化工原理课程设计-精馏塔的设计

化工原理课程设计说明书目 录1、引 言211塔设备的类型212板式塔的类型与选择22、工艺流程说明62.1工艺流程图62.2工艺流程图说明63、 塔的工艺计算73.1 物料恒算73.1.1 原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率73.1.2 平均分子量73.1.3 物料恒算83.2理论板数的确定83.2.1 理论板数的确定83.2.2实际板数的确定103.3 塔径及塔板有效高度的确定103.3.1操作参数及物性参数的确定103.3.2 塔的工艺尺寸确定134、 塔板主要工艺尺寸计算144.1 塔板结构尺寸的确定144.1.1 溢流装置的计算144.1.2塔板布置154.2塔板流体力学验算164.2.1气体通过塔板压降164.2.2液泛174.2.3雾沫夹带184.2.4 漏液184.3 塔板负荷性能图194.3.1雾末夹带线194.3.2液泛线194.3.3液相负荷上限线204.3.4漏液线204.3.5液相负荷下限线204.4设计结果一览表215、结束语236、符号说明237、参考文献258、附图251、引 言11塔设备的类型 塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。12板式塔的类型与选择板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便。按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。错流塔板：塔内气液两相成错流流动，即流体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力；而且，流体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称之为液面落差。液面落差大时，能引起板上气体分布不均，降低分离效率。错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。逆流塔板亦称穿流板，板间不设降液管，气液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。错流塔板又可分为一下几种： 一、泡罩塔塔板上设有许多供蒸气通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成液封。操作时，气体沿升气管上升，经升气管与泡罩间的环隙，通过齿缝被分散成许多细小的气泡，气泡穿过液层使之成为泡沫层，以加大两相间的接触面积。流体由上层塔板降液管流到下层塔板的一侧，横过板上的泡罩后，开始分离所夹带的气泡，再越过溢流堰进入另一侧降液管，在管中气、液进一步分离，分离出的蒸气返回塔板上方究竟，流体流到下层塔板。一般小塔采用圆形降液管，大塔采用弓形降液管。泡罩塔已有一百多年历史，但由于结构复杂、生产能力较低、压强降等特点，已较少采用，然而因它有操作稳定、技术比较成熟、对脏物料不敏感等优点，故目前仍有采用。如图。 图1-1泡罩式塔板二、筛板塔筛孔塔板简称筛板，结构特点是在带有降液管的塔板上开有很多均匀的小孔。液体流程与泡罩塔相同，蒸气通过筛孔将板上液体吹成泡沫。筛板上没有突起的气液接触元件，因此板上液面落差很小，一般可以忽略不计，只有在塔径较大或液体流量较高时才考虑液面落差的影响。根据孔径的大小分为小孔径筛板（孔径为3-8mm）和大孔径筛板（孔径为10-25mm）两类。工业应用中以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大，易结焦的物系）。筛板的优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦，粘度大的物料。尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏夜，使得操作弹性减小，传质效率下降，故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，祢补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。 图1-2 筛孔塔板三、浮阀塔浮阀塔是50年代开发的一种较好的塔，。在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为39mm）的均布圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的浮阀。浮阀形式很多，常用的有F1型，V4型，T型浮阀。操作时，液相流程和前面介绍的泡罩塔一样，气相经阀孔上升顶开阀片、穿过环形缝隙、再以水平方向吹入液层形成泡沫，随着气速的增减，浮阀能在相当宽的范围内稳定操作。因此目前获得较广泛的应用。V-4型浮阀T型浮阀F1型浮阀 图1-3 浮阀四、喷射型塔板筛板上气体通过筛孔及液层后，夹带着液滴垂直向上流动，并将部分液滴带至上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。雾沫夹带的产生固然可增大气液两相的传质面积，但过量的雾沫夹带造成液相在塔板间返混，进而导致塔板效率严重下降。在浮阀塔板上，虽然气相从阀片下方以水平方向喷出，但阀与阀间的气流相互撞击，汇成较大的向上气流速度，也造成严重的雾沫夹带现象。此外，前述各类塔板上存在或低或高的液面落差，引起气体分布不均，不利于提高分离效率。基于这些缺点，开发出若干种喷射型塔板，在这类塔板上，气体喷出的方向与液体流动的方向一致或相反。充分利用气体的动能来促进两相间的接触，提高传质效果。气体不必再通过较深的液层，因而压强降显著减小，且因雾沫夹带量较小，故可采用较大的气速。近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型：舌型塔板，浮舌塔板，斜孔塔板。图1-4 舌形塔板 图1-5 浮舌塔板 2工艺流程说明2.1工艺流程图 图2-1 连续精馏塔操作流程2.2工艺流程图说明精馏可分为间歇精馏和连续精馏。根据精馏原理可知，但有精馏塔还不能完成精馏操作，而必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配有原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适意的液相回流，因而使精馏能连续稳定地进行.间歇精馏连续操作流程原料液一次加入塔釜中，而不是连续加入精馏塔中，间歇精馏只有精馏段而没有提馏段，间歇精馏釜液浓度不断地变化，产品组成也逐渐降低。典型的连续精馏流程如上图1所示。由图可见，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板逆流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体气化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。有时在塔底安装蛇管，以代替图1中的再沸器，塔顶回流液也可借重力作用直接流入塔内而省去回流液泵。3. 塔的工艺计算3.1 物料恒算3.1.1 原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量：水的摩尔质量： 3.1.2 平均分子量原料液的平均摩尔质量：塔顶产品的平均摩尔质量：塔底产品的平均摩尔质量：3.1.3 物料恒算原料液处理量：总物料恒算：甲醇物料恒算：代入数据解方程得： 3.2理论板数的确定3.2.1 理论板数的确定理论板是指离开这种板的气液两相互成平衡，并且塔板上的液相组成也看作是均匀的。然而由于塔板上气液间接触面积和接触时间的限制，理论板根本不存在，它仅是衡量实际板分离效率的依据和标准。确定理论板数常用的方法有计算法和图解法等。逐板计算法是依据平衡方程和操作线方程，通过作图得出理论板数。由于甲醇-水系统比较容易分离，故选用图解法简便的确定理论板数。（1）进料热状态参数q的确定根据t-x-y图查得的温度 如图（详图见附图1）则 查得该温度下的甲醇和水的比热和汽化潜热如下名称比热/)汽化热/水4.1742258甲醇2.621101则所以：(2) 最小回流比及操作回流比R 采用做图法求最小回流比。在附图1中x-y图中定出点A（0.2894,0.2894） 。以点A为原点做q线方程。该线与平衡线交点坐标为 。故最小回流比操作回流比（3）. 图解法求理论板数精馏段操作线方程：图解法求步骤：（1）在x-y图上做平衡线和对角线；（2）过点B(0.8661，0.8661)和点C（0 0.418）做精馏段操作线方程，交q线方程于点D。（3）连接点D和点E（0.0171,0.0171）得到提馏段操作线；（4）从B点开始在平衡线和操作线之间画阶梯 求得（不包括塔釜） 自塔顶往下第四块板为进料板。（5）全塔效率在t-x-y图（附图1）查得 全塔平均温度 该温度下的甲醇和水的黏度为： 3.2.2实际板数的确定精馏段实际板数 块提馏段实际板数 块3.3 塔径及塔板有效高度的确定3.3.1操作参数及物性参数的确定（1）操作压强塔顶压强 进料板压强 塔底压强 精馏段的平均操作压强 提馏段的平均操作压强 （2）平均温度在t-x-y图（附图1）上查得 ，则：精馏段平均温度 提馏段平均温度 （3）平均分子量在x-y图（附图1）中读的f点坐标 则进料处气相平均分子量 进料处液相平均分子量 塔顶第一块板的组成为 查得塔顶气相平均分子量 塔顶液相平均分子量 塔釜组成为 查得 则塔底气相平均分子量 塔底液相平均分子量 精馏段气相平均分子量 =精馏段液相平均分子量 提馏段气相平均分子量 提馏段液相平均分子量 （4）平均密度查得附图1中进料板温度时 则 解得 查得 时 解得 查得时 解得 （5）表面张力查得时 所以 查得时 所以 查得时 所以 精馏段表面张力 提馏段表面张力 （6）液体黏度查得时 则查得 时 则查得时 精馏段液体黏度提馏段液体黏度（7）气相负荷的计算精馏段：提馏段：所以 取较大的气体流量和液体流量 3.3.2 塔的工艺尺寸确定（1）塔径计算求塔径需求出空塔气速安全系数 式中C可由史密斯关联图查出。图中横坐标的数值为：取板间距 取板上液层高度则图中参数值为 查得 物系表面张力 需要校正取安全系数为0.8，则空塔系数为塔径按标准塔径圆整为 D=1.8m则塔截面积 实际空塔系数 （2）塔的有效高度计算实际塔板数 N=7+9=16块进料板数 进料板间距 人孔数 人孔直径 d=0.8m人孔处板间距 塔顶空间 塔底空间 所以，塔的有效高度： 4 塔板主要工艺尺寸计算4.1 塔板结构尺寸的确定4.1.1 溢流装置的计算因塔径D=1.8m 可选用单溢流弓形降液管。不设进口堰。计算如下：（1） 堰长（2） 溢流堰高度 选用平直堰，堰上液层高度 近似E=1，则取 故 （3） 弓形降液管宽度和截面积由 查得 验算降液管内停留时间：精馏段内停留时间为39.33，大于5秒，故降压管可使用。液体在降液管设计合理（4） 降液管底隙高度 取降液管底隙的流速 则所以降液管底隙高度合理 4.1.2塔板布置取阀孔动能因子孔速 (1) 每层塔板上浮阀数（阀孔直径） 块（2）塔板上的鼓泡区面积（取边缘区宽度，泡沫区宽度）（3）排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距， 则可按下式估算排间距：考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与平衡也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用21mm，而应小于此值，故取=20mm 按t=21mm，=20mm以等腰三角形叉排方式作图。见（附图2），排得阀孔数为156个。按N=156重新核算孔速及阀孔动能因数： 阀孔动能因数变化不大，仍在912范围为内。塔板开孔率=4.2塔板流体力学验算4.2.1气体通过塔板压降（1）干板阻力计算因为故可计算干板阻力液柱（2）气体通过液层的阻力的计算 本设备分离甲醇和水的混合物，即液相为碳氢化合物，可取充气系数为 故 液柱（3）液体表面张力的阻力计算因为此阻力很小，可忽略不计。气体通过每层塔板的液柱高度：气体通过每层塔板的压降：4.2.2液泛为了防治淹塔现象的发生，要求降液管中清液层高度 有（1） 气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度 （2） 液体通过降液管的压头损失 即 液柱（3）板上液层高度 即： 则 取 ，又已选定 ， 则 可见，符合防止淹塔的要求。4.2.3雾沫夹带计算泛点率，即泛点率及 泛点率板上液体流径长度：板上液流面积：取 由图查得泛点负荷系数所以 泛点率泛点率两者都满足在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足的要求。在允许范围内。4.2.4 漏液对于型浮阀，漏夜点气速计算式为 实际孔速 稳定系数为 故本设计无明显漏夜现象。4.3 塔板负荷性能图4.3.1雾末夹带线即：泛点率 按泛点率=80%计算如下： 整理得：由上式知雾末夹带线为直线，则在操作范围内，任取几个值 依据上式计算出值，计算结果列于下表，据此，可以做出雾末夹带线（1）0.0050.0036.8016.9214.3.2液泛线由上式确定液泛线。忽略式中而与又有如下关系，即： 式中阀孔数N与孔径亦为定值。因此，可将上式简化成与的如下关系式： 整理得：在操作范围内，任取几个值，已上式计算出值列于下表0.0010.0030.0050.00711.7111.4211.1810.98根据表中数据做出液泛线（2）4.3.3液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于。所以液体在降液管内的停留时间 以作为液体在降液管中停留时间的下限，则： 求出上限液体流量值（常数），在图上，液相负荷上限为与气体流量无关的竖直线。即液相负荷上限线（3）4.3.4漏液线 对于型浮阀，依计算，则：，又知 则得： 以作为规定气体最小负荷的标准 ，则：据此做出与液体流量无关的水平漏液线（4）4.3.5液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件。以此作出液相负荷下限线，该线为与气相流量的竖直线。即液相负荷下限线（5） 取 E=1，则根据表中数据及式（3）（4）（5）可分作出塔板负荷性能图上（1）（2）（3）（4）（5）共五条线。见（附图3）由塔板负荷性能图（附图3）可以看出：（1） 任务规定的气，液负荷下的操作点P（设计点），处在适宜操作区的适中位置。（2） 塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。（3） 按照固定的气液比，有本例附图2查处塔板的气液负荷上限,气相负荷下限。所以 操作弹性。4.4设计结果一览表项目符号单位数据塔顶温度66塔底温度 97进料温度78最小回流比 Rmin0.5372操作回流比R1.07理论板数块7全塔效率49%精馏段实际板数块7提馏段实际板数块9精馏段液相密度813.92精馏段气相密度1.0765提馏段液相密度905.33提馏段气相密度0.885精馏段表面张力36.88提馏段表面张力54.8精馏段液体黏度0.345提馏段液体黏度0.32精馏段液相负荷0.0012精馏段气相负荷1.974提馏段液相负荷0.002提馏段气相负荷2.3塔内径Dm1.8塔截面积0.817弓形降液管面积0.059开孔区面积0.24阀孔直径mm39孔心距tmm21阀孔数n个156开孔率%18.27溢流区长度m0.67弓形降液管宽度Wdm0.2232边缘宽度Wcm0.06出口安定区宽度Wsm0.10堰高m0.047降液管底隙高度homm0.049空塔气速u1.77单板压降kPa0.609降液管停留时间s12.04塔板间距m0.5塔高 Zm225结束语通过本次设计使我了解了精馏塔的构造并且掌握了如何设计塔设备，这次课程设计使我了解了工程设计的主要程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。本次设计过程比较复杂，计算量也比较大，需要的参变量也较多，所以在计算过程中遇到许多困难，在前几步的计算中，几乎每步都要去查阅资料，并用到差值法找到设计中所需的物性参数值，还有许多