化工课程设计书重点讲义

1、 贵州理工学院化工原理课程设计 化工原理课程设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计学生姓名： 李 曦 洲 指导老师： 李 自 卫 学 院： 化学 工程 学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 能 源 131 学生学号： 2013 0718 24 时 间：2016.3.7.2016.3.18.院系：化学工程学院 专业：化学工程与工艺姓名：李曦洲 学号：2013071824 班级：能源131 实习性质：实习地点：学校 指导老师：李自卫课程设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计目 录第一章、设计任务书.41.1设计题目.41.2设计任务.41.3操作条件.41.4设计内容及要求.4第二章、设计方案

2、的确定.4第四章、工艺设计计算.5第三章、设计条件及注意物性参数.53.1操作压力计算.53.2操作温度计算.53.3平均摩尔质量计算.53.3.1塔顶摩尔质量计算.53.3.2进料板平均摩尔质量计算.63.3.3提馏段平均摩尔质量.63.4平均密度计.算.63.4.1气相平均密度计算.63.4.2液相平均密度计算.63.5液相平均表面张力计算.63.5.1塔顶液相平均表面张力计算.73.5.2进料板液相平均表面张力计算.73.6液相平均粘度计算.73.6.1塔顶液相平均粘度计算.73.6.2进料板液相平均粘度计算.8第四章 工艺计算.74.1精馏塔的物料衡算.74.1.1原料液及塔顶、塔底产

3、品的摩尔分数.74.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.84.1.3物料衡算原料处理量.8第五章 设备结构设计.85.1塔板数的确定.85.1.1相对挥发度的确定取.85.1.2精馏段与提馏段操作线方程的确定.95.1.3塔板数的确定.95.1.4全塔效率的确定.105.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算.105.2.1塔径的计算.105.2.2精馏塔有效高度计算.115.3塔板主要工艺尺寸的计算.115.3.1溢流装置计算.115.3.2塔板布置.125.4筛板的流体力学验算.135.4.1塔板压降.135.4.2液面落差.145.4.3液沫夹带.145.4.4漏液.155.4.5液泛.15

4、5.5塔板负荷性能图.155.5.1漏液线.155.5.2液沫夹带线.165.5.3液相负荷下限线.175.5.4液相负荷上限线.175.5.5液泛线.17第六章 附属设备类型.196.1冷凝器.196.2再沸器.196.3回流泵.206.4进料管.216.5塔顶产品接管.226.6塔底产品接管.226.7塔顶蒸汽接管.23第七章 设计一览表.23第八章 对设计的评述及有问题的分析.248.1对设计的评述分析.248.2设计心得.24九、参考文献.25前 言课程设计是“化工原理”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先修课程的基本知识来解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划

5、中它起着培养学生独立工作能力的重要作用。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

6、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。苯和甲苯都是重要的基本有机化工原料。工业上常用精馏方法将他们分离。精馏是分离液体混合物最早实现工业化的典型单元操作，广泛应用于化工，石油，医药，冶金及环境保护等领域。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发度的差别实现组分的分离与提

7、纯的目的。 实现精馏操作的主要设备是精馏塔。精馏塔主要有板式塔和填料塔。板式塔的核心部件为塔板，其功能是使气液两相保持密切而又充分的接触。塔板的结构主要由气体通道、溢流堰和降液管。本设计主要是对板式塔中的筛板进行塔设计。第一章 设计任务书1.1设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计1.2设计任务1.2.1原料液中苯含量70%(质量分数)，剩余甲苯。1.2.2塔顶产品中苯含量苯含量为98%。1.2.3残液中苯含量苯含量不高于9%。1.3操作条件(1)精馏塔顶压强104kpa；(2)进料热状态：饱和；(3)原料温度：20度；(4)回流比R=1.7RMIN；(5)单板压降小于0.7kpa1.4设计内

8、容及要求1.4.1设计方案的确定即要求1.4.2塔的工艺计算包括全塔物料衡算、塔顶、塔低温度、精馏段和提馏段气液负荷，塔顶冷凝器热负荷，冷却水用量，塔底再飞器热负荷，加热蒸汽用量，塔的理论板数，实际板数。1.4.3塔和塔板主要工艺尺寸的设计包括塔高、塔径以及降液管，溢流堰，开孔数及开孔率1.4.4塔板流体力学验算1.4.6编制设计一览表1.4.7附属设备的设计与选型冷凝器，再沸器，回流泵，进料管，塔顶产品接管，塔底产品接管、塔顶蒸汽接管1.4.8编写设备结果一览表1.4.9绘制精馏塔设备图，工艺流程图。第二章 设计方案的确定本设计任务书为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏

9、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入精馏塔内，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。第三章 设计条件及主要物性参数3.1操作压力计算塔顶操作压力：pD=104kPa每层塔板压降：p0.7kPa进料板压力：pF=104+0.7*17=115.9kPa塔底压力：pW=115.9-0.7*20=101.9kPa精馏段平均压力：pm=(104+115.9)/2=109.95kPa提馏段平均压力：pm=(115.9+101.9)/2=108.9kPa3.2操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度

10、，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。计算结果如下:塔顶温度，进料板温度3.3平均摩尔质量计算3.3.1塔顶摩尔质量计算由由相平衡曲线得3.3.2进料板平均摩尔质量计算联立精馏段操作线方程和提馏段操作线方程计算得：；3.3.3提馏段平均摩尔质量3.4平均密度计算3.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即3.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算：塔顶液相平均密度计算：由，查手册得 进料板液相平均密度计算由，查手册得 进料板液相的质量分数计算精馏段液相平均密度为：3.5液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即3.5.1塔顶液相平均表面张力计算由，查手册得3.5.2

11、进料板液相平均表面张力计算由，查手册得精馏段液相平均表面张力为：3.6液相平均粘度计算液相平均粘度依下式计算：3.6.1塔顶液相平均粘度计算由，查手册得，解得3.6.2进料板液相平均粘度计算由，查手册得 解得精馏段液相平均粘度为第四章 工艺设计算4.1精馏塔的物料衡算4.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯的摩尔质量 =78.11Kg/mol甲苯的摩尔质量 =92.14Kg/mol=0.7335=0.9831=0.10454.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量=0.733578.11+(1-0.7335)92.14=81.8490kg/mol=0.983178.11+(1-0.98

12、31)92.14=78.3470kg/mol=0.104578.11+(1-0.1045)92.14=90.6739kg/mol4.1.3物料衡算原料处理量=101.96kmol/h总物料衡算 F=101.96=D+W苯物料衡算 101.960.7335=0.9831D+0.1045W联立解得 D=72.99kg/mol，W=28.97kg/mol第五章 设备结构设计5.1塔板数的确定5.1.1相对挥发度的确定表1 纯组分的饱和蒸汽压P*与温度t的关系ABC苯6.954641341.800219.482甲苯6.905651211.033220.790log=Psat=AB/(T+C)，其中T用

13、oC表示，T=20oC。顶=2.07628；底=1.35174=(顶*底)1/2=1.6755.1.2精馏段与提馏段操作线方程的确定Xe=0.7335代入y=0.823所以（Xe，Ye）=（0.7335,0.823）Rmin=(XD-Ye)/(Ye-Xe)=1.7978R=1.7Rmin=1.7*1.7978=3.056精馏段操作线方程yn+1=R/(R+1)+XD/(R+1)=0.753Xn+0.242精馏段气液流量：L=RD=223.057kmol/h；V=(R+1)D=296.047 kmol/h提馏段气液流量：L=L+qF=325.017 kmol/h；V=V-(1-q)F=296.0

14、47 kmol/h提馏段操作线方程：ym+1=(L/V)Xm-(WXW)/V=1.098Xm-0.015.1.3塔板数的确定（采用逐板计算法）y1=xD=0.9831 x1=0.972y2=0.9739 x2=0.9571y3=0.9627 x3=0.9390y4=0.9491 x4=0.9175y5=0.9329 x5=0.8925y6=0.9141 x6=0.8640y7=0.8926 x7=0.8323y8=0.8687 x8=0.7980y9=0.8429 x9=0.7621y10=0.8159 x10=0.7257<xq=0.7335y11=0.7885 x11=0.6900y

15、12=0.7616 x12=0.6560y13=0.7360 x13=0.6247y14=0.7124 x14=0.5966y15=0.6451 x15=0.5204y16=0.5614 x16=0.4332y17=0.4657 x17=0.3423y18=0.3658 x18=0.2561y19=0.2712 x19=0.1818y20=0.1896 x20=0.1226y21=0.1246 x21=0.0783<xw=0.1045因为x10<xq，所以第十快塔板上升的气相组成由精馏段操作线方程计算。所需总理论板数为21块，第十快为加料版精馏段需10块板。5.1.4全塔效率的确定

16、在80.1oC下，苯的粘度1=0.308mPas，甲苯的粘度为2=0.311mPas。E1=0.49(1*1)-0.245=0.5467E2=0.49(2*2)-0.245=0.6059N精=9/0.5467=16.246417N提=12/0.6059=19.805220所需实际塔板数为37块全塔效率：E=N/Ne=56.76%5.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.2.1塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为：由，式中由式（11-2）计算，其中的由图11-8查取，图的横坐标为：取板间距，则查图11-8得=0.070按标准塔径圆整后为塔截面积为实际空塔气速为5.2.2精馏塔的有效高度的计算精馏段有效高

17、度为：提馏段有效高度为：从塔顶开始每隔9块板开一人孔，其高度为0.6m，开人孔的两块间距取0.7m，所以应多加高(0.7-0.6)*37/12=0.31m，故精馏塔的有效高度为再加上其他高度6.69m，总塔高为5.3塔板主要工艺尺寸的计算5.3.1溢流装置计算筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=2m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长取溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度近似取Fw=1.02，则取板上清液层高度弓形降液管宽度和截面积由故液体在降液管中停留时间，即故降液

18、管设计合理。降液管底隙高度取故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度5.3.2塔板布置塔板的分块因，故塔板采用分块式。查表得，板块分为3快。边缘区快读确定取开孔区面积计算开孔区面积的计算，即其中 故筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目：开孔率为：气体通过筛孔的气速为：5.4筛板的流体力学验算5.4.1塔板压降干板阻力的计算：干板阻力由故气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力的计算：查得得，故液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力的计算：气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算：气体通过每层塔板的压降为：5.4.2

19、液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。5.4.3液沫夹带液模夹带量的计算：故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。5.4.4漏液对筛板塔，漏液点气速的计算： 实际孔速： 稳定系数为：故在本设计中无明显漏液。5.4.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应满足下式，即。苯-甲苯物系属一般物系，取，则板上不设进口堰，的计算：故在本设计中不会发生液泛现象。5.5塔板负荷性能图5.5.1漏液线漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。整理得：表2 表0.00060.5210.00150.5320.

20、00300.5470.00450.559由此表数据即可作出漏液线1。 5.5.2液沫夹带线当气相负荷超过此线时，液沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制eV0.1kg液/kg气。以eV=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下:由整理得：表3 表0.00063.7750.00153.6110.00303.4000.00453.223由此表数据即可作出液沫夹带线2。5.5.3液相负荷下限线液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得取E=1.02，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷

21、下限线3。5.5.4液相负荷上限线该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。以作为液体在浆液管中停留时间的下限，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5.5.5液泛线若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd联立得:式中，将有关数据带入，得：表4 表0.00062.872

22、0.00152.7100.00302.4920.00452.296由此表数据即可作出液泛线5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图： 泡沫夹带线2 下 液泛线5 限 . A (操作点) 上 线 限 3 漏液线1 线 4负荷性能图 0 在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得故操作弹性为：第六章 附属设备类型6.1冷凝器塔顶温度tD=82.1 冷凝水t1=20，t2=30，则t1=tD-t1=82.1-20=62.1OC；t2=tD-t2=82.1-30=52.1OC由tD=82.1，查液体比汽化热共线图得又气体流量Vh

23、=2.199m3/s塔顶被冷凝量：冷凝的热量：取传热系数：K=600W/m2k，则传热面积：冷凝水流量：6.2再沸器因精馏塔的直径较大，故选用罐式再沸器，将再沸器置于塔外采用间接蒸汽加热，塔底温度，取加热蒸汽温度为150，出再沸器时的温度为120。取,最后一块实际板上组成。查图得，该板温度为故 塔底组成可近似看成纯甲苯，则所以，换热面积6.3回流泵首先计算回流罐的尺寸，冷凝液在回流罐内停留时间为15mim，回流罐储存的冷凝液的体积为:回流管内的液体可看作是纯的苯，温度为40，则其流动雷诺常数可下式算：其中：则故回流管绝对粗糙度=0.3mm。因为Re>>5000,所以可由下面公式直接

24、计算摩擦系数：，求得：=0.0426。根据塔高的数据：可取回流管长度为：所以直管阻力损失为：在回流管中装有标准弯头3个，半开阀（标准截止阀：球形阀）1个，孔板流量计1个（相当于一个半开阀（闸阀）的阻力系数）（见塔的工艺流程图），所以回流管中总阻力损失为：则单位重量流体的阻力损失：在回流泵的入口截面（设为A）和回流管进入精馏塔之前一截面（设为A）之间列机械能恒算式，令泵入口处液体流速所以回流泵的扬程为：所以，选择扬程为45m,型号为IS65-50-125的离心泵。6.4进料管料液质量流速：体积流速：取管内流速为：所以，进料管管径为：由上，原料进口管管径选取为54×2.5，则实际管径d=

25、49mm。法兰选取公称压力为，公称直径为的带颈平焊钢制管法兰（HG20594）。6.5塔顶产品接管D=72.99koml/h，相平均摩尔质量为，溜出产品密度为则塔顶液体体积流量：取管内蒸汽流速为则可取回流管规格46×2.5，则实际管径d=41mm。塔顶蒸汽接管实际流速：6.6塔底产品接管取出料液质量流速：体积流速：所以，塔釜出料管管径：由上，塔釜出料管选32×2.5，则实际管径d=27mm。法兰选取公称压力为，公称直径为的带颈平焊钢制管法兰（HG20594）。6.7塔顶蒸汽接管则整齐体积流量：取管内蒸汽流速为则可取回流管规格470×12 则实际管径d=446mm塔

26、顶蒸汽接管实际流速：第七章 设计计算结果汇总表表五 筛板塔的主要结果汇总表序号项目数值序号项目数值1平均温度(OC)90.80018边缘区宽度(m)0.0402平均压力(kPa)109.4019开孔区面积(m2)0.9383气相流量(m3/s)2.199020筛孔直径(m)0.0054液相流量(m3/s)0.006221筛孔数目n48155实际塔板数37.00022孔中心距t(m)0.0156有效段高度Z(m)21.30023开孔率(%)10.107塔径D(m)2.000024空塔气速u(m/s)0.7008板间距(m)0.600025筛孔气速(m/s)23.219溢流形式单溢流26稳定系数3

27、.86010降液管形式弓形27每层塔板压降(kPa)0.55911堰长(m)1.360028负荷上限液泛控制12堰高(m)0.041329负荷下限漏液控制13板上液层高度(m)0.060030液沫夹带（kg液/kg气）0.048014堰上液层高度(m)0.018731气相负荷上限()1.731215降液管底隙高度(m)0.025332气相负荷下限()0.506616安定区宽度(m)0.015033操作弹性3.417017塔总高Z(m)28.000第八章 对设计的评述及对有关问题的分析讨论8.1对设备的评述分析本设计进行苯和甲苯的分离，采用直径为2m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点：1.操用、调节、检修方便；2.制造安装较容易； 3.处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；4.操作弹性较大。该设计的缺点：设备的计算及选型都有较大的误差存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性。8.2心得体会本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过近两周的团队努力，反经过复杂的计算和优化，我们三人组