食工原理课程设计

1、HEFEI UNIVERSITY 食工原理课程设计系别 生 物 系 专 业 12级食品2班 姓名 朱英呈 学 号 1202062031 指导 老师 王杏文 目录1、 化工原理课程设计任书二、设计内容：1、 概述2、 设计方案的选择及流程说明3、 塔板数的计算(板式塔) ( 1 ) 物料衡算; ( 2 ) 平衡数据和物料数据的计算或查阅; ( 3 ) 回流比的选择; ( 4 ) 理论板数和实际板数的计算; 4、 主要设备工艺尺寸设计 ( 1 ) 塔内气液负荷的计算; ( 2 ) 塔径的计算; ( 3 ) 塔板结构图设计和计算； ( 4 )流体力学校核；( 5 )塔板负荷性能计算；( 6 )塔接管

2、尺寸计算；( 7 )总塔高、总压降及接管尺寸的确定。5、 辅助设备选型与计算6、 设计结果汇总7、 工艺流程图及精馏塔装配图8、 设计评述 板式精馏塔设计任务书5-3一、 设计题目： 苯甲苯 精馏分离板式塔设计二、设计任务及操作条件1、 设计任务：生产能力（进料量） 7万 吨年操作周期 7200 小时年进料组成 47.0 （质量分率，下同）塔顶产品组成 98.0 塔底产品组成 2.5% 2、 操作条件操作压力 常压 进料热状态 泡点进料 冷却水 22 加热蒸汽 0.18MPa 3、 设备型式 筛板塔 4、 厂 址 安徽省合肥市 三、设计内容：1、 概述2、 设计方案的选择及流程说明3、 塔板数

3、的计算(板式塔) ( 1 ) 物料衡算; ( 2 ) 平衡数据和物料数据的计算或查阅; ( 3 ) 回流比的选择; ( 4 ) 理论板数和实际板数的计算; 4、 主要设备工艺尺寸设计 ( 1 ) 塔内气液负荷的计算; ( 2 ) 塔径的计算; ( 3 ) 塔板结构图设计和计算； ( 4 )流体力学校核；( 5 )塔板负荷性能计算；( 6 )塔接管尺寸计算；( 7 )总塔高、总压降及接管尺寸的确定。5、 辅助设备选型与计算6、 设计结果汇总7、 工艺流程图及精馏塔装配图8、 设计评述二（1）、概述 化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元

4、设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易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，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以

5、是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。二（2）、设计方案选择及流程说明 本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔

6、底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。 塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：() 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。() 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。() 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。

7、() 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是：() 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。() 操作弹性较小(约23)。() 小孔筛板容易堵塞。下面为简略图二（3）、塔板数计算（板式塔）（1） 物料衡算 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 物料衡算 原料处理量总物料衡算114.42=D+W苯物料衡算114.42*0.511=0.983D+0.029W联合计算得D=64.58kmol/h W=49.84kmol/h式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量（2） 、平衡数据及物料数据计算或查阅表1

8、苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点（）临界温度tC（）临界压强PC（kPa）苯A甲苯BC6H6C6H5CH378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7 表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa，kPa101.3340.0116.946.0135.554.0155.763.3179.274.3204.286.0240.0 表3 常温下苯甲苯气液平衡数据温度80.1859095100105110.6液相中苯的摩尔分率汽相中苯的摩尔分率1.0001.0000.7800.9000.5810.7770.4120.63

9、00.2580.4560.1300.26200 表4 纯组分的表面张力温度8090100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3 表5 组分的液相密度温度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768 表6 液体粘度µ温度()8090100110120苯（mP.s）甲苯（mP.s）0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228 表7常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率x气相中苯的

10、摩尔分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080

11、.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0(3)回流比选择理论板层数NT的求取 一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出x y图，见下图采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点e（0.511,0.511）作垂线即为进料线(q线)，该线与平衡线的交点坐标为 =0.511 =0.715故最小回流比取操作回流比R=2=2.62求精馏塔的气、液相负荷 (泡点进料时q=1）求操作线方程 精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为:逐板法求理论板a=2.404 相平衡方程 同理计算 因为 精馏段理论板n=6根据提留方程计算

12、得出数据如下表格： 同理： 因为0.018<0.029所以提留理论板n=6全塔效率的计算查表得各组分黏度 求实际板数精馏段实际板数提馏段实际板数进料板在第13块。总共24块。4、 主要设备工艺尺寸设计操作压力计算塔顶操作压力 （合肥地区压力按100.00kpa算）每层塔板压降 进料板压力 精馏塔平均压力 操作温度查苯-甲苯t-x-y图得塔顶温度=80.1进料温度=94精馏段平均温度：平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由 进料板平均摩尔质量计算 塔底平均摩尔质量计算 0.067精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量平均密度计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即k

13、g/m3液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算有=80.1查手册得塔顶液相的质量分率进料板液相平均密度计算有=94查手册得 液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算有,查手册2得 , 进料板液相平均表面张力的计算有, 查手册2得 精馏段表面张力液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即:解出得进料板液相平均黏度的计算由,查化工原理附录得 解得气液负荷计算 精馏段： 提馏段： 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 塔径的计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验

14、关系选取。表7 板间距与塔径关系塔径DT，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT，mm200300250350300450350600400600精馏段：初选板间距 取板上液层高度故 查化工原理课程设计p36史密斯关联图得 依据可取安全系数为0.8，则（安全系数0.60.8），则故m按标准,塔径圆整为1.6m,则空塔气速0.820m/s。提馏段：初选板间距 取板上液层高度同精馏段计算得 1.29 可取安全系数为0.8，则（安全系数0.60.8）， 则m/s按标准 塔径为1.8m。将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致，根据塔径的选择规定，对于相差不大的

15、二塔径取二者中较大的，因此在设计塔的时候塔径取1.8m塔板主要工艺尺寸的计算溢流装置计算因塔径D=1.8M,可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精馏段各项计算如下：溢流堰长：单溢流去lW=（0.60.8）D，取堰长出口堰高 由 查化工原理课本得E=1.020 所以得故 取板上清液层高度故降液管的宽度与降液管的面积：由 查化工原理课本得到数据： 故计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积 （大于5s，符合要求）降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速（0.07-0.25）依据化工原理公式符合（）受液盘 采用平行形受液盘，不设进堰口，深度为60mm 同理可以算出提溜段溢流堰长：单溢流去l

16、W=（0.60.8）D，取堰长为0.6*1.8=1.08m出口堰高 同理E=1.02 依式得计算数据与上面精馏段相同 所以数据符合 如下： 塔板布置 精馏段 塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式。查表3-7得，塔板分为5块。对精馏段：取边缘区宽度Wc=0.05m(3050mm),安定区宽度 依据公式计算开空区面积筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取 故空中心距筛孔数则 则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为提馏段：取边缘区宽度Wc=0.05m(3050mm),安定区宽度依据计算开空区面积筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取 故孔

17、中心距 筛孔数 则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为筛板的流体力学验算 塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷性能图。气体通过筛板压强相当的液柱高度计算 精馏段：干板压降相当的液柱高度 查干筛孔的流量系数图得，C0=0.78气体穿过板上液层压降相当的液柱高度 由与关联图查得板上液层充气系数=0.61，依式克服液体表面张力压降相当的液柱高度依式故0.076m则单板压强： 液面落差液面落差由下式计算 平均液流宽度：塔板上鼓泡层高度：内外堰间距离：液相流量故 符合要求雾沫夹带则液、Kg气<0.1Kg

18、液/Kg气在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带漏液由式= 筛板的稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。 液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式， 而H=0.098m故在设计负荷下不会发生液泛。 根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。 塔板负荷性能图 精馏段： 漏液线由 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表中Ls /(m3/s) 0.0010.0020.030.004Vs /(m3/s)0.690.720.740.76由上表数据即可作出漏液线。 雾沫夹带线以 0.1kg液/kg气为限，求 Vs-Ls关系如下：由 整理

19、得在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.0030.004Vs /(m3/s)13.1111.849.458.88由上表数据即可作出液沫夹带线液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度hOW0.006m作为最小液体负荷标准。据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线液相负荷上限线以4s作为液体在降液管中停留时间的下限据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线 液泛线 令 由 联立得忽略，将与，与，与的关系代入上式，并整理得式中 将有关数据代入，得 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表Ls /(m

20、3/s) 0.0010.0020.030.004Vs /(m3/s)3.263.183.113.04由上表数据即可作出液泛线根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。在负荷性能图上，作出操作点P，连接OP，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得Vs,max=1.064 m3/s Vs,min=0.324 m3/s故操作弹性为 Vs,max / Vs,min=3.381所设计筛板的主要结果汇总于表项目符号单位计算数据精馏段提留段各段平均压强PmkPa106.2106.2各段平均温度tm87.0587.05平均流量气相VSm3/s1.8341.

21、90液相LSm3/s0.00470.0089实际塔板数N块1212板间距HTm0.400.40塔的有效高度Zm4.04.0塔径Dm1.81.8空塔气速um/s0.8200.651塔板液流形式单流单流溢流管型式弓形弓形堰长lwm1.081.08堰高hwm0.0440.044溢流堰宽度Wdm0.2200.220管底与受业盘距离hom0.0540.054板上清液层高度hLm0.060.06孔径domm5.05.0孔间距tmm15.015.0孔数n个83999846开孔面积m20.1650.193筛孔气速uom/s11.129.847液体在降液管中停留时间s15.7015.70降液管内清液层高度Hdm

22、0.098雾沫夹带eVkg液/kg气0.012负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷VS·maxm3/s气相最小负荷VS·minm3/s操作弹性各接管尺寸的确定进料管进料体积流量取适宜的输送速度经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：釜残液出料管釜残液出料管取适宜的输送速度，则 经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格实际管内流速：回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么 经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格 实际管内流速： 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜速度 那么 经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：再沸气产生的蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量取适宜速度 经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：20.28m/s二、个人总结课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起