化工原理课程设计说明书完成.doc

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1、目 录1.概述- 3 -1.1前言- 3 -1.2 设计内容- 3 -1.2.1 确定精馏装置流程：- 3 -2 精馏塔的工艺计算- 6 -2.1 塔的物料衡算- 6 -2.2 塔板数的确定- 7 -2.3 塔工艺条件及物性数据计算- 9 -2.4 精馏塔气液负荷计算- 13 -2.5 塔和塔板的主要工艺尺寸的计算- 13 -3 筛板的流体力学验算- 18 -3.1 气体通过筛板压降相当的液柱高度- 18 -3.2 精馏段雾沫夹带量的验算- 20 -3.3 精馏段漏液的验算- 20 -3.4 精馏段液泛验算- 20 -4.塔板负荷性能图- 21 -4.1精馏段- 21 -4.1.1 雾沫夹带线

2、- 21 -4.1.2 液泛线- 22 -4.1.3 液相负荷上限线- 23 -4.1.4漏液线（气相负荷下限线）- 24 -4.1.5 液相负荷下限线- 24 -5.精馏塔的的附属设备及接管尺寸- 25 -5.1 塔体结构- 25 -5.1.1 塔高- 25 -6.工艺设计计算结果汇总- 26 -总结- 27 -参考文献- 28 -主要符号说明- 29 -1.概述1.1前言化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 精馏是分离液体混合物最常用

3、的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上夜层，形成气夜密切接触的泡沫层。筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近于浮阀塔，其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易阻塞，不适宜粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具

4、有足够的操作弹性，对易引起阻塞的物系可采用大孔径的筛板。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核。1.2 设计内容1.2.1 确定精馏装置流程： 精馏装置包括精馏塔，原料预热器，蒸馏釜，冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定流程装置时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。 塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用分凝器或全凝器。一般

5、，塔顶，分凝器对上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油等工业中获取产品时往往采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用操作控制及安全因素。1.2.2 工艺参数的确定l 操作条件精馏操作可在常压，减压和加压下进行，操作压强常取决于冷凝温度。一般，性物以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河或循环水将冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏，对热敏性物料或混合液沸点的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下的馏出物的冷凝温度过低的系统，需要高塔压或采用深井水，冷冻盐水作为冷却剂；常压下呈现气态的物料必须采用加压蒸馏。l 进料液

6、状态的选择 进料热状态以进料热状态参数q表达，即 q=每摩尔进料变成饱和蒸汽所需热量/每摩尔进料的汽化潜热有五种进料状态，当q1时为低于泡点温度的冷凝进料；q=1时为泡点下的饱和液体；q=0为露点下的饱和蒸汽；1q0为介于泡点与露点间的汽液混合物；q0为高于露点的过热整齐进料。 原则上，在供热量一定情况下，热量应尽可能的由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精，提留段采用相同的塔径以便于制造，则采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器，若工艺要求减少塔釜加热避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则易采用气态进料。l 加热方式 蒸馏大多采用

7、间接蒸汽加热，设置在沸器。有时也采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残主要组分是水，切在低浓度下轻组分的相对挥发较大时宜采用直接加热，其优点是可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度，轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，顾需在提留段增加塔板以达到生产要求。l 回流比的选择选择回流比，主要从经济观点出发，力求使设备操作费用之和最低。一般经验值R=(1120) Rmin其中R-操作回流比，Rmin-最小回流比 对特殊物系和与场合，则应根据实际需要选定回流比。在进行课程设计时，也可以参同类生产的R经验值选定。必要时选

8、若干个R值，利用吉利兰图求出对应理论板数N，作出N-R曲线或N(R+1)-R曲线，从中找出适宜操作的回流比R。也可以做出R对精馏塔操作费用的关系线，从中确定适宜回流比R1.2.3 主要设备的工艺尺寸计算板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。1.2.4 流体力学计算流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。1.2.5 主要附属设备设计计算及选型 塔顶全凝器设计计算：热负荷，载热体用量，选型及流体力学计算。 料液泵设计计算：流程计算及选型。1.2.6 已知参数主要基础数据:（1）苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量沸点()临界温度tc,临界压强Pc,kPa苯A78.1180.1288.56833.

9、4甲苯B-92.13110.6318.574107.7（2）常压下苯甲苯的气液平衡数据温度，液相中苯的摩尔分数，x气相中苯的摩尔分数，y 110560000001099110025010879300711107615001121050510020810279150294100752003729884250442971330050795583505669409400619926945066791405007139011550755888060079187336508258652700857854475088584408009128333850936822590095981119509808066

10、97098880219909961800110001000(3)苯和甲苯的t关系温度t8090100110120苯 kg/m3815803.9792.5780.3768.9甲苯kg/m3810800.2790.3780.3770.0(4)液体表面张力温度t8090100110120苯 , mN/m21.2720.0618.8517.6616.49甲苯 ,mN/m21.6920.5919.9418.4117.31(5)液体的粘度温度t8090100110120苯 ， mPa.s0.3080.2790.2550.2330.215甲苯 ，mPa.s0.3110.2860.2640.2540.2282

11、 精馏塔的工艺计算2.1 塔的物料衡算2.1.1 料液及塔顶、塔底产品含苯的摩尔分率2.1.2平均分子量2.1.3 物料衡算总物料衡算易挥发组分物料衡算其中联立以上二式可得： 2.2 塔板数的确定2.2.1 理论板NT的求法用图解法求理论板2.2.1.1 根据苯和甲苯的气液平衡数据作出y-x图及图2.2.1.2 求最小回流比及操作回流比R，因泡点进料，在图中对角线上自点e(0.28,0.28)作垂线即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为，此即为最小回流比时操作线与平衡线的交点坐标。依最小回流比计算式：；取操作回流比2.2.1.3 求理论板数精馏段操作线方程为：按常规M,T，在图(1)上作

12、图解得：层（不包括塔釜），其中精馏段为5层，提馏段6.3层（不包括塔釜）第6层为加料版。2.2.2 全塔效率根据塔顶、塔底组成查图，求得平均温度为94.88，该温度下的液相平均粘度为： = 故：2.2.3 实际板数N精馏段: 提馏段: 2.2.4 精馏塔有效高度的计算精馏段的有效高度为：Z=（N1）HT=(101)0.4=3.6 提馏段得有效高度为：Z=（N1）HT=（131）0.4=4.8 m精馏塔的有效高度为：Z= Z+ Z=3.6+4.8=8.4 m2.3 塔工艺条件及物性数据计算2.3.1 操作压强的计算Pm塔顶压强PD=101.3kPa取每层塔板压降P=0.7kPa 则：进料板压强：

13、PF=101.3+100.7=108.3kPa塔釜压强：Pw=108.3+130.7=117.4kPa精馏段平均操作压强： =104.8kPa 提馏段平均操作压强：Pm = =112.85kPa.2.3.2 操作温度的计算近似取塔顶温度为,精馏段平均温度 提馏段平均温度 2.3.3 平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量的计算：由 ；进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查的： yF=0.611 、xF=0.401 ； ；塔釜摩尔质量的计算： 精馏段平均摩尔质量：；提馏段平均摩尔质量：；2.3.4 平均密度计算：m2.3.4.1 液相密度：塔顶部分 依下式：（质量分率）；其中=0.98,=0.02；即： ；进料

14、板处：由加料板液相组成：由xF=0.401 得=0.36； 塔釜处液相组成： =0.02； ；故 精馏段平均液相密度：；提馏段的平均液相密度：；2.3.4.2 气相密度： 精馏段的平均气相密度 提馏段的平均气相密度2.3.5 液体平均表面张力 的计算液相平均表面张力依下式计算，及塔顶液相平均表面张力的计算 ： ；则： 精馏段液相平均表面张力为： 提馏段液相平均表面张力为：2.3.6 液体平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算，即；塔顶液相平均粘度的计算：；进料板液相平均粘度的计算：；釜液相平均粘度的计算： ；则： 精馏段液相平均表面粘度为：提馏段液相平均表面粘度为：2.4 精馏塔气液负荷计算 精

15、馏段： 提馏段：；2.5 塔和塔板的主要工艺尺寸的计算2.5.1 塔径D 初选板间距HT=0.40m,取板上液层高度HL=0.06m 故：精馏段：HT-hL=0.40-0.06=0.36m 查下图表得：=0.072；依；取安全系数为0.7，则： 故：； 按标准，塔径圆整为1.5m,则空塔气速为0.80 ；提馏段：；查上图表得：=0.07；依公式：；取安全系数为0.70，则：；为了使得整体的美观及加工工艺的简单易化,在提馏段与精馏段的塔径相差不大的情况下选择相同的尺寸;故:D取1.6m塔的横截面积:空塔气速为板间距取0.4m合适2.5.2 溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，

16、不设进流堰。各计算如下：精馏段：（1）、溢流堰长 为0.7D，即：；（2）、出口堰高 hw hw=hL-how 由lw/D=1.06/1.6=0.66, 查手册知：E为1.02 依下式得堰上液高度：故：=0.06-0.016错误！未找到索引项。=0.044m（3）.降液管宽度与降液管面积有=0.66查下图得故：=0.124D=0.124 1.6=0.198m (4)降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速=0.08m/s 依式计算降液管底隙高度， 即： 2.5.3 塔板布置（1）、取边缘区宽度=0.035m ,安定区宽度=0.065m 精馏段：依下式计算开孔区面积其中 2.5.4 筛孔数n与开

17、孔率取筛孔的孔径d0为5mm正三角形排列，一般碳钢的板厚为3mm,取 故孔中心距t=3 5.0=15mm依下式计算塔板上筛孔数n ,即 依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即： （在515%范围内）精馏段每层板上的开孔面积气孔通过筛孔的气速3 筛板的流体力学验算3.1 气体通过筛板压降相当的液柱高度根据 干板压降相当的液柱高度根据，查干筛孔的流量系数图精馏段由下式得精馏段气流穿过板上液层压降相当的液柱高度由图充气系数与的关联图查取板上液层充气系数为0.6则=0.60.06=0.036精馏段克服液体表面张力压降相当的液柱高度由 =故精馏段 单板压降 =(设计允许值)3.2 精馏段雾沫夹带量的验算 由

18、式= =kg液/kg气0.1kg液/kg气 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带提馏段雾沫夹带量的验算 由式= =kg液/kg气0.1kg液/kg气 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带3.3 精馏段漏液的验算 =筛板的稳定性系数 故在设计负荷下不会产生过量漏液3.4 精馏段液泛验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度 由计算 =0.071+0.06+0.=0.132m 取=0.5，则=0.5（0.4+0.044）=0.222m 故，在设计负荷下不会发生液泛4.塔板负荷性能图4.1精馏段4.1.1 雾沫夹带线 式中 （a）=近似取E1.0，=0.044m，=1.06m故= =0.107+

19、0.67 （b） 取雾沫夹带极限值为0.1Kg液/Kg气，已知=，=0.4m，并将（a），（b）式代入得 整理得 （1）在操作范围内，任取n个值，依（1）式算出相应的值列于附表1中附 表 1Ls. 0.6x1.5x3.0x4.5xVs. 2.982.932.882.844.1.2 液泛线令 联立得 近似的取E=1.0, m故：取,近似的有故: 由式将及(c),(d),(e)代入得整理得:此为液泛线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列表如下 附 表 2Ls. 0.6x1.5x3.0x4.5xVs. 3.072.982.852.674.1.3 液相负荷上限线以作为液体在降液

20、管中停留时间的下限 则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限4.1.4漏液线（气相负荷下限线）由=4.43= =- = 得: 此为液相负荷上限线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列表如下附表3Ls. 0.6x1.5x3.0x4.5xVs. 0.790.810.840.864.1.5 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层告诉=0.006m，化为最小液体负荷标准, 取E1.0。由=即:则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线可知设计供板上限有雾沫夹带线控制，下限由漏夜线控制精馏段操作弹性5.精馏塔的的附属设备及接管尺寸5.1 塔体结构5.1.1 塔高根据实际的工作

21、经验，及相似条件下的精馏塔的相关参数的选择。已知全塔板间距，可选择塔顶空间。塔底空间全塔共有23块塔板，考虑清理和维修的需要，选择全塔的人孔数为个，在进料板上方开一人孔，人孔的直径选择为500mm，其伸出劳动塔体的长度为220mm。塔高5.1.2 塔板结构出于对劳动塔安装、维修、刚度等方面的考虑，将塔板分成多块。由1表 塔板分块数表查得，塔径为1.6m时，塔板分为4块。6.工艺设计计算结果汇总项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强104.8112.8各段平均温度86.55101.44平均流量气相1.461.41液相0.00390.0045实际塔板数块1013板间距0.40.4塔的有效高度

22、3.64.8塔径1.51.6空塔气速0.80.7塔板溢流形式溢流装置溢流管型式堰长1.06堰高0.044溢流堰宽度0.186管底与受液盘距离0.049板上清液层高度0.06孔径5.0孔间距15孔数个6588开孔面积0.129筛孔气速1.41.塔板压降0.56液体在降液管中停留时间13.02降液管内清液层高度0.132雾沫夹带0.016负荷上限Ls,max0.0183负荷下限0.00107气相最大负荷2.94气相最小负荷0.76操作弹性3.84总结两个星期的设计使我对化工原理知识有了更加深刻的认识，通过设计，感到有许多要学习，其中包括一些物料的计算，各种参数的选取，查阅各种资料，然后根据自己所处

23、理的量，选取适宜的参数，由于后面出现了压差大于所要求的压差，又回去改了一次，知道了应该从哪里改变参数。通过设计对精馏塔有了更加深刻的认识，丰富了理论知识，提高了对实际问题的处理能力。参考文献1汪恺机械设计标准应用手册第1版机械工业出版社19972夏清陈常贵化工原理（修订版）天津大学出版社20053化工原理课程设计化工原理教研室4姚玉英化工原理（上册）新版.天津天津大学出版社1999.85化工设计设计基础上海科学技术出版社6化工设备设计基础编写组编1987年6月版7换热器设计工设备设计全书编辑委员会上海科学技术出版社化1988年4月版8材料与零部件（上）上海人民出版社主要符号说明主要符号说明-塔

24、板开孔（鼓泡）面积， ; -筛孔气速，;-降液管面积，； -溢流堰高度，；-筛孔面积； -筛板的稳定性系数，无因次；-塔截面积，； -塔内下降液体的流量，；-计算时的负荷系数，无因次； -塔内下降液体的流量，；-流量系数，无因次； -溢流堰长度，；-塔顶馏出液流量，； -塔板数；理论板数；塔径，； -实际塔板数；-筛孔直径，； -理论塔板数；-液流收缩系数，无因次； -筛孔数；-全塔效率（总板效率），无因次； -操作压强，或;-雾沫夹带量，（液）/（气）； -压强降，或;-进料流量，； -进料热状态参数；-气相动能因数，； -回流比；开孔区半径，；-重力加速度，； -直接蒸汽量，； -板间距,

25、 ；塔高, ； -筛孔中心距，；-与干板压降相当的液柱高度，； -空塔气速，; -板上鼓泡层高度，； -漏液点气速，;-进口堰与降液管间的水平距离；， -塔内上升蒸气流量，；-塔内上升蒸气流量，； -液体密度校正系数-板上液层高度，； -釜残液（塔底产品）流量，；-降液管底隙高度，； Wd-弓形降液管宽度，； -堰上液层高度，； -无效区宽度，；-气相中易挥发组分的摩尔分率； -液相中易挥发组分的摩尔分率；-塔有效高度，； -开孔率；-液体密度校正系数。 -降液管底隙处液体流速，;-与克服液体表面张力的压降所当的液柱高度，； -与液体流经降液管的压降相当的液柱高度, ； -按开孔区流通面积计算

26、的气速，;-与气流穿过板上液层的压降相当的液柱高度，；-与单板压降相当的液层高度, ;-安定区宽度，； -热阻， m2./W；-流通面积，； -因数； - 厚度，； - 雷诺准数；-润湿周边，； S-传热面积，m2； -定压比热容，kJ/kg.； -冷流体温度，；D-管径，； t-管心距，m；-换热器壳径，； -热流体温度，；F-摩擦系数； u-流速，;F-温差校正系数； W-质量流量，kg/s。F-系数； G-重力加速度，m/s2H-挡板间距，m； K-总传热系数，W/m2.L-长度，m； m-程数；M-冷凝负荷，kg/m.s; -密度，kg/m3；N-指数； - 校正系数。N-管数； 下标

27、N-程数； c-冷流体； e-当量；Nu-努塞尔特准数； h-热流体；P-压强，Pa i-管内；P-因数； m-平均；Pr-普兰德准数； o-管外；Q-热通量,W/m2; s-污垢；Q-传热速率，W； s-饱和；R-半径，m； w-壁面； R-气化潜热，kJ/kg; t-温度差。希腊字母 -对流传热系数，W/m2.;-相邻板间的间距 ，m；-有限差值；-导热系数，W/m.; -粘度，Pa.s；希腊字母 下标-相对挥发度，无因次； A- 易挥发组分；-干筛孔流量系数的修正系数，无因次； B- 难挥发组分； D- 馏出液；-筛板厚度，mm； F- 原料液；O-板上液层充气系数，无因次； h- 小时；-粘度，mPa.s; i- 组分序号；L-液相密度,kg/m3; L- 液相； -气相密度, kg/m3; m- 平均；-液体表面张力，N/m或mN/m; min- 最小或最少； -时间，s。 Max- 最大； n- 塔板序