化工设计精馏塔.doc

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1、内蒙古科技大学课程设计说明书前言化工原理课程设计是对化工原理课程内容的应用性训练环节，是理论与实践的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到以化工单元操作为主的化工设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握典型单元操作设计的主要程序和方法，培养学生综合运用理论知识分析和解决工程实际问题的能力。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质

2、量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。第一章 物与操作线方程1.1间接蒸汽加热方式下的物料恒算总物料衡算 易挥发组分的物料衡算 式中：，,进料、馏出液和釜残液的流量， 进料中易挥发组分的组成，摩尔分率 馏出液中易挥发组分的

3、组成，摩尔分率 釜残液中易挥发组分的组成，摩尔分率苯的摩尔质量为78，甲苯的摩尔质量为92.进料组成 =0.3884釜残液组成 馏出液组成 塔顶馏出液的平均摩尔质量 塔底馏出液的流量 全塔物料衡算 代入相关数据得：，1.2精馏段操作线方程1.2.1最小回流比的确定查化工原理（上册）第十页 苯-甲苯的温度-组成 t/80.1859095100105110.6a2.542.512.462.412.37x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.8970.7730.6330.4610.2690塔的平均相对挥发度取： 由公式 选择泡点下的饱和液体进料，此时代入上式，

4、所以 得 =1.2.2适宜回流比的确定根据设计经验，一般物系的适宜回流比为 将数据代入得 查化工原理（下册）第32页吉利兰图得下表：1.1Rmin1.2Rmin1.3Rmin1.4Rmin1.5Rmin1.6Rmin1.7Rmin1.8Rmin1.9Rmin2Rmin R1.932.112.282.462.632.812.993.163.343.510.059930.10940.16060.2030.24190.27650.30810.33770.36410.38930.570.520.480.440.420.400.380.370.350.32 N26.418623.437521.48081

5、9.821419.051718.3517.709617.39616.815.955然后由上数据得出图1.1，由图1.1得适宜回流比取1.2.3操作线方程 精馏段操作线方程提馏段操作线方程 kmol/h 第二章 理论塔板数的确定本次设计采用逐板计算法由相平衡方程，得 精馏段方程 则有 ， ， ， ， ， ， 则理论进料板为第12层，由于进料为饱和液体进料，则精馏段所需理论板层数为（不包括再沸器）， 同理然后令 计算直到 此处得n=7 所以提馏段6层 所以共需17层理论板（不包括再沸器），第三章 实际板层数的确定3.1 塔板总效率的估计在求出理论塔板数后，要先确定塔板总效率才可求出实际板数。塔板效

6、率是否定得合理，对所设计的塔在建成后能否满足生产上的要求有重要意义。而塔板效率与物系的性质、塔板的结构以及操作条件有密切的关系。由于影响因素很多，目前尚无适用范围和较精确的计算方法。一般用下面三种方法之一来确定：1、 参考工厂同类型塔板，物系性质相同（或相近）的塔效率的经验数据。2、 在生产现场对同类型，类似物系的塔进行实际查定，得出可靠的塔板效率数据。3、 在没有可靠的经验数据作参考时，可采用“奥康奈尔的蒸馏塔效率关联图”或“奥康奈尔关联式”来估算全塔效率。式中：全塔效率，无因次；全塔平均温度下的相对挥发度，无因次；塔顶第一块板上的温度，塔底最后一层板上的温度，塔顶和塔底平均温度下的液相粘度

7、， 对于多组分系统 可按下式计算，即 其中： 液相中任意组分i的摩尔分数； 液相中任意组分i的黏度；必须注意此关联式的适用范围是：（1）（2）液体的板长流程长度 5s式中：液体在降液管中的停留时间， 降液管的截面积，2. 降液管底隙高度降液管底隙高度即降液管下端与塔板间的距离，以表示。为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为：也可按下式计算：式中：一液体通过降液管底隙的流速，一般，不宜超过。也不宜小于，以免引起堵塞。取， 符合要求。3.受液盘及进口堰一般情况多采用平行受液盘，有时为使液体进入塔板时平稳并防止塔板液流进口处头几排阀孔因冲击而漏液，对直径为800以上的塔板，也推荐使用凹形受

8、液盘，此种结构也便于液体侧线抽出，但不宜使用易聚合或有悬浮物的料液。当大塔采用平行受液盘时，为保证降液管的液封并均布进入塔板的液流，也可设进口堰。4.5塔板设计4.5.1塔板布置塔板的板面一般分为四部分即：1. 溢流区溢流区面积为降液管面积，2. 安定区开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区（破沫区），其作用为使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。其宽度可参考下列经验值选定：时 时 直径小于1的塔可适当减小。在设计中，故选3. 无效区在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的边梁之用，称为无效区。其宽度视需要选定，小塔为，大塔可达。为防止液体经边缘区流过而产生

9、“短路”现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。设计中选定4. 开孔区为布置筛孔、浮阀等部件的有效传质区，亦称鼓泡区。其面积可以在布置板面上的开孔后求得，也可直接计算。对垂直弓形降液管的单流型塔板可按下式计算，即：式中：开孔区面积， ， ，参数计算：开孔区面积：4.5.2浮阀塔的开孔率及阀孔排列1.阀孔孔径孔径由所选定浮阀的型号决定。型（即V-1型）【5】浮阀使用得很普遍，已定为标准。型浮阀的孔径为39，故2.浮阀数目的确定为确定浮阀数，先要求操作时阀孔气速。对塔板效率、塔板压降及生产能力作综合考虑后，一般希望浮阀在刚刚全开时操作。浮阀全开时的阀孔气速称为阀孔临界气速。工业试验结果表明：浮阀临界动

10、能因数一般为： 由此关系可决定。式中：气相密度，取，得，通常，阀孔临界气速是操作中最适宜的阀孔速度。但在实际操作中，则视具体情况，可在等于、小于或大于阀孔临界气速下进行操作。如常压和加压操作时，取；负压操作时，取，在特殊情况下（如气体或蒸汽密度很小），可取得更低一些，以满足塔板压强降严格限制的要求。因为本次设计是在常压下操作，所以浮阀数可根据上升蒸汽量，阀孔气速和孔径用下式算出：3. 浮阀塔板的开孔率浮阀塔板的开孔率是指阀孔面积与板截面积之比，即：式中： 塔板面积， 阀孔总面积， 适宜的空塔气速，其余符号同前。在常压塔、减压塔中开孔率为；在加压塔中，开孔率小于，常见的为；在小直径塔中开孔率较低

11、；一般为。开孔率的计算： ，满足要求。为了适应塔中的各板或各段汽（气）相负荷的不同要求，设计时往往改变各板或各段塔板的开孔率。4. 阀孔的排列阀孔的排列应使绝大部分液体内部有汽（气）泡透过，一般按三角形排列。在三角形排列中又有顺排和叉排两种方式，采用叉排时，相邻阀孔中吹出的气流搅动液层的作用较顺排显著，鼓泡均匀，故一般采用叉排并且本设计中采用叉排。在整块式塔板中，浮阀常以等边三角形排列，其空心距一般为75，100，125，150等几种。在分块式塔板中，为便于塔板分块，浮阀一般按等腰三角形排列，三角形排列，三角形得底边固定为75，三角形高度为65，70，80，90，100，110几种，必要时还可

12、以调整。塔板上浮阀得排列，在绘图布置前，还需要计算或来进行排列。先确定，（），和，算出鼓泡区面积和浮阀数，则可由下列两式之一确定：对于分块式塔板，由于塔板塔接要占用一部分鼓泡区面积，所以实际布置阀孔时值应比计算值小，因此取5. 核算阀孔动能因数及开孔率由于实际排得的孔数不一定相等，所以浮阀布置后，还应进行及开孔率的核算：阀孔气速：浮阀动能因数：若不在范围内，则需调整布置至满足为止。开孔率： 应在为宜。根据作塔板布置图得，阀孔气速：浮阀动能因数： 在要求的范围内；开孔率： 也在范围内。4.6浮阀塔板的液体力学验算塔板液体力学验算的目的是为了检验以上初算塔径及塔各相工艺尺寸得计算是否合理，塔板能否

13、正常操作，验算项目如下：4.6.1气体通过浮阀塔板时的压强降为：式中： 气体通过每一层浮阀塔板得压强降， 气体克服干板阻力所产生得压强降， 气体克服板上充气液层得静压强所产生得压强降， 气体克服液体表面张力所产生的压强降，习惯上，常把这些压强降折合成塔内液体的液柱高度表示，故上式又可写成：式中： 与相当的液柱高度， 与相当的液柱高度， 与相当的液柱高度， 与相当的液柱高度，1. 干板压降由于浮阀全部开启前后，其干板阻力的计算规律不同，故在计算干板压降前，首先需确定临界孔速。临界孔速是板上所有浮阀全部开启时，气体通过阀孔的速度，以表示。对型重阀：当 （阀未全开）当 （阀已全开）式中： 阀孔气速，

14、 液体密度， 气体密度，临界孔速： 由于，2. 板上充气液层阻力一般以经验公式计算 式中： 板上液层高度， 反映板上液层充气程度的因数，称为充气因数，无因次。液相为水时，；为油时；为碳氢化合物时，。由于本设计体系为苯和甲苯，故取。板上充气液层阻力 3.液体表面张力所造成的阻力式中： 液体的表面张力， 浮阀的开度，由于浮阀塔的值通常很小，计算时可以从略。一般地说，浮阀塔压降比筛板塔的大，而比泡罩塔的小，因此设计中将其忽略。对常压或加压塔，允许的压降范围为：265530，减压塔为200左右。塔内液体的液柱高度 符合要求。4.6.2液泛为使液体能由上层塔板稳定地流入下层塔板，降液管内必须维持一定高度

15、的液柱。降液管内的清液及高度用来克服相邻两层塔板间的压强降、板上液层阻力和液体流过降液管的阻力。因次，可用下式表示：式中： 上升气体通过一层塔板所相当的液柱高度， 板上液层高度， 与液体流过降液管的压强降相当的液柱高度，可按下式计算：当板上不设进口堰时 式中： 液体体积流量， 堰长， 降液管底隙高度， 液体通过降液管底隙时的流速，为防止液泛发生，应保证降液管中当量清液层高度不超过上层塔板的出口堰。为此，应使 式中： 系数，是考虑到降液管内充气及操作安全两种因素的校正系数。 对一般物系，可取为0.30.4；对不易发泡物系，可取0.60.7.取，符合防止淹塔要求。4.6.3雾沫夹带通常，用操作时的

16、空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值为估算雾沫夹带量的指标，此比值称为泛点百分数，或称泛点率。在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定指标。即大塔 泛点率80%直径0.9以下塔 泛点率70%减压塔 泛点率900 的大塔，取泛点率=80%为其雾沫夹带量上限，则：按泛点率为80%计算如下泛点率=可整理出 依式算出相应的值列与下表中。据此，可做出雾沫夹带线（1）表40.0000.0103.663.374.7.2液泛线指降液管内泡沫层允许达到最大值时的关系。塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将会发生液泛，使塔不能正常操作。时可整理出的曲线方程。其中： 得出曲线方程为在操作范围内任取若干个值

17、，算出相应的值列于下表中表50.0010.0050.010.0155.184.964.694.37据表中数据做出液泛线（2）。4.7.3液相负荷上限线当降液管尺寸一定时，若液体流量超过某一限度使液体在降液管的停留时间过短，则其中气泡来不及释放就带入下一层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。要求液体在降液管内的停留时间秒，取秒计算，则求出上限液体流量值。在图上做出液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线（3）。4.7.4泄露线气相负荷下限线（为发生严重漏液现象时的最低气相负荷）对型重阀，当时，泄漏量接近10%为确定气相负荷下限的依据。当时，据此做出与液体流量无关的水平漏液线（4）.4.7.5液相负荷

18、下限线为保证板上液流分布均匀，提高接触效果，取堰上液层高度作为液相负荷下限。由于可以推出：所以：=0.00103由以上五条线在直角坐标上作图，五条线所围成的区域即为适宜操作区。根据以上五个方程可分别做出塔板负荷性能图上的（1）、（2）、（3）、（4）及（5）共五条线，见附图。由塔板负荷性能图可以看出：（1）任务规定的气、液负荷下的操作点P（设计点），处在适宜操作区以内的适中位置。（2）塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。（3）按照固定的液气比，由附图查出塔板的气相负荷上限和下限，进而求出操作弹性。4.7.6塔的操作弹性在塔的操作液气比下，在附图上作出操作线OP（操作点与坐标原

19、点的连线），操作线OP与负荷性能图交点的气相负荷与之比，称为操作弹性。操作弹性 在34范围内。设计塔板时，应适当调整塔板结构参数，使操作点在图中位置适中，以提高塔的操作弹性。第五章 塔体结构板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附属装置。除一般塔板按设计板间距安装外，其它处根据需要决定其间距。5.1塔体空间塔顶空间是指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距（甚至高出一倍以上），或根据除沫器要求高度决定。因板间距，故选取塔顶间距5.2塔底空间塔底空间是指塔内最下层塔板到塔底间距。其值由如下两因素决定，即：（1） 塔底贮液空间

20、依贮存液量停留或更长时间（易结焦物料可缩短停留时间）而定。（2） 塔底液面至最下层塔板之间要有的间距，大塔可大于此值。选塔底空间5.3人孔一般每隔层塔板设一人孔（安装、检修用），需经常清洗时每隔块塔板处设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600，人孔直径一般为（特殊的也有长方形人孔），其伸出塔体的筒体长为，人孔中心距操作平台约。本次设计中计算得实际板层数为32，故设人孔5个，并且选人孔处板间距。5.4塔高式中： 塔高（不包括封头、裙座）， 实际塔板数 进料板数 进料板处板间距， 人孔数 设人孔处的板间距， 塔顶空间（不包括头盖部分）， 塔底空间（不包括底盖部分）， 现将计算结果汇总列于下表表

21、浮阀塔板工艺设计计算结果项 目数值及说明备 注塔径D/m1.80板间距0.45塔板形式单溢流弓型降液管分块式塔板空塔气速1.0304堰长1.26堰高0.045 板上液层高度0.065降液管底隙高度0.0326浮阀数280等腰三角形叉排阀孔气速6.936阀孔动能因数11.445临界阀孔气速6.067排间距t/m0.080指相邻二横排的中心线距离单板压降580.86液体在降液管内停留时间16.75降液管内清液层高度0.1064泛点率/%54.60气相负荷上限3.40雾沫夹带控制气相负荷下限1.103漏液控制操作弹性3.36参考文献【1】、路秀林 王者相主编塔设备 化学工业出版社【2】、夏清 陈常贵

22、主编化工原理（上、下） 天津大学出版社【3】、贾绍义 柴诚敬主编化工原理课程设计 天津大学出版社【4】、自编讲义化工原理课程设计【5】、朱有庭 曲文海 于浦义主编化工设备设计手册（下） 化学工业出版社【6】、贾紹义等编 化工传递与单元操作课程设计 天津大学出版社2002【7】、程能林 胡声闻主编溶液手册（上册） 化学工业出版社1986致谢为期两个星期的化工原理设计即将结束了，这次设计是我们对化工原理知识的巩固和应用，由于知识学习的不扎实，经验的匮乏，有很多考虑不周全的地方，有时止步不前，如果没有老师的悉心指导，同学的帮助，想要完成这个设计是不可能的。在这里我首先要感谢郝文秀老师的悉心指导，她工作繁多，但在课程设计的全过程中，郝老师总能在百忙之中抽空给我们指导，在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。其次我要感谢的是在设计过程中帮助过我的同学们，在我遇到困难想放弃的时候是你们给予了我最大的支持和鼓励。在此我想说声谢谢！希望在今后的学习生活中，这次设计给我们带来的这种互帮互助的精神能够一直延续下去。还有在设计中发现的学习知识不牢固的问题，要引起注意，今后一定要温故知新，不能学了就忘了。34