精馏塔课程设计..

1 化工工艺与设备课程设计 精馏塔设计 2 第一部分前言 一 课程设计的目的运用已经学过的各门课程的知识 特别是 化工原理 进行化工单元设备中常见设备 精馏塔的设计 达到以下几方面目的 培养学生综合运用所学知识 查阅化工资料获取有关知识和数据 进行化工设备初步设计的能力 培养学生独立工作及发现问题 分析问题 解决问题的综合能力 提高计算能力 培养工程实际观念 深入了解化工设备的内部结构 掌握板式精馏塔的各主要部件的结构及作用 培养学生认真的学风和工作作风 3 二 课程设计的任务 1 已知条件 分离对象 乙醇和水混合物分离 处理量 XXXX吨 年 XXXX 学号后三位 1000 如 学号110130085 处理量为8 5万吨 年原料组成 例如 乙醇45 体积 进料状态 泡点 产品要求 例如 塔顶产品含乙醇93 回收率99 塔顶压力 1 03atm 绝对压强 4 2 设计任务 工艺设计产品组成 xD xW 通过物料衡算 操作条件 TD PD TW PW回流比 最小回流比 Rm 操作回流比 R塔板数 提馏段板数 精馏段板数塔径 D热负荷 冷凝器和再沸器热负荷 2 塔板设计 填料塔 筛板塔 浮阀塔 泡罩塔各班随机抽选 或自主分配 班与班之间不许重复 3 塔板设计 溢流装置 塔板布置 流体力学校核 4 辅助设备选用 冷凝器的选用与校核 再沸器的选用 5 3 需要上交的材料 设计说明书 主要包括 和设计工艺说明书 设计说明书 按学校毕业设计格式要求 含以下内容 工艺设计 物料和能量计算 塔板设计 塔的辅助设备选用 计算结果汇总表 结果与讨论 2 带控制点的工艺流程 A2 3 计算草稿 6 三 日程安排 2014年9月1日 10月17日共六周 10月17日交说明书 其中 熟悉流程 查阅文献 第一周 工艺计算 第二周 塔板设计 第三周 附属设备选用 第四周 绘图 第五周 整理说明书 第六周 注意 时间很充裕 可能不按此时间进度要求 提前完成早完成早自由 7 四 课程设计过程注意问题 认真阅读教材 草拟进度表 拟定设计的方法和步骤 计算过程中要随时复核计算结果的正确性 做到有错即改 避免大的返工 要求来教室进行设计 每天签到与检查进度 8 五 参考资料 9 第二部分工艺计算设计要点 物料衡算塔顶和塔底温度和压力的确定冷凝器及再沸器热负荷的确定关于混合物物性参数的计算关于回流比的选择全塔效率的计算部分物性数据 10 一 物料平衡 二 塔顶压力 温度的确定 1 回流罐凝液温度的初步确定回流罐冷凝液的温度 即塔顶产品温度 由冷却介质的温度决定 当用水作为冷却介质时 水温 25 30 凝液温度可取40 50 保证冷凝器要有10 20 温度的传热温差 但要注意水的出口不高于50 1 目的 计算塔顶 塔底产品组成和产品量 2 方法 对于两组分精馏 根据塔顶 塔底产品浓度要求 通过物料平衡计算即可求出塔顶 塔底产品组成 对于多组份体系 先假定清晰分割 再进行物料平衡计算 注 浓度或组成有效数字位数 一般取小数点后4位 11 回流比的确定 原则 先确定Rmin 再根据各种经济因素确定适宜的R 绘图法 或逐板计算法 2 求理论板数的简捷法 12 若轻 重关键组分为相邻组分 仅有一个 和Rmin值 若在轻 重关键组分之间还有k个其它组分 则有k 1个 和Rmin值 可取其平均值作为设计时的最小回流比 应用恩德伍德公式的条件 1 塔内汽 液相为恒摩尔流 2 各组分的相对挥发度为常数 方法 将多组分精馏过程简化为轻 重关键组分的双组分精馏过程 其计算过程与双组分精馏基本相同 基本关系式 芬斯克方程 恩德伍德方程和吉利兰关联图 P284 理论板数的简捷计算法 13 2 回流罐压力的初步计算用泡点方程计算回流罐的压力 常压或减压时 用Antonine 安托因 方程计算3 回流罐压力的确定 1 计算值大于101 3kPa时 采用加压操作 2 计算值小于101 3kPa时 采用常压或减压操作 4 塔顶压力的确定 回流罐的压力加上管线阻力即为塔顶压力 管线阻力可取0 1 0 2atm 减压塔可取25mmHg左右 14 5 塔顶温度的确定在塔顶压力下计算塔顶产品的露点温度即为塔顶温度 6 塔底压力的确定塔底压力等于塔顶压力加上全塔压降 常 加压塔的每板压降可取 3 6mmHg 减压塔的每板压降可取 2 3mmHg 7 塔底温度的确定在塔底压力下 塔底产品的泡点温度即为塔底产品的温度 15 三 冷凝器及再沸器热负荷的确定 1 冷凝器热负荷的计算 冷凝器的热负荷是塔顶饱和蒸汽从露点气相冷凝为泡点液相所放出的热量 可用以下办法计算 露点气相 Td 泡点液相 Tb 液相 Td Qc HV HL Cp Td Tb Qc Hv HL 16 2 再沸器热负荷的计算 再沸器的热负荷是塔底液相部分汽化成饱和蒸汽所吸收的热量 蒸汽的量就是塔内气相流量 可用全塔热平衡计算 QB FHF DHLD WHLW QC Q损 QB DHLD WHLW QC Q损 FHFQ损 5 QB或近似由下式计算QB V w HV W HLW 17 四 关于混合物物性参数的计算 混合物的分子量 密度 粘度 表面张力等参数参考图表集的计算方法计算 五 回流比及理论板的计算 首先用Underwood公式求最小回流比Rmin 再由芬斯克公式求 或用绘图法数出 最小理论板数Nmin 然后再由吉利兰图求不同R下的N 最后通过下式作图 在N R 1 最小处即为适宜回流比 同时得到理论板数 一般取1 5 3 18 七 全塔效率的计算 建议采用奥 康奈尔法 应用条件 注意 混合物粘度用进料温度 进料总组成下液体粘度 单位cP 19 已经确定塔顶温度TD假定塔底温度TW 计算各组分相对挥发度 计算理论塔板数 计算塔板效率 计算实际板数 假设每板压降计算塔底压力 计算塔底温度 TW TW TW 是 计算结束 否 重设TW 八 塔底温度 压力 理论板数的迭代计算 减压塔或常压塔 由平均温度求得各组份的饱和蒸气压再求相对挥发度 加压塔 先由塔底温度求得塔底压力 再求平均塔压 由塔平均压力和温度求Ki 再求相对挥发度 20 表1分子量 沸点及临界数据 九 部分物性数据 表2饱和蒸气压 表3液体的密度 表4液体的表面张力 21 表4液体的表面张力 温度与表面张力的关系 表5液体的汽化潜热 其中 Tr Trb分别为温度T和常压沸点温度Tb时的对比温度 汽化潜热与温度的关系 22 表6各组分的Antoine常数 表7液体的平均比热 23 第三部分塔板尺寸设计要点 板间距HT的选定塔径的计算标准的选用塔板开孔率 填料 的计算标准塔板的选取浮阀塔板的流体力学计算塔板结构精馏塔设计框图 24 一 塔板间距HT的选定 选择塔板间距时 主要考虑以下因素雾沫夹带物料的起泡性操作弹性安装与检修的要求塔径 表1塔板间距与塔径的关系 25 塔径公式计算 计算空塔气气速 u 应注意以下事项 二 塔径的计算 空塔气速的经验计算公式很多 可根据经验公式的使用条件进行选择 推荐使用比较普遍的史密斯和波津方法 取两法计算的较大直径 精馏段与提馏段应分别计算 如两段塔径相差不多 可采用同一塔径 26 五 标准塔板的选取 当已知塔径和开孔率 可以从附表十 单溢流浮阀塔板标准系列参数表 选取浮阀塔板的参数 注意要选择和计算开孔率相近的标准塔板 从标准浮阀塔板中可得到浮阀塔板的如下参数 塔截面积 AT 降液管堰长 堰宽 浮阀个数 排列方式 出口堰高度等 27 对精馏段和提馏段进行水力学校核 绘出塔板负荷性能图 六 塔板水力学校核 1 塔板压降 hp不高于6mmHg 常压或加压塔 减压塔不高于3mmHg2 雾沫夹带量 阿列克山德罗夫经验公式及泛点率分别核算降液管内液面高度Hd 漏液 Fo Foa5 液体在降液管内停留时间及流速 28 塔板的负荷性能图绘制 过量雾沫夹带线 淹塔线 液泛线 过量泄漏线 气相负荷下限线 降液管超负荷线 液相负荷上限线 液相负荷下限线 操作线 Origin绘制塔板负荷性能图 并计算塔的操作弹性K 要求K不小于3 根据塔板的流体力学计算结果和塔板的负荷性能图 分析讨论所设计塔板的特点及优缺点 29 塔板有整块式和分块式两种类型 当塔直径小于800mm时 一般将塔板加工成整块式 当塔直径大于800mm 一般将塔板加工成分块式 分块式塔板由两块弓形板 一块通道板和数个矩形板构成 七 塔板结构 30 第四部分塔辅助设备的选用与校核 塔顶冷凝器的选用与校核塔顶再沸器的选用 31 一 塔顶冷凝器的选用与校核 32 二 塔底再沸器的选用 选用塔底再沸器的主要步骤如下 根据塔釜温度和热源温度计算换热平均温差tm 初步选取换热总传热系数K用QW AK tm计算换热面积A查表选取标准换热器 得到换热器的基本参数 33 第五部分塔体的初步设计 一 塔体设计 筒体 建议采用碳钢 筒体的壁厚根据塔径 材料 操作温度及压力从表3 1中选取 封头的设计 常用的有椭圆形 蝶形 球形等几种 建议采用椭圆形封头 参照表3 2和附录11 34 人孔及手孔的设计直径大于或等于800mm的塔 每隔6 8块塔板设一个人孔 塔顶 塔底及进料处必须设置人孔 最常用的人孔规格为Dg450 凡有人孔的地方 塔板间距要等于或大于600mm 35 塔高 塔顶空间HD由塔顶第一板到筒体与封头接线距离 不包括封头空间 称塔顶空间 通常取HD 1 2 1 5m 塔底空间HB由塔底第一板到塔底封头接线距离称塔底空间 取产品停留时间 10 15min 排量大 取3 5min 计算结果再加上1 2m作为塔底空间 即 36 进料空间HF液相进料 HF大于一般板间距并满足安装人孔需要即可两相进料 则HF要取得大些 以利于进料两相的分离 一般可取 HF 1 0 1 2m 塔的总高H 裙座 塔类的裙座分为圆柱形与圆锥形 当塔高与塔径之比大于30时用圆锥形裙座 一般用圆筒形裙座 塔径为1 2 2m塔裙座开4个 50mm的排气孔 塔径在1m以上要开两个Dg450的人孔 图3 4 a 37 二 接管的设计 塔顶蒸汽出口管径dv 原则 避免过大的压力降 特别是减压塔 查标准 选择导管中蒸汽的常用速度uv 计算管径dv 查标准 取接管的标准系列 回流管管径dR 一般回流泵输送时 可取uR 1 5 2 5m s 计算回流管管径dR 并选取标准系列 38 进料管管径dF 液相进料采用泵送时可取uF 1 5 2 5m s 标准系列查表 若为气液混相进料 则只用气相流量计算管径 但允许气速应为经验气速的倍 39 一般可取出料管速度uw 0 5 1 5m s 一次通过式再沸器取0 5 1 0m s 先求塔底出料的体积流率 则 塔底出料管径dw 塔底至再沸器连接管管径dL 一次通过式再沸器 接管内速度取uL 1 1 5m s 液相流量为提馏段的液相负荷 40 罐式再沸器返塔是蒸汽部分 其流量为提馏段蒸汽负荷 热虹吸式再沸器 返塔的既有气相也有液相 一次通过式 蒸汽量为提馏段汽相负荷 液相量为塔底产品量W 循环式 其液相量由循环比决定 热虹吸式再沸器返塔管径估算与两相进料的方法同 即 选取经验气速u 求允许气速 求得联接管管径 选取标准系列 再沸器返塔联接管管径db 注 综合以上计算结果 列出各接管汇总表 41 第六部分编制计算结果汇总表 将计算和设计的结果 如塔顶压力 塔底压力 塔板数据 塔高等 汇总 编制计算结果汇总表 42 几点说明 说明书的符合校毕业论文要求 对于不常用的数据和公式要注明来源 对于试差求解的要说明试差过程 计算示例 列表 公式图表要注明序号 编写目录和页码 装订成册上交 43 附录 44 假定 塔底