化工原理课程设计 (2)(2013)

1、2021-8-7 化工原理课化工原理课化工原理课化工原理课化工原理课化工原理课 程设计程设计程设计程设计程设计程设计 -板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计 一、化工原理课程设计的目的 和要求 二、设计题目 三、设计说明书的内容 四、精馏塔工艺设计 五、塔板流体力学验算 六、塔板负荷性能图 七、精馏塔接管尺寸计算 八、辅助设备计算与选型 九、生产工艺流程图 2021-8-7 化工原理课程设计化工原理课程设计化工原理课程设计化工原理课程设计化工原理课程设计化工原理课程设计-板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精馏塔设计板式精

2、馏塔设计 板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板 上气液接触元件的不同上气液接触元件的不同 ：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多 孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔。孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔。 板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年年)、筛板塔筛板塔(1832 年年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学 工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板。工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型

3、塔板。 林德塔林德塔板、板、浮阀塔板浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波 纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板 2021-8-7 塔板的比较塔板的比较 塔板性能比较 塔板类型 相对生 产能力 相 对 板效率 操作范围 压强 降 结构 成本 泡罩板 1.0 1.0 10100 高 复杂 1.0 筛板 1.21.4 1.1 35100 低 简单 0.40.5 浮阀板 1.21.3 1.11.2 10100 中 一般 0.70.8 舌型塔板 1.31.5 1.1 50100 低 简单 0.50.6 斜孔板 1.51.8 1.1 3010

4、0 低 简单 0.5 2021-8-7 各种塔板的优点及适用范围 优 点 缺 点 适用范围 塔板类型 泡罩板 较成熟，操 作范围宽 结构复杂，阻力 大，生产能力低 某些要求弹性好 的特殊塔 浮阀板 效率高，操 作范围宽 采用不锈钢， 浮阀易脱落 分离要求高,负荷变化 大;原油常压分馏塔 筛板 效率较高， 成本低 安装要求水平,易 堵,操作范围窄 分离要求高,塔板较 多;化工中丙烯塔 舌型板 结 构 简 单 , 生产能力大 操作范围窄， 效率较低 分离要求较低的闪 蒸塔 斜孔板 生 产 能 力 大,效率高 操作范围比浮阀 塔和泡罩塔窄 分离要求高，生产 能力大 2021-8-7 2021-8-7

5、 一、一、一、一、一、一、化工原理课程设计的目的和要求化工原理课程设计的目的和要求化工原理课程设计的目的和要求 目的： 锻炼综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、 设备选型、绘制图形、编写说明书。 培养工程观念：理论小试放大。 要求： 设定大致框架，绘制工艺流程图； 进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，直 径，塔板数等）； 选择附属设备； 根据计算结果绘制主体设备图形； 编写设计说明书。 2021-8-7 具体要求 所有工作必须独立完成 设计时间2周 化工原理部分一周 完成设计说明书，x-y相图（包括理论板数的求解过程）， 塔板负荷性能图，塔板板面布置图。 生产工艺流程图第二周画

6、。 说明书用A4纸书写，“化工原理”部分的图纸使用A2图纸 2021-8-7 二、设计题目二、设计题目二、设计题目 苯-甲苯溶液、苯-氯苯溶液、乙醇-水溶液及甲醇-水溶液的连 续精馏塔设计 设计条件见设计任务书 设计基础数据，如汽液相平衡数据、密度、粘度及表面张力、 Antoine方程中的常数等查阅有关参考资料。 工艺流程简图见后。 2021-8-7 2021-8-7 三、设计说明书的内容三、设计说明书的内容三、设计说明书的内容 1、目录 2、设计题目及原始数据(任务书)； 3、设计方案的确定及流程说明； 4、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡 算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径、 塔板设计、

7、进出管径等); 5、塔板流体力学验算； 2021-8-7 6、塔板负荷性能图； 7、辅助设备计算与选型（泵、再沸器及冷 凝器） 8、筛板塔的工艺设计计算结果总表 ； 9、筛板塔接管尺寸一览表 10、设计讨论 11、参考文献 12、附属图纸（理论板图解图、塔板负荷 性能图、塔板结构示意图及工艺流程图） 2021-8-7 计算前先查出物性数据。 1、物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流 量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题： （1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求 （塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的

8、产量 （2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提 馏段的上升蒸汽量和下降液体量； 四、精馏塔工艺设计四、精馏塔工艺设计四、精馏塔工艺设计 2021-8-7 （3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料 衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况 ，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理 论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。 通常，原料量和产量都以kg/h或吨/年来表示，但在 理论板计算时均须转换为kmol/h。另外，在设计时（ 如计算塔径），汽液流量又须用m3/s来表示。因此要 注意不同的场合应使用不同的流量单位。 2021-8-7 全塔总物料衡算：全塔总物料衡算： 总

9、物料总物料 F = D + W 易挥发组分易挥发组分 FF = DD + WW 若以塔顶易挥发组分为主要产品，则塔顶回收率若以塔顶易挥发组分为主要产品，则塔顶回收率为为 WD WF xx xx FD WD FD xx xx FW 则得到：则得到： F D Fx Dx 2021-8-7 操作线方程：操作线方程： 先求最小回流比：先求最小回流比： 再由自定的倍数求出回流比再由自定的倍数求出回流比 （i）精馏段精馏段 上升蒸汽量：上升蒸汽量： V=(R+1)D 下降液体量：下降液体量： L=RD 操作线方程：操作线方程： Dnn x V D x V L y 1 1 1 11 nnD R yxx RR

10、 ee eD m xy yx R 2021-8-7 提馏段提馏段 上升蒸汽量：上升蒸汽量： 操作线方程：操作线方程： 下降液体量：下降液体量： Wm1m x F)q1 (D) 1R( W x F)q1 (D) 1R( qFRD y FqDRV)1 () 1( qFRDL q q线方程：线方程： 由自定的由自定的q值和值和xF确定。确定。 2021-8-7 2、塔板数的确定塔板数的确定 （1）理论板数的确定 自定进料热状况参数q 由参考资料查出所设计体系的相平衡数据。 在坐标纸上绘出平衡线，求出最小回流比，自定回流比是最 小回流比的倍数（1.2-2） ，再得操作线方程。 由作图法求出精馏段理论板

11、数、提馏段理论板数及总理论板 数，并知道进料板位置。 由Oconnell关联图得到全塔效率。（见理论课教材P118） 也可由拟合方程：ET=0.49(L)-0.245计算得到。 进而得到实际板数N。 D x )( 1D xy 1R x D w x w x f x f x 1 x 2 y 2 x 3 y 3 x 4 y 4 x 5 y 5 x 6 y A B C 2021-8-7 ii n i L x 1 是是以以加料的组成和状态计算的液体平均粘度，加料的组成和状态计算的液体平均粘度， 和的的估算都是以塔顶塔底的算术平均温度为准。估算都是以塔顶塔底的算术平均温度为准。 2021-8-7 3、塔径

12、及塔有效高度的计算塔径及塔有效高度的计算 根据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径 4 s V D u max (0.6 0.8)uu max LV V uC C气体负荷因子，m/s 2 . 0 20 ) 20 (CC 2021-8-7教材 教材P108，图，图5-1 2021-8-7 选取塔板间距：塔板间距与塔径的关系 塔 径/D，m0.3 0.5 0.50.80.81.61.62.42.44.0 板间距/H T ，mm 200 300 250350300450350600400600 化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450 ，500，600，700，8

13、00mm。在决定板间距时还应考虑安装、 检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间， 其值不应小于600mm。 2021-8-7 自己选取板上液层高度hL。 常压塔一般为0.05-0.08m。 注意：此处要试差。 按标准，塔径圆整 再重新计算空塔气速。 验算板间距选择是否得当方法： 塔径标准化以后，应重新验算液沫夹带量，必要时在此先进 行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各 项计算。 2021-8-7 式中 HD塔顶空间，m； HB塔底空间，m； HT塔板间距，m； HT开有人孔的塔板间距，m； HF进料段高度，m； Np实际塔板数； S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间

14、的人孔）。 (2) DpTTFB HHNSHSHHH 塔有效高度：塔有效高度： 2021-8-7 2021-8-7 塔顶空间HD ： 塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔 气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为（ 1.52.0）HT。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要 求确定塔顶空间。 人孔数目S： 人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处 理不需要经常清洗的物料，可隔810块塔板设置一个人孔； 对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔46块塔板开 一个人孔。人孔直径通常为450mm。所以人孔处板间距不低 于600mm。 2021-8-7 塔底空

15、间HB 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。 其值视具体情况而定： 当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可 取35分钟，否则需有1015分钟的储量，以保证塔底料液 不致流空。 塔底产品量大，塔底容量可取小些，停留时间可取35分钟 对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取11.5分钟。 2021-8-7 降液管降液管 受液区受液区 溢流堰溢流堰 安定区安定区 开孔区开孔区 4、塔板工艺尺寸计算 2021-8-7 2021-8-7 2021-8-7 （1）溢流装置的设计 2021-8-7 塔径D，mm 液体流量L，m3/h U形流单溢流双溢流 1000 1400 2000 3000

16、4000 5000 7以下 9以下 11以下 11以下 11以下 11以下 45以下 70以下 90以下 110以下 110以下 110以下 90160 110200 110230 110250 液相负荷、塔径与液流型式的关系 2021-8-7 1) 出口堰（溢流堰） ，单溢流 堰长 ，双溢流 式中 hL-板上液层高度，m； hw-堰高，m； how堰上液层高度，m。 6mm，单溢流 60mm，双溢流 W l OWWL hhh OW h D)8 . 06 . 0( D)6 . 05 . 0( 2021-8-7 平直堰： 式中 Lh-塔内液体流量，m3/h。 E液流收缩系数，见后图 当E=1时，

17、可用列线图求hOW，见教材P112图5-6。 齿形堰：一般齿深hn50mm。 2021-8-7 （2）塔板设计 塔板可分为： 整块式，D800mm 分块式，D900mm 塔板面积分区： 鼓泡区，有效传质区 溢流区，降液管（及受液盘）所占区域 破沫区（安定区），进口防漏液，出口防汽泡夹带 2021-8-7 降液区降液区 ff AA 塔板出、入孔安定区塔板出、入孔安定区 ss WW 边缘区边缘区 C W 有效面积有效面积 a A 尽量增大尽量增大 Aa 有效传质区有效传质区 a A 塔板的板面布置塔板的板面布置 2021-8-7 1）有效传质区（开孔区）： 对单溢流塔板 r x rxrxAa 12

18、 0 22 sin 180 2 mWW D x sd , 2 mW D r c, 2 r x 1 sin 以角度数表示的反三角函数值。 2021-8-7 2）安定区：-避免液沫夹带和减少漏液 对单溢流塔板：WS=70-100mm WS=50-100mm 对于D1m的小直径塔，适当减小。 3）无效区：-塔板支撑区 小塔：30-50mm，大塔：50-70mm 2021-8-7 4）筛孔的计算及排列： 筛孔直径d0可取38mm，可更小，也可更大。大筛孔d0为12 25mm。对较脏或易堵塞的物料则采用大筛孔；一般则采 用小筛孔。 筛板厚度：对于碳钢塔板为3-4mm， d0不应小于； 对于不锈钢塔板为2

19、-2.5mm， d0不应小于(1.5-2)。 孔中心距t：一般为(2.5-5) d0 ，推荐(3-4) d0 。 2021-8-7 筛孔的排列、筛孔数及开孔率 ： 为正三角形排列时： 2 0 02 2 0 0 )(907. 0 60sin 2 1 42 1 t d t d A A a 2 155. 1 t A n a 2021-8-7 五、塔板流体力学验算五、塔板流体力学验算五、塔板流体力学验算 1、塔板压降 hhhh lcp ghP Lpp c h 干板压降相当的液柱高度干板压降相当的液柱高度 hc： L V c C u h 2 0 0 051. 0 2021-8-7 干干筛孔的流量系数筛孔

20、的流量系数 2021-8-7 气体穿过板上液层压降相当的液柱高度气体穿过板上液层压降相当的液柱高度h hl l )( owwLl hhhh 充气系数关联图充气系数关联图 fT s aVa AA V uuF 2 , 0 2021-8-7 克服液体表面张力压降相当的液柱高度克服液体表面张力压降相当的液柱高度 h 0 4 gd h L 2021-8-7 2、液沫夹带 Lf fT a L v hh kgkg hH u e 5 . 2 /1 . 0 107 . 5 2 . 3 6 一般取 气体液体 由由教材教材P116图图5-12，查出，查出ev。 2021-8-7 3、漏液 VLL hhCu /13.

21、 00056. 04 . 4 0min, 0 之间在或：108, min, 0 min, 0 min, 0 F F u V 之间在25 . 1, min, 0 0 K u u K 当稳定系数当稳定系数k过小时，应适当减少开孔率或堰高过小时，应适当减少开孔率或堰高hwhw 2021-8-7 4、液泛-降液管液泛校核 dLpd hhhH 2 0 153. 0）（ hl L h w s d wTd hHH 与物流发泡性能有关。对一般液体可取与物流发泡性能有关。对一般液体可取0.60.7，对于易发，对于易发 泡液体取泡液体取0.3 0.5。 2021-8-7 1、漏液线（、漏液线（1） 0 min,

22、min, 0 0min, 0 /13. 00056. 04 . 4 A V u hhCu s VLL 以此式以此式求得求得Vs,min-Ls的关系式。的关系式。 六、塔板负荷性能图六、塔板负荷性能图六、塔板负荷性能图 2021-8-7 2、过量液沫夹带线（、过量液沫夹带线（2） Lf fT a L v hh kgkg hH u e 5 . 2 /1 . 0 107 . 5 2 . 3 6 一般取 气体）计算液体（以 以此式以此式求得求得Vs-Ls的关系式。的关系式。 2021-8-7 3、液量下限线（、液量下限线（3） 取平直堰，堰上液层高度hOW=0.006作为液相负荷下限条件， 取E=1。

23、 006. 0 1000 84. 2 3 2 W s OW l L Eh 以此式以此式求得求得Ls,min的值。的值。 2021-8-7 4、液量上限线（、液量上限线（4） 取液体在降液管中停留时间为取液体在降液管中停留时间为4秒，由下式秒，由下式 4 4 max, Tf s s Tf HA L L HA ，故 以此式以此式求得求得Ls,max的值。的值。 2021-8-7 5、溢流液泛线（、溢流液泛线（5） 得到：和)( wTddLpd hHHhhhH dowwpwT hhhhhH hhhh lCp 2 0 153. 0）（ hl L h w s d 以此式以此式求得求得Vs-Ls的关系式。

24、的关系式。 2021-8-7 V C 操作点 操作线操作线 操作极限 6、塔板负荷性能图、塔板负荷性能图 min, max, S S V V 精馏塔操作弹性精馏塔操作弹性 并说明该筛板操作的控制因素，并说明该筛板操作的控制因素， 如不能正常操作说明改进措施。如不能正常操作说明改进措施。 2021-8-7 七、精馏塔接管尺寸计算七、精馏塔接管尺寸计算七、精馏塔接管尺寸计算 4 S V d u 包括：进料管、塔顶回流液进塔管、釜液出塔管、塔顶蒸汽 出塔管及塔底蒸汽进塔管。 塔顶回流液进塔管： 冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.2 0.5m/s，速度太大，则冷凝器的高度也相应增加。用泵回流时 ，速度可取1.52.5m/s。 2021-8-7 进料管： 料液由高位槽进塔时，料液流速取0.40.8m/s。由泵输送时， 流速取为1.52.5 m/s。 釜液出塔管： 釜液流出的速度一般取0.51.0m/s。 饱和蒸气管 ： 操作压力（绝压 ） 常压1400 6000Pa 6000 Pa 蒸汽速度/m/s 122030505070 2021-8-7 八、辅助设备计算与选型八、辅助设备计算与选型八、辅