精馏塔课程设计

1、1化工工艺与设备课程设计化工工艺与设备课程设计精馏塔设计2第一部分第一部分 前言前言一、课程设计的目的一、课程设计的目的 运用已经学过的各门课程的知识，特别是运用已经学过的各门课程的知识，特别是化工原理化工原理进行化工单元设备中常见设备进行化工单元设备中常见设备精馏塔的设计，达到以下精馏塔的设计，达到以下几方面目的。几方面目的。v培养学生综合运用所学知识、查阅化工资料获取有关培养学生综合运用所学知识、查阅化工资料获取有关知识和数据、进行化工设备初步设计的能力。知识和数据、进行化工设备初步设计的能力。v培养学生独立工作及发现问题、分析问题、解决问题培养学生独立工作及发现问题、分析问题、解决问题的

2、综合能力。的综合能力。v提高计算能力、培养工程实际观念。提高计算能力、培养工程实际观念。v深入了解化工设备的内部结构，掌握板式精馏塔的各深入了解化工设备的内部结构，掌握板式精馏塔的各主要部件的结构及作用。主要部件的结构及作用。v培养学生认真的学风和工作作风。培养学生认真的学风和工作作风。3二、课程设计的任务二、课程设计的任务1. 已知条件已知条件分离对象：分离对象：乙醇和水混合物分离；乙醇和水混合物分离；处处 理理 量量：（：（ ：XXXXXXXX吨吨/ /年年， XXXX= XXXX=（学号后三位（学号后三位* *10001000） 如：如： 学号学号110130085110130085，处

3、理量为，处理量为8.58.5万吨万吨/ /年年原料组成：（原料组成：（例如：乙醇例如：乙醇45%45%（体积（体积） 进料状态：（泡点）进料状态：（泡点）产品要求：（例如：塔顶产品产品要求：（例如：塔顶产品 含乙醇含乙醇93%93%；回；回 收率收率99%) 99%) 塔顶压力：塔顶压力： （1. 03 atm1. 03 atm（绝对压强）（绝对压强）42. 设计任务设计任务 工艺设计工艺设计 产品组成：产品组成：xD,xW（通过物料衡算）（通过物料衡算） 操作条件：操作条件：TD,PD,TW,PW 回流比：最小回流比，回流比：最小回流比，Rm；操作回流比，；操作回流比，R 塔板数：提馏段板数

4、；精馏段板数塔板数：提馏段板数；精馏段板数 塔径：塔径：D 热负荷：冷凝器和再沸器热负荷热负荷：冷凝器和再沸器热负荷（2） 塔板设计：塔板设计：填料塔，筛板塔，浮阀塔，泡罩塔各班随机抽选（或自主分配，班与班之间不许重复）（3） 塔板设计：溢流装置；塔板布置；流体力学校核。塔板设计：溢流装置；塔板布置；流体力学校核。（4） 辅助设备选用：辅助设备选用： 冷凝器的选用与校核、再沸器的选用。冷凝器的选用与校核、再沸器的选用。53. 需要上交的材料需要上交的材料 设计说明书，主要包括：设计说明书，主要包括：和设计工艺说明书 设计说明书，按学校毕业设计格式要求： 含以下内容： 工艺设计（物料和能量计算）

5、， 塔板设计， 塔的辅助设备选用， 计算结果汇总表， 结果与讨论(2)(2)带控制点的工艺流程（A2）(3)(3)计算草稿计算草稿6 三、日程安排三、日程安排2014年9月1日10月17日共六周. 10月17日交说明书，其中：熟悉流程，查阅文献（第一周）工艺计算（第二周） 塔板设计：（第三周）附属设备选用：（第四周）绘图：（第五周）整理说明书(第六周)注意：时间很充裕，可能不按此时间进度要求，提前完成 早完成早自由7四、课程设计过程注意问题四、课程设计过程注意问题v认真阅读教材，草拟进度表，拟定设计的方法和步骤。认真阅读教材，草拟进度表，拟定设计的方法和步骤。v计算过程中要随时复核计算结果的正

6、确性，做到有错即改，计算过程中要随时复核计算结果的正确性，做到有错即改，避免大的返工。避免大的返工。v要求来教室进行设计，每天签到与检查进度。要求来教室进行设计，每天签到与检查进度。 8五、参考资料五、参考资料No题题 名名责任者责任者出版社出版社1冷换设备工艺计算手册冷换设备工艺计算手册刘巍等刘巍等石油化工石油化工2石油加工单元过程原理上石油加工单元过程原理上沈复等沈复等石油化工石油化工3石油加工单元过程原理下石油加工单元过程原理下沈复等沈复等石油化工石油化工4化工原理课程设计化工原理课程设计刘雪暖刘雪暖石油大学石油大学5化工原理课程设计化工原理课程设计裴世红裴世红大连理工大连理工6化工原理

7、课程设计：化工原理课程设计：化工传递与单元操作课程设计化工传递与单元操作课程设计贾绍义贾绍义天津大学天津大学7常用化工单元设备设计常用化工单元设备设计李功样李功样华南理工华南理工8石油炼制图表计算机处理方法石油炼制图表计算机处理方法金桂三金桂三石油化工石油化工9传热学传热学杨世铭杨世铭高等教育高等教育9第二部分第二部分 工艺计算设计要点工艺计算设计要点 v物料衡算物料衡算v塔顶和塔底温度和压力的确定塔顶和塔底温度和压力的确定v冷凝器及再沸器热负荷的确定冷凝器及再沸器热负荷的确定 v关于混合物物性参数的计算关于混合物物性参数的计算 v关于回流比的选择关于回流比的选择 v全塔效率的计算全塔效率的计

8、算v部分物性数据部分物性数据 10一、物料平衡一、物料平衡 二、塔顶压力、温度的确定二、塔顶压力、温度的确定1、回流罐凝液温度的初步确定、回流罐凝液温度的初步确定 回流罐冷凝液的温度，即塔顶产品温度，回流罐冷凝液的温度，即塔顶产品温度，由冷却介质的温度决定，当用水作为冷却介由冷却介质的温度决定，当用水作为冷却介质时（水温：质时（水温：2530），凝液温度可取），凝液温度可取4050 ，保证冷凝器要有，保证冷凝器要有1020 温度的温度的传热温差。但要注意水的出口不高于传热温差。但要注意水的出口不高于50。 1. 目的：计算塔顶、塔底产品组成和产品量。目的：计算塔顶、塔底产品组成和产品量。2.

9、方法：对于两组分精馏，根据塔顶、塔底产品浓度要求，方法：对于两组分精馏，根据塔顶、塔底产品浓度要求，通过物料平衡计算即可求出塔顶、塔底产品组成。对于多组通过物料平衡计算即可求出塔顶、塔底产品组成。对于多组份体系，先假定清晰分割。再进行物料平衡计算份体系，先假定清晰分割。再进行物料平衡计算(注：浓度或注：浓度或组成有效数字位数，一般取小数点后组成有效数字位数，一般取小数点后4位位)。11回流比的确定回流比的确定 原则：先确定原则：先确定Rmin，再根据各种经济因素确定适宜的，再根据各种经济因素确定适宜的R 。绘图法，或逐板计算法绘图法，或逐板计算法2 2、求理论板数的简捷法、求理论板数的简捷法1

10、2若轻、重关键组分为相邻组分，仅有一个若轻、重关键组分为相邻组分，仅有一个 和和 Rmin 值；值；若在轻、重关键组分之间还有若在轻、重关键组分之间还有 k 个其它组分，则个其它组分，则 有有 k+1 个个 和和 Rmin值，可取其平均值作为设计时的最小回流比。值，可取其平均值作为设计时的最小回流比。 应用恩德伍德公式的条件：应用恩德伍德公式的条件：(1) (1) 塔内汽、液相为恒摩尔流；塔内汽、液相为恒摩尔流；(2) (2) 各组分的相对挥发度为常数。各组分的相对挥发度为常数。 方法方法：将多组分精馏过程简化为轻、重关键组分的双组分精：将多组分精馏过程简化为轻、重关键组分的双组分精馏过程，其

11、计算过程与双组分精馏基本相同。馏过程，其计算过程与双组分精馏基本相同。基本关系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利兰关联图基本关系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利兰关联图( (P284P284) )。理论板数的简捷计算法：理论板数的简捷计算法：mWWDDxxxxN loglogloglogminmin 110.51 54.411 exp11 117.2XXYXX minmin21NNRRYXNR13 2、回流罐压力的初步计算、回流罐压力的初步计算 用泡点方程计算回流罐的压力。用泡点方程计算回流罐的压力。 常压或减压时：常压或减压时： 用用Antonine(安托因安托因)方程计算方程计算 3、回

12、流罐压力的确定、回流罐压力的确定 （1）计算值大于）计算值大于101.3kPa时，采用加压操作。时，采用加压操作。 （2）计算值小于）计算值小于101.3kPa时，采用常压或减压操作。时，采用常压或减压操作。 4、塔顶压力的确定。、塔顶压力的确定。 回流罐的压力加上管线阻力即为塔顶压力。管线阻力可回流罐的压力加上管线阻力即为塔顶压力。管线阻力可取取0.1-0.2 atm，减压塔可取，减压塔可取25 mmHg左右。左右。iixPP00P145、塔顶温度的确定、塔顶温度的确定 在塔顶压力下计算塔顶产品的露点温度即为塔顶温度。在塔顶压力下计算塔顶产品的露点温度即为塔顶温度。6、塔底压力的确定、塔底压

13、力的确定 塔底压力等于塔顶压力加上全塔压降。塔底压力等于塔顶压力加上全塔压降。 常、加压塔的每板压降可取：常、加压塔的每板压降可取：3-6mmHg； 减压塔的每板压降可取：减压塔的每板压降可取： 2-3mmHg。 7、塔底温度的确定、塔底温度的确定 在塔底压力下，塔底产品的泡点温度即为塔底产品的温度。在塔底压力下，塔底产品的泡点温度即为塔底产品的温度。15三、冷凝器及再沸器热负荷的确定三、冷凝器及再沸器热负荷的确定1、冷凝器热负荷的计算、冷凝器热负荷的计算 冷凝器的热负荷是塔顶饱和蒸汽从露冷凝器的热负荷是塔顶饱和蒸汽从露点气相冷凝为泡点液相所放出的热量，可点气相冷凝为泡点液相所放出的热量，可用

14、以下办法计算。用以下办法计算。露点气露点气相，相，Td泡点液泡点液相，相，Tb液相，液相，TdQcHVHL=Cp(Td-Tb)Qc=Hv+HL16 2、再沸器热负荷的计算、再沸器热负荷的计算 再沸器的热负荷是塔底液相部分汽化成饱再沸器的热负荷是塔底液相部分汽化成饱和蒸汽所吸收的热量，蒸汽的量就是塔内气相和蒸汽所吸收的热量，蒸汽的量就是塔内气相流量，可用全塔热平衡计算。流量，可用全塔热平衡计算。QBFHFDHLDWHLWQCQ损损QBDHLDWHLWQCQ损损FHFQ损损5 QB或近似由下式计算或近似由下式计算QBVw(HVW-HLW)17四、关于混合物物性参数的计算四、关于混合物物性参数的计算

15、 混合物的分子量、密度、粘度、表面张力等参数参混合物的分子量、密度、粘度、表面张力等参数参考图表集的计算方法计算考图表集的计算方法计算 五、回流比及理论板的计算五、回流比及理论板的计算 首先用首先用Underwood公式求最公式求最小回流比小回流比Rmin，再由芬斯克公式，再由芬斯克公式求（或用绘图法数出）最小理论求（或用绘图法数出）最小理论板数板数Nmin，然后再由吉利兰图求，然后再由吉利兰图求不同不同R下的下的N，最后通过下式作，最后通过下式作图：图：在在N(R+1)最小处即为适宜回流比。最小处即为适宜回流比。同时得到理论板数同时得到理论板数min 1RRNR（一般取（一般取1.5318七

16、、全塔效率的计算七、全塔效率的计算245. 049. 0TTE建议采用奥建议采用奥康奈尔法康奈尔法应用条件：应用条件：注意：混合物粘度用进料温度、进料总组成下液体粘度，单注意：混合物粘度用进料温度、进料总组成下液体粘度，单位位cP。5 . 71 . 0 T19已经确定塔顶温度已经确定塔顶温度TD假定塔底温度假定塔底温度TW计算各组分相对挥发度计算各组分相对挥发度计算理论塔板数计算理论塔板数计算塔板效率计算塔板效率计算实际板数计算实际板数假设每板压降计算塔底压力假设每板压降计算塔底压力计算塔底温度（计算塔底温度（TW）TW（TW）？）？是是计算结束计算结束否否重设重设TW八、塔底温度、压力、理论

17、板数的迭代计算八、塔底温度、压力、理论板数的迭代计算减压塔或常压塔：由平均温度减压塔或常压塔：由平均温度求得各组份的饱和蒸气压再求求得各组份的饱和蒸气压再求相对挥发度。相对挥发度。加压塔：先由塔底温度求得塔加压塔：先由塔底温度求得塔底压力，再求平均塔压。由塔底压力，再求平均塔压。由塔平均压力和温度求平均压力和温度求Ki，再求相，再求相对挥发度。对挥发度。20物质名物质名M Mt tb b()()t tc c()()p pc c(atm)(atm)乙醇乙醇水水表表 1 分子量、沸点及临界数据分子量、沸点及临界数据九、部分物性数据九、部分物性数据表表2 饱和蒸气压饱和蒸气压 表表3 液体的密度液体

18、的密度 表表4 液体的表面张力液体的表面张力 21表表4 液体的表面张力液体的表面张力 温度与表面张力的关系：温度与表面张力的关系：2 . 11212TTTTcc表表5 液体的汽化潜热液体的汽化潜热 38. 011rbrbTTrr其中：其中：Tr、Trb分别为温度分别为温度T和常压沸点温度和常压沸点温度Tb时的对比温度。时的对比温度。汽化潜热与温度的关系：汽化潜热与温度的关系：22表表6 各组分的各组分的Antoine常数常数 (mmHg) lnCTBAPo表表7 液体的平均比热液体的平均比热23第三部分第三部分 塔板尺寸设计要点塔板尺寸设计要点v板间距板间距HT的选定的选定v塔径的计算塔径的

19、计算v标准的选用标准的选用v塔板开孔率（填料）的计算塔板开孔率（填料）的计算 v标准塔板的选取标准塔板的选取v浮阀塔板的流体力学计算浮阀塔板的流体力学计算v塔板结构塔板结构v精馏塔设计框图精馏塔设计框图24一、塔板间距一、塔板间距HT的选定的选定选择塔板间距时，主要考虑以下因素选择塔板间距时，主要考虑以下因素v雾沫夹带雾沫夹带v物料的起泡性物料的起泡性 v操作弹性操作弹性 v安装与检修的要求安装与检修的要求 v塔径塔径塔径/mm塔板间距mm6007008001000120014001600300032004200300 350 450 *350 450 500 600 *350 450 500

20、 600 *800 *450 500 600 800 600 800注: 带*者不推荐使用表1 塔板间距与塔径的关系25塔径公式计算塔径公式计算 ：计算空塔气气速计算空塔气气速( (u u) ) 应注意以下事项：应注意以下事项：uVDs4二、塔径的计算二、塔径的计算v空塔气速的经验计算公式很多，可根据经验公式的使用条空塔气速的经验计算公式很多，可根据经验公式的使用条件进行选择。件进行选择。v推荐使用比较普遍的史密斯和波津方法，取两法计算的较推荐使用比较普遍的史密斯和波津方法，取两法计算的较大直径。大直径。v精馏段与提馏段应分别计算精馏段与提馏段应分别计算, ,如两段塔径相差不多如两段塔径相差不

21、多, ,可采用可采用同一塔径同一塔径. .26五、标准塔板的选取五、标准塔板的选取 当已知塔径和开孔率，可以从附表十当已知塔径和开孔率，可以从附表十单溢流浮阀单溢流浮阀塔板标准系列参数表塔板标准系列参数表选取浮阀塔板的参数。选取浮阀塔板的参数。 注意要选择和计算开孔率相近的标准塔板。注意要选择和计算开孔率相近的标准塔板。 从标准浮阀塔板中可得到浮阀塔板的如下参数：从标准浮阀塔板中可得到浮阀塔板的如下参数： 塔截面积（塔截面积（AT）；降液管堰长、堰宽；浮阀个数、）；降液管堰长、堰宽；浮阀个数、排列方式；出口堰高度等。排列方式；出口堰高度等。27v对精馏段和提馏段进行水力学校核。对精馏段和提馏段

22、进行水力学校核。v绘出塔板负荷性能图。绘出塔板负荷性能图。六、塔板水力学校核六、塔板水力学校核1塔板压降塔板压降 ：hp不高于不高于6mmHg（常压或加压塔）（常压或加压塔）,减压塔不高于减压塔不高于3mmHg2雾沫夹带量：雾沫夹带量：阿列克山德罗夫经验公式阿列克山德罗夫经验公式及及泛点率泛点率分别核算分别核算3. 降液管内液面高度降液管内液面高度 Hd：4. 漏液漏液 ：FoFoa5液体在降液管内停留时间及流速液体在降液管内停留时间及流速 ：28塔板的负荷性能图绘制塔板的负荷性能图绘制过量雾沫夹带线过量雾沫夹带线淹塔线（液泛线）淹塔线（液泛线） 过量泄漏线（气相负荷下限线）过量泄漏线（气相负

23、荷下限线）降液管超负荷线（液相负荷上限线）降液管超负荷线（液相负荷上限线）液相负荷下限线液相负荷下限线操作线：操作线：Origin 绘制塔板负荷性能图绘制塔板负荷性能图，并计算塔的操作弹性并计算塔的操作弹性K，要求，要求K不小于不小于3。根据塔板的流体力学计算结果和塔板的负荷性能图，分析讨根据塔板的流体力学计算结果和塔板的负荷性能图，分析讨论所设计塔板的特点及优缺点。论所设计塔板的特点及优缺点。 29v塔板有整块式和分块式两种类型。塔板有整块式和分块式两种类型。 当塔直径小于当塔直径小于800mm时，一般将塔板加工成整块式；当时，一般将塔板加工成整块式；当塔直径大于塔直径大于800mm，一般将

24、塔板加工成分块式。，一般将塔板加工成分块式。v分块式塔板由两块弓形板、一块通道板和数个矩形板构分块式塔板由两块弓形板、一块通道板和数个矩形板构成。成。七、塔板结构七、塔板结构30第四部分第四部分 塔辅助设备的选用与校核塔辅助设备的选用与校核v塔顶冷凝器的选用与校核塔顶冷凝器的选用与校核v塔顶再沸器的选用塔顶再沸器的选用 31一、塔顶冷凝器的选用与校核一、塔顶冷凝器的选用与校核32二、塔底再沸器的选用二、塔底再沸器的选用 选用塔底再沸器的主要步骤如下：选用塔底再沸器的主要步骤如下：v根据塔釜温度和热源温度计算换热平均温差根据塔釜温度和热源温度计算换热平均温差tm。v初步选取换热总传热系数初步选取

25、换热总传热系数K v用用QW=AKtm计算换热面积计算换热面积 Av查表选取标准换热器，得到换热器的基本参数。查表选取标准换热器，得到换热器的基本参数。33第五部分第五部分 塔体的初步设计塔体的初步设计一、塔体设计一、塔体设计筒体：建议采用碳钢，筒体的壁厚根据塔径、材料、操筒体：建议采用碳钢，筒体的壁厚根据塔径、材料、操作温度及压力从表作温度及压力从表3-1中选取。中选取。封头的设计：封头的设计：常用的有椭圆形、蝶形、球形等几种，建议采用椭圆形封常用的有椭圆形、蝶形、球形等几种，建议采用椭圆形封头（参照表头（参照表3-2和附录和附录11）。）。34人孔及手孔的设计人孔及手孔的设计 直径大于或等

26、于直径大于或等于800mm的塔，每隔的塔，每隔68块塔板设一个块塔板设一个人孔；人孔； 塔顶、塔底及进料处必须设置人孔；塔顶、塔底及进料处必须设置人孔； 最常用的人孔规格为最常用的人孔规格为Dg450； 凡有人孔的地方，塔板间距要等于或大于凡有人孔的地方，塔板间距要等于或大于600mm。35塔高塔高 m 214212 DLALHsTsB 塔顶空间塔顶空间HD由塔顶第一板到筒体与封头接线距离（不包括封头空间）由塔顶第一板到筒体与封头接线距离（不包括封头空间）称塔顶空间。通常取称塔顶空间。通常取HD1.21.5m塔底空间塔底空间HB由塔底第一板到塔底封头接线距离称塔底空间。由塔底第一板到塔底封头接

27、线距离称塔底空间。取产品停留时间取产品停留时间1015min，排量大，排量大 取取35min。计算结果再加上计算结果再加上12m作为塔底空间，即：作为塔底空间，即：36 进料空间进料空间HF液相进料，液相进料，HF大于一般板间距并满足安装人孔需要即可大于一般板间距并满足安装人孔需要即可两相进料，则两相进料，则HF要取得大些，以利于进料两相的分离，要取得大些，以利于进料两相的分离，一般可取：一般可取： HF1.01.2m塔的总高塔的总高H：裙座：裙座： 塔类的裙座分为圆柱形与圆锥形。塔类的裙座分为圆柱形与圆锥形。当塔高与塔径之比大于当塔高与塔径之比大于30时用圆锥形裙座，时用圆锥形裙座，一般用圆

28、筒形裙座。一般用圆筒形裙座。塔径为塔径为1.22m塔裙座开塔裙座开4个个50mm的排气孔，的排气孔，塔径在塔径在1m以上要开两个以上要开两个Dg450的人孔。的人孔。 图图3-4(a)m 11, niiTFBDHHHHH37二、接管的设计二、接管的设计 塔顶蒸汽出口管径塔顶蒸汽出口管径dv：原则：避免过大的压力降。特别是减压塔。原则：避免过大的压力降。特别是减压塔。查标准，选择导管中蒸汽的常用速度查标准，选择导管中蒸汽的常用速度uv，计算管径，计算管径dv，查标准，取接管的标准系列。查标准，取接管的标准系列。 回流管管径回流管管径dR：一般回流泵输送时，一般回流泵输送时，可取可取uR1.52.

29、5m/s，计算回流管，计算回流管管径管径dR，并选取标准系列。，并选取标准系列。38 进料管管径进料管管径dFeFFVmVFZRTMP , mFVFVmFVFVFsFMeFMVV, euuf fsFfuVd ,4 液相进料采用泵送时液相进料采用泵送时可取可取uF1.52.5m/s，标准系列，标准系列查表，查表， 若为气液混相进料，则只用气相流量计算管径，但若为气液混相进料，则只用气相流量计算管径，但允许气速应为经验气速的允许气速应为经验气速的 倍。倍。 39一般可取出料管速度一般可取出料管速度uw0.51.5m/s（一次通过式再沸（一次通过式再沸器取器取0.51.0m/s)，先求塔底出料的体积流率：，先求塔底出料的体积流率： 则：则： 塔底出料管径塔底出料管径dwmwmwswMWL, wswwuLd ,4塔底至再沸器连接管管径塔底至再沸器连接管管径dL 一次通过式再沸器，接管内速度取一次通过式再沸器，接管内速度取uL11.5m/s，液相，液相流量为提馏段的液相负荷。流量为提馏段的液相负荷。40罐式再沸器返塔是蒸汽部分，其流量为提馏段蒸汽负荷；罐式再沸器返塔是蒸汽部分，其流量为提馏段蒸汽负荷；热虹吸式再沸器，返塔的既有气相也有液相，热虹吸式再沸器，返塔的既有气相也有液相，一次通过式：蒸汽量为提馏段汽相负荷，一次通过式：蒸汽量为提馏段汽相负