化工原理课程设计................正戊烷和正己烷.doc

目录化工原理课程设计任务书4前言51.1 设计目的51.2 塔设备简介62流程简介73 工艺计算83.1物料衡算83.2理论塔板数的计算93.2.1由正戊烷-正己烷的汽液平衡数据绘出x-y图，93.2.2 q线方程93.2.3平衡线93.2.4求最小回流比及操作回流比103.2.5求精馏塔的气、液相负荷113.2.6操作线方程113.2.7逐板法求理论板113.2.8实际板层数的求取124塔的结构计算124.1混合组分的平均物性参数的计算124.1.1平均温度tm124.1.2平均摩尔质量134.1.3平均压强pm144.1.4平均密度154.1.5液体的平均粘度174.1.6液相平均表面张力184.2塔高的计算204.2.1最大空塔气速和空塔气速204.2.2塔径214.2.3 塔径的圆整214.2.4塔截面积AT214.2.5实际空塔气速u224.3精馏塔有效高度的计算225塔板主要工艺尺寸的计算225.1溢流装置计算225.1.1堰长lw225.1.2溢流堰高度hw 溢流堰高度计算公式235.1.3弓形降液管宽度Wd及截面积Af235.1.4降液管底隙高度h0255.2塔板布置及浮阀数目与排列255.2.1塔板的分块255.2.2边缘区宽度确定255.2.3开孔面积的计算255.2.4开孔率的计算266筛板的流体力学验算286.1气相通过浮阀塔板的压降286.1.1干板电阻 hc286.1.2板上充气液层阻力h1286.2、液泛验算296.2.1与气体通过塔板的压降相当的液柱高度296.2.2液体通过降液管的压头损失hd，296.2.3板上液层高度，取hL=0.05m296.3液沫夹带296.4漏液的验算317塔板负荷性能图327.1漏液线327.2液沫夹带线327.3液相负荷下限线337.4液相负荷上限337.5液泛线348精馏塔的工艺设计结果总表369.塔附件设计379.1 接管进料管379.2 法兰379.3筒体与封头379.3.1筒体379.3.2封头379.4 人孔389.5冷凝器389.6再沸器3810.参考书目39总结40指导教师评语41化工原理课程设计任务书设计题目板式精馏塔的设计主要内容1、设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备进行简述；2、主要设备的工艺设计计算：工艺参数的选定、物料和能量衡算、 筛板塔结构设计和工艺尺寸的设计计算；3、辅助设备的选型；4、 绘流程图：以单线图的形式描绘，标出主体设备和辅助设备的 物料方向、物流量、能流量；5、精馏塔的设备工艺条件图；6、精馏塔的工艺设计结果总表。设计参数1、用板式精馏塔分离正戊烷和正己烷双组分溶液；2、处理能力：5750kg/h ,40020T/y ,年开工6960小时3、原料液中xF=0.5（摩尔分数，下同）3、设计要求，馏出液xD=0.98，釜底液xW=0.04；4、进料状态属于泡点进料；5、全塔效率556、操作压力：塔顶压力4kpa ，当地大气压101.33kpa， 单板压降0.7 kPa设计计划进度1、布置任务，查阅资料，其它准备1天2、主要工艺设计计算3天3、辅助设备选型计算1天4、绘制工艺流程图1天5、绘制主要设备工艺条件图1天6、排版1天7、考核1天合计：9天主要参考文献1、化工原理课程设计，贾绍义等编，天津大学出版社，2002.082、化工原理（上、下册），夏清等编，天津大学出版社，2005.013周大军,揭嘉.化工工艺制图.北京:化学工业出版社教材出版中心,2005设计文件要求1、设计工艺条件图：A1幅面；2、工艺流程图：A2幅面；前言化工原理课程设计是高等学校的一门专业必修课,通过本课程学习,有利于培养学生的独立工作、独立思考和运用所学知识解决实际工程技术问题的能力,是提高学生综合素质,使大学生向工程师转化的一个重要的教学环节。蒸馏单元操作自古以来就在工业生产中用于分离液体混合物。它是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组份分离的，多用于分离各种有机混合液，蒸馏有许多操作方式，按有没有液体回流，可分为有回流蒸馏与无回流蒸馏，有回流的蒸馏称为精馏。本次设计的要求是要设计正戊烷正己烷常压精馏塔设计，用以分离正戊烷正己烷的混合液。此次设计在盛建国老师的指导下进行，运用学过的基础知识，锻炼自己设计生产设备的能力。此次设计加深了我们对精馏操作的认识，锻炼了我们阅读化工原理文献并且搜集资料的能力，同时液培养了我们独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，也培养了我们相互协作的能力，为今后实际工作的应用打好了基础。 由于设计者的水平有限，所设计的方案之中难免有不妥之处，希望老师给予批评指正。 1.概述1.1 设计目的蒸馏是分离均相混合物的单元操作，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识来解决实际化工问题的能力,做到能充分的运用自己所学的知识和全面掌握精馏的原理及实质；掌握化工设计的基本程序和方法；学会查阅技术资料、选用公式和数据；用简洁文字和图表表达设计结果；用CAD制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。同时也是一个能力的锻炼过程。1.2 塔设备简介塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一,他可以使气(或汽)或液液两相紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。塔设备中常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却和回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等。最常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还必须满足以下要求：1、生产能力大；2、操作稳定，弹性大；3、流体流动阻力小；4、结构简单、材料耗用量少，制造和安装容易；5、耐腐蚀和不易阻塞，操作方便，调节和检修容易。在本设计中我使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高采用筛板可解决堵塞问题适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构，近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳钢的比率较少。它的主要优点是：结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60左右，为浮阀塔的80%左右；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%40%；塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；气体压力降较小，每板降比泡罩塔约低30%左右。缺点是：小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约23）。 2流程简介图2-1 精馏过程流程图3 工艺计算3.1物料衡算进料浓度为XF=0.5（mol%）,XD=0.98(mol%) ,XW=0.04（mol%）正戊烷的摩尔质量 MA=72kg/kmol正己烷的摩尔质量 MB=86kg/kmol则MF =72*0.5+86*0.5 = 79kg/kmolMD =72*0.98+86*0.02=72.28kg/kmolMW=72*0.04+86*0.96=85.44kg/kmolF=40020T/y=40020000/(MF*6960)=72.78Kmol/h由 F=D+WFXF=DXD+WXW得：D=35.62 Kmol/hW=37.16 Kmol/h式中 F-原料液流量D-塔顶产品量W-塔底产品量3.2理论塔板数的计算3.2.1由正戊烷-正己烷的汽液平衡数据绘出x-y图，如下:表3-1各组分的饱和蒸汽压与温度的关系温度T/正戊烷（Pa）正己烷（Pa）总压（pa）p-pbpa-pbxy3557550.018625.010133070045.071885.01.0411.012640115100.0 37250.0 10133064080.0 77850.0 0.823 0.935 42123960.040606.0 10133060724.0 83354.0 0.7290.891 44131048.0 43290.8 10133058039.2 87757.2 0.661 0.855 46136718.4 45438.6 10133055891.4 91279.8 0.612 0.826 48141254.747156.9 10133054173.1 94097.8 0.5760.803 50159400.0 54030.0 10133047300.0 105370.0 0.449 0.706 52170340.0 58494.0 10133042836.0 111846.0 0.383 0.644 54179092.0 62065.2 10133039264.8 117026.8 0.336 0.593 56186093.6 64922.2 10133036407.8 121171.4 0.300 0.552 58191694.9 67207.7 10133034122.3 124487.2 0.274 0.519 60214100.0 76350.0 10133024980.0 137750.0 0.181 0.383 58191694.9 67207.7 10133034122.3 124487.2 0.274 0.519 60214100.076350.0 10133024980.0 137750.0 0.1810.383 65 10133021410.0167658.00 03.2.2 q线方程进料热状态q=1q线方程：一条垂直于x轴的直线即x=0.53.2.3平衡线表3-2 各组分得饱和蒸汽压与温度得关系温度（）正戊烷（Pa）正己烷（Pa）0244006028103783010090205616016160308203024940401151003725050159400540306021410076350702826001054008036640014240090467700188800100588500244400查表3-2并计算精馏段A物质的蒸汽压：PA，精查表3-2并计算精馏段B物质的蒸汽压：PB，精查表3-2并计算全塔A物质的蒸汽压：查表3-2并计算全塔B物质的蒸汽压： 计算精馏段相对挥发度j：计算全塔相对挥发度： =2.96相平衡方程 解得3.2.4求最小回流比及操作回流比根据 和q线方程：x=0.5 解得：xp=0.5 , yp=0.747故最小回流比为 Rmin =0.94取操作回流比R=1.53.2.5求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=1.5 35.62=53.43(kmol/h) V=(R+1)D=(1.5+1)35.62=89.05（kmol/h） L=L + F=53.43+72.78=126.21(kmol/h) V= V=89.05（kmol/h） 3.2.6操作线方程精馏段操作线方程为 =0.6x+0.392提馏段操作线方程为 =1.42x-0.0173.2.7逐板法求理论板用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算 = 0.98 =0.9430.6x+0.392=0.958 x2=0.885 y3=0.923， x3=0.802y4=0.873， x4=0.699y5=0.811， x5=0.592y6=0.747， x6=0.499xf=0.5因此第6块板为进料板,故精馏段理论板 n=5，用提留段操作线和相平衡方程继续逐板计算y7=1.42*x7-0.017=0.692 , x7=0.432y8=0.596, x8=0.333y9=0.456, x9=0.221y10=0.297 x10=0.125y11=0.161, x11=0.061y12=0.07 x12=0.0250.006m)同理可得提馏段：故降液管底隙设计合理。5.2塔板布置及浮阀数目与排列5.2.1塔板的分块因D=1.5m1400mm故塔板采用分块式。查表得分为4块5.2.2边缘区宽度确定取边缘区宽度Wc=0.06，泡沫区宽度Ws=Ws=0.075m。5.2.3开孔面积的计算（m）=1.147(m2)5.2.4开孔率的计算阀孔气速（m/s）： 计算阀孔数： 取阀孔动能因数F0=10，取筛孔直径do=0.039m.计算孔速，即：同理得提馏段： 依上式计算每层塔板上的浮阀数，即同理得提馏段： 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的孔心距t=120mm=0.12m，则可按下式估算排间距t，即同理得提馏段： 考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用109mm或106mm，而应小于此值，故取。以等腰三角形叉排方式作图，得阀数N=104个按N=104重新核算孔速及阀孔动能因数：同理得提馏段: 阀孔动能因数变化不大,仍在812范围内精馏段塔板开孔率: 同理得提馏段塔板开孔率: 6筛板的流体力学验算6.1气相通过浮阀塔板的压降根据计算塔板压降6.1.1干板电阻 hc 先计算临界孔速，即因为，则hc可按计算，即同理得提馏段: 6.1.2板上充气液层阻力h1 可取充气系数=0.5。6.1.3克服表面张力所造成的阻力 因本设计采用浮阀塔，其很小，可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压降相当的液柱高度为：同理得提馏段: 单板压降 同理得提馏段: 6.2、液泛验算为了防止液泛现象的发生，要求控制液管中清液层高度。Hd可用下式计算，即 6.2.1与气体通过塔板的压降相当的液柱高度=0.0606m6.2.2液体通过降液管的压头损失hd，因不设进口堰，故同理得提馏段6.2.3板上液层高度，取hL=0.05m因此 =0.0678+0.05+0.000982=0.118（m）同理得提馏段=0.0675+0.05+0.000988=0.118（m）取=0.5，HT=0.45m，hw=0.0305m则 同理提馏段的为 m可见Hd ,均符合防止液泛的要求。6.3液沫夹带当气体上升时液沫夹带量时，泛点率应小于80。 其中，为泛点率且应小于80，为降液管宽度（m），为板上液体流径长（m），为塔截面积（），为板上液流面积（），为弓形降液管截面积（），D为塔径（m），为泛点负荷系数且查图得，K为物性系数且查表（正常系统取1）。图五 泛点负荷系数与密度的关系 板上液体流径长度（m）：m板上液流面积（）：根据计算泛点率：精馏段：又 同理提馏段的：又 计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带能满足0.1kg液/kg汽的要求。6.4漏液的验算 对筛板塔，漏液点气速： 式中 板上液层高度，mC0干筛孔的流量系数、分别为精馏段气、液相平均密度，kg/m3 与液体表面张力压强降相当的液柱高度，m实际孔速 稳定系数为同理，提馏段的为 稳定系数故在本设计中无明显漏液。7塔板负荷性能图7.1漏液线对于F1型重阀，依计算，则又知，即 式中、N、均为已知数，故可由此式求出气相负荷Vs的下限值，据此作出与液相流量无关的水平漏液线。以F0=5作为规定气体最小负荷的标准，则7.2液沫夹带线按式子 做出对于一定的物系及一定的塔板结构，式中、K、及均为已知值，相应于=0.1的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出VsLh的关系式，据此做出液沫夹带线。按泛点率=80%计算如下整理得0.0714Vs+1.428Lh=0.1463或Vs=2.0520.0Lh液沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个Lh值，依上式算出相应的Vs值列于下表中Lh/(m3/s)0.0010.002Vs/(m3/s)2.032.017.3液相负荷下限线取堰上液层高度=0.006m作为液相负荷下限条件，依下式的计算式计算出的下限值，依此作出液相负荷下限线，该线与气相流量无关的竖直直线。取E=1，则7.4液相负荷上限液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于35s。故 求出上限液体流量Lh值（常数），在VsLh图上，液相负荷上限线为与气体流量Vs无关的竖直线。以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则7.5液泛线由=确定液泛线。忽略式中项，将，代入上式，得到物系一定，塔板结构尺寸一定，则HT、及等均为定值，而与Lh又有如下关系，即 式中阀孔数N与孔径d0亦为定值。因此，可将上式简化，得在操作范围内取若干个Lh值，依上式算出相应的Vs值列于下表Lh/(m3/s)0.00050.0010.00150.002Vs/(m3/s)2.3832.364 2.3472.332根据以上计算作出塔板负荷性能图图六 塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气液负荷下的操作点A（设计点），处在适宜操作区域内的适中位置。塔板的气液负荷上限完全由雾沫夹带控制。按照固定的液气比，由上图查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限。所以操作弹性=8精馏塔的工艺设计结果总表序号项目符号单位计算结果精馏段提馏段1平均温度t43.0456.552平均压力Pkpa108.83115.133平均密度气相Vmkg/m33.073.364液相LDmkg/m3611.78614.445平均黏度LmmPa.s0.8880.5856平均表面张力LmmN/m17.4913.767平均流量气相Vsm3/s0.5980.5898液相Lsm3/s0.00180.00479实际塔板数Np块102310塔的有效高度Zm4.055.411塔径Dm1.5 1.5 12板间距Hm0.450.4513塔板溢流形式单流型单流型14空塔气速um/s0698063815溢流装置溢流管形式弓形弓形16溢流堰长度Lwm1.051.0517溢流堰高度hwm0.040.03218板上液层高度hLm0.050.0519堰上液层高度howm0.010.01820安定区宽度Wsm0.0750.07521开孔区到塔壁距离Wcm0.060.0622开孔区面积Aam21.1471.14723阀孔直径dom0.0390.03924浮阀数个n个889025阀孔气速u0m/s4.824.7426阀孔动能因数F08.458.6927开孔率%14.4813.4628孔心距tm0.120.1229塔板压降Ppa406.87406.9130底隙高度hom0.02140.05631泛点率F1%25.8928.9732液相负荷上限Lmaxm3/s0.15930.159333液相负荷下限L minm3/s.00008960.000089634液体在降液管内停留时间s559.塔附件设计9.1 接管进料管本设计采用直管进料，管径的计算如下：取=1.6m/s，得m=37.9mm9.2 法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径选用相应法兰。根据进料管选取进料管接管法兰：PN 0.25，DN 32（GB 205931997）。9.3筒体与封头9.3.1筒体 用钢板卷制而成的筒体，其公称直径的值等于内径。当筒体直径较小时可直接采用无缝钢管制作。此时公称直径的值等于钢管外径。根据所设计的塔径，先按内压容器设计厚度，厚度计算见下式：式中 计算压力，MPa,根据设计压力确定： D 塔径； 焊接接头系数，对筒体指纵向焊接系数； 设计温度下材料的许用应力，MPa，与钢板厚度有关。由上式计算出的计算厚度加上腐蚀裕量C2得到设计厚度。9.3.2封头 本设计采用椭圆形封头9.4 人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道。一般每隔1020块塔板设1个人孔，本设计的精馏塔共设27块塔板，需设2个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为800mm，裙座上应开2个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平。人孔 一般每隔68层塔板设一人孔（安装、检修用），当塔需经常清洗时，则每隔34 层塔板设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600mm，人孔直径一般为450500mm（特殊的也有长方形人孔），其伸出塔体的筒体长为200250mm，人孔中心距操作平台约8001200mm。（5）塔高 前面已计算。9.5冷凝器 常用的冷凝器大多为列管式，并使蒸汽在壳程冷凝，冷却水或其它冷却剂在管程流动以提高传热系数和便于排出凝液。在求得所需的传热面积后，应考虑有一定裕度供调节之用，并根据冷凝器的规格来具体选取，特殊情况下亦可另外进行设计。 多数情况下，冷凝器水平的安装于塔顶，利用重力使部分凝液自动流入塔内作为回流，称为自流式。冷凝器距塔顶回流液入口所需的高度可根据回流量和管路阻力计算，并应有一定裕度。当冷凝器很大时，为便于安装检修和调节，常将冷凝器装于地面附近，回流液用泵输送，称为强制回流式，这时，在冷凝器和泵之间宜加设冷凝储罐来作为缓冲；另外，由于管路散热的影响，返至塔顶的温度相对较低，属于冷回流的情况。 对于直径较小的塔，冷凝器宜较小，可考虑将它直接安装于塔