化工原理课程设计-zqppt课件

1、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-,1,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：50000 t/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：760 mmHg（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250,2,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

2、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；,3,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,4,计算说明书目录,设计任

3、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,5,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,6,7,3. 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）： log P=A B/ (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,8,说明：平均相对挥

4、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：,9,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 = 65.24 kmol/h F = D + W D=19.5 kmol/h FxF = DxD + Wxw W=45.74 kmol/h,10,3.4 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Fens

5、ke方程计算最小理论板数Nmin,q=1, xe=xF ye=f(xe) 由yx图得出,11,利用吉利兰关联图(化原P200) ，计算NT R如下表3：,绘制NT R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)Rmin 6 个点,(一般R取1.22Rmin，曲线不太陡的位置),12,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

6、均温度查t-x(y)图得进料的xi,13,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）,14,表4 塔板数求取小结,15,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,16,17,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 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。,lw,WD,18,4.1 设计参数的计算（以塔顶第一块板

7、为依据）： 液相密度 L = 950 kg / m3（化原p319有机液体相对密度图） 气相密度 V = PM/ RT = 2.92 kg / m3 液相表面张力 = 32 dyn /cm（化原p321有机液体表面张力） 气相流量VS = (R+1) DM /3600 V=0.408 m3/s 液相流量LS = RDM / 3600 L =0.000684 m3/s,（参见化工原理课程设计P147-149）,19,4.2 初估塔径,取板间距HT = 350 mm（化原设计p103)，板上液层厚度hL= 0.07 m （化原设计p104) ，则HT -hL= 0.28m。,塔板间距和塔径的经验关

8、系（化原下册P129）,说明：工业塔中，板间距范围200900 mm,两相流动参数FLV=,则液泛气速：,20,对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV),C20 ： =20 dyn/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）,21,取操作气速u =（0.6-0.8）uf=0.75uf =0.893 m/s

9、则气体流通面积 An= VS / u =0.457 m2,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 A f /AT = 0.088 Af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,22,由此重新计算： A T =0.785D2 =0.5024 m2 A f = 0.088AT =0.0442 m2 A n= A

10、T - Af =0.4582 m2 u = VS /An =0.89 m/s 实际泛点百分率： u /u f 100%=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。,23,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，P150,24,液流型式选取参考表,25, 降液管形式

11、和底隙 降液管：弓形、圆形。 降液管截面积：由Af /AT = 0.06 0.12 确定； 底隙 h0：通常在 40 60 mm。,26, 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。,27,采用弓形降液管，平直堰及平型受液盘，l w =0.7D=0.56 m 堰上液层高度 堰高 h w =h L - h o w =0.06238 m 液管底隙高度 h o =h w -0.006=0.05638 m,要求：,注：将算出的结果标在溢流装置图上,28,一般取安定区宽度 WS =（50-100）mm 一般取边缘区宽度 WC =（30-

12、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,29,取筛孔直径d o =（38）mm，孔径比t/d0 = 3.5 由l w /D = 0.7，查化工原理（下册）P127图10-40 得 Wd /D=0.15， 则 Wd = 0.15D=0.12 m x = D/2 - (Wd + Ws )= 0.21 m r = D/2 - Wc =0.36 m,鼓泡区面积：,开孔率 = A0 /A a = 0.907 (d0/t)2 = 0.074 筛孔面积 A 0 = Aa

13、= 0.021 m2 筛孔气速 u 0 =VS / A 0 =19.43 m/s 筛孔数目 n = 4 A 0 / d02 =1672个, 有效传质区,30,4.4 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, P151-153,31,查得 孔流系数C0=0.75，则,取板厚 = 3 mm，,化工原理课程设计P112，图3-14,32,（b）液层阻力

14、 hl,查图得充气系数=0.58,于是：,化工原理课程设计P112，图3-15,33,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：,34,（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

15、.0470.1。,ev的计算方法：,（化原下册P132图10-47）,35,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： ev 0.1 kg 液体 / kg气体,36,（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：0.5h0,37,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 H d / =

16、0.34 (HT +hw) = 0.41,38,（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。,39,（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,40,4.5 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

17、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。,41,42,（1）漏液线（气相负荷下限线）,(,第一点：L h = L S （ 0.000684）3600 = 2.46 m3/h V h = A0 u ow3600 = 491.4 m3/h 第二点：取L h = 10 m3/h，同样可以计算得到： u ow = 7.5 m/s， 则V h = A0 u ow3600 = 567 m3/h,43,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。,44,（2）过量液沫夹带线（气相负荷

18、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 u n = 0.88uf = 0.881.19 = 1.05 m/s 于是相应的气液流量为： V h = u n A n3600 = 1732.0 m3/h L h = (L S /V S) V h =2.4 m3/h,规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。,45,(,第二点取液气质量比L SL /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-h L)

19、查图得C20 = 0.053 则液泛气速 于是 V h = u n A n3600 = 1593.4 m3/h L h = 2V h L/V = 9.8 m3/h,46,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。,47,（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。,48,（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

20、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。,49,（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 L h = 10 m3/h L h, max 则 h f = 0.153 (LS /l w h 0)2 =0.0012 m h l = (h w + h ow ) = 0.0532 m 于是液泛时的干板压降为 h d = (H T + h w

21、 ) - (h w + h ow + h f + h l) = 0.132 m 则孔速为 于是相应的气相流量V h = u 0A03600 = 1645.1 m3 /h,50,第二点取L h = 25 m3 /h L h,max 同样计算得：h ow = 0.0357 m h f = 0.0074 m hl = 0.0638 m 于是 h d = 0.0988 m 则孔速u 0= 18.83 m/s 于是相应的气相流量V h = u 0A03600 = 1423.2 m3 /h,塔的操作弹性为：,51,液 泛现象,52,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

22、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,53,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）,54,人孔,

23、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。,55,塔高,H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HB n实际塔板数； nF进料板数 HF进料板处板间距，m nP人孔数 Hp人孔处的板间距，m HD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。,56,（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0.20.5 m/s；若用泵输送回流液，流速uR可取11.5 m/s。,57,（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。,58,（5）再沸