化工原理课程设计-张世超-1(共23页)

1、 南京(nn jn)工业(gngy)大学化工(hugng)原理课程设计设计题目 常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 学生姓名 张世超 班级、学号 1301.32 指导教师姓名 管国锋 课程设计时间2015年6月11日-2015年6月24 日 课程设计成绩百分制 权重设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问题情况，30%设计最终成绩（五级分制）指导教师签字 化学化工学院课程名称 化工(hugng)原理课程设计(shj) 设计(shj)题目 常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 学生姓名 张世超 专业 材料科学与工程 班级

2、学号 4201130132 设计日期 2015 年 6 月 11 日至 2015年 6月 24日设计条件及任务：设计体系：乙醇水设计条件： 1.进料：F=220kmol/h，q=1(泡点进料)，Xf=0.25； 2.压力：p顶=4KPa，单板压降0.7KPa； 3.采用间接蒸汽加热，塔顶冷凝水采用12深井水；4.要求：XD=0.88 XW=0.01；5.选定R/Rmin=1.6。指导教师 管国锋 2015年6月11日 摘要(zhiyo)化工(hugng)原理课程设计(shj)是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方

3、法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。而在板式精馏塔中，筛板塔有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左右，处理能力大等优点，综合考虑更符合本设计的要求。本课

4、程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。关键词：板式精馏塔 筛板 计算 校核目录 一、 概述(i sh)二、 板式精馏塔的工艺(gngy)计算2.1 气液平衡(pnghng)数据2.2 物料衡算2.3 操作线及塔板计算三、 板式塔主要尺寸的设计计算3.1 塔径计算3.2 塔高计算3.3 塔板设计3.4 塔板校核3.5 负荷性能图四、 筛板塔资料汇总4.1全塔数据4.2精馏段和提馏段的数据五、 讨论与优化5.1讨论5.2优化六、 辅助设备选型6.1换热器6.2泵一、 概述(i sh)1.1精馏(jn li)操作(cozu)对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传

5、质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： （1）气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 （2） 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 （3） 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系

6、的操作。 （4） 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 （5） 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 （6）塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有(suyu)要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。1.2板式(bnsh)塔类型 气液传质(chun zh)设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其它分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。 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组件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板

7、塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，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，如S型板、浮阀塔板、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等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。1.2.1筛板塔筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： () 结构比浮阀塔更简单(jindn)，易于加工(ji gng)，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80

8、左右(zuyu)。 () 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。 （2） 操作弹性较小(约23)。（3）小孔筛板容易堵塞。1.2.2浮阀塔 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀

9、塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： （1） 处理能力(nngl)大，比同塔径的泡罩塔可增加(zngji)2040，而接近(jijn)于筛板塔。 （2） 操作弹性大，一般约为59，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 （3） 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 （4） 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400660N/m2。 （5） 液面梯度小。 （6） 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。（

10、7） 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的6080,为筛板塔的120130。本书虽未包括其它塔板的设计数据，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同的。学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板。1.3精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行： （1） 设计(shj)方案(fng n)确定和说明。根据(gnj)给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 （2）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 （3）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 （4）管路及附属设备的计算与选型，

11、如换热器、泵。（5）抄写说明书。（6） 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。二、 板式精馏塔的工艺计算2.1汽液平衡数据（760mmHg）X-Y相图(xin t)2.2物料(w lio)衡算已知：1.进料：F=220kmol/h，q=1.08(泡点进料)，Xf=0.25； 2.压力(yl)：p顶=4KPa，单板压降0.7KPa； 3.采用(ciyng)直接蒸汽加热，塔顶冷凝水采用(ciyng)12深井水；4.要求：XD=0.88 XW=0.01；5.选定R/Rmin=1.6。D=(Xf-Xw)/(XD-Xw)F=(0.25-0.01)/(0.88-0.01)220=60.69kmol/h

12、W=F-D=220-60.69=159.31 kmol/hq线方程：作q线与平衡线交点得：Xe=0.27，Ye=0.56。Rmin=(XD-Ye)/(Ye-Xe)=(0.88-0.56)/(0.56-0.27)=1.1，R=1.6Rmin=1.76。L=RD=1.7660.69=106.81kmol/h V=(R+1)D=(1.76+1)60.69=167.5kmol/h L=L+qF=106.81+1.08220=344.41kmol/h V=V-(1-q)F=167.5-(1.08-1)220=149.9kmol/h2.3操作(cozu)线及塔板计算1.精馏(jn li)段操作(cozu)

13、线:y=R/(R+1)X+XD/(R+1)=0.6377X+0.3188 2.提馏段操作线:y=(L/V)X-(W/V)Xw=2.2976X-0.0106 3.理论塔板的计算：利用吉利兰快速估值法求理论版数。,其中：，根据图取得的各个平衡点计算出全塔的相对平均挥发度: 。则Nmin=5.53,由查吉利兰关联图可以得0.67。则理论板数N=18.8。因为给定板效率为0.52，所以实际板数N=18.8/0.52=36.15，圆整为37块塔板。三、板式塔主要(zhyo)尺寸的设计计算3.1塔径计算(j sun)全塔的平均(pngjn)温度：查得平均温度下：查得平均温度下：液体平均(pngjn)表面张

14、力：塔的液相平均(pngjn)密度：塔的蒸汽平均(pngjn)密度：塔的平均蒸汽摩尔流量:塔的平均蒸汽体积流量:塔的平均液相摩尔流量:塔的平均液相体积流量:两相流动参数：设塔间距HT=0.45m,根据史密斯关联图，可以查得C20=0.098。最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为：根据(gnj)经验公式：，这里取0.8，u=1.784m/s。所以(suy)，初步估算塔径为：圆整为0.9m。 塔径D=0.5m,重新计算气速： 泛点率：符合要求。塔径可取(kq)0.9m。3.2塔高计算塔高：HD塔顶空间，m；Hw塔底空间，m；HT塔板间距，m；HT开有人孔的塔板间距，m； Np实

15、际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。3.2.1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。这里取HD =2HT =0.9m。3.2.2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。塔底产品量大时，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。这里取5分钟的保留量。计算得液体的体积为：，除以塔的截面积得到塔底空间：3.3.

16、3人孔数目根据(gnj)塔板安装方便(fngbin)和物料的清洗程度而定。对于处理不需要(xyo)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。这里设置人孔数目S=4，HT =0.45m。所以塔高：。3.3塔板设计1.流动型式: 选取单流型弓形降液管塔板。2.堰的计算: 堰长取Lw=0.6D=0.60.9=0.54 m, 堰高hw=0.04m堰上清液高:清液层高度：3.塔板的布置：入口安定区和出口安定区：bs=bs=0.05m,边缘区bc=0.05m。选取碳钢为筛板的材料，板厚=4m，孔径do=6mm，取孔

17、中心距t=15mm，t/do=2.5。因为，查弓形(n xn)降液管的参数(cnsh)图可得。弓形(n xn)降液管宽度，截面积。开孔区面积：开孔率：筛孔数：筛孔气速：bcbdbslWrx3.4塔板校核(xio h)3.4.1液沫夹带(jidi)量校核(xio h)气体通过有效截面的面积的速率：则板上鼓泡层高度：利用Hunt经验公式计算单位质量气体所夹带的液体质量： 0.1kg液体(yt)/k气体(qt)，不产生过量液沫夹带(jidi)，合格。3.4.2塔板阻力的计算和校核清液柱高度表示：塔板阻力包括 以下几部分:（1）干板阻力气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；查干筛孔流量系数图得。；（2）

18、液层阻力气体通过液层阻力；查充气(chn q)系数与Fa关联(gunlin)图表得=0.56（3）克服(kf)液体表面张力阻力孔口处表面张力。；气体通过每层塔板的压降为：小于设计允许值0.7kPa，合格。3.4.3降液管液泛校核为防止塔内发生液泛降液管内液层高：；其中乙醇和水属于一般物系列，查得泡沫层相对密度：所以；而，其中(qzhng)：小于设计(shj)允许值，合格(hg)。3.4.4液体在降液管中停留时间校核停留时间：设计要求：，合格。3.4.5严重漏液校核对于筛板塔漏液点气速：实际孔速：，超过漏液点气速，合格。3.5 负荷性能图3.5.1过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件，取E=1。；化简得到(d do)：3