化工原理课程设计-连续精馏塔筛板塔的设计.doc

广东石油化工学院 化工原理课程设计题 目 连续精馏塔筛板塔的设计指导教师 成绩 评阅教师 姓名 班级 高分子专09-1班 学号 完成时间 目录第一部分 概述1、 设计题目.42、 设计任务.43、 设计条件.44、 工艺流程图.4第二部分 工艺设计计算1、 设计方案的确定.52、 精馏塔的物料衡算.51.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数.5 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质 量.5 3.物料衡算原料处理量.5三、塔板数的确定.5 1.理论板层数的求取.5 2.实际板层数的求取.74、 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.7 （一）精馏段. 7 1.操作压力计算.7 2.操作温度计算.7 3.平均摩尔质量计算.7 塔顶摩尔质量计算.7 进料板平均摩尔质量计算.7 塔底摩尔质量计算. .7（4）精馏段平均摩尔质量.7 4.平均密度计算.7 精馏段气相平均密度计算.7（2）精馏段液相平均密度计算.7 5.液相平均表面张力计算.8 精馏段塔顶液相平均表面张力计算.8 精馏段进料板液相平均表面张力计算.8 6.液相平均粘度计算.8 精馏段塔顶液相平均粘度计算.8 精馏段进料板液相平均粘度计算.8 （2） 提留段.8 1.操作压力计算.8 2.操作温度计算.8 3.平均摩尔质量计算.8 4.平均密度计算.85.液相平均表面张力计算.86.液相平均粘度计算.8 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.9 （一）精馏段 1.塔径的计算.9 2.精馏塔有效高度计算.10（二）提馏段 1.塔径的计算.10 2.精馏塔有效高度计算.106、 塔板主要工艺尺寸的计算.10 （一）精馏段 1.溢流装置计算.10 堰长.11 溢流堰高度.11 弓形降液管宽度和截面积.11 2.塔板布置.12 塔板的分块.12 边缘区宽度确定.12 开孔区面积计算.12 浮阀孔计算及其排列.12 （二）提留段 1.溢流装置计算.12 堰长.12 溢流堰高度.12 弓形降液管宽度和截面积.13 2.塔板布置.13 塔板的分块.13 边缘区宽度确定.13 开孔区面积计算.13 浮阀孔计算及其排列.147、 筛板的流体力学验算.14 1.塔板压降.14 2.液面落差.14 3.液沫夹带.14 4.漏液.15 5.液泛.158、 塔板负荷性能图.15 1.漏液线.15 2.液沫夹带线.16 3.液相负荷下限线.16 4.液相负荷上限线.16 5.液泛线.16 （提留段） 十一、设计一览表.20九、塔附件设计.20 1.接管进料管.20 2.法兰.21 3.筒体与封头.21 （1）筒体 .21 （2）封头.21 十、热量衡算. 221、 再沸器.222、 冷凝器.223、 苯冷凝器.234、 甲苯冷凝器.235、 原料预热器.24 十一、参考文献24第一部分 概述1、 设计题目：浮阀板式精馏塔设计二、设计任务：试设计分离苯-甲苯混合物的筛板精馏塔。已知原料液的处理量为 ，组成为 （苯的质量分数），要求塔顶馏出液的组成为 ，塔底釜液的组成为 。操作压力进料热状况回流比单板压降全塔效率三、设计条件试根据上述工艺条件作出筛板的设计计算。四、工艺流程图 原料液由泵经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。一、设计方案的确定本设计任务书为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的 1.5 倍。二、精馏塔的物料衡算1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 = 甲苯的摩尔质量 = =2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量= = =3. 物料衡算原料 原料处理量 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 3、 塔板数的确定 1、理论半数的确定 苯-甲苯属于理想物系故相对挥发度 ，又因为泡点进料故：最小回流比及操作回流比为： 取操作回流比为： 求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程 精馏段操作线方程 提馏段操作线方程逐板法求理论板层数 求解结果为：精馏段塔板数：提留段塔板数： 进料板位置 ： 2. 实际板层数的求取 精馏段实际板层数： 提馏段实际板层数： 总实际板数： 4、 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 （一）精馏段 1.操作压力计算塔顶操作压力： 每层塔板压降 ： 进料板压降： 精馏段平均压力： 2.操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下: 塔顶温度 进料板温度塔釜温度 3.平均摩尔质量计算 塔顶摩尔质量计算： 进料板平均摩尔质量计算 由逐板法，得 （3）精馏段气液混合物平均摩尔质量 4.平均密度计算气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算： （3）塔顶液相平均密度计算： 由 ，查手册得 （4）进料板液相平均密度计算： 由 ，查手册得 （5）进料板液相的质量分数计算： （6）精馏段液相平均密度为 5.液相平均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力计算 由 ，查手册得 进料板液相平均表面张力计算 由 ，查手册得 精馏段液相平均表面张力为： 6.液相平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算： 塔顶液相平均粘度计算 由 ，查手册得 进料板液相平均粘度计算 由 ，查手册得 精馏段液相平均粘度为 （3） 提留段1.操作压力计算塔釜操作压力： 提馏段平均压力： 2.操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下: 塔釜温度提留段平均温度 3.平均摩尔质量计算 塔釜摩尔质量计算塔釜气、液混合物平均摩尔质量由于 故 （3）提馏段气液混合物平均摩尔质量 4.平均密度计算气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算： （1）塔釜液相平均密度计算： 由 ，查手册得 （2）提留段液相平均密度计算： 5.液相平均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算，即 塔釜液相平均表面张力计算 由 ，查手册得 提馏段液相平均表面张力为： 6.液相平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算： 塔釜液相平均粘度计算 由 ，查手册得 提馏段液相平均粘度为 5、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 （一）精馏段 1.塔径的计算（1）最大空塔气速的计算公式： 精馏段的气、液相体积流率为：由式 可求得c，其中 可查图3-3得到，图中的横坐标为：取板间距 ，板上层液高 ，则 查图5-1得 取安全系数为0.6，则空塔气速为： （2） 塔径 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 实际空塔气速为 （二）提留段 1.塔径的计算（1）最大空塔气速的计算公式： 提馏段的气、液相体积流率为：由式 可求得c，其中 可查图3-3得到，图中的横坐标为：取板间距 ，板上层液高 ，则 查图5-1得 取安全系数为0.6，则空塔气速为： （2）塔径 按标准塔径圆整后为 实际空塔气速为 2.精馏塔的有效高度的计算 精馏段有效高度为 在进料板上方开 个人孔，其高度为 ，故精馏塔的有效高度为 （六）塔板主要工艺尺寸的计算（一）精馏段1.溢流装置计算筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因d=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长 取溢流堰高度 由，选用平直堰，堰上液层高度 近似取 e=1 ，则取板上清液层高度弓形降液管宽度和截面积 依式 验算液体在降液管中停留时间，即 因其 ， 故降液管设计合理。降液管底隙高度，计算公式 取 则 故降液管底隙高度设计合理。 2.塔板布置及浮阀数目排列 取阀孔动能因素 ，则有 每层塔板上浮阀数目与排列： 取边缘宽带 ，泡沫宽带为 ，计算鼓泡区面积，即，浮阀排列方式用等边三角形叉排，取同一排的孔心距 因阀孔总面积故用整板式塔板，按 ，以等边三角形作图，得 因其仍在912范围内，故仍可使用塔板开孔率= （二）提留段 1.溢流装置计算筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因d=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长 取溢流堰高度 由，选用平直堰，堰上液层高度 近似取 e=1 ，则取板上清液层高度弓形降液管宽度 和截面积 依式 验算液体在降液管中停留时间，即 因其 ， 故降液管设计合理。降液管底隙高度 ，计算公式 取 则 故降液管底隙高度设计合理。 2.塔板布置及浮阀数目排列 取阀孔动能因素 ，则有 每层塔板上浮阀数目与排列： 取边缘宽带 ，泡沫宽带为 ，计算鼓泡区面积，即，浮阀排列方式用等边三角形叉排，取同一排的孔心距 因阀孔总面积故用整板式塔板，按 ，以等边三角形作图，得 因其仍在912范围内，故仍可使用塔板开孔率= （七）塔板的流体力学验算 1.气相通过浮阀塔板的压降 可根据式 计算塔板压降 干板阻力 由式 算出临界空速，即，因为 ，则 可按 ，求得 气体通过液层的阻力计算本设计分离本和甲苯的混合液，即液相为碳氢化合物，可取充气系数 ，由式 得单板压降 液体表面张力的阻力计算 因本设计采用浮法塔，其 很小，故气体流经一层浮阀塔板的压降相当于液柱高度 2.淹塔为防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度 可用下式计算，即（1） 与气体通过塔板的压降相当的液柱高度（2） 液体通过降液管的压头损失 ，因其不设进口堰，故按式 计算 （3）板上液层高度， 取因此 取则可见 符合设计要求3、雾沫夹带板上液体流径长度板上液沫夹带苯和甲苯可按正常系统按表取物性系数 ，由泛点负荷系数 ，将以上数据代入式 得，按式 计算出的泛点率在 以下，故可知雾沫夹带量能够满足 的要求。（八）塔板负荷性能图（一）精馏段1、雾沫夹带线 由式 可知，对于一定物系及一定塔板结构，式中 及 均为已知值，相应于 的泛点率可确定，将已知数代入上式，便可得到物沫夹带线按泛点率为80%计算有：简化得 （1）雾沫夹带线为直线，则可取任意两个 值，依式（1）算出相应的 列于表中2.液泛线 由 确定液泛线，忽略式中的 项， 将式 ，式 ，式 ，式 式 代入上式得 物系一定塔板结构尺寸一定，则 及 等均为定值而 与 又有如下关系，即 式中，阀孔数和孔径为定值，因此，可将上式简化为： 在操作范围内，取若干 值，依式（2）算出相应 值列于下表3，液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时不低于35秒，依式 知，液体在降液管内停留时间求出上限液体流量 值，在 图上，液相负荷上限线为与气体流量 无关的直线。以 作为液体在降液管中停留时间的下限，则4、 漏液线 该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。对于 型重阀，依式 计算，则 又知 即以 作为规定气体最小负荷的标准，则5、液相负荷下限线取堰上液层高度 作为下限条件，依式 有解得根据以上计算数据可分别作出塔板的负荷性能图，共五条线：由塔符合性能图可看出：在人任务规定的气液负荷的操作点a（设计点）处在适宜操作区域内的适中位置；塔板的气相负荷上限完全由液相负荷上限控制按照图固定的气液比由图上可查出塔板的气液相