郭骏、韩鹏、王瑛璞 课程设计完稿二硫化碳-四氯化碳蒸馏过程及精馏塔的设计10吨每小时.doc

本科生（化工原理）课程设计题 目 二硫化碳-四氯化碳 蒸馏分离过程与精馏塔的设计 学生姓名 郭骏 韩鹏 王瑛璞 指导老师 赵海红 学 院 化 学 化 工 学 院 专业班级 制药工程1105 完成时间 2013年11月 化工原理课程设计成绩评定栏评定单元评审要素评审内容分值指导教师评 分评阅教师评 分设计说明书，40%格式规范设计说明书是否符合规定的格式要求5内容完整设计说明书是否包含所有规定的内容5设计方案方案是否合理及符合选定题目的要求10工艺计算过 程工艺计算过程是否正确、完整和规范20设计图纸，40%图纸规范图纸是否符合规范5标注清晰标注是否清晰明了5与设计吻合图纸是否与设计计算的结果完全一致10图纸质量设计图纸的整体质量的全面评价20答辩成绩，20%内容表述答辩表述是否清楚10回答问题回答问题是否正确10100综合成绩 成绩等级 指导教师 评阅教师 答辩小组负责人(签 名) (签 名) (签 名)年 月 日 年 月 日 年 月 日说明: 评定成绩分为优秀(90-100)，良好(80-89)，中等(70-79)，及格（60-69）和不及格(60)。2011级化工原理课程设计任务书一、 设计题目二硫化碳-四氯化碳蒸馏分离过程与精馏塔的设计二、 设计基础条件1)生产能力：10吨每小时（料液）2)原料组成：34%的二硫化碳和66%的四氯化碳（摩尔分率，下同）3) 产品组成：馏出液 97%的二硫化碳，釜液5%的二硫化碳4) 操作压力：塔顶压强为常压5) 进料温度：586) 进料状况：自定7) 加热方式：间接蒸汽加热8) 塔板效率: 0.5；9) 建厂地址：湖南长沙地区；10) 其他参数（除给出外）可自选。三、 工作内容及要求（1）单元操作流程设计单元操作方案选择及论证。根据指定的设计任务，查阅相关的资料，对可用的生产工艺进行比较，筛选出技术先进、经济合理、安全可靠的操作流程。绘制出工艺流程简图，并对之进行详细说明。物料及热量衡算计算。要求对过程中涉及到的物料平衡和能量平衡全部采用手工计算，不得使用各种模拟软件（如Aspen等）；编制物料及热量平衡计算书；绘制物料流程图（PFD）；绘制带控制点的流程图（PID）(选做)。（2）设备的工艺设计计算主要设备工艺尺寸设计 （1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定过程均采用手工进行工艺设计计算，不得使用各种模拟软件（如Aspen等）获得结果，并编制详细的计算说明书；辅助设备选型与计算过程中的机、泵可作为标准设备出现，但要根据计算结果，进行选型说明；设计结果汇总，编制设备一览表。（3）设计说明书及工程图样绘制对设计内容汇总，按规定的格式编写设计说明书；工艺流程简图一张；物料流程图（PFD）一张，要求对管道进行标注；带控制点的流程图（PID）一张(选做)；主体设备装配图一张，其他附属设备使用条件图，不绘制3D效果图。设计说明书要求用MS-Word编辑，保存为DOC格式；所有的图纸均用AutoCAD绘制（A4）。目 录摘要1前言2第一章设计方案简介4 1.1流程的设计及说明4 1.2【已知参数】:5 1.3 选塔依据6第二章【设计计算】8 2.1精馏流程的确定8 2.2塔的物料衡算8 2.3塔板数计算9第三章板式塔主要工艺尺寸设计计算15 3.1塔工艺条件及物性数据计算15 3.2精馏塔气液负荷计算19 3、3塔和塔板主要工艺尺寸计算20 3.4筛板的流体力学验算25 3.5塔板负荷性能图28 3、6精馏塔的计算结果总表35第四章精馏塔的附属设备以及接管尺寸38 4、1接头管设计38 4、2塔总高度计算 39 4、3热量衡算40 4、4再沸器的选择42 4、5泵的选型43参考文献44设计结果评述与小结47致谢48附录50摘要塔设备是化工炼油生产中最重要的设备之一，它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个产业质量、生产能力和消耗定额及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。据有关资料报道塔设备的资料费用占整个工艺设备投资费用的较大比例。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。根据任务设计书，此设计的塔形为筛板塔采用连续精馏。精馏设计的主要设备的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，得到实际塔板数为20块，其中精馏段有10块，提馏段10块，塔径为1.4 m塔的有效高度为10.4m，回流比为3.5686。经筛板塔的力学性质算得：精馏段操作弹性为3.430，精馏段操作弹性为3.125。 关键词：板式塔、精馏、负荷性能图前 言蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离四氯化碳和二硫化碳混合物精馏塔。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，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。筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，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)。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。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能等直接关系到生产过程的经济问题。本设计中充分考虑了塔底高温釜液的热量，通过物料衡算和热量衡算，使用两台预热器，一部分利用塔底液的热量，一部分利用水蒸气的热量，对原料液进行加热，大大节约了能源。应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，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，弥补了上述不足，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。此外，对于生产过程中泵的选型，考虑到在生产过程中泵可能损坏等因素，在满足条件的情况下安装两台泵，减少了不必要的损失。第一章设计方案简介1.1流程的设计及说明工艺流程：如图所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。1.2【已知参数】:主要基础数据:表1 二硫化碳和四氯化碳的物理性质项目分子式分子量沸点()密度二硫化碳7646.51.2601.595四氯化碳15476.8表2 液体的表面加力 (单位:mN/m)温度46.55876.5二硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2表3 常压下的二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据液相中二硫化碳摩尔分率x气相中二硫化碳摩尔分率y液相中二硫化碳摩尔分率x气相中二硫化碳摩尔分率y00.02960.06150.11060.14350.258000.08230.15550.26600.33250.49500.39080.53180.66300.75740.86041.00.63400.74700.82900.87900.93201.01.3 选塔依据工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。对于一个具体的分离过程，通常按以下五项标准进行综合评价：通过能力大，即单位塔截面能够处理得气液负荷高；塔板效率高；塔板压降低；操作弹性大；结构简单，制造成本低。而筛板塔是现今应用最广泛的一种塔型，设计比较成熟，具体优点如下：（1）结构简单、金属耗量少、造价低廉。（2）气体压降小、板上液面落差也较小。（3）塔板效率较高， 改进的大孔筛板能提高气速和生产能力，且不易堵塞塞孔。第二章【设计计算】2.1、精馏流程的确定 二硫化碳和四氯化碳的混合液体经过预热到一定的温度时送入到精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷若冰霜凝后，一部分作为回流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采用间接蒸气再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程图如上图所示。2.2塔的物料衡算（一）、料液、塔顶、塔底产品含CS2的质量分率 aF= =0.203 aD= =0.941 aW= =0.0251（二）、平均分子量 MF=127.48 MD=78.34 MW=150.1（三）、物料衡算 每小时处理摩尔量F=78.44 kmol/h 总物料衡算：D+W=F 易挥发组分物料衡算： 0.97D+0.05W=0.34F 联立方程得： 2.3塔板数计算（一）、理论版NT的计算 CS2-CCl4气液平衡组成与温度的关系液相中CS2摩尔分率X气相中CS2摩尔分率X温度10076.80.02960.082374.90.06150.155573.10.11060.266070.30.14350.332568.60.25800.495063.80.39080.634059.30.53180.747055.30.66300.829052.30.75740.879050.40.86040.932048.51.01.046.5（1） 插值法求全塔温度： 塔顶： 进料：tF=58 塔釜： 精馏段平均温度tm(精)= 提留段平均温度tm(提)=（2） 插值法求气相组成： 塔顶处气相组成： 进料处气相组成： 塔釜处气相组成：（3） 相对挥发度： 塔顶处相对挥发度： xD=0.97,yD=0.9854,D= 进料处相对挥发度： xF=0.97,yF=0.9854,F= 塔釜处相对挥发度： xW=0.97,yW=0.9854,W= 精馏段平均相对挥发度m(精)=2.00 提留段平均相对挥发度m(提)=1.1463（4）、平衡线方程：CS2-CCl4饱和蒸汽压与温服的关系: 由Antoine公式得： CS2： CCl4：t=46.5时，PAo=766.4 Pa,PBo=275.73 Pa,1=2.7795t=76.8时，PAo=1854.2 Pa,PBo=766.1 Pa,1=2.4203y=（5）、q线方程(q=0.95): q的校核q取0.95可行 y=（6）、最小回流比Rmin=Rmin=取操作回流比R=2Rmin=21.7843=3.5686（7）、精馏段操作线方程 yn=xn-1+=0.7811x+=0.7811xn-1+0.2123（8）、提馏段操作线方程 Yn+1=xn+ R=(R+1)+(q-1) = =2.03 yn+1=1.4926Xn-0.0246两操作线交点坐标Xf=0.333（9）、相平衡方程：相平衡y1=xD=0.97 x1=0.9258操作线y2=0.9354 x2=0.8482y3=0.8478 x3=0.7296y4=0.7822 x4=0.5810y5=0.6661 x5=0.4351y6=0.5522 x6=0.3225 xf由计算知第六板为加料板y7=0.4568 x7=0.2451y8=0.3412 x8=0.1666y9=0.2241 x9=0.1003y10=0.1251 x10=0.0523y11=0.0535 x11=0.0214 5s，符合要求） 4、降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙流速为 m/s依式计算降液管底隙高度h0，即 m提馏段： 1、溢流堰长lW为0.7D，即lW=0.71.4=0.98 m 2、出口堰高hW , hW=hL-hoW 由 查的E为1.05求的堰上液高度： m故 m 3、降液管宽度Wd与降液管面积Af由，查得 m m2 s（5s，符合要求） 4、降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙流速为 m/s依式计算降液管底隙高度h0，即 m（三）塔板布置：1、 取边缘区宽度Wc=0.035 m，安定区宽度Ws=0.065 m 精馏段：依下式计算开孔区面积 其中 m m故 m 提馏段：依下式计算开孔区面积 其中 m m故 m（四）筛孔数n与开孔率：取筛孔孔径d0为5mm正三角形排列，一般碳钢的板厚为4mm取t/d0=3.5 故孔中心距t=3.55.0=17.5 mm依下式计算塔板上的筛孔数n，即依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即：（在515%范围内）精馏段每层板上的开孔面积A0为： m2气孔通过筛孔的气速 m/s提馏段每层板上的开孔面积A0为： m2气孔通过筛孔的气速 m/s（五）塔有效高度：精馏段Z（精）=（10-1）0.4=3.6 m提馏段Z（提）=（10-1）0.4=3.6 m 在进料板上方开一人孔，其高为0.8m，一般每68层板设一人孔用于安装检修，需经常清洗时每隔34层设一孔。根据此塔人孔设4个，故精馏塔有效高度Z=Z（精）+Z（提）+40.8=3.6+3.6+3.2=10.4 m3.4筛板的流体力学验算：（1） 气体通过筛板压降相当的液柱高度hp 1、根据 干板压降相当的液柱高度hc 2、根据，查干筛孔的流量系数图C0=0.89 精馏段由下式得： m 精馏段由下式得： m3、 精馏段气流穿过板上液层压降相当的液柱高度hl m/s由充气系数0与F的关联图 查取板上液层充气系数0为0.65则 m 提馏段气流穿过板上液层压降相当的液柱高度hl m/s由充气系数0与F的关联图 查取板上液层充气系数0为0.63则 m4、精馏段克服液体表面张力压降相当的液柱高度h由 m 提馏段克服液体表面张力压降相当的液柱高度h由 m故精馏段 m单板压降： Pa =0.8370KPa(1.0KPa)(设计允许值)故精馏段 m单板压降： Pa =0.9386KPa(800mm,裙座厚取16mm基础环内径基础环外径圆整 基础环的厚度考虑到腐蚀余量，取18mm，考虑再沸器，高地面2m，地角螺栓直径取M30人孔一般隔68塔板设一个人孔，取入孔直径为500mm，其伸出塔体的筒体长为220mm,人孔中心距操作平台8001200mm，设人孔的板间距为800mm，共21块板（包括进料板），可设4人孔。塔总体高度的设计塔的顶部空间塔的顶部空间高度是指塔的第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为800mm，塔顶部空间高度为1200mm.塔的底部空间塔的总体高度4、3热量衡算加热介质的选择为节约能源消耗，初始设计可讲塔底液作为加热介质冷凝剂的选择选取冷却水，温度25，升温10原因：方便易得，清洁不易结垢，升温线越高，用水量越少，但平均温差小，传热面积大，综合考虑选择10热量衡算：由气液平衡数据：时：由物性表查得时：由物性表查得时：由物性表查得当时：由物性表查得塔顶以0为基准线，则0上升热量Qv塔顶溜出液热量QD回流热量QR进料热量QF （1）塔底残液热量QW （2）由（1）（2）知故考虑用塔釜液提供热量方案不可行，改用两台预热器。先用塔釜液加热，再用水蒸气加热，水蒸气还需要提供热量冷凝器消耗的热量：再沸器提供的热量QB（全塔范围内列热量衡算式）塔釜热损失为10%，则塔釜热损失再沸器实际热负荷;即：解得4、4再沸器的选择：选择120水蒸气加热，传热系数取出料液温度：逆流操作：传热面积：根据全塔热量衡算得取安全系数为1.04，则所需换热面积公称直径1mm管程数NP排管数n管程流通面积1m2换热面积A/m2换热管长度L/mm40041290.005922.845004、5泵的选型以进料泵为例，由上面设计可知，其流速为：设泵在地面上，忽略其他因素，料液面至加料孔的高度主加料管长20m，900标准弯头两个，则有关管件的局部阻力系数分别是：900标准弯头：截止阀： 则总局部阻力系数为由上面设计可知：进料液密度为 黏度为则：取管壁绝对粗糙度则在两截面之间；列伯努利方程求泵的扬程为：流量所选泵的额定流量和扬程应略大于系统所需的，查泵的性能表油泵型号为：型号流量10扬程m40功率机4轴2.9转速2950效率37%泵壳许用压力16126结构单级因所选压头大于管路压头，故应采用阀门调节，阀门调节多消耗的压头为：故多消耗的轴功率为：参考文献1化工原理课程设计 化工原理教研室室选编2 谭蔚，聂清德化工设备设计基础天津大学出版社2008.83 陈国桓化工机械基础化学工业出版社2006.14 夏清陈常贵化工原理（上）天津大学出版社2006.35 夏清陈常贵化工原理（下）天津大学出版社2006.36 中国石化 化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社2003.77 姚玉英.化工原理（下）M. 天津:天津科技出版社, 19998 谭天恩.化工原理（下）M. 北京:化学工业出版社, 19949 陈敏恒.化工原理（下）M. 北京:化学工业出版社,198910 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 200211 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社,1986设计结果评述与小结 经过这近两个月的化工课程设计，我们一组三人无论是在知识技能方面还是在团结协作方面都有了很大的提升，在不断的运算。不断的画图，不断的输入文档，尤其是在不断的修改与改进中，我们收获了知识，收获了成功的喜悦和创作的艰辛。 创作之初，我的第一设想有不足的地方换热器的换热介质可以适应塔釜液，这样更节约能源。老师当场帮我们指出并启示我们如何完善，然后我们就按照老师给予的指导思路去做，结果我们发现老师指导的方法是对的，但是实际生产中并不能完全达到生产要求，需要塔釜液加热后再用水蒸气继续加热才能达到要求。 后来我们拿着八成熟的作品又去找老师，老师对于我们的所有运算以及绘图方案都做了相应的指导，于是回来之后我们结合老师的优化方案做了进一步的改正，使得我们的设计更加的环保和低能耗。 在整个的学习期间，我们小组的每个成员分工明确，各尽其能，每个人都把自己的任务以最快的速度完成。在相互的帮助与不断的交流中，不仅收获了更多的课外知识技能，更增加了我们的友谊。致