化工原理课程设计

1、任课教师：蒋任课教师：蒋 炜炜设计任务书设计内容设计内容： 精馏塔的设计精馏塔的设计 设计时间：设计时间： 一周一周教学目的教学目的查阅文献查阅文献，学会查取工具书，学会查取工具书, 获取正确数据获取正确数据 正确选用正确选用工程参数工程参数, 加强工程设计能力培养加强工程设计能力培养（技术上可行，经济上合理技术上可行，经济上合理） 规范规范行为行为, 行标国标为准行标国标为准, 打造合格工程人员打造合格工程人员 综合能力培力培养综合能力培力培养 (工程计算工程计算, 工机械制图工机械制图,计算机编程计算机编程, 写作能力写作能力)文献检索文献检索n1. 化工工艺设计手册化工工艺设计手册n2.

2、 化工原理设计导论化工原理设计导论n3. 化工制图化工制图n4. 常用化工单元的设备设计常用化工单元的设备设计n5. 塔设备设计塔设备设计n6. 换热器设计手册换热器设计手册n7. 化工数据手册化工数据手册四川大学化工原理课程设计任务书四川大学化工原理课程设计任务书 设计者：设计者： 班级：班级： 指导教师：指导教师： 蒋炜蒋炜 设计时间：设计时间： 2011 年年 12 月月 16 日日 至至 2011 年年 12 月月 23 日日 设计任务设计任务 设计题目：设计题目： 分离甲醇分离甲醇-乙醇乙醇/苯苯-甲苯甲苯/苯苯-乙苯混合液的精馏塔乙苯混合液的精馏塔 原料液：原料液： 组成：组成：

3、处理量：处理量： 温度：温度：馏出液：馏出液： 组成：组成：残残 液：液： 组成：组成：操作压力：操作压力： 常压连续操作（以上组成均为摩尔分率）常压连续操作（以上组成均为摩尔分率）设计内容设计内容 1. 文献检索文献检索 2. 工艺流程选择论证及说明工艺流程选择论证及说明 3. 绘制流程图绘制流程图 4. 塔设备的工艺计算和设计塔设备的工艺计算和设计 5. 塔顶冷凝器的选用塔顶冷凝器的选用 6. 绘制塔设备结构图绘制塔设备结构图引言设计设计是工程建设的灵魂，对工程建设起着主导和决定性的作用，是工程建设的灵魂，对工程建设起着主导和决定性的作用，决定着现代工业的水平。设计是科研成果转换为现实生产

4、的桥决定着现代工业的水平。设计是科研成果转换为现实生产的桥梁和纽带梁和纽带 。化工工艺设计；化工工艺设计；总图运输设计；总图运输设计；土建设计；土建设计；公用工程（供电、供热、供排水、暖气）设计；公用工程（供电、供热、供排水、暖气）设计；自动控制设计；自动控制设计；机修、电修等辅助车间设计；机修、电修等辅助车间设计；外管设计；外管设计；工程概算和预算。工程概算和预算。 非工艺非工艺：工艺：工艺：设设计计任何工程设计都是从工艺设计开始，并以工艺设计结束；任何工程设计都是从工艺设计开始，并以工艺设计结束；整个工程的非工艺设计要服从工艺设计整个工程的非工艺设计要服从工艺设计 。1。原料路线和技术路线

5、的选择；原料路线和技术路线的选择；2。工艺流程设计；工艺流程设计；3。物料衡算；物料衡算；4。热量衡算；热量衡算；5。工艺设备的设计和选型；工艺设备的设计和选型；6。车间布置设计；车间布置设计；7。化工管道设计；化工管道设计；8。非工艺设计项目的考虑；非工艺设计项目的考虑；9。编制设计文件（设计说明书、附图和附表）；编制设计文件（设计说明书、附图和附表）； 工工艺艺设设计计 设计方案的选定设计方案的选定。对给定和选定的工艺流程、主要设。对给定和选定的工艺流程、主要设 备的类型进行简要的论述。备的类型进行简要的论述。 工艺设计工艺设计。选定工艺参数，物料衡算，热量衡算，单。选定工艺参数，物料衡算

6、，热量衡算，单 元操作的工艺计算，绘制相应的工艺流程图、标出物元操作的工艺计算，绘制相应的工艺流程图、标出物 流量、能流量及测量点。流量、能流量及测量点。 设备设计设备设计。设备的结构尺寸和工艺尺寸的设计计算，绘。设备的结构尺寸和工艺尺寸的设计计算，绘 制设备的工艺条件图，包括设备主要的工艺尺寸、技术制设备的工艺条件图，包括设备主要的工艺尺寸、技术 特性表和接管表。特性表和接管表。 辅助设备选型辅助设备选型。辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规。辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规 格型号的选定。格型号的选定。 编写设计说明书编写设计说明书。内容应包括：设计任务书；目录；设。内容应包括：设计任务书

7、；目录；设 计方案简介；工艺计算及主要设备设计；工艺流程图和计方案简介；工艺计算及主要设备设计；工艺流程图和 主要设备的工艺条件图；辅助设备的计算和选型；设计主要设备的工艺条件图；辅助设备的计算和选型；设计 结果汇总；设计评述；参考文献。结果汇总；设计评述；参考文献。课程设计内容课程设计内容设计时间安排设计时间安排1. 星期1 查阅文献，查阅文献， 选定设计方案选定设计方案；2. 星期2星期3 工艺设计计算工艺设计计算；3. 星期4 设备设计设备设计；4.星期5 辅助设计辅助设计；工艺流程图1. 管件管件2. 设备设备工艺流程工艺流程 1. 细实线（细实线（0.3mm）画设备外形，比例）画设备

8、外形，比例1：50或或1：100。 2粗实线（粗实线（ 0.9mm）画物料管线，并注出流向箭头。）画物料管线，并注出流向箭头。 3辅助物料管线辅助物料管线 用中粗实线（用中粗实线（0.6mm）表示。）表示。 4物料流程图、带控制点的工艺流程图。物料流程图、带控制点的工艺流程图。2. 2. 总物料衡算总物料衡算 , ,确定确定 D, WD, W1. 1. 确定原料及产品组成确定原料及产品组成 ( (x xF F, x, xD D, x, xWW, F, F) )WDFWDFWxDxFz3. 确定进料板确定进料板, 塔底塔底, 塔顶温度塔顶温度(tF, tD, tW)4. 求相对挥发度求相对挥发度

9、( )5. 确定进料热状态确定进料热状态, 计算计算q值值iiLiiiiPfxyKBABABABBAAKKxxyyxPyxPyrttcrqFsp)(6. 确定最小回流比确定最小回流比(Rmin)7. 确定最小理论塔板数确定最小理论塔板数(Nmin)mWWDDxxxxNlog11logmindddDxyyxRmin平衡方程平衡方程 q线方程线方程xxy) 1(111qzxqqyF求（求（xd, yd)minoptRR22 . 1 理论板数 NRmin回流比 RNmin8. 选择适宜回流比选择适宜回流比(Ropt)总费用设备费操作费费用回流比 RRopt9. 求取理论塔板数求取理论塔板数(NT)1

10、 1、逐板计算法、逐板计算法; 2; 2、图解法、图解法操操作作线线方方程程相平衡方程相平衡方程xxy) 1(1精馏段操作线精馏段操作线提馏段操作线提馏段操作线11RxxRRyDWqFLWxxWqFLqFLyW10. 全塔效率全塔效率( )奥康内尔（奥康内尔（ ）关联法：）关联法： O connellLiix0.2450.49TLE精馏塔精馏塔相对挥发度相对挥发度L L 液相粘度液相粘度11. 实际塔板数实际塔板数( NP )12. 确定进料板位置确定进料板位置TTNNE121TTZNHZZTENN精精实13. 塔高塔高0 . 20 . 15 . 10 . 111ZZ板式塔Plate Towe

11、r在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。板式塔溶剂气体DJ 塔盘 新型塔板、填料浮阀塔板Valve Tray自1950 年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今仍为应用最广的一种塔板。结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式，但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节

12、开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。 浮阀塔的设计Design of Valve Tower 板式塔的工艺设计主要包括两大方面：(1) 塔高、塔径以及塔板结构尺寸的计算；(2) 塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能图的确定。 实际塔板数 Number of Actual Plates可根据实验数据或用经验公式估算塔高主要取决于实际塔板数和板间距。给定任务所需实际塔板数可通过平衡级(理论板)假设求得所需的理

13、论板数 N，然后由全塔效率(总板效率)修正TTENN实际板数和板间距，塔高211ZZHNZTT式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，m； Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，m。塔径D，m0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4板距HT ，mm200300300350350450450600 500800600 HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。 HT，允许的操作气速，塔径，但塔高。 HT ，塔高 ，但允许的操作气速 ，塔径。 对D0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。 人孔处的板间距一般不应小于 0.6m。 实际塔板数 Number of

14、Actual Plates全塔效率的关联式 Correlation of Overall Plate Efficiency 塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况、以及板间返混(液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致)的综合结果。板效率是设计重要数据。由于影响因素很多且关系复杂，至今还难以正确可靠地对其进行预测。工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。全塔效率实测数据的关联式可用于塔板效率的估算。奥康内尔（Oconnell）关联方法精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L 的乘积为参数来表示全塔效率 ET：245. 049. 0LTE 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，

15、取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算 iiLx横坐标 HP/L中：H 塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，kmol/(m3kPa)；P 操作压强，kPa；L 塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPas 。 板式塔吸收塔全塔效率的关联式 Correlation of Overall Plate Efficiency 溢流式塔板的塔截面分为两个部分：气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。TTffTAAAAAAA1或TAD4求得A 与 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔径AT -塔板总截面积，A-气体流道截面积，Af -降液管截面积fuu85. 06 . 0设适宜气速

16、为 u，当体积流量为 Vs 时， A =Vs / u。求 A 的关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u 。塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。一般取A 的计算A 的计算Calculation of A 246223fVpVLpudgdVVLVVLpfCgdu34液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。当 uut 时，液滴将被气流带出。对直径为 dp 的液滴 索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式L 、 V 气、液相的密度，kg/m3； 阻力系数； C 气体负荷因子，m/s。C 取决于dp和。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都

17、难以确定，故 C 需由实验确定。实验研究表明，C 值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。史密斯关系曲线Smith Relationship CurveHThL：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，hL 为板上清液层高度，若忽略板上液面落差owwLhhh常压塔 hL=50100 mm；减压塔 hL=2530 mm。注意：液相表面张力 = 210-2 N/m若实际液相表面张力不同，按下式校正2 . 02020CC5 . 02 . 02020VVLfCuu，AAf / AT 的确定Determination of Af / AT Af /AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体

18、溢流形式有关。求取方法：(1)按D和液体流量选取溢流形式，由溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。 单流型：lw/D =0.60.8 双流型：lw/D =0.50.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保证液体在降液管中的停留时间。(2)由选定的 lw/D 值查图得 Af /AT 。(3)由确定的 A 与 Af /AT 求得塔板面积 AT 和塔径 D ，并进行圆整。注意：塔高和D的计算涉及的参数(HT、hL、lw/D) 是按经验数据在一定范围选取的，故所得塔高和D是初估值，需根据后面介绍的流体力学原则进行校核。 1: 溢流装置 受液盘 降液管 溢流堰2: 浮阀鼓泡区：取决于所需浮阀数与排列；溢

19、流区：与所选溢流装置类型有关。上两区均需根据塔板上的流体力学状况进行专门计算。进口安定区(分布区)：保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。Ws = 50100 mm。出口安定区(脱气区)：避免降液管大量气泡夹带。Ws = 70100 mm。塔板布置Array of TrayrxWsAfDhwAAh0HTAfAaWslwWdWdWcD900mm 分块式塔板。边缘区：塔板支撑件塔板连接。D 2.5 m WC 60 mm。溢流装置Overflow Equipments溢流装置：由降液管、溢流堰和受液盘组成。降液管：连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、

20、圆形和矩形降液管弓形降液管：有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于800mm的大塔均采用弓形。降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的溢流形式。液体在塔板上的流径越长，气液接触时间就越长，有利于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。D 2.0 m 双溢流式或阶梯流式液体在降液管中的停留时间 为 单溢流弓形降液管结构尺寸的计算Size of Down-Comer降液管的宽度 Wd 和截面积 AfsTfLHA计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值 lw/D。由 lw/D 查图可得 Wd /D 和

21、 Af /AT，D 和 AT 已确定，故降液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。为降低气泡夹带， 一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。若计算出的 过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。出口溢流堰与进口溢流堰Overflow Weir出口堰：维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。 单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流 lw=(0.50.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 决定了板上液层的高度 hL。owLwhhh32100084. 2wsowlLEh对

22、于平堰：弗朗西斯（Francis）公式液流收缩系数 E进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。 出口溢流堰与进口溢流堰Overflow Weir降液管底隙高度及受液盘Down-comer and Accumulator降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也应防止气体进入降液管(不可太大)。对于弓形降液管可按下式计算oLwsulLh0式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。根据经验一般取 uoL = 0.0

23、70.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大时可达 150 mm。受液盘：承接来自降液管的液体。凹形受液盘：用于大塔（D800mm）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在 50mm 以上。 降液管底隙高度及受液盘Down-comer and Accumulator浮阀的数目与排列Number and Array of Floating Valve 阀孔直径：由浮阀的型号决定。浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算 0204udVNsVuF00阀孔气速 u0 可根据

24、由实验结果综合的阀孔动能因子 F0 确定式中：Vs 气体流量，m3/s； u0 阀孔气速，m/s； d0 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0 = 39 mm。根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔板上的浮阀刚全开时，F0 在 812 之间。设计时可在此范围内选择适宜的 F0 后计算 u0 。浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。tNAta液流方向顺排tt叉排等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。通常将同一横排的阀孔中心距定为 75 mm，而相邻两排间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。若鼓泡区面积为 Aa，则一个阀孔的鼓泡面积 Aa / N 约为 t t

25、，故有浮阀的数目与排列Number and Array of Floating Valve 由 t=75mm 及上式计算的 Aa 值可得 t ，据此可确定 t 的实际取值（65、80、100mm）；根据已确定的孔距（t 与 t），按等腰三角形叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置的浮阀总数；若作图排列与计算所得浮阀数相等或相近，则按作图所得浮阀数重算阀孔气速，然后校核 F0 (812) 。若 F0 不在该范围内，应重新调整 t 值，再作图、校核，直到满足要求为止。)(m222csdsdWDrWWDxWWDx)(sin180)(sixrxrxrxrxrxAa对单溢流塔

26、板 Aa 可按下式计算：浮阀的数目与排列Number and Array of Floating Valve %100%1004420220NDdDNd常压塔或减压塔： = 1014%加压塔： 0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；减压塔：Fl 0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得的 Vs-Ls 关系式作图而得。此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷 Ls 也有一定关系，但主要取决于气体负荷。 %10036. 1bFLsVLVslAKCZLVF0Ls (m3/h)Vs (m3/h)12液相负荷下限线和液相负荷上限线Liquid Load Upper Limit and Low Limit Line 液相负荷下限线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。对平顶直堰，取 how = 6 mm 作为液相负荷下限的标准。3210008