1、化工原理課程設(shè)計 -板式精餾塔的設(shè)計 姓名 單素民 班級 1114071 學號 111407102 指導老師 劉麗華 河南城建學院 序言 化工原理課程設(shè)計是綜合運用化工原理課程和有關(guān)先修課程物 理化學，化工制圖等）所學知識，完成一個單元設(shè)備設(shè)計為主的一次 性實踐教案，是理論聯(lián)系實際的橋梁，在整個教案中起著培養(yǎng)學生能力的重 要作用。通過課程設(shè)計，要求更加熟悉工程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握化工單元 操作設(shè)計的主要程序及方法，鍛煉和提高學生綜合運用理論知識和技能的能 力，問題分析能力，思考問題能力，計算能力等。 精餾是分離液體混合物 含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作， 在化工，煉油，石油化工等工

2、業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量劑驅(qū)動下 有時加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組 分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向 液相轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾 操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾 等特殊方法進行分離。本設(shè)計的題目是苯 - 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計，即需 設(shè)計一個精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方 式，需設(shè)計一板式塔將其分離。 目錄 一、 化工原理課程設(shè)計任書 3 二、設(shè)計計算 3 1. 設(shè)計方案的確定3 2. 精餾塔的物料衡算3 3. 塔板

3、數(shù)的確定4 4. 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 8 5. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算10 6. 塔板主要工藝尺寸的計算11 7. 篩板的流體力學驗算 13 8. 塔板負荷性能圖 15 9. 接管尺寸確定 30 二、個人總結(jié) 32 三、參考書目 33 一）化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 板式精餾塔設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目： 設(shè)計分離苯甲苯連續(xù)精餾篩板塔 二、設(shè)計任務(wù)及操作條件 1、設(shè)計任務(wù)： 物料處理量： 7 萬噸年 進料組成 ： 37 苯，苯- 甲苯常溫混合溶液 95% 塔底產(chǎn)品組成苯 6% 2、操作條件 平均操作壓力 ： 101.3 kPa 平均操作溫度：94C 回流比： 自 選 單板壓降： =0

4、.9 kPa 工時： 年開工時數(shù) 7200 小時化工原理課程設(shè)計 三、設(shè)計方法和步驟： 1、設(shè)計方案簡介 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所提供的條件和要求，通過對現(xiàn)有資料的分析對比，選 定適宜的流程方案和設(shè)備類型，初步確定工藝流程。對選定的工藝流程，主要 設(shè)備的形式進行簡要的論述。 2、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計計算 1 ）收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2 ）工藝流程的選擇 3 ）做全塔的物料衡算 4 ）確定操作條件 5 ）確定回流比 6 ）理論板數(shù)與實際板數(shù) 7 ）確定冷凝器與再沸器的熱負荷 8 ）初估冷凝器與再沸器的傳熱面積 9 ）塔徑計算及板間距確定 10 ）堰及降液管的設(shè)計 11 ）塔板布置及篩板塔的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 12 ）

5、塔的水力學計算 13 ）塔板的負荷性能圖 14）塔盤結(jié)構(gòu) 15）塔高 16）精餾塔接管尺寸計算 3、典型輔助設(shè)備選型與計算 略） 包括典型輔助設(shè)備 換熱器及流體輸送機械）的主要工藝尺寸計算和設(shè)備型 號規(guī)格的選定。 4、設(shè)計結(jié)果匯總 5、工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖 6、設(shè)計評述 四、參考資料 化工原理課程設(shè)計天津大學化工原理教研室，柴誠敬 劉國維 李阿娜 編； 化工原理 第三版）化學工業(yè)出版社，譚天恩 竇梅 周明華 等編； 化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊化學工業(yè)出版社，賀匡國編； 化學工程手冊上卷 化學工業(yè)出版社，化工部第六設(shè)計院編； 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計 華東理工出版社。 、設(shè)計計算 1. 設(shè)

6、計方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 本設(shè)計任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓 下操作。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進 料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝 器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送 至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比 的 2 倍。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。其 中由于蒸餾過程的原理是多次進行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷 凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次 設(shè)計中設(shè)

7、計把其熱量作為低溫熱源產(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預熱器的熱源之一， 充分利用了能量。 塔板的類型為篩板塔精餾，篩板塔塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑 一般為38mm篩孔在塔板上作正三角形排列。篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔 設(shè)備，它的主要優(yōu)點有： (1 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60%，為浮閥塔的 80左右。 (2 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 1015%。 (3 塔板效率咼，比泡罩塔咼15%左右。 (4 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30%左右。 篩板塔的缺點是： (1 塔板安裝的水平度要求較咼，否則氣液接觸不勻。 (2 操作彈性較小 (約 2 3。 (3 小孔篩板容易堵塞。

8、 下圖是板式塔的簡略圖 Vn-1 年-W 進料 降液1 E膽g式 t 干 L1 加熱水蒸汽 工程 苯A 甲苯B 溫度 土 ,kPa ,kPa 表1 苯和甲苯的物理性質(zhì) 臨界溫度 臨界壓強 分子式 分子量M 沸點c) tcC) FCkPa) C6f 78.11 80.1 288.5 6833.4 C6H5 CH 92.13 110.6 318.57 4107.7 表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓 80.1 85 9095 100 105 110.6 101.33 116.9 135.5155.7 179.2 204.2 240.0 40.0 46.0 54.063.3 74.3 86.0 表3常溫下苯

9、一甲苯氣液平衡數(shù)據(jù) 溫度 80 90 100 110 120 苯，mN/m 21.2 20 18.8 17.5 16.2 甲苯，Mn/m 21.7 20.6 19.5 18.4 17.3 表5組分的液相密度 （1:匚附錄圖8 溫度（C 80 90 100 110 120 苯,kg/ 814 805 791 778 763 甲苯,kg/ 809 801 791 780 768 表6液體粘度 卩 80 90 100 110 120 苯 mP .s ) 0.308 0.279 0.255 0.233 0.215 甲苯 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的 摩 爾質(zhì)量 = 78JUg/W 甲苯的摩爾

10、質(zhì)量 B = 92. Big/kmolr :II 3 原 料 ) 處 物 理 量 料衡 算 1 總 物 料 衡 算 算 121.54=D + W 苯 物料 衡 算 121.54 X 0.409=0.957D+ 0.070 W 聯(lián) 立 解 得 D =42.99kmol / h W=69.55 kmol/h 式中F- -原料液流量 D 塔頂產(chǎn)品量 W- 塔底產(chǎn)品量 3 塔板 數(shù) 的確 疋 1 ) 理論板 層數(shù) NT的求 取 苯一甲 苯屬理想物系， 可采用圖 解法求理論板層 數(shù)。 由手冊查得苯一甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出 xy圖，見下圖 2 ) 原料液及塔頂 塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 0.95 0.

11、9 065 08 075 3.7 065 o.e 0.55 0.5 045 0.4 0.35 0.3 025 Ci.2 0.15 0.951 7 -: 一 L / X / 7 1 / / 、 JF / 7 / / r X 0 0.05 01 0.15 02 0.25 0.3 0l3S 04 a45 0.5 0.55 0l/ 求 最 小 回 流 采用作圖法求最小回流比。在上圖中對角線上，自點ev0.409,0.409 ）作垂線 ef 即為進料線（q 線 ，該線與平衡線的交點坐標為 r=0.567,I=0.346 故 最 小 回 流 取操作回流比為 求 精 餾 塔 的 1_k 液 相 負 荷 W

12、_ （泡點進料：q=1 求操作線方程 精餾段操作線方程為 提餾段操作線方程為 2）逐板法求理論板 =2.475 可解得 相平衡方程 三=0.957 =0.901 0.696 因為 v精餾段理論板n=5 所以提留段理論板 n=4 全塔效率的計算 查表得各組分黏度=0.269,=0.277) 捷算法求理論板數(shù) 由公式 由 代入 L 精餾段實際板層數(shù)55/0.52=9.610, 提餾段實際板層數(shù)= 4/0.52=7.698 進料板在第11塊板 4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 1)操作壓力計算 塔頂操作壓力也=93.2 kPa 塔底操作壓力=109.4 kPa 每層塔板壓降 P= 0.9 kP

13、a 進料板壓力也=93.2 + 0.9 X 10= 102.2kPa 精餾段平均壓力 P m = 93.2 + 102.2)/ 2 = 97.7 kPa 提餾段平均壓力 P m =109.4+102.2 ) /2 =105.8 kPa 2)操作溫度計算 依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和 蒸氣壓由 安托尼方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下： 塔頂溫度=82.7 C 進料板溫度=94.2 C 塔底溫度 =105.1 T 精餾段平均溫度= 82.7 + 94.2 ) /2 = 88.5 C 提餾段平均溫度=94.2+105.1) /2 =997C 3)平均摩爾質(zhì)量

14、計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算 由xD=1=0.957，代入相平衡方程得 x1=0.901一 進料板平均摩爾質(zhì)量計算 由上面理論板的算法，得=0.622，二 0.399 塔底平均摩爾質(zhì)量計算 由xw=0.070,由相平衡方程，得yw=0.157 精餾段平均摩爾質(zhì)量 提餾段平均摩爾質(zhì)量 液體 平 均 表 面 張 力 計 算 液 相平均 表 面 張 力 依 下 式 :計算 即 % 塔 頂液相 平 均 表 面 張 力的 計 算 算 由 tD 82.7 C 查 手 冊 得 CT A=20.94mN/m CT B=21.39 mN/m CT LDm=0.957 X 20.94+(1-0.957 X 21.3

15、9=20.98 mN/m 進 料 板液 相 平 均 表 面 張 力的 計 算 算 由 tF= 94.2C 查 手 冊 得 CT A=19.36 m N/m CT B=20.21m N/m (T LFm=0.409X 19.36+0.591 : X 20.21=19.86 mN/m 塔 底液相 平 均 表 面 張 力的 計 算 算 由 tD 105.1 C 查 手 冊 得 CT A=19.10 mN/m CT B=19.48 mN/m CT Lwm=0.07 X 19.10+(1-0.07 X 19.48=19.45mN/m 精 餾段 液相 平 均 表 面 張 力 為 (T Lm=20.98+1

16、9.86) /2=20.42 mN/m 提 餾段 液相 平 均 表 面 張 力 為 CT Lm= 液 體 平 均 粘 度 計 算 液 相平均粘 度 依下 計 算 即 lg 11 Lm= Xi i lg 1 i 塔 頂液 相 平 均 粘 度 的 計 算 由 tD= 82.7 C 查 手 冊 得 A=0.300 mPa s 1 B=0.304 mPa s lg 1LDm=0.957 X lg(0.300+ (1-0.95 X lg(0.304 解 出 1 LDm=0.300 mPa s 進 料板 液相 平 均 粘 度 的 計 算 算 由 tF= 94.2 C 查 手 冊 得 11 A=0.269m

17、Pa s1B=0.277 mPa s lg 1LFm=0.409 X lg(0.269+(1-0.409 X lg(0.277 解出 1 LFm=0.274 mPa- s 塔 底液相 平均粘度 的 計算 由 tw=105.1 C,查 手 冊得 A=0.244mPa s1B=0.213 mPa s lg 1Lwm=0.07 X lg(0.244+(1-0.07 X lg(0.213 解出 1 Lwm=0.215 mPa s 精 餾段液 相平均 粘 度為 1 Lm=(0.300+0.27/2=0.287 mPa s 提 餾段液 相平均 粘 度為 卩Lm=(0.300+0.215/2=0.258 m

18、Pa s 7) 氣液負荷計算 精餾段： 到 提餾段: 5 精餾 塔 的塔 體工藝 (1塔徑的計算 尺寸計算 塔板間距HT的選定很重要，它與塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、塔的操作彈性, 以及塔的安裝、檢修等都有關(guān)?？蓞⒄障卤硭窘?jīng)驗關(guān)系選取。 表7板間距與塔徑關(guān)系 塔徑 Dr, m 0.3 0.5 0.5 0.8 0.8 1.6 1.6 2.4 2.4 4.0 板間距HT, mm 對精餾段： 初選板間距 200300 250350 300450 350600 400 600 ，取板上液層高度 查教材 P131圖得C2o=0.071 ;依式 校正物系表面張力為時 可取安全系數(shù)為0.8，則 安全系

19、數(shù)0.6 0.8）， 按標準,塔徑圓整為1.6m,則空塔氣速0.820m/s。 對提餾段： 初選板間距 1，取板上液層高度 查2 二圖 38 得 00=0.106 ;依式 校正物系表面張力為時 可取安全系數(shù)為0.8，則 安全系數(shù)0.6 0.8）， 按標準，塔徑圓整為1.2m,則空塔氣速0.820m/s。 將精餾段和提溜段相比較可以知道二者的塔徑不一致，根據(jù)塔徑的選擇規(guī)定，對于相差 不大的二塔徑取二者中較大的，因此在設(shè)計塔的時候塔徑取1.6m 6塔板主要工藝尺寸的計算 （1溢流裝置計算 因塔徑D= 1.6m，可選用單溢流弓形降液管，采用平行受液盤。對精餾段各項 計算如下： a溢流堰長：單溢流去l

20、w=0.60.8 ） D,取堰長幵為0.66D=0.66 x 1.6=1.056m b出口堰高： 查2:丨圖3 11,知E=1.042,依式 c降液管的寬度 回與降液管的面積： 查 2 :I 圖 313）得 利用（2 :I式3 10計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積, 大于5s，符合要求） d降液管底隙高度：取液體通過降液管底隙的流速 I ： e受液盤 采用平行形受液盤，不設(shè)進堰口，深度為60mm 同理可以算出提溜段 a溢流堰長：單溢流去lw=0.60.8 ） D,取堰長幵為0.66D=0.8 x 1.6=1.056m b出口堰高：1 可得 故 c降液管的寬度 回與降液管的面積： 由

21、I 查 2 :I 圖 313 ）得I 利用（2 :I式3 10計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積, 大于5s，符合要求） d降液管底隙高度：取液體通過降液管底隙的流速 0.07-0.25 ） 查2: 1 圖 3 11,知 E=1.02,依式” X Jj 由卄I 依（2:同式 311：y I符合 ） （2塔板布置 精 餾 段 塔 板 的 分 塊 因D800mm故塔板采用分塊式。查表 3-7得，塔極分為4塊。對精餾 段： a取邊緣區(qū)寬度W=0.05m（3050mm,安定區(qū)寬度II , 當 D 1.5m 時, Ws=60 75mm b依（2:丨式 318： 計算開空區(qū)面積 c篩孔數(shù)與開孔率F

22、 :取篩空的孔徑“|為，正三角形排列，一般碳的板厚為亠 取丨 故孔中心距I 在 515范圍內(nèi)） 則每層板上的開孔面積為 氣體通過篩孔的氣速為 提餾段： a取邊緣區(qū)寬度 W=0.05m（3050mm,安定區(qū)寬度 依（2:丨式 318: 計算開空區(qū)面積 c篩孔數(shù) 與開孔率：取篩空的孔徑為，正三角形排列, 般碳的板厚為 Lrl 故孔中心距I 篩孔數(shù)|個，則 0.001 0.002 0.03 0.004 3 Vs /(m /s 0.69 0.72 0.74 0.76 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線 (2霧沫夾帶線 以ev = 0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下: 5.7x10 聯(lián)立以上幾式，整理

23、得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-20 表 3-20 Ls /(m 3/s 0.001 0.002 0.003 0.004 3 Vs /(m /s 13.11 11.84 9.45 8.88 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線 2。 (3液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度 hO辟0.006m作為最小液體負荷標準。由式 3-21 得_ 匸 _|據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān) 的垂直液相負荷下限線3。 (4液相負荷上限線 以9 = 4s作為液體在降液管中停留時間的下限 據(jù)此可作出與氣體流量元關(guān)的垂直液相負荷上限線0.0474 (5液泛線 令工一 Cl F Ki =

24、肌 由-2+【J . - j - + 工丄一丄 聯(lián)立得 忽略h c,將hOW與 Ls, hd與Ls, hc與Vs的關(guān)系式代人上式，并整理得 式中: 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-22 表 3-22 Ls /(m 3/s 0.001 0.002 0.03 0.004 3 Vs /(m /s 3.26 3.18 3.11 3.04 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線 5。 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖所示 圖3-23精餾段篩板負荷性能圖 在負荷性能圖上，作出操作點P，連接OR即作出操作線。由圖可看出，該篩 板的操作上限為液泛

25、控制，下限為漏液控制。由上圖查得 33 VS,max=1.064 m /s Vs,min=0.324 m /s 故操作彈性為 Vs,max / Vs,min=3.381 所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于表3-23。 提餾段 (1漏液線 由迪胡牛佩胡也卿喬顧石碩戶氐麗，面珂匕 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出 Vs值，計算結(jié)果列于表3-19 表 3-19 s /(m 3/s 0.001 0.002 0.003 0.004 3 Vs /(m /s 0.36 0.38 0.39 0.40 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線。 (2液沫夾帶線 以ev = 0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下: 由

26、-JI 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-20 表 3-20 s /(m 3/s 0.001 0.002 0.003 0.004 3 Vs /(m /s 1.77 1 . 66 1.57 1.49 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線 2。 (3液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度 hO辟0.006m作為最小液體負荷標準。由式3-21 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的 垂直液相負荷下限線3。 (4液相負荷上限線 以9 = 4s作為液體在降液管中停留時間的下限 據(jù)此可作出與氣體流量元關(guān)的垂直液相負荷上限線0.0474。 (5液泛線 =肌 由-2 . +【 J. - J

27、- + 丄一亠 聯(lián)立得: J + _冷 忽略h c，將hOW與 Ls，hd與Ls，hc與Vs的關(guān)系式代人上式，并整理得 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-22 表 3-22 Ls /(m 3/s 0.001 0.002 0.003 0.004 3 Vs /(m /s 5.93 5.67 5.43 5.13 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線 5。 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖所示 所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于表。 設(shè)計結(jié)果覽表 工程 符號 單位 計算數(shù)據(jù) 提留段 精餾段 各段平均壓強 Pm kPa 97.7 109.4 各段平

28、均溫度 tm C 88.5 99.7 氣相 VS m*/s 1.606 1.37 平均流量 3 液相 Ls m/s 0.0037 0.0075 實際塔板數(shù) N 塊 10 8 板間距 HT m 0.40 0.40 塔的有效高度 Z m 4.0 3.2 塔徑 D m 1.6 1.6 空塔氣速 u m/s 0.820 0.651 塔板液流形式 單流型 單流型 溢流管型式 弓形 弓形 堰長 l w m 1.056 1.056 堰咼 hw m 0.043 0.034 溢流堰寬度 W m 0.124 0.243 管底與受業(yè)盤 ho m 0.0355 0.0292 距離 板上清液層咼度 hL m 0.06

29、0.06 孔徑 do mm 5.0 5.0 孔間距 t mm 15.0 15.0 孔數(shù) n 個 7551 5729 開孔面積 2 m 1.467 1.113 篩孔氣速 Uo m/s 10.85 12.19 塔板壓降 hp kPa 0.593 0.421 液體在降液管中停留時間 T s 10.45 14.94 降液管內(nèi)清液層高度 Hd m 0.246 0.124 霧沫夾帶 ev kg液/kg氣 0.0005748 0.0074 負荷上限 霧沫夾帶控 霧沫夾帶控制 制 負荷下限 漏液控制 漏液控制 氣相取大負何 Vs max m?s 氣相最小負荷 Vs min m?s 操作彈性 9.各接管尺寸的確定 1進料管 進料體積流量 取適宜的輸送速度一，故 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（YB231-64，規(guī)格: 實際管內(nèi)流速: 2釜殘液出料管 釜殘液的體積流量: 1_1 取適宜的輸送速度 匸三0，貝U 丨X I 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（YB231-64，規(guī)格： I 實際管內(nèi)流速： 3回流液管 回流液體積流量 利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（YB231-64，規(guī)格: 實際管內(nèi)流速: 4塔頂上升蒸汽管 塔頂上升蒸汽的體積流量: 取適宜速度I ，那么 經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管（YB231-64，規(guī)格: 實際管