焦油馏分塔的工艺设计.doc

辽宁科技学院本科生课程设计辽 宁 科 技 学 院课程设计课程设计题目： 焦油馏分塔的工艺设计 系 部： 生物医药与化学工程学院 专 业： 应用化学 学 生 姓 名： 孙晓光 班 级：化BG091 学号 11 指导教师姓名： 艾丽梅 职称 副教授 设计完成时间 ： 2012年1月12日 辽宁科技学院课程设计成绩评定表系（部）： 学生姓名孙晓光学 号11班 级应化BG091专 业应用化学指导教师姓名艾丽梅设计题目焦油馏分塔的工艺设计设计表现（20分）分值：规范性(25分)分值：基础理论和专门知识(25分)分值：答辩(30分)分值：合 计分值：评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日- 17 - 辽宁科技学院本科生课程设计化工原理课程设计任务书一、课程设计题目焦油馏分塔的工艺设计二、设计条件 1工艺简介：采用一塔式流程进行煤焦油的蒸馏，来自吸收车间的煤焦油经过脱盐、脱水后，进入焦油馏分塔进行蒸馏，自塔顶得到轻馏分，自侧线切取酚油、洗油和萘油的三混馏分，自塔低得到蒽油馏分。焦油馏分共计40块塔板，进料板为自下数的第五块塔板。 2处理能力：年处理3万吨无水焦油。按每天24小时，每年330天工作日计算。 3设备型式：浮阀塔 4操作条件： 根据工艺计算知需要40层实际塔板，塔顶温度120，压力0.1MPa。以精馏段平均参数为设计条件 汽相流量Vs=920米3/小时 液相流量Ls=2.556米3/小时 汽相重度rv=2.47千克/米3 液相重度rL=820千克/米3 塔顶易挥发组分表面张力=22.9达因/厘米三、设计计算内容： 选定流程及生产条件，进行工艺设计计算，塔板设计包括塔面布置、塔板间距、降液管停留时间、排空时间、负荷上下限的设计。绘制负荷性能图。四、设计结果： 1设计说明书一份 2精馏塔工艺条件图五、设计时间：两周。六、设计进程：指导教师布置实践题目 1.0天 实践方案确定 1.5天 主要设备计算 2.5天 绘图 2.0天便携设计说明书 2.0天答辩 1.0天目录 第一章 概述 浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。 一种板式塔，用于气液传质过程中。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。在分离稳定同位素时采用在克服泡罩塔缺陷的基础上发展起鼓泡式接触装置。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大2040；气体两个极限负荷比为56，操作弹性大；板效率比泡罩塔高1015；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。 第二章 设计部分2.1浮阀塔设计计算过程2.1.1塔 径 欲求出塔径应先计算出适宜空塔速度。适宜空塔速度u一般为最大允许气速uF的0.60.8倍即： u（0.60.8）uF （2.1.1.1） (2.1.1.2)式中C可由史密斯关联图查得，液气动能参数为： (2.1.1.3)取板间距HT =0.4m，板上液层高度hL =0.083m，图中的参变量值HT-hL=0.4-0.083 =0.317m。根据以上数值由图可得液相表面张力为20mN/m时的负荷系数C20 =0.045。由所给出的工艺条件校正得： (2.1.1.4)最大允许气速： (2.1.1.5) 取安全系数为0.7，则适宜空塔速度为：u=0.7x0.83=0.59m/s 由下式计算塔径： (2.1.1.6)按标准塔径尺寸圆整，取D = 0.6m；实际塔截面积： (2.1.1.7)实际空塔速度： (2.1.1.8)2.1.2 溢流装置 选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。各项计算如下： （1）堰长，取堰长，即： （2）出口堰高 依式 得 (2.1.2.1) (2.1.2.2) 采用平直堰，堰上液层高度可依式计算，得 (2.1.2.3)近似取，则可由列线图查出值。因，由该图查得 则（3）弓形降液管宽度和面积，用图求取和，因为：由该图查得：，则依式验算液体在降液管中停留时间，即： (2.1.2.4)停留时间5s，故降液管尺寸可用。（4）降液管底隙高度 依式可知： (2.1.2.5)取降液管底隙处液体流速，则：，取2.1.3塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子，用式求 （2.1.3.1） 即 依式 （2.1.3.2）求每层塔板上的浮阀数，即：选取无效边缘区宽区WC = 0.05m、破沫区宽度WS = 0.04m依式计算塔板上的鼓泡区面积，即： （2.1.3.3） （2.1.3.4） （2.1.3.5） （2.1.3.6） 浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的空心距t=75mm，则等腰三角形的高度： （2.1.3.7）由于塔直径D=0.6m0.8m，需采用整块式塔板。叉排时气、液接触效果较好，故一般都采用叉排。对整块塔板，多采用正三角形叉排，孔心距t为75-125mm，故本设计选用t=77mm，用CAD进行鼓泡区内依排列方式进行试排，可见，可排出阀孔数29个，如图2.1.4核算以下参数：按N=29重新核算孔速及阀孔动能因数： （2.1.4.1） （2.1.4.2）阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。塔板开孔率： （2.1.4.3）开孔率在1014之间，合适。2.2塔板流体力学验算2.2.1塔板压降利用下式计算： （2.2.1.1）2.2.1.1干板阻力 （2.2.1.2）因阀孔气速u0大于其临界阀孔气速u0C，故干板阻力计算式为： （2.2.1.3）2.2.1.2板上充气液层阻力 可取充气系数0= 0.4。 （2.2.1.2.1） 液体表面张力造成的阻力 （2.2.1.2.1）所以:hr=0.031+0.0332+0.00067=0.06487 m单板压降: （2.2.1.2.1） 一般对于常压精馏塔应在260530Pa为宜2.2.2降液管液泛校核 为了防止降液管液泛现象发生，要求控制降液管内清液层高度Hd(HT+Hw)。其中:Hd=hp+hL+hd （1）气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度hP前面已求出，hP=0.073767m。 （2）液体通过降液管的压头损失（不设进口堰） （2.2.2.1） （3）板上液层高度 前已选定hL=0.083m所以Hd=0.073767+0.083+0.0015=0.158267m取降液管中泡沫层相对密度=0.5,前已选定板间距HT=0.4m，hw=0.05m。则(HT+Hw)=0.5(0.4+0.05)=0.225m可见，Hd(HT+Hw)，符合防止降液管液泛要求。2.2.3液体在降液管内停留时间 应保证液体在降液管内的停留时间大于35s，才能使得液体所夹带气体的释出。本设计 5s （2.2.3）可见，所夹带气体可以释出。2.2.4雾沫夹带量校核依下面两式分别计算泛点率F，即 及 （2.2.4.1）板上液体流径长度 （2.2.4.2）板上液流面积 （2.2.4.3）查得泛点负荷因数CF=0.16、物性系数K=1.0,将以上数据代入： F=0.383及F=0.406对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。上两式计算的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足eV0.1kg(液)/kg(气)的要求。2.2.4严重漏液校核当阀孔的动能因数F0低于5时将会发生严重漏液，前面已计出F0=11.56，可见不会发生严重漏液。3.塔板负荷性能图3.1气体负荷下限线 对于F1型重阀，因动能因数F05时会发生严重漏液，故取F0=5计算相应的气相流量(VS，min)： （3.1.1）3.2过量雾沫夹带线 根据前面雾沫夹带校核可知，对于大塔，取泛点率F = 0.8，那么 （3.2.1）整理得: 雾沫夹带线为直线，由两点即可确定。当LS=0时VS=0.082m3/s；当LS=0.001时，VS=0.0737m3/s。由这两点便可绘出雾沫夹带线。3.3液相负荷下限线 对于平直堰，其堰上液层高度how必须要大于0.006m。取how=0.006m，可作出液相负荷下限线。 （3.3.1）取E=1、代入lw则可求出（LS）min： （3.3.2）3.4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35s，取= 5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则： （3.4）3.5液泛线 先求出Vs与Ls的关系，就可在操作范围内任意取若干点，从而绘出液泛线。 （3.5.1）其中： (3.5.2) (3.5.3) (3.5.4) (3.5.5)将计算出的a、b、c、d值代入上式方程并整理可得：LS,m3/s0.00020.00030.00050.00080.0010.0012VS,m3/s0.52070.51750.51140.50260.49690.4909将以上五条线标绘在同一VsLs直角坐标系中，画出塔板的操作负荷性能图。将设计点（Ls，Vs）标绘在图中，如P点所示，由原点O及P作操作线OP。操作线交严重漏液线于点A，过量雾沫夹带线于点B。由此可见，此塔板操作负荷上下限受严重漏液线及过量雾沫夹带线的控制。分别从图中A、B两点读得气相流量的下限Vmin及上限Vmax，可求得该塔的操作弹性。3.6排空时间采用排液孔直径Aw , 一般可按每米2塔截面有1-3厘米2取Aw =2.5厘米2/米2塔截面需要的排液孔数：m = 2.50.785/（0.7851.02 ）=2.5个 取3个全塔积液总排空时间按下式计算： T = 1.5 n h1/2w / Aw 式中： T塔的排空时间，小时 n塔板数hw 堰高，米 Aw排液孔面积，厘米2/米2塔截面T = 1.5330.051/2/2.5 = 4.43小时设计结果：现将以上设计计算结果列于下附表。浮阀塔板工艺设计计算结果表项目数值及说明备注塔径D，m0.6板间距HT，m0.4榙板型式单溢流弓形降液管整体式塔板空塔气速u，m/s0.59溢流堰长lW，m0.36溢流堰高hw，m0.042板上液层高度hL，m0.05降液管底隙高度h0，m0.036浮阀数个29等边三角形叉排阀孔气速u0 ，m/s4.204阀孔动能因数F09.3临界阀孔气速u0c，m/s4.4孔心距t，m77指同一横排孔心距单板压降pp，Pa474.7897液体在降液管内停留时间，s12.41755降液管内溶液层高度Hd，m0.064761泛点率%40.6气相负荷上限(VS)max，m3/s0.0016雾沫夹带控制气相负荷下限(VS)min，m3/s0.000307漏液控制操作弹性1.8设计评述 由文献综述的介绍可知煤焦油是一种复杂的混合物，它包含上万种不同的化合物，其中高温煤焦油主要是由不同的芳烃化合物组成。这一性质决定了煤焦油性质的复杂性，同时国内外对煤焦油性质的研究也并不十分深入，所以在工艺计算中所能查到的各种有关煤焦油的参数（如：焓、比热、平均分子量、蒸气压等）都或多或少存在差错。因此，现实设计中必须对要加工的煤焦油的参数进行重新的测定，以提高设计的精确度 通过这次课程设计进一步消化和巩固化学原理课程所学内容。能够利用所学理论知识进行列管式换热器系统设计的能力，了解并掌握固定管板式换热器设计的内容、方法、步骤以及具体的设计计算，提高了正确编写设计说明书的能力参考文献：1. 夏清、陈常贵主编：化工原理（上册），天津、天津大学出版社出版2005。2. 奖维钧戴猷元、顾慧君编著：化工原理（第2版）上册，北京、清华大学出版社2002。3. 王绍良主编、化工设备基础北京化学出版社出版2002。4. 管国锋、赵汝薄主编：化工原理第二版，北京化学工艺出版社2003。5. 匡国柱、史起才主编：化工单元过程及设备课程设计，北京化工原理出版社2000。6. 陈声宗主编：化工设计，北京化学出版社2000。7. 箐璐、五保国编：化工设计，北京化学出版社2000。8. 藩国昌、郭庆丰编著：化工设备设计，北