化工原理课程设计说明书板式精馏塔设计

1、概述 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。 蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。 精馏原理 (p

2、rinciple of rectify) 蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。精馏塔设计任务书一 设计题目 苯-甲苯精馏塔的工艺设计二 设计内容1 精馏塔的工艺计算2 精馏塔的结构设计及流体力学计算3 绘制精馏塔工艺条件图三 工艺条件1 总原料组成为39%的苯和61%的甲苯（摩尔百分数，

3、下同）2 进料量为1600kg/h，泡点进料3 塔釜底用2.7kf/饱和蒸汽加热，冷凝水排放4 塔顶采用全凝器，部分产品回流，部分产品冷凝后储存5 塔顶产品苯94%，塔釜产品苯3%6 常压操作四 设计项目1 设计方案简介：对确定的工艺流程及冷凝器型惊喜简要论述2 物料热量衡算，加热蒸汽耗量3 理论塔板计算，实际塔板计算4 塔径计算5 浮阀塔塔盘结构设计：降液管尺寸；溢流堰形式及尺寸6 阀孔的布置图9 主体结构工艺条件图及塔盘工艺布置图10 对本设计的评述五 参考文献 列出在本次设计过程中所用到的文献名称、作者、出版社、出版日期。流程的设计及说明图1 板式精馏塔的工艺流程简图工艺流程：如图1所示

4、。原料液由经过泵泵入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。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。设计计算1、精馏流程的确定 苯和甲苯的混合液体经过预

5、热到一定的温度时送入到精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷后，一部分作为回流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采用间接蒸气再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程图如图1所示。2、塔的物料衡算2.1、料液及塔顶产品含苯的质量分率2.2、平均分子量2.3、物料衡算每小时处理摩尔量总物料衡算易挥发组分物料衡算联立以上三式可得：3、塔板数的确定3.1理论板nt的求法用图解法求理论板3.1.1根据苯和甲苯的气液平衡数据作出y-x图,如图2所示图2 苯、甲苯的y-x图及图解理论板3.1.2最小回流比及操作回流比r依公式取r由公式列表rn1.70.0740.57815.61.90.1380.50613

6、.22.10.1940.45411.82.30.2420.41410.92.50.2860.38110.32.70.3240.3549.82.90.3590.3309.43.00.3750.3209.2取操作回流比r=2.7精馏段操作线方程按常规m,t，在图(1)上作图解得：层（不包括塔釜），其中精馏段为5层，提馏段为7层.图2 苯、甲苯的y-x图及图解理论板3.2全塔效率塔内的平均温度为,该温度下的平均粘度故: 3.3实际板数n精馏段: 提馏段: 4：塔工艺条件及物性数据计算4.1 操作压强的计算pm塔顶压强pd=4+101.3=105.3kpa取每层塔板压降p=1.0kpa 则：进料板压强

7、：pf=105.3+141.0=119.3kpa塔釜压强：pw=105.3+140.7=115.1pa精馏段平均操作压强：pm=112.3 kpa 提馏段平均操作压强：pm = =117.2 kpa 4.2 操作温度的计算 近似取塔顶温度为83.14,进料温度为94.39,塔釜温度为108.79 精馏段平均温度 提馏段平均温度 4.3 平均摩尔质量计算塔顶摩尔质量的计算：由=y1=0.94查平衡曲线,得x1=0.87 ；进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查的： yf=0.608 xf=0.39； ； ；塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲线查的：xw=0.03 =0.00711；精馏段平均摩尔质量：；提馏

8、段平均摩尔质量：；4.4 平均密度计算：m 4.4.1、液相密度：塔顶部分 依下式： （为质量分率）；其中=0.85 即：； 进料板处：由加料板液相组成：由xf=0.35 ； 塔釜处液相组成：由xw=0.026 ； 故 精馏段平均液相密度：； 提馏段的平均液相密度： ；4.4.2、气相密度： 精馏段的平均气相密度 提馏段的平均气相密度 4.5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 由=83.14查手册得： ； ； ； 进料液相平均表面张力的计算 由=94.39查手册得： ； ； ； 塔釜液相平均表面张力的计算 由=108.79查手册得： ； ； 则

9、： 精馏段液相平均表面张力为： 提馏段液相平均表面张力为： 4.6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，由由=83.14查手册得： ； ； ； 进料板液相平均粘度的计算：由=94.39手册得： ； ； ； 塔釜液相平均粘度的计算： 由=76.8查手册得： ； ； ；5、精馏塔气液负荷计算 精馏段：v=(r+1) = l=rd= lh=36000.00062=2.23 提馏段：； ； ； ； ；6、塔和塔板的主要工艺尺寸的计算6.1塔径d 初选板间距ht=0.30m,取板上液层高度hl=0.06m 故： 精馏段：ht-hl=0.30-0.06=0.24查图表=

10、0.065；依公式； 取安全系数为0.7，则： u=0.7=0.71.14=0.798m/s 故：； 按标准，塔径圆整为0.7m,则空塔气速为 塔的横截面积 提馏段： ；查图=0.06；依公式：； 取安全系数为0.70，；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0.7m塔的横截面积: 空塔气速为板间距取0.3m合适 6.2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，不设进流堰。各计算如下：精馏段： 1、溢流堰长 为0.6d，即：； 2、出口堰高 hw hw=hl-how 由lw/d=0.42/0.4=0.0.6, 查手

11、册知：e为1.06 依下式得堰上液高度： 故： 提馏段：溢流堰长为0.6，则数据和精馏段相同，也符合要求6.3降液管宽度与降液管面积有=0.6查手册得故：=0.126d=0.1260.7=0.0882m 6.4降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速=0.07m/s 依式计算降液管底隙高度， 即： 6.4塔板布置 1、取边缘区宽度=0.035m ,安定区宽度=0.065m依下式计算开孔区面积 其中 故: 6.6筛孔数n与开孔率 取筛孔的孔径d0为39mm正三角形排列，动能因素为12一般碳钢的板厚为4mm,精馏段：筛孔数：圆整为33孔间距由计算去t为0.082m，依次画出的33个阀孔如图依下式计

12、算塔板上开孔区的开孔率，即： （在10%14%范围内，符合设计要求）提馏段： 筛孔数：圆整为37孔间距由计算去t为0.082m，依次画出的37个阀孔如图 依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即： （在10%14%范围内，符合设计要求） 6.6塔有效高度 精馏段； 提馏段有效高度； 在进料板上方开一手孔，其高为0.012m，一般每68层塔板设一手孔（安装、检修用），需经常清洗时每隔34层块塔板处设一手孔。设手孔处的板间距等于或大于50mm。根据此塔手孔设3个。故：精馏塔有效高度7筛板的流体力学验算7.1气体通过筛板压降相当的液柱高度 1、根据 干板压降相当的液柱高度2、阀为全开阀全开在临界点是同时满

13、足以上两式，故由两式联立求解获得临界气速3、气流穿过板上液层压降相当的液柱高度=0.06充气系数反映液层充气的程度，无量纲，液相为碳氢化合物，则=0.4-0.5取=0.5 则=4、克服液体表面张力压降相当的液柱高度由 =故 5、降液管液气校核为防止液泛，应该保持降液管中泡沫液体总高度不能超过上层板的出口堰，既一般取0.5所以在设计范围内不会液泛6、雾沫夹带量以泛点率f经验公式计算，取下式中的大者若f70% 则设计符合要求式一： 式二：取k=1 查图得 =0.095则 或取较大者f=48.8%设计符合要求8塔板负荷性能图提馏段1 雾沫夹带线（1） =0.7对于常压塔，取泛点上限率为70%，既f=

14、0.7则：则由式得 此为雾沫夹带线的关系式2液泛线令 联立得 近似的取e=1.0, 整理得 (c)取,近似的有故: (d)由式 (e)将,及(c),(d),(e)代入得整理得:此为液泛线的关系式3液相负荷上限线以作为液体在降液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漏液线（气相负荷下限线）由式此为液相负荷上限线的关系式 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:0.006=则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线据此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=精馏段1雾沫夹带线（

15、1）对于常压塔，取泛点上限率为70%，既f=0.7则：则由式得此为雾沫夹带线方程 2液泛线令 联立得 近似的取e=1.0, ，=0.5也即：整理得:此为液泛线的关系式3液相负荷上限线以作为液体在降液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漏液线（气相负荷下限线）由式此为液相负荷上限线的关系式 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=9、精馏塔的工艺设计计算结果总表 表11精馏塔的工艺设计计算结

16、果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强112.3117.2各段平均温度87.81101.6平均流量气相1.040.956液相0.00230.0028实际塔板数块1014板间距0.30.3塔的有效高度33.9塔径0.70.7空塔气速0.620.62塔板溢流形式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长0.420.42堰高0.050.05溢流堰宽度0.1820.182管底与受液盘距离0.0250.030板上清液层高度0.060.06孔径3939孔间距8282孔数个3337塔板压降0.970.99液体在降液管中停留时间14.514.5降液管内清液层高度0.1430.162雾沫夹带0.00

17、150.0239负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷1.2431.252气相最小负荷0.5240.525操作弹性3.02.910、精馏塔的的附属设备及接管尺寸10.1塔顶冷凝器本精馏塔设备为小型设备，采用蛇管式，安装在塔顶，冷凝液由重力回流入塔。10.2 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。由表塔板分块数表查得，塔径为0.7m时，塔板分为2块。10.3精馏塔的附属设备10.3.、再沸器该设备是用于加热塔底料液合之部分气化提供蒸馏过程所需要的热量的热交换设备，常用的有以下几种：内置式再沸器，釜式再沸器，虹式再沸器，强制循环式再沸器。综

18、合考虑其生产的传热条件及经济效率选择虹式再沸。根据处理能力，进料状态，回流比，操作方式及物料的发泡性等因素，本塔的再沸器安装在塔底，根据加热和安排需要，再沸器课采用夹套，蛇管式列管式，课安装在塔体内部或外部。本塔处理的苯、甲苯溶液为不易起泡液体，釜中装液位80%，位避免带液过多釜中液体至底层塔板的距离至少在500-700mm以上。再沸器的传热面积是决定弹性负荷的主要因素之一，所以设计再沸器的传热面积时，必须慎重选用传热系数。10.3.、塔顶回流冷凝器塔顶回流冷凝器通常是采用管壳式换热器,有卧式、立式、或管外冷凝器等形式。按冷凝器与塔的相对位置区分有这样的两类：整体式及自流式、强制循环式。在这个

19、设计的生产中，由于产量比较大，宜选用强制循环式。10.4接头管设计 接管尺寸 接管尺由管内蒸气速度及体积、流量决定。各接管允许的蒸气速度查表得 10.4.1、塔顶蒸气出口管径 取u=15m/s, ,根据工艺标准选d=0.15m，无缝钢管壁厚为5mm。 10.4.2、回流管管径 取u=3.0m/s, ,根据工艺标准，将其圆整到d=0.052m。10.4.3加料管管径 取u=0.6m/s, 根据工艺标准选d=0.07m，壁厚3.5mm。10.4.4料液排出管管径取u=0.8m/s, 根据工艺标准选 d=0.025m，壁厚为3.35mm。10.4.5进料管由式子计算得=0.027.，选择=27mm，

20、外径为35.0mm，壁厚为3.25mm。10.4.6塔釜出料管计算得=0.025.，选择=25mm，外径为33.5mm，壁厚为3.25mm。10.4.7除沫器除沫器用于分离塔顶出口气体中所夹带的液滴，所降低有价值产品的损失，并改善塔后动力设备的操作条件。应用最广的是丝网除沫器，除沫器直径由气体量和气速决定： ，10.5 法兰的选择根据精馏塔的操作环境，考虑设计制造的方便，根据1997年hg20592-hg20635钢制管法兰、垫片、紧固件标准选择合适的管法兰、垫片、紧固件。初步选择so型法兰，标准号hg20594，根据前以算的接管选择相应的法兰。10.6视镜在塔体上部和下部开两个11cm的孔，

21、安装两个视镜。10.7塔体壁厚容器在低压或常压时，按照内压公式计算得到的厚度较小，往往不能满足制造时焊接工艺时的厚度要求以及吊装。采用筛板塔德设计原则则设计本精馏塔塔板厚度，筛板塔厚度设计原则：一般碳钢：=34mm或=（0.40.8）不锈钢：=25mm或=（0.50.7）本塔采用一般碳钢，选为0.04m。设计总结经过几周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识