化学工程毕业设计-2.1万字精馏塔

1、摘要 本文以环己烷-正庚烷为物料体系，利用直径为0.75m、塔高为4m、堰高为50mm，内置4层塔板的精馏塔对筛板进行了传质性能的研究。在常压，部分回流的条件下，考察阀孔动能因子、回流比等因素对筛板塔板气液相默弗里板效率和全塔效率的影响，并与全回流条件下的实验数据作比较。实验结果表明，回流比越大，板效率越高，越接近全回流状态。部分回流板效率与全回流相比大约降低7%-8%，但这是一个允许的范围，所以扩大到工业生产是有意义的。关键词：精馏，部分回流，筛板塔板，默弗里板效率AbstractThe performance of mass transfer of seive trays were studied in a diameter of 750mm, height of 4000mm,weir of 50mm stainless steel column with 4 trays by using cyclohexane-normal heptane system. The influences of reflux ratio and F factor on Murphree effic

2、iency and overall efficiency in sieve plate were investigated and compared with data in total reflux.The result shows that the bigger reflux rate is,the higher plate efficiency is,which is more similar to the condition of total reflux,even if the plate efficiency in partial reflux is 7%-8% lower than counterpart in total reflux,it is permissible to use for industry.Keywords: Sieve trays,Plate efficiencies,partial reflux目录1 课题研究背景意义12 文献综述22.1 精馏技术介绍22.2筛板的特征结构22.3 塔板种类及发展发展3 2.4 塔板传质理论112.5 板效率1

3、23 实验部分153.1实验装置153.2 实验流程163.3 样品采集方法173.4 分析方法193.5 阀孔动能因子F的确定243.6 板效率的确定294 实验结果与分析324.1 两种阀孔洞能因子的比较324.2 板效率结果与分析325 结论395.1 结论395.2 实验改进建议39参考文献40致谢43部分回流条件下筛板塔板传质性能研究431 课题背景意义随着经济的不断发展，地球的资源也在减少，在人们物质生活日益丰富的今天，我们更需要节约资源，提高资源的利用率，达到可持续发展。因此，在工业生产中，我们特别需要讲究效率。在精馏单元操作中，提高塔板的效率尤为重要，决定了分离的效果。精馏过程是一种传热和传质的过程，用于分离组分沸点不同的液体混合物1；是应用数量最多，能耗最大和涉及面最广的石油、化学加工工业单元操作。在精馏塔中，塔板作为一种重要的塔内部件，其性能的优劣决定着塔设备的分离性能，而塔内的传质状态对于塔板性能的发挥也起着很重要的作用，进而影响到产品的质量和产量。所以研究和使用具有优良性能的新型塔内件以及塔内的两相流动状态对于增强塔内汽液传质，改善塔设备的性能和优化工业生产具有

4、十分重要的现实意义2。本实验以环己烷-正庚烷为实验物系，使用直径750mm，塔高4000mm的不锈钢精馏塔。在部分回流的条件下，主要比较筛板塔和浮阀塔在不同条件下的默弗里板效率、点效率和全塔效率，通过实验结果的分析，选择最优的操作条件和塔板类型。筛板塔板在工业设备中占有重要地位。因为筛板塔具有结构简单、造价便宜、相关研究数据充足等特点，所以在研究应用当中受到很大的青睐。 板效率有多种表示方法，如针对塔板上任意点的塔板点效率，针对整块塔板不计雾沫夹带、漏液等因素影响的默弗里单板效率又称干板效率，针对整块塔板计及雾沫夹带、漏液等因素影响的湿板效率，豪森板效率及总板效率等。经过长期的研究，已提出了许多板效率模型。这些模型中有些是纯经验关联式，而有些则是通过分析传质机理获得的机理模型即所谓的半经验半理论模型。所有这些板效率模型都具有各自的适用范围和精度。目前还没有一个普遍适用的板效率模型，这种状况可能还要持续相当长的时间，因为筛板上气液两相传质过程极为复杂，影响传质的因素实在太多，何况许多影响因素之间还相互关联3。中试实验数据对于工业规模精馏塔设计具有重要的参考价值，然而现有中试实验数据多为全

5、回流条件下的实验数据，部分回流中试实验由于物料消耗量大、操作困难等因素较少有人研究。为了更好的模拟工业规模精馏操作的实验条件，本课题在部分回流条件下测定了筛板塔板的板效率，并将其与塔板动能因子进行关联，然后与几种典型的浮阀塔板的传质效果进行比较。2 文献综述2.1 精馏技术介绍双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部，进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降，进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。两

6、段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。当使 n组分混合液较完全地分离而取得n个高纯度单组分产品时，须有n-1个塔4。精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗5。 2.2 筛板的特征结构尽管筛板几经改造已渐渐发展成为一类具有多种结构形式的塔板，但是每种筛板都包含着体现这类塔板结构特征的典型的部分，即筛板的整体特征结构，它包括筛孔、溢流堰和降液管三部分6。2.2.1 筛孔的整体结构筛板的结构参数比较多，按照本文的研究要求，所以仅围绕筛孔这一特征结构参数作简要的介绍。筛孔是筛板正常操作时的气相流过的通道。筛板上开有筛孔的区域称为开孔区。 从总体上看，整个筛板塔的气液流动是呈逆流的，气体从下而上，液体从上而下流动7。对于常规带有降液管的筛板，筛板的气液流动是呈错流型的，

7、即液体水平流过筛板板面，气体从下而上通过筛孔穿过塔板。液体通过降液管从一层塔板顺势流入到下一层筛板。气体穿过塔板上的筛孔鼓入液层，形成泡沫层，不断进行气液地传质，然后离开泡沫层，上升到上一层筛板上8。2.2.2 孔径筛板孔径的大小直接影响筛板的流体力学性能和传质性能。由于孔径的取值要考虑的因素比较多，加上大孔径的筛板已得到广泛的应用，使得孔径的取值范围变得更大，从而更加难以统一。由于孔径的取值的复杂性，我们硬性规定孔径的取值范围意义不大，一些研究者如Leibson等9研究的最佳孔径意义更不大。孔径的取值应依据物系特征和生产任务的要求，综合分析孔径对操作性能的影响以及规律，把重点放在分析孔径对某生产过程所控制的主要操作性能指标的影响机制上，合理、精心地选取。只有这样才有可能使塔板处于最佳的操作状态。依据以上观点，在众多文献中给出的筛孔孔径的推荐值仅仅适宜作为工程设计时的参考依据。例如魏兆灿等10推荐：在液相负荷较低的小塔径中，可以选取孔径mm；塔径较大时可以选用mm；当有某种特殊要求时，也可选用mm的小孔；在喷射状态下操作时宜选用大孔径，可以选择mm的大孔筛板。Shakhov认为：工业筛

8、板的孔径主要范围为1.525mm；在泡沫操作状态下时为38mm，并以5mm左右较为合适；喷射态下操作时一般在1225mm。筛孔的排列方式不一，可以是正三角形，等腰三角形或矩形，其中正三角形法在设计中采用的最多11。2.2.3 孔间距和开孔率影响筛板操作的主要因素还包括孔间距和开孔率。事实上，孔间距和开孔率完全是一回事，开孔率小时孔间距就大。孔间距一般取值，其中以比较合适。在时，气流互相干扰，极易出现液面波动甚至倾流的现象；但如果过大则会造成鼓泡不均，Ludwig12建议孔间距不宜大于6476mm。孔间距过大或者过小都会影响到传质效率。开孔率直接关系到筛孔的阀孔动能因子。在同一个空塔气速下，开孔率大的其孔动能因子就小。倘若筛孔动能因子过小，塔板上则会呈现鼓泡状态，从而使漏液量增大，塔板效率变低。而若筛孔阀孔动能因子过高，塔板上则会呈现部分喷射的状态，使得雾沫夹带量不断增加，使得塔板效率降低。筛板若在泡沫操作状态下，那么鉴于开孔区面积的开孔率宜取为5%10%。筛板在喷射状态下操作情况下，开孔率可提高到12%以上。为了使气液两相接触良好并塔板面积得到最大限度地利用，筛孔一般都采用正三角形的方

9、式排列。近些年来，塔板技术进步明显。国外陆续推出了一系列新型板型；国内也出现了较多的新型塔板13，这一切都显示出板式塔在以后的塔板发展中的强劲势头。2.3 塔板种类及发展板式塔是一类用于气-液或液-液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质14。2.3.1 垂直筛板2.3.1.1 基本原理 垂直筛板塔其传质单元是由塔板上开有文丘里喷嘴形式的升气孔及罩于其上的帽罩组成，是目前综合性能最为优越的板式塔。气液接触传质、传热过程是这样的：由下层塔板上升的气体经升气孔后气流收缩静压降低，板上的液体靠本身的液柱静压及气流的吸力进入帽罩内与上升气流形成气液混合物边进行传质、传热边上升，完成相当于普通鼓泡型塔板传质过程的第一阶段传质过程；气液混合物打到罩顶后进行液体的表面更新，并在罩内空间完成第二阶段传质；然后，气液混合物经帽罩上部侧壁上的开孔水平喷出，液体被分散成大量直径不等的液滴，形成很大的传质表面，在液层上部空间完成第三次传质、传热过程后，液滴返回板上液层内，气体继续上升至上层塔板。 图2-1为垂直筛板结构示意图15。图2-1 垂直筛板结构示意2.3.1.2 技术特点 (1) 传质效率高、传质空间利用率好。每层板上均经历三个阶段的传质过程。据实验测试和工业应用比较：新型垂直筛板的传质性能比目前公认的高效塔板一浮阀塔的效率高10-20%。 (2) 处理能力大。因从帽罩内喷出的气液混合物的流

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