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1、,化工原理課程設(shè)計(jì)實(shí)例,板式塔的設(shè)計(jì),板式塔的設(shè)計(jì)內(nèi)容,工藝流程的設(shè)計(jì)板式塔的工藝計(jì)算板式塔的機(jī)械設(shè)計(jì)塔的輔助設(shè)備設(shè)計(jì)與選型,工藝流程的設(shè)計(jì),板式塔的設(shè)計(jì)從兩方面考慮: 1.經(jīng)濟(jì)方面:應(yīng)該充分考慮整個(gè)系統(tǒng)熱能的利用,以便降低操作費(fèi)用.
2、 例如:從塔頂出來(lái)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(shí)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(lái)控制冷凝器的操作,同時(shí)保證進(jìn)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(shí),穩(wěn)定情況也會(huì)受到一定的影響,為了使進(jìn)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(dòng)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?yàn)樗斦魵饬咳缬胁▌?dòng),將影響回流液量及進(jìn)料溫度.從而影響整個(gè)塔的操作穩(wěn)定性。有時(shí)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(lái)控制冷凝器的操作,同時(shí)保證進(jìn)料溫度一定. 塔釜液體雖然溫度很高,但用它來(lái)預(yù)熱原料液,對(duì)液-液傳熱過(guò)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(jì)壓力一般指塔頂壓力 沸點(diǎn)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(fèi)用.在相同的塔徑下,適當(dāng)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(duì)揮發(fā)度下降. 熱敏性和高沸點(diǎn)的物料-----減壓操作.P降低,相對(duì)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(fèi)用和設(shè)備費(fèi)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(shí)作用的結(jié)果).因而沿塔物性和氣液負(fù)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(jì)算時(shí)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(fù)荷,氣液物性等多種因素有關(guān),很難計(jì)算,一般先假設(shè)再較核.多次試差..,精餾方案的選定,2.進(jìn)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)問(wèn)題及操作平穩(wěn)等多種因素. 進(jìn)料---預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)(進(jìn)料溫度不受季節(jié)氣溫變化和前一道工序波動(dòng)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(shí)為了減小再沸器的熱負(fù)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(shí)加入更多的熱量,甚至采用飽和蒸氣進(jìn)料. 注意:實(shí)際設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮整個(gè)車(chē)間的流程安排.,精餾方案的選定,3.多股進(jìn)料 原料來(lái)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(shí)(或其中的一種物料不多時(shí)),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(diǎn):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(shí)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(jià)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(diǎn):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(dòng)穩(wěn)定,在加熱段停留時(shí)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(qiáng)制循環(huán)再沸器的共同特點(diǎn):適應(yīng)于高粘度液體和熱敏性物料,因?yàn)閺?qiáng)制循環(huán)流速高,停留時(shí)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(wú)機(jī)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(jì),,工藝流程設(shè)計(jì)的要求,根據(jù)規(guī)定的操作條件進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)時(shí),所選的參數(shù)、設(shè)備的型式必須進(jìn)行簡(jiǎn)要的論證,對(duì)合理利用熱能的可能性要做簡(jiǎn)要分析。繪制精餾裝置的工藝流程圖。設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)通常只能對(duì)方案、流程作初步安排,待整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算完成后再對(duì)方案流程進(jìn)行修正并作較全面的論證討論。,板式塔的工藝計(jì)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(fù)荷、再沸器熱負(fù)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(shí)際塔板數(shù),塔板的工藝設(shè)計(jì),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(xué)驗(yàn)算,,塔板間距,塔板間距過(guò)小,霧沫夾帶嚴(yán)重,塔板效率降低。塔板間距過(guò)大,設(shè)備增高,金屬耗量增大 ,塔的造價(jià)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(shí)考慮。
12、板間距大,塔徑可小些。對(duì)于板數(shù)較多的塔,取較小的板間距,可適當(dāng)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(xué)等情況有關(guān)。計(jì)算時(shí) u=(0.6~0.8)umax 最大空塔氣速u(mài)max 根據(jù)液滴在沉降過(guò)程中受力情況導(dǎo)出,其中氣體負(fù)荷系數(shù)C值由圖1~7查出 .塔徑 D(按標(biāo)準(zhǔn)GB9019-88圓整)對(duì)于選定的塔板間距是否合適,還要在后面進(jìn)行流體力學(xué)驗(yàn)
13、算,如果不合適需要重新選定,再估算塔徑。,,,,,,,進(jìn)口堰及受液盤(pán),進(jìn)口堰(對(duì)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(dāng)hw >h0(有液封)時(shí),hw’= hw當(dāng)hw <h0(無(wú)液封)時(shí),hw’>h0為保證液體由降液管流出時(shí)不致受到很大的阻力,進(jìn)口堰與降液管間的水平距離h1不應(yīng)小于h0,即h1≥h0對(duì)于直徑?
14、800以上的大塔多采用受液盤(pán)。,,受液盤(pán),對(duì)于直徑?800以上的大塔多采用受液盤(pán)。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(xiàn)抽出取深些,(一般大于50mm),塔板布置,塔板分成四個(gè)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(pán)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(jìn)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(jìn)入降液管 4無(wú)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)_(kāi)時(shí)的情況為最好,這時(shí)塔板的壓強(qiáng)降及板上液體的泄漏都比較小而操作彈性較大。浮閥的開(kāi)度與閥孔處氣相的動(dòng)壓有關(guān),動(dòng)壓的大小取決于氣體的速度與密度。即動(dòng)能因數(shù):由動(dòng)能因數(shù)作為衡量氣體流動(dòng)時(shí)動(dòng)壓大小的指標(biāo) F0——?dú)怏w通過(guò)閥孔時(shí)的動(dòng)能因數(shù)uο————?dú)怏w通過(guò)閥孔時(shí)的速度m/sρν————?dú)怏w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(shí)排數(shù)目重算閥孔氣速,核算閥孔動(dòng)能因數(shù)F0。若F0在9~12范圍內(nèi),即可認(rèn)為作圖得出的閥數(shù)能夠滿(mǎn)足要求。否則應(yīng)調(diào)整孔矩、閥數(shù),重新作圖,反復(fù)計(jì)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(kāi)孔率是否合適,否則前述過(guò)程重算。開(kāi)孔率:對(duì)于
17、常壓塔或減壓塔開(kāi)孔率在10~14%之間, 對(duì)于加壓塔開(kāi)孔率常小于10%。,浮閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算,目的:檢驗(yàn)上述各項(xiàng)工藝尺寸已經(jīng)確定的塔板,在設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下能否正常操作內(nèi)容:對(duì)塔板壓強(qiáng)降、液泛、霧沫夾帶、泄漏、等情況的驗(yàn)算,浮閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算----氣體通過(guò)浮閥塔板的壓強(qiáng)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(guò)一層浮閥塔板時(shí)的壓強(qiáng)
18、降 1)氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 2)氣流克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 3)氣流克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降,閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)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(guò)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(guò)多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。霧沫夾帶到上一層塔板的液體量不應(yīng)超過(guò)0.1kg。通過(guò)泛點(diǎn)率控制。漏液現(xiàn)象
19、 控制閥孔動(dòng)能因數(shù)在5~6之間。,浮閥塔的負(fù)荷性能圖,霧沫夾帶線(xiàn):指控制ev=0.1kg液/kg氣時(shí)的Vs——Ls之間關(guān)系溢流液泛線(xiàn):指降液管內(nèi)泡沫層高度達(dá)到最大允許值時(shí)的Vs——Ls之間關(guān)系液相負(fù)荷上限線(xiàn)(降液管超負(fù)荷線(xiàn)),反映了對(duì)于液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的起碼要求泄漏線(xiàn)(氣相負(fù)荷下限線(xiàn)),不發(fā)生泄漏的最低氣體負(fù)荷,是條平行于橫軸的直線(xiàn),控制動(dòng)能因數(shù)F0液相負(fù)荷下限線(xiàn),平堰,一般取堰上液層高度how=0.006m。作為液相負(fù)
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(fù)荷性能圖,浮閥塔的負(fù)荷性能圖,在負(fù)荷性能圖上,由上述的五條線(xiàn)所包圍的區(qū)域是設(shè)計(jì)的塔板用于處理指定物系時(shí)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(xué)狀況是正常的。但該區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)處的板效率并不完全相同。代表塔板的預(yù)定氣、液負(fù)荷的設(shè)計(jì)點(diǎn)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(diǎn)緊靠某一邊界線(xiàn),則負(fù)荷稍有波動(dòng),便會(huì)使效率急劇下降,甚至完全破壞塔的操作。物系
21、一定時(shí),負(fù)荷性能圖中各條線(xiàn)的相對(duì)位置隨塔板結(jié)構(gòu)尺寸而改變。操作彈性:氣相負(fù)荷上、下限之比稱(chēng)為塔板的操作彈性系數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)與選型,1. 熱量衡算求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負(fù)荷和所需的冷卻水用量;2. 再沸器的熱負(fù)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(biāo)淮,選取合適的換熱器型號(hào);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(jìn)氣管、釜液排出管等,接管的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)計(jì)算所需數(shù)據(jù)可查有關(guān)資料;選擇一換熱器進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。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(fù)荷大小等而定。換熱器設(shè)計(jì)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(duì)必須配置的原料泵、回流泵等進(jìn)行選型計(jì)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(jì)算可查閱有關(guān)
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