初選塔板間距 H 及板上液層高度 h ，則： LT 按 求取允許的空塔氣速： 查 用關聯圖得： 所以： m / 80 7 2 a x 取安全系數為 空塔氣速： a x 精餾段的塔徑： s 圓整取 ，塔截面積 22 54 t ，此時的操作氣速m/ m a ，安全系數為： 62.0 ，在 塔徑合適。 (2)提餾段的塔徑 提餾段的汽液相體積流量為： /, /, 初選塔板間距 H 及板上液層高度 h ，則： LT 按 求取允許的空塔氣速： 查 用關聯圖得： C 12 負荷因子： 所以： m / 20 6 9 a x 取安全系數為 空塔氣速： a x 精餾段的塔徑： s 圓整取 ，塔截面積 22 54 t ，此時的操作氣速m/ m a ，安全系數為： 66.0 ，在 徑合適。 板工藝結構尺寸的設計與計算 (1)精餾段的塔板 溢流裝置： 由于塔徑中等，根據流量，可以采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤，且不設進口內堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高對平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 0 5 0 文獻 2 圖 11 ，于是： 6 0 00 0 5 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度3 由 文獻 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內的停留時間 5 0 （滿足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分塊式塔板，查文獻 2 可知塔板分為 5 塊。 （ a）邊緣區寬度080 （ b）i i 開孔數 n 和開孔率 ： 取篩孔的孔徑 三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每層塔板的開孔數 ） 每層塔板的開孔率 1 0 9 0 2 應在 515%，故滿足要求） 每層塔板的開孔面積 A 氣體通過篩孔的孔速 m / 8 2 )提餾段的塔板 14 溢流裝置： 由于塔徑中等，根據流量，可以采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤，且不設進口內堰。 （ a）溢流堰長（出口堰長） 取 b）出口堰高度對平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 1 文獻 2 圖 11 ，于是： 6 0 2 8 滿足要求） 取 5 ，假設 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的寬度文獻 2 得 ： 22 ， 2229.0 液體在降液管內的停留時間 （滿足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分塊式塔板，查文獻 2 可知塔板分為 5 塊。 （ a）邊緣區寬度080 （ b）開孔區面積5 i i 開孔數 n 和開孔率 ： 取篩孔的孔徑 三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每層塔板的開孔數 ）， 每層塔板的開孔率 1 0 9 0 2 應在 515%，故滿足要求）， 每層塔板的開孔面積 A ， 氣體通過篩孔的孔速 m / 0 板的流體力學驗算 餾段篩板的流體力學驗算 (1)氣體通過篩板壓降的驗算 （ a） 式中孔流系數文獻 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻 3 圖 12： c）氣體通過篩板的壓降（單板壓降） 4 4 16 0 . 7 k P 3 4 （滿足工藝要求）。 (2)霧沫夾帶量的驗算 氣體通過有效流通截面積的氣速單流型塔板有： m / A 足要求）液氣液 / 式中： ，驗算結果表明不會產生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗算 氣體克服液體表面張力產生的壓降 漏液點的氣速 m / 80 0 2 0 5 5 篩板的穩定性系數 會產生過量液漏） (4)液泛的驗算 為防止降液管發生液泛，應使降液管中的清液層高度 3 8 0 5 0 h 3 8 4 一般物系 液柱液柱 故不會產生液泛。 通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適。 17 餾段篩板的流體力學驗算 (1)氣體通過篩板壓降的驗算 （ a） 式中孔流系數文獻 3 得出， 767.0 （ b） 查閱文獻 3 圖 12： c）氣體通過篩板的壓降（單板壓降） 7 7 0 . 7 k P 8 80 7 7 2 （滿足工藝要求）。 (2)霧沫夾帶量的驗算 氣體通過有效流通截面積的氣速單流型塔板有： m/ A 足要求）液氣液 / k k 6 式中： ，驗算結果表明不會產生過量的霧沫夾帶。 (3)漏液的驗算 氣體克服液體表面張力產生的壓降 漏液點的氣速 m / 1 9 篩板的穩定性系數 會產生過量液漏） 18 (4)液泛的驗算 為防止降液管發生液泛，應 使降液管中的清液層高度 h 5 7 一般物系 液柱液柱 故不會產生液泛。 通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適。 板負荷性能圖 餾段的塔板負荷性能圖 (1)霧沫夾帶線 2 式中： 3/23/23/將已知數據代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應 的 19 表 233據表中數據作出霧沫夾帶線。 (2)液泛線 3/23/23/ 2 8 2 8 3/23/ h h 23/23/ 23/22 1 5 5 0 （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據表中數據作出液泛線。 (3)液相負荷上限線 / 8 2 m a x, 20 (4)漏液線（氣相負荷下限線） 3/25 8 5.0 漏液點氣速： u 整 理得： , V （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應的 233據表中數據作出漏液線。 (5)液相負荷下限線 取平堰堰上液層高度 006.0 。 3/2m i n, , 精餾段塔板負荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷： 21 操作彈性 = in,m a x, 餾段的塔板負荷性能圖 (1)霧沫夾帶線 2 式中： 3/23/23/ 7 0 2 8 0 00 0 2 8 將已知數據代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據表中數據作出霧沫夾帶線。 (2)液泛線 3/23/23/ 2 8 2 8 22 3/23/ h h 23/23/ 23/22 6 4 （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應的 表 233據表中數據作出液泛線。 (3)液相負荷上限線 / 8 2 m a x, (4)漏液線（氣相 負荷下限線） 3/25 9 5.0 漏液點氣速 u 整理得： , V （ 2 在操作范圍內，任取幾個式（ 2出對應的 23 表 233據表中數據作出漏液線。 (5)液相負荷下限線 取平堰堰上液層高度 006.0 。 3/2m i n, , 提餾段塔板負荷性能圖如下： 圖 2餾段塔板負荷性能圖 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷： 操作彈性 = in,m a x, 24 3 塔盤結構設計 盤的選型 由于塔徑 D = 1800 塔盤選用分塊式塔盤（五塊）其結構示意圖如圖3盤板選用自身梁式。 圖 3盤結構示意圖 2和 4為標準塔盤寬度為 415 3為通道板其寬度為 420 1、 5為弓形切角塔板。 液管及受液盤 液管 本設計選用可拆分、傾斜式、弓形降液管，傾斜的角度為 10 其結構示意圖如圖 3 受液盤 當液體通過降液管與受液盤的壓力降大于 ，應采用凹型受液盤。凹型受液盤對液流流向有緩沖作用，可降低塔盤人口處的液峰，使 得液流平穩，有利于塔盤人口區更好地鼓泡。 本設計選用可拆分、凹型受液盤，其結構示意圖如圖 325 圖 3流裝置結構示意圖 流裝置計算 因塔徑 D = 1800 用單溢流弓形降液管，采用凹型受液盤。 板布置