化工原理课程设计

1、化工原理课程设计题 目：姓 名：班 级：学 号：指导老师：设计时间：厅口化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（ 物理化学，化工制 图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。精储是分离液体混合物（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。精储过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直

2、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，精储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储或萃取精储等特殊方法进行分离。 本设计的题目是苯-甲苯连续精储筛板塔的设计，即需设计一个精储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。目录一、化工原理课程设计任书 3二、设计计算 31 .设计方案的确定32 .精储塔的物料衡算 33 .塔板数的确定44,精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算 85 .精储塔的塔体工艺尺寸计算106 .塔板主

3、要工艺尺寸的计算 117,筛板的流体力学验算 13308 .塔板负荷性能图 159,接管尺寸确定3233、个人总结 三、 参考书目 （一）化工原理课程设计任务书板式精馏塔设计任务书设计题目：设计分离苯甲苯连续精馏筛板塔二、设计任务及操作条件1、 设计任务：物料处理量： 7 万吨年进料组成 ：37 苯，苯 - 甲苯常温混合溶液 （质量分率，下同）分离要求：塔顶产品组成苯95%塔底产品组成苯6%2、 操作条件平均操作压力 ： kpa平均操作温度：94回流比： 自 选单板压降： = kpa工时： 年开工时数7200 小时 化工原理课程设计三、设计方法和步骤：1、设计方案简介根据设计任务书所提供的条件

4、和要求，通过对现有资料的分析对比，选定适宜的流程方案和设备类型，初步确定工艺流程。对选定的工艺流程，主要设备的形式进行简要的论述。2、主要设备工艺尺寸设计计算（ 1）收集基础数据（ 2）工艺流程的选择（ 3）做全塔的物料衡算（ 4）确定操作条件（ 5）确定回流比（ 6）理论板数与实际板数（ 7）确定冷凝器与再沸器的热负荷（ 8）初估冷凝器与再沸器的传热面积（ 9）塔径计算及板间距确定（ 10）堰及降液管的设计（ 11）塔板布置及筛板塔的主要结构参数（ 12）塔的水力学计算（ 13）塔板的负荷性能图（ 14）塔盘结构（ 15）塔高（ 16）精馏塔接管尺寸计算3、典型辅助设备选型与计算（略）包括典

5、型辅助设备（换热器及流体输送机械）的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。4、设计结果汇总5、工艺流程图及精馏塔工艺条件图6、设计评述四、参考资料化工原理课程设计天津大学化工原理教研室，柴诚敬 刘国维 李阿娜 编；化工原理 （第三版）化学工业出版社，谭天恩 窦梅 周明华 等编；化工容器及设备简明设计手册化学工业出版社，贺匡国编；化学工程手册上卷 化学工业出版社，化工部第六设计院编；常用化工单元设备的设计 华东理工出版社。二、设计计算1. 设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用

6、泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，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 2 倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm筛孔在塔板上作正三角形排

7、列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：（左右。结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015%。塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是：塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。操作弹性较小（约23）。小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图项目分子式表 1 苯和甲苯的物理性质分子量 m 沸点（） 临界温度（）t c 临界压强pc（ kpa）c6h6c6h5ch3表 2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度 0cpa0,kpapb0，kpa859095100105表 3 常温下苯甲

8、苯气液平衡数据（温度 0c液相中苯的摩尔分率汽相中苯的摩尔分率85902 ：95p8例1 1附表2)100105温度苯， mn/m甲苯，表480纯组分的表面张力 （19020100p378 附录图7)110120mn/m表5组分的液相密度（1：p382附录图8）温度（c）8090100110120苯,kg/ m3, 田814805791778763809801791780768本,kg/ m3表6液体粘度w l （1:p365 )温度（c）8090100110120苯（a）甲苯（a）表7常压下苯一一甲苯的气液平衡数据温度t c液相中苯的摩尔分率 x气相中苯的摩尔分率 y2精储塔的物料衡算（1）

9、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量二 一;4甲苯的摩尔质量 a=92强北成mxf0.37/78.110.37/78.11 0.63/92.130.409(2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量m f 0.409 78.11 0.591 92.13 86.39 kg. kmol(3)物料衡算原料处理量f 70000000 86.39*7200总物料衡算=d + w苯物料衡算x=+ w121.54kmol h联立解得d = kmol / hw= kmol/ h式中f 原料液流量d-塔顶产品量w-塔底产品量3塔板数的确定(1)理论板层数nt的求取苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层

10、数。由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出xy图，见下图求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点e (,)作垂线ef即为进料线(q线)， 该线与平衡线的交点坐标为yq =xq =故最小回流比为rmin-0.957 0.5671.46yq xq0.567 0.346取操作回流比为r 2rmin2.92求精储塔的气、液相负荷l r d 2.92 42.99 125.53 kmol . h(r 1)d (1 q)f (2.92 1) 42.99 168.52kmol /h (泡点进料：q=1)求操作线方程精微段操作线方程为 提储段操作线方程为(2)逐板法求理论板又

11、根据rmin-4黄弋产可解得相平衡方程yx 2.475x1 (1)x 1 1.475xyixd =yi(iyi)yiyi 2.475(i yi)y3 0.745x2 0.2442 0.850 必 y3 (i y3)因为x6 xf精储段理论板n=5x5 -y-0.042 xw 所以提留段理论板n=4 、5(i 丫5)全塔效率的计算(查表得各组分黏度尸，2=)捷算法求理论板数nmin i/ln mln( d-)(w) i 9.898 i 8.898 i xdxw由公式 y 0.545827 0.59i422x 0.002743/x代入y=由 nnmin 0.3i65,n i0n 2精储段实际板层数

12、”5/=,提储段实际板层数4/= 4=/=8 8进料板在第11块板4精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算(1)操作压力计算塔顶操彳压力pd = kpa塔底操彳压力pw = kpa每层塔板压降ap= kpa进料板压力pf = + x 10=精微段平均压力 p m = ( + ) / 2= kpa提储段平均压力p m = (+) /2 = kpa(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、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度tw = c进料板温度tf = c塔底温度tw = c精储段平均温度tm= ( +) /2 = c提储段平均温度

13、tm= (+)/2 = c(3)平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由xd=y1=，代入相平衡方程得x1 二m l,dm 0.901 78.11 (1 0.901) 92.13 79.50 kg/kmolmv,dm 0.957 78.11 (1 0.957) 92.13 78.71kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由上面理论板的算法，得yf = ,xf =mv,f,m 0.632 78.11 (1 0.368) 92.13 83.27 kg/kmolm l,fm 0.409 78.11 (1 0.409) 92.13 90.08 kg/kmol塔底平均摩尔质量计算由xw=，由相平衡方程，得y

14、w二m l,wm 0.070 78.11 (1 0.070) 92.13 90.59 kg/kmol精微段平均摩尔质量78.71 83.27.mv,m kg/kmol 80.99 kg/kmol提储段平均摩尔质量(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，精储段的平均气相密度即pmm v,m97.7 80.97v，mrtm8.314 (273.15 88.45)2.63 kg m3提储段的平均气相密度液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由t d- c ,查手册得a 812.7 kg . m3, b 806.7 kg,. m3塔顶液相的质量分率a 0.9

15、57 78.11 0.8850.957 78.11 92.13 0.0431 l,dm 0.885/812.7 0.115/807.6, l,dm 813.01kg/kmol进料板液相平均密度的计算由tf =,查手册得a 799.1kg . m3, b 796.0 kg1. m3进料板液相的质量分率0.409 78.11a 0.370.409 78.11 92.13 0.591塔底液相平均密度的计算由twc,查手册得a 786.13 kg m3, b 785.2 kg m3塔底液相的质量分率0.060.07 78.110.07 78.11 92.13 0.931/ l,wm 0.06/786.

16、13 0.94/785.2, l,wm 783.4 kg/kmol精储段液相平均密度为797.13 kg kmol813.01 781.25l，m2提储段液相平均密度为781.25 785.54l,m 783.4 kg/kmol(5)液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即仃5 = 24；塔顶液相平均表面张力的计算由td = c ,查手册得0- a=m o- b= mn/mo- ldm= +x = mn/m进料板液相平均表面张力的计算由t f= c ,查手册得0- a= m n/m b= m n/mo- lfm= +x = mn/m塔底液相平均表面张力的计算由td = c ,查手册得

17、0- a= mn/m o- b= mn/mer lwm= +x =m精储段液相平均表面张力为o- lm= (+) /2= mn/m提储段液相平均表面张力为 lm=(+) /2= mn/m (6)液体平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算，即1g n lm=2 xi 1g n i 塔顶液相平均粘度的计算 由td=c,查手册得il a= mpa。s n b= mpa- s 1g a ldm= 1g+ x 1g 解出 a ldm= mpa s 进料板液相平均粘度的计算 由tf = c ,查手册得il a= mpa- s n b= mpa- s 1g a lfm= 1g+ x 1g 解出 n lfm=

18、mpa s 塔底液相平均粘度的计算 由tw=c,查手册得il a= mpa- s n b= mpa- s 1g n lwm=800mm故塔板采用分块式。查表3-7得，塔极分为4块。对精储段：a)取边缘区宽度 w=(3050mm)安定区宽度ws0.075m,(当dww=6075mmb)依(2 : pg式318): aa 2 xv；r2 x2 叵sin 1?计算开空区面积 180 rr d wc堡0.05 0.75m , x -wdws160.185 0.0750.542222c)筛孔数n与开孔率：取筛空的孔径d为5mm,正三角形排列，一般碳的板厚为3mm,取t/d0 3.0,故孔中心距t 3.0

19、 5 15.0mm格p 物1158 1031158 103人师孔 效 n 2aa - 1.467 7551 个 ，t215.02则2% 用三 10.08% (在515范围内)aa( td0)2则每层板上的开孔面积 ao为aaa 0.1008 1.467 0.148气体通过筛孔的气速为 vs 1606 10.85m/sa 0.148提储段：a）取边缘区宽度wc=（3050mm）安定区宽度ws 0.075m,（当dwws=6075mmb）依（2 : pg式318）: aa 2 xvr2 x2 亘sin 1）计算开空区面积180 rddrwc 0.75m ,xwd ws 0.52522c）筛孔数n与

20、开孔率：取筛空的孔径d。为5mm,正三角形排列，一般碳的板厚为3mm,取t/d。3.0,故孔中心距t 3.0 5 15.0mm3筛孔数n二5:10 a 5729个，则2% -0r07r% 10.08% （在 515 范围内）aa（td0）2则每层板上的开孔面积a0为a0aa 0.1124气体通过筛孔的气速为 0幺12.189m/sa7筛板的流体力学验算塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正 常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷 性能图。气体通过筛板压强相当的液柱高度计算精储段：a)干板压降相当的液柱高度hc：依d0/5/3 1.67 ,查干

21、筛孔的流量系数2图得，g=由式 hc 0.051 0.051co l211.150.782.63797.130.033mb)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hi :ataf1.6062.01 0.1450.86m/s, faaua。0.862.63 1.395由。与fa关联图查得板上液层充气系数。=,依式hiohl0.61 0.06 0.037mc)克服液体表面张力压降相当的液柱高度h ：44 20.42 103依 式 h 0.002m,故lgd0797.13 9.81 0.005hp 0.034 0.037 0.002 0.073m p则单板压强：pp hp lg 0.073 797.13

22、 9.81 571.5pa 0.9kpa(2)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影 响。(3)雾沫夹带5.7 106ev aht hf3.25.7 10 60.8620.46 103 0.40 2.5 0.063.20.022kgkgo 0.1kgkg.故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(4)漏液由式 ow 4.4c0 0.0056 0.13hl h l/ v筛板的稳定性系数k 4 9 1.777 1.5，故在设计负荷下不会产生 ow 6.38过量漏液。为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度hd ht hw依式hdhp hihd,而ls

23、20.00372hd 0.153 ( )2 0.153 (-)2 0.001lw h01.056 0.0415hd =+=取 0.5,贝uht hw0.5 0.40 0.0433 0.223m故hd ht hw在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精储段塔径及各项工艺尺寸是适合的。提溜段：a)干板压降相当的液柱高度hc：依d。/5/3 1.67 ,查干筛孔的流量系数2图得，g=由式 hc 0.051 0.046mc0lb)气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hi :a v 0.735m/s,fa uajt 1.252ar af由。与fa关联图查得板上液层充气系数。=，依

24、式hlohl 0.039mc)克服液体表面张力压降相当的液柱高度h ：依式 h 0.002m ,故 hp 0.052mlgd0则单板压强：pp hp lg 399.6pa 0.9kpa(2)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影 响。(3)液沫夹带3.2ev 5.7 10a一0.0092kg / kg 0.1kg / kg故在设计负荷下不会发生过量ht hf雾沫夹带。(4)漏液由式 ow 4.4c0 -0.00560.137一卜一l 厂v筛板的稳定性系数k。1.99 1.5 ,故在设计负荷下不会产生过量漏ow液。(5)液泛为防止降液管液泛的发生，应使

25、降液管中清液层高度hd ht hw依式hd hp hl hd ,而 0.153 ()2 0.0075lw h。hd =取 0.5,则ht hw0.217m故hd ht hw在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精储段塔径及各项工艺尺寸 是适合的。8塔板负荷性能图精储段：漏液线由%1= &呜m加元+皿3%+*)-哈河小hc 0.0021 l得 4.4 0.78 .0.0056 0.13 0.0433 0.672 ls2/30.002)797.132.632/32 84l.0.0056 0.13 hwe w1000lwvo,min2/3.416 6.467 lqs在操作范

26、围内，任取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-19 o表 3-19ls(m 3/s)vs/(m 3/s)由上表数据即可作出漏液线。(2)雾沫夹带线以ev二液/kg气为限，求vs-ls关系如下:hw2.84 d110002/33600ls1.0561.653ls2/3hf2.5 hw3 2.84 10 e2/33600 ls1.0562/30.111 0.676lsvsatafhw2.84 e10002/33600ls,min., ls,minlw1.035 10 3 m3s0.536vs联立以上几式，整理得2.01 0.1452/3vs 2.978 6.963ls在操作范围内，任

27、取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-20表 3-20ls/(m 3/s)vs/(m 3/s)由上表数据即可作出液沫夹带线2 (3)液相负荷下限线对于平直堰，取土!上液层高度 howm乍为最小液体负荷标准。由式 3-21得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3(4)液相负荷上限线以8 = 4s作为液体在降液管中停留时间的下限ah ， 4lsls,max 0.4 0.47 0.0146m3 s 4据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线。(5)液泛线令二由二m ；_：.一；_二 十._弧 ,，21 = % 十 %,联立得二十；：、一 一1，-.十 .【忽略h，将hovw

28、f ls, hd与ls, hc与vs的关系式代人上式，并整理得2/333600ls2/3式中：how 2.84 103s0.672ls2.04将有关的数据代入整理，得 vs2 11.414 6815.113ls2 80.751 ls2/3在操作范围内，任取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-22表 3-22ls/(m 3/s)vs/(m 3/s)由上表数据即可作出液泛线 5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示23 d图3-23精微段筛板负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点p,连接op即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得

29、vs,max= m3/s vs,min= m3/s故操作弹性为 vs,max / vs,min=所设计筛板的主要结果汇总于表 3-23。提储段漏液线由即e一，”脸匚j彳#vo,min0.1067 2.209ls2/3在操作范围内，任取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-19表 3-19由上表数据即可作出漏液线。(2)液沫夹带线以ev二液/kg气为限，求vs-ls关系如下:vs 1.956 18.593ls2/3在操作范围内，任取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-20表 3-20ls3/(m /s)vs/(m 3/s)1. 66由上表数据即可作出液沫夹带线2 (3)

30、液相负荷下限线对于平直堰，取土!上液层高度 howm乍为最小液体负荷标准。由式 3-21得hw2.84 e10002/33600ls,min , ls,minl w9.0 10 4 m3 s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3(4)液相负荷上限线以8 = 4s作为液体在降液管中停留时间的下限am ，4lsls,max0.0145m3 s据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线。(5)液泛线令二厂-j由为=ya+及+机+瓦+褊联立得出：一 1, +一二 忽略h，将howf ls, hd与ls, hc与vs的关系式代人上式，并整理得将有关的数据代入整理，得 vs2 6.36 5319

31、.2ls2 42.36ls2/3在操作范围内，任取几个ls值，依上式计算出vs值，计算结果列于表3-22表 3-22由上表数据即可作出液泛线 5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示所设计筛板的主要结果汇总于表。设计结果一览表项目符号单位计算数据精储段提留段各段平均压强pmkpa各段平均温度t mc平均流量黑vslsnvs nvs实际塔板数n块108板间距htm塔的有效局度zm塔径dm空塔气速um/s塔板液流形式单流型单流型堰长l wm堰局hwm溢流堰宽度wm管底与受业m盘距离ho板上清液层高度hlm孔径domm孔间距tmm孔数n个75515729开孔面积2m筛71气速uom/

32、s塔板压降hpkpa液体在降液管中停s留时间t降液管内清液层高hdm度m雾沫夹带evkg 液/kg 气负荷上限雾沫夹带 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vs- maxm/s气相最小负荷vs minn3/s操作弹性溢流管型式弓形弓形9.各接管尺寸的确定1进料管进料体积流量vsffm f112.54 86.39781.2512.44m3/h0.0035m3 / s取适宜的输送速度uf2.0m/s ,故经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64),规格：57 3mm实际管内流速：uf u.003! 1.7m/s 0.05122釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度uw 1.5m/s ,则经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64),规格：50 3mm实际管内流速： uw 4 0.0022 1.45m/s 0.04423回流液管回流液体积流量利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度ul 0.5m/s,那么经圆整选取热轧无缝钢管(yb231-64),规格：108 6mm实际管内流速：uw 4 0.0034 1.88m/s