化工原理課程設(shè)計(jì)

1、 南京工業(yè)大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 常 壓 二 元 篩 板 精 餾 塔 的 設(shè) 計(jì) 學(xué)生姓名 張世超 班級(jí)、學(xué)號(hào) 1301.32 指導(dǎo)教師姓名 管國(guó)鋒 課程設(shè)計(jì)時(shí)間2015年6月11日-2015年6月24 日 課程設(shè)計(jì)成績(jī)百分制 權(quán)重設(shè)計(jì)說(shuō)明書、計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，70%獨(dú)立工作能力、綜合能力、設(shè)計(jì)過(guò)程表現(xiàn)、設(shè)計(jì)答辯及回答問(wèn)題情況，30%設(shè)計(jì)最終成績(jī)（五級(jí)分制）指導(dǎo)教師簽字 化學(xué)化工學(xué)院課程名稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 常 壓 二 元 篩 板 精 餾 塔 的 設(shè) 計(jì) 學(xué)生姓名 張世超 專業(yè) 材料科學(xué)與工程 班級(jí)學(xué)號(hào) 4201130132 設(shè)計(jì)日期 2015 年 6 月 11 日至 2

2、015年 6月 24日設(shè)計(jì)條件及任務(wù)：設(shè)計(jì)體系：乙醇水設(shè)計(jì)條件： 1.進(jìn)料：F=220kmol/h，q=1(泡點(diǎn)進(jìn)料)，Xf=0.25；  2.壓力：p頂=4KPa，單板壓降0.7KPa；  3.采用間接蒸汽加熱，塔頂冷凝水采用12深井水； 4.要求：XD=0.88 XW=0.01；5.選定R/Rmin=1.6。 指導(dǎo)教師 管國(guó)鋒 2015年6月11日 摘要化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)各種手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫

3、出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。板式精餾塔也是很早出現(xiàn)的一種板式塔，20世紀(jì)50年代起對(duì)板式精餾塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設(shè)計(jì)方法。與泡罩塔相比，板式精餾塔具有下列優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔盤造價(jià)減少40%左右，安裝，維修都較容易。而在板式精餾塔中，篩板塔有結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右，處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮更符合本設(shè)計(jì)的要求。本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是過(guò)程的物料衡算，工藝計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。關(guān)鍵

4、詞：板式精餾塔 篩板 計(jì)算 校核目    錄    一、 概述二、 板式精餾塔的工藝計(jì)算2.1 氣液平衡數(shù)據(jù)2.2 物料衡算2.3 操作線及塔板計(jì)算三、 板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 塔徑計(jì)算3.2 塔高計(jì)算3.3 塔板設(shè)計(jì)3.4 塔板校核3.5 負(fù)荷性能圖四、 篩板塔資料匯總4.1全塔數(shù)據(jù)4.2精餾段和提餾段的數(shù)據(jù)五、 討論與優(yōu)化5.1討論5.2優(yōu)化六、 輔助設(shè)備選型6.1換熱器6.2泵一、 概述1.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、

5、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： （1）氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 （2） 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 （3） 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過(guò)大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 （4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 （5）

6、耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 （6）塔內(nèi)的滯留量要小。實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。1.2板式塔類型 氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其它分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書將只介紹板式塔。 板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸組件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔

7、(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計(jì)。1.2.1篩板塔篩板塔也是傳質(zhì)過(guò)程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： () 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30

8、左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： () 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 （2） 操作彈性較小(約23)。（3）小孔篩板容易堵塞。1.2.2浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開(kāi)孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過(guò)程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百

9、塊。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： （1） 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加2040，而接近于篩板塔。 （2） 操作彈性大，一般約為59，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。 （3） 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 （4） 壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為400660N/m2。 （5） 液面梯度小。 （6） 使用周期長(zhǎng)。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。（7） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的6080,為篩板塔的120130。本書雖未包括其它塔板的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，但其設(shè)計(jì)的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體條件進(jìn)行板

10、塔的選型，而不限于選用上述兩種塔板。1.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行： （1） 設(shè)計(jì)方案確定和說(shuō)明。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 （2）蒸餾塔的工藝計(jì)算，確定塔高和塔徑。 （3）塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 （4）管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型，如換熱器、泵。（5）抄寫說(shuō)明書。（6） 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。二、 板式精餾塔的工藝計(jì)算2.1汽液平衡數(shù)據(jù)（760mm Hg） X-Y相圖2.2物料衡算已知：1.進(jìn)料：F=220kmol

11、/h，q=1.08(泡點(diǎn)進(jìn)料)，Xf=0.25；  2.壓力：p頂=4KPa，單板壓降0.7KPa；  3.采用直接蒸汽加熱，塔頂冷凝水采用12深井水； 4.要求：XD=0.88 XW=0.01；5.選定R/Rmin=1.6。 D=(Xf-Xw)/(XD-Xw)×F=(0.25-0.01)/(0.88-0.01)×220=60.69kmol/h W=F-D=220-60.69=159.31 kmol/hq線方程：作q線與平衡線交點(diǎn)得：Xe=0.27，Ye=0.56。Rmin=(XD-Ye)/(Ye-Xe)=(0.88-0.56)/(0

12、.56-0.27)=1.1，R=1.6Rmin=1.76。L=RD=1.76×60.69=106.81kmol/h V=(R+1)D=(1.76+1)×60.69=167.5kmol/h L'=L+qF=106.81+1.08×220=344.41kmol/h V'=V-(1-q)F=167.5-(1.08-1)×220=149.9kmol/h2.3操作線及塔板計(jì)算1.精餾段操作線:y=R/(R+1)X+XD/(R+1)=0.6377X+0.3188  2.提餾段操作線:y=(L'/V')X-(W/V')

13、Xw=2.2976X-0.0106  3.理論塔板的計(jì)算：利用吉利蘭快速估值法求理論版數(shù)。,其中：，根據(jù)圖取得的各個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算出全塔的相對(duì)平均揮發(fā)度: 。則Nmin=5.53,由查吉利蘭關(guān)聯(lián)圖可以得0.67。則理論板數(shù)N=18.8。因?yàn)榻o定板效率為0.52，所以實(shí)際板數(shù)N=18.8/0.52=36.15，圓整為37塊塔板。三、板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1塔徑計(jì)算全塔的平均溫度：查得平均溫度下：查得平均溫度下：液體平均表面張力：塔的液相平均密度：塔的蒸汽平均密度：塔的平均蒸汽摩爾流量:塔的平均蒸汽體積流量:塔的平均液相摩爾流量:塔的平均液相體積流量:兩相流動(dòng)參數(shù)：設(shè)塔間距HT=0.4

14、5m,根據(jù)史密斯關(guān)聯(lián)圖，可以查得C20=0.098。最大空塔氣速umax可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：，這里取0.8，u=1.784m/s。所以，初步估算塔徑為：圓整為0.9m。 塔徑D=0.5m,重新計(jì)算氣速： 泛點(diǎn)率：符合要求。塔徑可取0.9m。3.2塔高計(jì)算塔高：HD塔頂空間，m；Hw塔底空間，m；HT塔板間距，m；HT開(kāi)有人孔的塔板間距，m； Np實(shí)際塔板數(shù)；S人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。3.2.1塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，通常取HD為（ 1.52.0）HT。這里取HD =2HT =

15、0.9m。3.2.2塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值視具體情況而定：當(dāng)進(jìn)料有15分鐘緩沖時(shí)間的容量時(shí)，塔底產(chǎn)品的停留時(shí)間可取35分鐘，否則需有1015分鐘的儲(chǔ)量，以保證塔底料液不致流空。塔底產(chǎn)品量大時(shí)，塔底容量可取小些，停留時(shí)間可取35分鐘；對(duì)易結(jié)焦的物料，停留時(shí)間應(yīng)短些，一般取11.5分鐘。這里取5分鐘的保留量。計(jì)算得液體的體積為：，除以塔的截面積得到塔底空間：3.3.3人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對(duì)于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔810塊塔板設(shè)置一個(gè)人孔；對(duì)于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔46塊塔板開(kāi)一個(gè)人孔。人孔直徑通常為450mm。這里設(shè)置人孔數(shù)目S=4

16、，HT =0.45m。所以塔高：。3.3塔板設(shè)計(jì)1.流動(dòng)型式: 選取單流型弓形降液管塔板。2.堰的計(jì)算: 堰長(zhǎng)取Lw=0.6D=0.6×0.9=0.54 m, 堰高h(yuǎn)w=0.04m堰上清液高:清液層高度：3.塔板的布置：入口安定區(qū)和出口安定區(qū)：bs=bs=0.05m,邊緣區(qū)bc=0.05m。選取碳鋼為篩板的材料，板厚=4m，孔徑do=6mm，取孔中心距t=15mm，t/do=2.5。因?yàn)?，查弓形降液管的參?shù)圖可得。弓形降液管寬度，截面積。開(kāi)孔區(qū)面積：開(kāi)孔率：篩孔數(shù)：篩孔氣速：bcbdbslWrx3.4塔板校核3.4.1液沫夾帶量校核氣體通過(guò)有效截面的面積的速率：則板上鼓泡層高度：利用Hunt經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算單位質(zhì)量氣體所夾帶的液體質(zhì)量： <0.1kg液體/k氣體，不產(chǎn)生過(guò)量液沫夾帶，合格。3.4.2塔板阻力的計(jì)算和校核清液柱高度表示：塔板阻力包括 以下幾部分:（1）干板阻力氣體通過(guò)板上孔的阻力（設(shè)無(wú)液體時(shí)）；查干篩孔流量系數(shù)圖得。；（2）液層阻力氣體通過(guò)液層阻力；查充氣系數(shù)與Fa關(guān)聯(lián)圖表得=0.56（3）克服液體表面張力阻力孔口處表面張力。；氣體通過(guò)每層塔板的壓降為：小于設(shè)計(jì)允許值0.7kPa，合格。3.4.3降液管液泛校核為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛降液管內(nèi)液層高：；其中乙醇