广西大学化工原理课程设计

前 言转眼之间，我们已经结束了大三的学习。在这三年的学习当中，我们系统的学习了化工原理，物理化学，无机化学，有机化学，分析化学，化工设备与机械基础，机械制图，化工热力学等方面的知识，初步掌握了化学生产与化学设备之间的相互关系。在李志礼老师的指导下，我们开始了化工原理课程设计。实践是检验真理的唯一标准，学习了那么多的理论知识以后，终于有机会在现实过程中运用自己学习到的知识。在这次设计过程中，我们得到了老师学长学姐们很多的帮助，在此对他们表示衷心的感谢，由于我们所知识的有限和能力的不足，在设计过程中难免会遇到设计不合理，考虑不周全的地方，希望老师给予理解与指导，我们会更加努力，争取做得更好。设计者：目录设计题目任务要求与数据第一章 设计题目与要求设计题目： —任务要求与数据：1、设计一连续精馏塔分离乙醇和水，具体工艺参数如下：（1）原料乙醇含量：质量分率 40%（2）年产量：30000t（3）摩尔分率：xD=；xW=2、工艺操作条件：常压精馏，塔顶全凝，泡点进料，泡点回流， R=（~2）Rmin。3、 设备形式筛板塔。4、 设计工作日每年330天，每天24小时连续运行。第二章 筛板式精馏塔的工艺设计与计算塔板数的确定全塔物料衡算原料液中：设 乙醇（A）;水（B）查附表得: MA= MB=由已知条件可知： xF=xD=xW=年产量：30000t 每年330天，每天24小时连续运行由F=D+WxF*F=xD*D+xW*W得F=（kmol/h），W=（kmol/h），表2-1 不同温度下乙醇—水的汽液平衡组成t（℃）100xyt（℃）xy由t-x(y)图用内插法可知:塔顶温度tD=℃，塔底温度tw=℃78.395.386.8℃平均温度t2进料温度： tf℃相对挥发度的确定当t=℃时：yAxB1yBxA当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：yAxB5yBxA当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：yAxB9yBxA

y(1x)0.17(10.019)=(1y)x(10.17)0.019y(1x)0.5058(10.1661)=(1y)x(10.5058)0.1661y(1x)0.6122(10.3965)=(1y)x(10.6122)0.3965当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：当t=℃时：yAxBy(1x)0.7815(10.7472)0.7472=14yBxA平均相对挥发度n...n=1410.588.20...1.351.213.2912泡点进料，泡点回流q1xqxF0.4xD=α=αxDyq∴yq*xq0.69Rmin0.461（α—）yqxq1xq回流比系数我们取折中值R==根据理论板数的捷算法有 (R Rmin)(R1)=由吉利兰关联图→得N Nmin0.5→N=10块N 1操作方程的确定精馏段：V=(R+1)D=+1)=（kmol/h），L=RD=×=（kmol/h），提馏段：V=V–(1-q)F=h），L=L＋qF=+1×=（kmol/h），则精馏段操作线方程：yn1RxnxD=＋R1R1提馏段操作线方程：yn+1=LXnDxDFxF1.639xn-0.0128VV全塔效率塔顶温度tD=℃，塔底温度tw=℃，进料温度： tf ℃78.395.386.8℃平均温度t2表3-1乙醇在不同温度下的粘度[8]t/℃20406080100μ/表3-2水在不同温度下的粘度 [8]t/℃20406080100μ/由表用内差法求℃ 下的粘度：μA= ，μB=①则平均粘度μL=xFμA＋（1－xF）μB=*+（）*=αμL=*=②求全塔效率ET由αμL=，由《化学化工物性数据手册》 164页图10-20查得③求实际板数由NT得N=≈22块ET精馏段物料衡算物料组成：塔顶温度tD=℃，塔底温度tw=℃，进料温度： tf℃78.395.3t86.8℃平均温度 2查表2-1得(1)塔顶y1=XD=α=xnynx1=(1)yn(2)进料xf=yf=平均分子量Mm（1）塔顶：MVDm=（g/mol）MLDm=（g/mol）(3)(2)进料:MVFm=（g/mol）MLFm=（g/mol）平均分子量MVm=MVDm2MVFm=（g/mol）MLm=MLDM2MLFM=（g/mol）平均密度m由书[3]：1/LM=aA/LA+aB/LB塔顶：在℃下：LA=(kg/m3)LB=(kg/m3)1=+则LMD=(kg/m3)LMD进料:在进料温度℃下：LA=(kg/m3)LB=(kg/m3)aA=0.3965*46.070.6270.3965)18.020.3965*46.07(11=0.627(10.627)则LMF=(kg/m3)LMF741.5971.4即精馏段的平均液相密LM=+/2=(kg/m3)平均气相密度VM=PMVM=101.325*38.371.30(kg/m3)RT8.314*(273.1586.8)液体表面张力m塔顶:查图表求得在℃下：（物化手册）MD 0.82*17.9 0.18*62.89 26.00(mN/m)(mN/m)进料:在℃下：MF0.3965*17.86(10.3965)*62.4744.78mN/m(mN/m)则m=(MD+MF)/2=+/2=(mN/m)气液负荷的计算由已知条件V=kmol/hL=kmol/h得VS=VMvm=159.75*38.371.31(m3/s)3600VM3600*1.30LMLM=67.41*31.720.00075(m3/s)LS=3600*795.183600LM塔径D的计算两相流动参数计算如下FLV=LsLmVsVmFLV0.00075795.180.0142=1.301.31参考化工原理下表 10-1(p129) ，我们取板间距HT=hL0.06mHT-hL0.39m参考化工原理下图10-42筛板的泛点关联得：Cf20=0.235.39=Cf20200.2Cf=0.081(20)0.0910.20.5795.181.30ufCf20LV=0.091*()0.52.25m/s20V1.30本物系不易起泡,取泛点百分率为 85%，可求出设计气速u'n=m/s根据塔设备系列化规格，将D圆整到D=1m作为初选塔径，因此重新校核流速uun1.668实际泛点百分率为74.3%uf2.250塔板详细设计由于LS=m3s，D=1m，所以（m3/h）<45(m3/h). 根据《化工原理（下）》表 10-2选择单溢流,弓形降液管，不设进口堰。因为弓形降液管具有较大容积，又能充分利用塔面积，且单溢流液体流径长，塔板效率高，结构简单，广泛用于直径小于米的塔中。溢流装置取堰长lw==×1=,选择平流溢流堰出口堰高hwhLhOW,已取hL=h0W=×103E(Lh)2/3lw由Lh(lw)2.5=×3600/查化工原理下图10-48得：E=h0W=×103×××3600/2/3=hwhLhOW=取hw是符合的。∴hL=hW+hOW=+=修正后hL对un影响不大,故塔径计算不用修正.降液管宽度Wd与降液管面积Af由lw/D=查化工原理下图10-40得:Wd=×1=降液管底隙高度hO为了保证降液管底端有良好的液封。 hO要小于hW.同时为了防止因安装偏差而使液流不畅造成液泛，hO一般不宜小于20-25mm。而hO=LS'，取液体通过降液管底隙速lwuo度uo=s.LS0.00075过小,取ho=h00.015mlw*uo'0.70*0.70(4)塔板布置取安定区宽度WS=,取边缘区宽度WC=，从图10-40求出Wd==m。筛板数n与开孔率按设计经验取塞班孔径 do 5mm，因空心t与do的比值过小会使气流易相互干扰，过大则鼓泡不均匀，均会影响传质效率。故选择推荐值内的t515mm呈正三3.0t=3.0do角形排列依下式计算塔板上的开孔率0.9070.9070.101=%则每层塔板上的开孔面积Ao为：2(15/5)2（t/d0）n=A0=0.04880.0488孔2222486d00.0050.01544筛板能校塔流体力学校核板压降的校核气体通过筛板压降相当的液柱高度： hp=hc+hl+hσ干板压降相当的液柱高度取板厚3mm，3.0,0.9070.6（t/d2do5.00）查化工原理下图10-45得:Co=VS1.31u026.84m/sm/sA00.04882

0.9070.101=%(15/5)2uov26.84)2(1.30液柱hc==0.051()0.1097mCoL0.74795.18气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl相应的气体动能因子 Fa ua 0.5 1.824*1.300.5 2.080(m·s-1·kg·m-3)1/2查化工原理下图 10-46得：β=hl (hw how) hL 0.58 0.0682 0.0396m液柱克服液体表面张力压降相当的液柱高度hσ∴板压降 hp hc hl h=++=本设计系常压操作，对板压降本身无特殊要求。液沫夹带量的校核ev5.7*106(ua)3.25.7*106(1.824)3.20.0314Kg液/Kg气HTHf35.39*1030.452.5*0.0396液/Kg气＜液/Kg气同样得到：液沫夹带量不超过 10%，故在设计负荷下不会发生过量液沫夹带。溢流液泛条件的校核2溢流管中的当量清液高度可由式hf0.153LSlwho计液体沿筛板流动时,阻力损失很小,其液面落差 可忽略不计,即 0。已知: hL=m, 0，hf 2.5*0.0396 0.099m故降液管内的当量清液高度：乙醇-水混合液不易起泡,取 =,则降液管内泡沫层高度：HfdHd0.13890.60.232m<不会产生溢流液泛。液体在降液管内停留时间的校核AfHd0.0668*0.138912.37s降液管内的停留时间LS0.00075>5s不会产生严重的气泡夹带。漏液点的校核漏液点的孔速为：=4.4C0(0.00560.13*0.06820.00363)795.18/1.308.38m/s筛孔气速uo=su026.84>1.5~2塔板稳定系数k3.2uow8.38表明具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的塔径及各工艺尺寸合适。塔板负荷性能图注:以下计算常用how2.84103E(Lh2/3得how(~Ls),E~~Lh经验计算,)2.5lwlw(Lh3600LS2/3取E=则how2.841031.0)2/3=2.841030.8462LS2/30.70.7过量液沫夹带线依下式计算:ev=5.7106ua(2-1)HThf式中：uaVS=VS=1.392VS120.0668=ATAf0.785hf=2.5(hw+how)=2.5(0.05180.8462Ls2/3)=0.12952.1155Ls2/3令ev=液/kg气，由=3N/m,HT=m代入式(2-1)得：=5.71063(1.392Vs2/3)3.235.39100.450.12952.1155Ls2/3整理得：Vs 1.718 11.34Ls在操作范围中，任取几个 Ls值，根据上式算出 Vs值列于表2-3中：表2－3依表中数据在作出过量液沫夹带线（ 1）(参见图2-1)溢流液泛线由式[2]HdhwHT和Hdhhhfhf联立求解。wow(1)hphchLhhc=0.051（uo）2（v）=0.051（Vs）2vcoLCoAoL=0.051（Vs）2(1.30)=0.0639Vs20.740.0488795.18hl=（hw+how）=0.58(0.05180.8462Ls2/3)0.03000.4908Ls2/3故hp=0.0549Vs2+0.03000.4908Ls2/3+=0.0549Vs2+0.4908Ls2/3+(2)hd=（Ls）2=0.153（Ls）2=195.2Ls2则：lwh00.70.040.6(0.450.0518)0.0549Vs2+0.4908L2/3L22s+++s+Ls整理得：22/32Vs=ss取若干Ls值依(2-18)式计算Vs值，见表2-4，作出液泛线（3）表2-40．0020．0040．0060．008液相上限线取液体在降液管中停留时间为5秒。则LsmaxHTAf=0.45