化工原理课程设计简易步骤.doc

化工原理课程设计说明书设计题目 学生姓名 指导老师 学 院 专业班级 完成时间 目 录1. 设计任务书（ ）2. 设计方案的确定与工艺流程的说明（ ）3. 精馏塔的物料衡算（ ）4. 塔板数的确定 （ ）5. 精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算（ ）6. 精馏段的汽液负荷计算（ ）7. 精馏段塔体主要工艺尺寸的计算 （ ）8. 精馏段塔板主要工艺尺寸的计算（ ）9. 精馏段塔高的计算 （ ）10. 精馏段塔板的流体力学验算（ ）11. 精馏段塔板的汽液负荷性能图（ ）12. 精馏段计算结果汇总 （ ）13. 设计评述 （ ）14. 参考文献（ ）15. 附件（ ）附件1：附图1精馏工艺流程图 （ ）附件2：附图2降液管参数图（ ）附件3：附图3塔板布孔图（ ） 板式塔设计简易步骤一、 设计方案的确定及工艺流程的说明对塔型板型、工艺流程、加料状态、塔顶蒸汽冷凝方式、塔釜加热方式等进行说明，并绘制工艺流程图。（图可附在后面）二、 精馏塔物料衡算：见教材P270计算出F、D、W，单位：kmol/h三、 塔板数的确定1. 汽液相平衡数据：查资料或计算确定相平衡数据，并绘制t-x-y图。2. 确定回流比：先求出最小回流比：P266。再确定适宜回流比：P268。3. 确定理论板数逐板法或梯级图解法（塔顶采用全凝器）计算理论板层数，并确定加料板位置：P257-258。（逐板法需先计算相对挥发度）确定精馏段理论板数N1、提馏段理论板数N24. 确定实际板数：估算塔板效率：P285。（需知全塔平均温度，可由 t-x-y图确定塔顶、塔底温度，或通过试差确定塔顶、塔底温度，再取算术平均值。需知相对挥发度，可由安托因方程求平均温度下的饱和蒸汽压，再按理想溶液计算。）由塔板效率计算精馏段、提馏段的实际板层数N1,N2：P284式6-67。四、 精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1. 操作压力：取2. 精馏段平均温度：查t-x-y图确定塔顶、进料板温度，再取平均值。或由泡点方程试差法确定塔顶、进料板温度。3. 平均摩尔质量MVm、MLm：由P8式0-27分别计算塔顶、进料板处的摩尔质量，再分别取两处的算术平均值。汽相的摩尔分率查t-x-y图。4. 平均密度、： ：用P13式1-7分别计算塔顶、进料板处液相密度，再取算术平均值。5. 液体表面张力：由分别计算塔顶与进料板，再取平均值。6. 液体粘度：与表面张力的计算类似。五、 精馏段汽液负荷（Vs、s）计算V=（R+1）D L=RD 同时计算Vh、Lh。冷凝器的热负荷：(本设计不要求计算)六、 精馏段主要工艺结构尺寸的计算(一) 板间距HT的初估。板间距初估是为了估算塔径，在P286表6-8初选。(二) 塔径的初估与圆整 P2861. 液泛速度。2. 塔径：计算，并圆整，再按P286表6-5，检验塔径是否合适。3. 实际操作气速。七、 塔板工艺尺寸的计算（一）溢流装置:说明采用何种形式的溢流堰、降液管、受液盘。（以下为选择依据：）1.降液管：降液管有圆形与弓形两类。通常，圆形降液管只用于小直径塔，而弓形降液管由部分塔壁和一块夹板围成，它能充分利用塔内空间，普遍用于直径较大、负荷较大的塔板。2.溢流方式： 溢流方式与降液管的布置有关。常用的降液管布置方式有U型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等。常选择的为单流型和双流型P281。可依下表进行选择。3.溢流堰的形式：有平直形和齿形两种。一般选择平型。4）受液盘: 受液盘有平受液盘和凹形受液盘两种形式，如下图所示。 (a) 平受液盘 (b)凹受液盘 平受液盘一般需在塔板上设置进口堰，以保证降液管的液封，并使液体在板上分布均匀。但设置进口堰既占用板面，又易使沉淀物淤积此处造成阻塞，因此可不设进口堰。采用凹形受液盘不需设置进口堰。凹形受液盘既可在低液量时能形成良好的液封，又有改变液体流向的缓冲作用，并便于液体从侧线的抽出。对于600mm 以上的塔，多采用凹形受液盘。凹形受液盘的深度一般在50 mm以上，有侧线采出时宜取深些。凹形受液盘不适于易聚合及有悬浮固体的情况，因易造成死角而堵塞。3.溢流装置的设计计算 1）堰长lw：参见P281 堰长lW应由液体负荷及溢流型式而定。对于常用的弓形降液管：单溢流取lW= （0.60.8）D 其中D为塔径，m。双流型塔板，两侧堰长取为塔径的0.50.7倍。并保证堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。2）堰上液层高度how: 太小，堰上的液体均布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。对于平直堰，堰上液层高度how可用弗朗西斯（Francis）经验公式求算：式中：Ls塔内液体流量，m3/h；lw堰长，m；E液流收缩系数。液流收缩系数E，可由液流收缩系数计算图查取。一般情况下可取E=1，所引起的误差对计算结果影响不大。平直堰，一般how0.006m，若低于此值，改用齿形堰。How也不宜超过0.060.07m，否则改用双溢流型塔板。3）出口堰高hw：堰高hw需根据工艺条件与操作要求确定。设计时，一般应保持塔板上清液层高度在50100mm。计算公式： 式中：hL板上液层高度，在50100mm内取值，m；how堰上液层高度，m。 堰高一般在0.030.05m范围内，对于减压塔的hw值应较低，以降低塔板的压降。堰高还要考虑降液管底端的液封，一般应使堰高在降液管底端0.006m以上，大塔径相应增大此值。若堰高不能满足液封要求时，可设进口堰。在求出how后，检验堰高是否在下式范围：4）弓形降液管宽度Wd与截面积Af:可根据查由下图查得。( 图中AT为塔横截面积。 ) 按P306 式6-65验算停留时间。即 若不能满足上式要求，应调整降液管尺寸或板间距，直至满足要求为止。5）降液管底隙高度h0 :降液管底隙高度h0应低于出口堰高度hw，才能保证降液管底端有良好的液封，一般取为： ，m降液管底隙高度一般也不宜小于2025mm，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。在设计中，塔径较小时可取h0为2530mm，塔径较大时可取h0为40mm左右，最大可达150mm。降液管底隙高度h0也可用下式计算：式中：LS塔内液体流量，m3/s； u0液体通过降液管底隙的流速，m/s；一般可取u0=0.070.25m/s。(二) 塔板布置 1.边缘区宽度与安定区宽度塔板通常分为四个区：即边缘区、安定区、溢流区、开孔区。确定边缘区宽度：在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用，称为无效区，也称边缘区。其宽度Wc视塔板的支承需要而定，小塔一般为3076 mm，大塔一般为5075 mm。为防止液体经无效区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置挡板。确定安定区宽度：开孔区与溢流区之间的不开孔区域称为安定区，也称为破沫区。溢流堰前的安定区宽度为Ws，其作用是在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带气泡进入降液管；安定区的宽度可按下述范围选取，即：溢流堰前的安定区宽度 Ws=70100 mm 。对小直径的塔(Dl m)，因塔板面积小，安定区要相应减小。溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积以Af表示，受液盘所占面积以Af表示。2.计算开孔区面积： 对单溢流型塔板，开孔区面积可用下式计算，即 式中 ,m；,m； 为以角度表示的反正弦函数。 对双流型塔板，请查资料。3. 开孔数及筛孔排列 （浮阀塔板）：阀孔直径： 阀孔直径由所选浮阀的型号决定，如常用的F1型浮阀的阀孔直径为39mm。 阀孔数：阀孔数n取决于操作时的阀孔气速u0，而u0由阀孔动能因数F0决定。 式中uo孔速，m/s; V气相密度，kg/m3； F0阀孔的动能因子，一般取811(苯-甲苯体系取9-13)，对于不同的工艺条件，也可适当调整。 阀孔数n的计算： 式中 n阀孔数；V气相流量，m3 /s；d0阀孔孔径，m。由所选浮阀的型号决定。阀孔的排列：阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。正三角形排列又有顺排和叉排两种方式（见下图)。采用叉排时，相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显，而且相邻两阀容易被吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，所以采用叉排更好。 在整块式塔板中，阀孔一般按正三角形排列，其孔心距t有75mm，100mm，125mm，150mm等几种。 在分块式塔板中，阀孔也可按等腰三角形排列，三角形的底边t固定为75mm，三角形高h（即排间距）有65mm，70mm，80mm，90mm，l00mm，110mm几种，必要时还可以调整。按等腰三角形排列时： 按正三角形排列时： 式中 h等腰三角形的高，m； Aa开孔鼓泡区面积，m2； t等腰三角形的底边长，m，一般取为0.075m； A0阀孔总面积，； t 正三角形的孔心距，m。 估算后要根据实际排间距核算实际阀孔数。根据实际阀孔数校核孔速及阀孔动能因数。和塔板开孔率。塔板上阀孔的开孔率指阀孔面积与塔截面之比。即 。一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量少，但操作弹性小，漏液量大，板效率低，最好为6%-9%。八、 精馏段塔高（精馏段）： 九、 精馏段塔板的流体力学验算1 塔板压降：塔板压降计算式为：，即要验算：是否小于设计规定的0.7kPa。其中hp的计算： 式中：hp与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度，m；hc与气体克服干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度，m；hl与气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降相当的液柱高度，m；h与气体克服液体表面张力所产生的压强降相当的液柱高度，m。1）hC的计算：将浮阀达到全开时的阀孔气速称之为临界孔速，以uoc表示。 对于F1重阀（质量约33g，阀孔直径为39mm）干板压降计算式为： 阀片全开前（uouoc） 阀片全开后（uouoc） 式中：uo阀孔气速，m/s；uoc气体通过阀孔的临界气速，m/s。浮阀塔板在浮阀全开前和全开后，压降随气流速度的变化规律不同，计算时应先计算出临界气速uoc，以判别用不同公式计算。将上二式联立而解出uOC，令 将g = 9.81m/s2代入，解得： 2）hl的计算：受堰高、气速及溢流强度（单位溢流周边长度上的液体流量）等因素的影响，关系较为复杂，一般用下列经验公式计算：式中：hw溢流堰高，m；how堰上液层高度，m；0充气因数。充气因数0反映板上液层充气的程度，故称之为充气因数，无因次。当液相为水时，0=0.5；液相为油时，0=0.20.35；液相为碳氢化合物时，0=0.40.5。3）h的计算： 式中：液体表面张力，N/m；h浮阀开度，m。气体克服液体表面张力所造成的阻力通常很小，可以忽略不计。（！）2 液泛：液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd。 通常液体中取 Hd（HT+ hw）。Hd的计算：式中：hP气体通过一块塔板的压降，m；hW溢流堰高度，m；hd液体流过降液管的压强降，m； HT板间距，m；降液管中泡沫层的相对密度，=L/L。L为降液管中泡沫层的平均密度， kg/ m3。对于一般物系，=0.5；对于发泡严重物系，=0.30.4；对于不易发泡的物系，=0.60.7。液体流过降液管的压强降hd可按下述经验公式计算： 塔板上不设进口堰时， 塔板上装有进口堰时，（略！）hp前已算出，hL为清液层高度前也确定。3 过量雾沫夹带目前多采用验算泛点率，作为间接判断雾沫夹带量的方法。泛点率的意义是指设计负荷与泛点负荷之比，是一种统计的关联值，是广义地指塔内液面的泛滥而导致的效率剧降之点。塔径大于900mm的塔，F80%；塔径小于900mm的塔，F70%；对于负压操作的塔，F75%，便可保证每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量小于0.1公斤，即eV0.1。泛点百分率F可依下式计算。式中：ZL液体横过塔板流动的行程，对单溢流型塔板，ZL=D-2Wd，m；Ab塔板上的液流面积，对单溢流型塔板：Ab= AT-2Af， m2； AT塔截面积，m2； Af降液管截面积，m2；CF泛点负荷因数由图查得； K物性系数，由下表查取。 4严重漏液对于浮阀塔，漏液量是随阀重、孔速的增大、开度的减小与板上液层高度的降低而减小。经验证明，当阀孔的功能因数F0=56时，漏液量接近10%，因此取F0=56作为控制漏液量的操作下限。验算时可依下式，求出F0来进行判定：但对于采用轻阀的减压塔，应适当提高F0的下限值，而对于加压操作的塔，F0的下限值可低些。如果漏液严重，可以适当减小开孔率或降低堰高。十、 精馏段塔板的汽液负荷性能图1气相负荷下限线对于F1重阀，以阀孔动能因数F0 = 5作为控制漏液量的操作下限，即得气相负荷下限线方程：气相负荷下限线为表示出不发生严重漏液现象的最低气体负荷，它是一条与横轴平行的直线。 2过量雾沫夹带线对于浮阀塔以雾沫夹带量eV = 0.1相对应的泛点百分率F 作为上限，根据泛点率公式计算就可画出过量雾沫夹带线。计算时，塔径大于900mm的塔，取F = 0.8；塔径小于900mm的塔，F = 0.7；对于负压操作的塔，F = 0.75。3. 液相负荷下限线对于平直堰，通常按堰上液层高度h0W = 0.006m作为最小液体负荷的下限考虑，故液相负荷下限线方程写成为：式中：LS液相流量，m3/s；lw溢流堰长，m；E流量收缩系数，查图，或可取E=1计算。 液相负荷下限线表示出为保证板上液体均匀分布的最低液相负荷。它是一条与纵轴平行的竖直线。4液相负荷上限线对于浮阀塔以液体在降液管内的最小停留时间要求= 5s考虑，其液相负荷上限线方程可写成为： 液相负荷上限线为表示出对液体在降液管内停留时间的起码要求。它亦是一条与纵轴平行的竖直线。5液泛线 取极限值 其中；而；联立得忽略h，将h0W与Ls；hd与Ls；hc与Vs的关系式代入上式，并整理得 关系式。取点描图即得液泛线。绘制气液负荷性能图：十一、 精馏段计算汇总表项 目符 号单 位计 算 结 果平均压强kPa平均温度平均流量气相m3/s液相m3/s实际塔板数块板间距m塔段的有效高度Zm塔径m空塔气速m/s塔板液流型式/溢流装置溢流管型式/堰长m堰高m底隙高度m板上清液层高度m孔径mm孔间距mm孔数个开孔面积m2筛孔气速m/s塔板压降kPa液体在降液管中的停留时间s降液管内清液层高度m雾沫夹带kg液/kg气负荷上限/说明由何控制负荷下限/说明由何控制气相最大负荷m3/s气相最小负荷m3/s操作弹性/提馏段重复四九：（本设计略）十二、 设计评述对设计结果进行评述，或对有关问题进行分析与讨论。参考文献1. 王志魁. 化工原理，北京：化学工业出版社，2005年2. （略）筛孔塔板的塔板布置步骤：七（二）塔板布置（筛板塔）筛孔孔径d0：通常是38mm，现在也有1225mm的大筛孔，推荐46mm。筛板厚度： 筛孔的加工一般采用冲压法，故确定筛板厚度应根据筛孔直径的大小，考虑加工的可能性。对于碳钢塔板，板厚为34 mm，孔径 d0应不小于板厚；对于不锈钢塔板，板厚为22.5 mm，d0应不小于(1.52)。孔心距t：筛孔一般按正三角形排列。孔心距过小，易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板传质效率。若 t/do值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易碰撞生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。若t/do值过大，板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。一般取t/do=2.55，常用值34。筛孔数n： t：孔心距，mm。开孔率：通常开孔率为5%15%。验算是否在此范围。孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，数实际孔数。孔数如果与计算值相差太大，可以调整孔心距。若布孔数过多，可在适当位置堵孔。按实际孔数校核开孔率并计算实际气速u0:U0=Vs/A0八、塔板上的流体力学验算1. 塔板压降：（可参见谭天恩化工原理P130塔板压降计算式为：，即要验算：是否小于设计规定的0.7kPa。其中hp的计算： 式中：hp与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度，m；hc与气体克服干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度，m；hl与气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降相当的液柱高度，m；h与气体克服液体表面张力所产生的压强降相当的液柱高度，m。其中：1）气体通过干板的压降 式中孔流系数由查上图。2）.气体通过板上液层的压降式中充气系数，反映板上液层的充气程度，其值从右图查取，通常可取=0.50.6。图中F0为气相动能因子，其定义式为 kg1/2/(sm1/2)；ua通过有效传质区的气速，m/s； AT塔截面积，m2。3）气体克服液体表面张力产生的压降2.雾沫夹带量的验算验算ev是否小于0.1kg液体/kg气体。式中：hf塔板上鼓泡层高度，m。根据设计经验，一般取3.漏液的验算根据经验，当漏液量小于塔内液流量的10%时对塔板效率影响不大。故