化工原理课程设计-zq

化工原理课程设计,-板式精馏塔设计-,-常州大学石油化工学院-基础化工部-,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板精馏塔工艺设计任务书,基础设计数据：1.处理能力：50000t/a（年工作按8000小时计）2.进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2%塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99%5.塔顶压强：760mmHg（绝压）6.公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38导热油：进口温度260，出口温度250,总体要求：绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，编制设计说明书。1.精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。2.精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。3.换热器设计：确定冷热流体流动方式以及换热器结构，进行换热器的热负荷计算，根据换热面积初选换热器；,带控制点工艺流程图用A3图纸画塔工艺条件图（带管口）用A3纸画其余工艺设计图用坐标纸,课程设计的要求,注意事项:写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源每项设计结束后,列出计算结果明细表设计说明书要求字迹工整,装订成册上交,计算说明书目录,设计任务书带控制点工艺流程图与工艺说明精馏塔工艺计算塔板结构设计精馏塔工艺条件图换热器的选型符号说明结束语参考文献附录,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板精馏塔设计计算示例,1.设计任务书按要求填入处理量和进料组成2.带控制点工艺流程图与工艺说明（1）带控制点工艺流程图（参考课程设计P14图1-3）（2）操作压力的选择（3）加料状态的选择（4）工艺流程叙述,3.精馏塔工艺计算,3.1相平衡关系,利用安托因方程计算（参考化原P184）：logP=AB/(t+C)列出数据表1，在表后写出计算示例。,表1苯-甲苯常压相平衡数据,说明：平均相对挥发度为5.62,3.2绘制t-x(y)图及y-x图在坐标纸上绘图，大小要求t-x(y)图为10*10cm，y-x图为20*20cm,对于环己醇-苯酚体系：,表2物料衡算表,3.3全塔物料衡算（化原设计p146）,料液平均分子量：Mm=0.3100+0.794=95.8进料流量：F=50000103/800095.8=65.24kmol/hF=D+WD=19.5kmol/hFxF=DxD+WxwW=45.74kmol/h,3.4实际板数及进料位置的确定,1.确定最小回流比Rmin,2.确定操作回流比R由Fenske方程计算最小理论板数Nmin,q=1,xe=xFye=f(xe)由yx图得出,利用吉利兰关联图(化原P200)，计算NTR如下表3：,绘制NTR关系图，找出最佳回流比。,说明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0)Rmin6个点,(一般R取1.22Rmin，曲线不太陡的位置),在y-x图上，利用图解法求得NT，加料板位置nT,3.图解法求理论板数及加料板位置,4.实际板数及加料板位置的确定,由t-x(y)图查tD、tW、tF（其中tD查露点线,因为xD=y1;tW查泡点线;tF查泡点线）,由此平均温度查表得液体粘度i和,由此平均温度查t-x(y)图得进料的xi,全塔效率由奥康奈尔Oconnell关联式计算：（化原p212图5-38或化原下P118图10-20）,表4塔板数求取小结,包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计算，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力学校核和负荷性能图。,4.塔板结构设计,筛板塔板,优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。,塔板上开圆孔，孔径：3-8mm，大孔径筛板：12-25mm。,lw,WD,4.1设计参数的计算（以塔顶第一块板为依据）：液相密度L=950kg/m3（化原p319有机液体相对密度图）气相密度V=PM/RT=2.92kg/m3液相表面张力=32dyn/cm（化原p321有机液体表面张力）气相流量VS=(R+1)DM/3600V=0.408m3/s液相流量LS=RDM/3600L=0.000684m3/s,（参见化工原理课程设计P147-149）,4.2初估塔径,取板间距HT=350mm（化原设计p103)，板上液层厚度hL=0.07m（化原设计p104)，则HT-hL=0.28m。,塔板间距和塔径的经验关系（化原下册P129）,说明：工业塔中，板间距范围200900mm,两相流动参数FLV=,则液泛气速：,对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图，C20=(HT、FLV),C20：=20dyn/cm时的气体负荷因子,0.2,HT=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,筛板塔泛点关联图,（化原下册P129图10-42）,取操作气速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893m/s则气体流通面积An=VS/u=0.457m2,选取单溢流塔盘（化原设计p105图3-4），取lw/D=0.7，查化工原理（下册）P127图10-40或化原设计p108图3-10）得Af/AT=0.088Af指弓形降液管截面积,则塔截面积：,塔径D=，圆整为0.8m。,说明：计算塔径需圆整。系列化标准：0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等,由此重新计算：AT=0.785D2=0.5024m2Af=0.088AT=0.0442m2An=AT-Af=0.4582m2u=VS/An=0.89m/s实际泛点百分率：u/uf100%=75%,注意：1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率。2）校核HT与D的范围。,D:塔径hw:堰高how:堰上液层高度HT:板间距ho:降液管底隙高度Hd:降液管内液面高度,Hd,溢流装置（10*20cm）,4.3塔板结构设计,4.3.1溢流装置溢流型式的选择依据：塔径、流量；型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。,化工原理课程设计P104-111，P150,液流型式选取参考表,降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Af/AT=0.060.12确定；底隙h0：通常在4060mm。,溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,采用弓形降液管，平直堰及平型受液盘，lw=0.7D=0.56m堰上液层高度堰高hw=hL-how=0.06238m液管底隙高度ho=hw-0.006=0.05638m,要求：,注：将算出的结果标在溢流装置图上,一般取安定区宽度WS=（50-100）mm一般取边缘区宽度WC=（30-50）mm,4.3.2塔盘布置,受液区和降液区一般两区面积相等。入口安定区和出口安定区。（化原设计p106),说明：溢流装置图和塔盘布置图画在一张坐标纸上，上下排列,取筛孔直径do=（38）mm，孔径比t/d0=3.5由lw/D=0.7，查化工原理（下册）P127图10-40得Wd/D=0.15，则Wd=0.15D=0.12mx=D/2-(Wd+Ws)=0.21mr=D/2-Wc=0.36m,鼓泡区面积：,开孔率=A0/Aa=0.907(d0/t)2=0.074筛孔面积A0=Aa=0.021m2筛孔气速u0=VS/A0=19.43m/s筛孔数目n=4A0/d02=1672个,有效传质区,4.4塔板流体力学校核,（1）塔板阻力,塔板阻力hf包括以下几部分:（a）干板阻力hd气体通过板上孔的阻力（无液体时）；（b）液层阻力hl气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力h孔口处表面张力。,可用清液柱高度表示：,（a）干板阻力hd,化工原理课程设计P111-115,P151-153,查得孔流系数C0=0.75，则,取板厚=3mm，,化工原理课程设计P112，图3-14,（b）液层阻力hl,查图得充气系数=0.58,于是：,化工原理课程设计P112，图3-15,说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。（2）对于常压和加压塔，塔板阻力一般没有什么特别要求。（3）对于减压塔，塔板阻力有一定的要求。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）,故塔板阻力：,（2）液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev：kg液体/kg气体，或kmol液体/kmol气体液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：,方法1：利用费尔关联图，由和实际泛点百分率0.75，查得=0.08，进而求出ev=0.0470.1。,ev的计算方法：,（化原下册P132图10-47）,方法2：用Hunt经验公式计算ev：,说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。,式中Hf为板上泡沫层高度：,要求：ev0.1kg液体/kg气体,（3）降液管溢流液泛校核,降液管中清液柱高度(m)：,（a）液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时：,一般要求：0.5h0,主要为底隙阻力，而进口堰阻力一般为0（当无进口堰时）：,（b）液体通过降液管阻力hf,降液管中泡沫层高度：,要求：,说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或增大塔板间距。,对不易起泡物系：,易起泡物系：,而Hd/=0.34(HT+hw)=0.41,（4）液体在降液管中停留时间校核目的：避免严重的气泡夹带降低板效率。,停留时间：,要求：,说明：停留时间过小，可增加降液管面积或增大塔板间距。,（a）计算严重漏液时干板阻力hd,（b）计算漏液点气速uow,说明：如果稳定系数k过小，可减小开孔率或降低堰高。,（5）严重漏液校核漏液点气速uow：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：,要求：,（c）计算稳定系数,4.5塔板负荷性能图,在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。,（1）漏液线（气相负荷下限线）,(,第一点：Lh=LS（0.000684）3600=2.46m3/hVh=A0uow3600=491.4m3/h第二点：取Lh=10m3/h，同样可以计算得到：uow=7.5m/s，则Vh=A0uow3600=567m3/h,漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速。,（2）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,(,第一点取液气比与操作点相同，令ev=0.1则夹带分率由FLV及查图得泛点率为0.88则un=0.88uf=0.881.19=1.05m/s于是相应的气液流量为：Vh=unAn3600=1732.0m3/hLh=(LS/VS)Vh=2.4m3/h,规定：ev=0.1（kg液体/kg气体）为限制条件。,(,第二点取液气质量比LSL/VSV=2.0，令ev=0.1计算夹带分率=0.048同样计算FLV=0.11，查得泛点率为0.92由FLV及(HT-hL)查图得C20=0.053则液泛气速于是Vh=unAn3600=1593.4m3/hLh=2VhL/V=9.8m3/h,原因：气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。,（3）液相负荷下限线,(,对于平直堰，一般取堰上液层高度,作为液相负荷下限条件，低于此限便不能保证板上液流均匀分布，降低气液接触效果。,依此式可求得液相负荷下限，据此作出液相负荷下限线(3)。塔板的适宜操作区应在竖直线(3)的右方。,（4）液相负荷上限线,(,此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在降液管中的停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。,依此式可求得液相负荷上限，据此作出液相负荷上限线(4)。塔板的适宜操作区应在竖直线(4)的左方。,（5）液泛线,(,液泛线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时，破坏塔的正常操作。,第一点取Lh=10m3/hLh,max则hf=0.153(LS/lwh0)2=0.0012mhl=(hw+how)=0.0532m于是液泛时的干板压降为hd=(HT+hw)-(hw+how+hf+hl)=0.132m则孔速为于是相应的气相流量Vh=u0A03600=1645.1m3/h,第二点取Lh=25m3/hLh,max同样计算得：how=0.0357mhf=0.0074mhl=0.0638m于是hd=0.0988m则孔速u0=18.83m/s于是相应的气相流量Vh=u0A03600=1423.2m3/h,塔的操作弹性为：,液泛现象,塔板结构设计结果汇总,塔板结构计算结果汇总,项目,数值或说明,备注,塔径/mm塔板数/块板间距/mm塔板类型溢流堰类型堰长/mm堰高/mm降液管底隙高度/mm筛孔(浮阀)个数/个孔速/m/s开孔率/%板压降/mmH2O降液管内液体停留时间/s降液管内液体清液层高度/mm泛点率/%操作弹性,2020/4/30,塔顶空间HD,塔顶空间HD的作用是供安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，一般取11.5m。,塔底空间HB,塔底空间HB具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有1015分钟的储量，以保证塔釜料液不致迅速排完，一般取2.02.5m。,5.1塔体总高,5.精馏塔工艺条件图（按比例画，课程设计书p19图1-5，1-6）,人孔,一般每隔68层塔板设一人孔（供安装、检修用），人孔处板间距600mm，人孔直径一般为450550mm,其伸出塔体的筒体长为200250mm,人孔中心距操作平台约8001200mm。,2020/4/30,塔高,H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn实际塔板数；nF进料板数HF进料板处板间距，mnP人孔数Hp人孔处的板间距，mHD塔顶空间，m（不包括头盖部分）HB塔底空间，m（不包括底盖部分）,进料板可取2块，进料板处间距取1000mm。,2020/4/30,（1）塔顶气相管径dp塔顶气相出口流速uv与塔的操作压力有关，常压可取1220m/s，减压可取2030m/s。,5.2精馏塔配管的计算（课程设计书p142）,（2）回流液管径dR回流量前已算出，自回流的流速范围为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速uR可取11.5m/s。,2020/4/30,（3）加料管径dF料液由泵送时流速uF可取1.52.0m/s。,（4）釜液排出管径dw塔釜液出塔的流速uw可取0.52.0m/s。,2020/4/30,（5）再沸器返塔蒸汽管径dv,常压与加压塔流速u