精馏塔课程设计.

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1、1 化工工艺与设备课程设计 精馏塔设计 2 第一部分 前言 一、课程设计的目的 运用已经学过的各门课程的知识，特别是化工原理 进行化工单元设备中常见设备精馏塔的设计，达到以下 几方面目的。 v培养学生综合运用所学知识、查阅化工资料获取有关 知识和数据、进行化工设备初步设计的能力。 v培养学生独立工作及发现问题、分析问题、解决问题 的综合能力。 v提高计算能力、培养工程实际观念。 v深入了解化工设备的内部结构，掌握板式精馏塔的各 主要部件的结构及作用。 v培养学生认真的学风和工作作风。 3 二、课程设计的任务 1. 已知条件 分离对象： 乙醇和水混合物分离； 处 理 量：（ ：XXXX吨/年，

2、XXXX=（学号后三位*1000） 如： 学号110130085，处理量为8.5万吨/年 原料组成：（例如：乙醇45%（体积） 进料状态：（泡点） 产品要求：（例如：塔顶产品 含乙醇93%；回 收率99%) 塔顶压力： （1. 03 atm（绝对压强） 4 2. 设计任务 工艺设计 产品组成：xD,xW（通过物料衡算） 操作条件：TD,PD,TW,PW 回流比：最小回流比，Rm；操作回流比，R 塔板数：提馏段板数；精馏段板数 塔径：D 热负荷：冷凝器和再沸器热负荷 （2） 塔板设计：填料塔，筛板塔，浮阀塔，泡罩塔各班随 机抽选（或自主分配，班与班之间不许重复） （3） 塔板设计：溢流装置；塔板

3、布置；流体力学校核。 （4） 辅助设备选用： 冷凝器的选用与校核、再沸器的选用。 5 3. 需要上交的材料 设计说明书，主要包括： 和设计工艺说明书 设计说明书，按学校毕业设计格式要求： 含以下内容： 工艺设计（物料和能量计算）， 塔板设计， 塔 的辅助设备选用， 计算结果汇总表， 结果与讨论 (2)带控制点的工艺流程（A2） (3)计算草稿 6 三、日程安排 2014年9月1日10月17日共六周. 10月17日交说明书， 其中： 熟悉流程，查阅文献（第一周） 工艺计算（第二周） 塔板设计：（第三周） 附属设备选用：（第四周） 绘图：（第五周） 整理说明书(第六周) 注意：时间很充裕，可能不按

4、此时间进度要求，提前完成 早完成早自由 7 四、课程设计过程注意问题 v认真阅读教材，草拟进度表，拟定设计的方法和步骤。 v计算过程中要随时复核计算结果的正确性，做到有错即改， 避免大的返工。 v要求来教室进行设计，每天签到与检查进度。 8 五、参考资料 No题题 名责责任者出版社 1冷换设备换设备 工艺计艺计 算手册刘巍等石油化工 2石油加工单单元过过程原理上沈复等石油化工 3石油加工单单元过过程原理下沈复等石油化工 4化工原理课课程设计设计刘雪暖石油大学 5化工原理课课程设计设计裴世红红大连连理工 6 化工原理课课程设计设计 ： 化工传递传递 与单单元操作课课程设计设计 贾绍义贾绍义天津大

5、学 7常用化工单单元设备设计设备设计李功样样华华南理工 8石油炼炼制图图表计计算机处处理方法金桂三石油化工 9传热传热 学杨杨世铭铭高等教育 9 第二部分 工艺计算设计要点 v物料衡算 v塔顶和塔底温度和压力的确定 v冷凝器及再沸器热负荷的确定 v关于混合物物性参数的计算 v关于回流比的选择 v全塔效率的计算 v部分物性数据 10 一、物料平衡 二、塔顶压力、温度的确定 1、回流罐凝液温度的初步确定 回流罐冷凝液的温度，即塔顶产品温度 ，由冷却介质的温度决定，当用水作为冷却 介质时（水温：2530），凝液温度可取 4050 ，保证冷凝器要有1020 温度的 传热温差。但要注意水的出口不高于50

6、。 1. 目的：计算塔顶、塔底产品组成和产品量。 2. 方法：对于两组分精馏，根据塔顶、塔底产品浓度要求，通 过物料平衡计算即可求出塔顶、塔底产品组成。对于多组份体 系，先假定清晰分割。再进行物料平衡计算(注：浓度或组成 有效数字位数，一般取小数点后4位)。 11 回流比的确定 原则：先确定Rmin，再根据各种经济因素确定适宜的R 。 绘图法，或逐板计算法 2、求理论板数的简捷法 12 若轻、重关键组分为相邻组分，仅有一个 和 Rmin 值； 若在轻、重关键组分之间还有 k 个其它组分，则 有 k+1 个 和 Rmin值，可取其平均值作为设计时的最小回流比。 应用恩德伍德公式的条件： (1)

7、塔内汽、液相为恒摩尔流； (2) 各组分的相对挥发度为常数。 方法：将多组分精馏过程简化为轻、重关键组分的双组分精 馏过程，其计算过程与双组分精馏基本相同。 基本关系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利兰关联图 (P284)。 理论板数的简捷计算法： 13 2、回流罐压力的初步计算 用泡点方程计算回流罐的压力。 常压或减压时： 用Antonine(安托因)方程计算 3、回流罐压力的确定 （1）计算值大于101.3kPa时，采用加压操作。 （2）计算值小于101.3kPa时，采用常压或减压操作。 4、塔顶压力的确定。 回流罐的压力加上管线阻力即为塔顶压力。管线阻力可 取0.1-0.2 atm，减压

8、塔可取25 mmHg左右。 14 5、塔顶温度的确定 在塔顶压力下计算塔顶产品的露点温度即为塔顶温度。 6、塔底压力的确定 塔底压力等于塔顶压力加上全塔压降。 常、加压塔的每板压降可取：3-6mmHg； 减压塔的每板压降可取： 2-3mmHg。 7、塔底温度的确定 在塔底压力下，塔底产品的泡点温度即为塔底产品的温度。 15 三、冷凝器及再沸器热负荷的确定 1、冷凝器热负荷的计算 冷凝器的热负荷是塔顶饱和蒸汽从露 点气相冷凝为泡点液相所放出的热量，可 用以下办法计算。 露点气 相，Td 泡点液 相，Tb 液相，Td Qc HV HL=Cp(Td-Tb) Qc=Hv+HL 16 2、再沸器热负荷的

9、计算 再沸器的热负荷是塔底液相部分汽化成饱 和蒸汽所吸收的热量，蒸汽的量就是塔内气相 流量，可用全塔热平衡计算。 QBFHFDHLDWHLWQCQ损 QBDHLDWHLWQCQ损FHF Q损5 QB 或近似由下式计算 QBVw(HVW-HLW) 17 四、关于混合物物性参数的计算 混合物的分子量、密度、粘度、表面张力等参数参 考图表集的计算方法计算 五、回流比及理论板的计算 首先用Underwood公式求最 小回流比Rmin，再由芬斯克公式 求（或用绘图法数出）最小理论 板数Nmin，然后再由吉利兰图求 不同R下的N，最后通过下式作 图： 在N(R+1)最小处即为适宜回流比 。 同时得到理论板

10、数 （一般取1.53 18 七、全塔效率的计算 建议采用奥康奈尔法 应用条件： 注意：混合物粘度用进料温度、进料总组成下液体粘度，单 位cP。 19 已经确定塔顶温度TD 假定塔底温度TW 计算各组分相对挥发度 计算理论塔板数 计算塔板效率 计算实际板数 假设每板压降计算塔底压力 计算塔底温度（TW） TW（TW）？ 是 计算结束 否 重设TW 八、塔底温度、压力、理论板数的迭代计算 减压塔或常压塔：由平均温度 求得各组份的饱和蒸气压再求 相对挥发度。 加压塔：先由塔底温度求得塔 底压力，再求平均塔压。由塔 平均压力和温度求Ki，再求相 对挥发度。 20 物质名Mtb()tc()pc(atm)

11、 乙醇 水 表 1 分子量、沸点及临界数据 九、部分物性数据 表2 饱和蒸气压 表3 液体的密度 表4 液体的表面张力 21 表4 液体的表面张力 温度与表面张力的关系： 表5 液体的汽化潜热 其中：Tr、Trb分别为温度T和常压沸点温度Tb时的对比温度。 汽化潜热与温度的关系： 22 表6 各组分的Antoine常数 表7 液体的平均比热 23 第三部分 塔板尺寸设计要点 v板间距HT的选定 v塔径的计算 v标准的选用 v塔板开孔率（填料）的计算 v标准塔板的选取 v浮阀塔板的流体力学计算 v塔板结构 v精馏塔设计框图 24 一、塔板间距HT的选定 选择塔板间距时，主要考虑以下因素 v雾沫夹

12、带 v物料的起泡性 v操作弹性 v安装与检修的要求 v塔径 塔径/mm塔板间距mm 600700 8001000 12001400 16003000 32004200 300 350 450 *350 450 500 600 *350 450 500 600 *800 *450 500 600 800 600 800 注: 带*者不推荐使用 表1 塔板间距与塔径的关系 25 塔径公式计算 ： 计算空塔气气速(u) 应注意以下事项： 二、塔径的计算 v空塔气速的经验计算公式很多，可根据经验公式的使用条 件进行选择。 v推荐使用比较普遍的史密斯和波津方法，取两法计算的较 大直径。 v精馏段与提馏段

13、应分别计算,如两段塔径相差不多,可采用 同一塔径. 26 五、标准塔板的选取 当已知塔径和开孔率，可以从附表十单溢流浮阀 塔板标准系列参数表选取浮阀塔板的参数。 注意要选择和计算开孔率相近的标准塔板。 从标准浮阀塔板中可得到浮阀塔板的如下参数： 塔截面积（AT）；降液管堰长、堰宽；浮阀个数、 排列方式；出口堰高度等。 27 v对精馏段和提馏段进行水力学校核。 v绘出塔板负荷性能图。 六、塔板水力学校核 1塔板压降 ：hp不高于6mmHg（常压或加压塔）, 减压塔不高于3mmHg 2雾沫夹带量：阿列克山德罗夫经验公式及泛点率 分别核算 3. 降液管内液面高度 Hd： 4. 漏液 ：FoFoa 5

14、液体在降液管内停留时间及流速 ： 28 塔板的负荷性能图绘制 过量雾沫夹带线 淹塔线（液泛线） 过量泄漏线（气相负荷下限线） 降液管超负荷线（液相负荷上限线） 液相负荷下限线 操作线： Origin 绘制塔板负荷性能图， 并计算塔的操作弹性K，要求K不小于3。 根据塔板的流体力学计算结果和塔板的负荷性能图，分析讨论 所设计塔板的特点及优缺点。 29 v塔板有整块式和分块式两种类型。 当塔直径小于800mm时，一般将塔板加工成整块式；当 塔直径大于800mm，一般将塔板加工成分块式。 v分块式塔板由两块弓形板、一块通道板和数个矩形板构 成。 七、塔板结构 30 第四部分 塔辅助设备的选用与校核

15、v塔顶冷凝器的选用与校核 v塔顶再沸器的选用 31 一、塔顶冷凝器的选用与校核 32 二、塔底再沸器的选用 选用塔底再沸器的主要步骤如下： v根据塔釜温度和热源温度计算换热平均温差tm。 v初步选取换热总传热系数K v用QW=AKtm计算换热面积 A v查表选取标准换热器，得到换热器的基本参数。 33 第五部分 塔体的初步设计 一、塔体设计 筒体：建议采用碳钢，筒体的壁厚根据塔径、材料、操 作温度及压力从表3-1中选取。 封头的设计： 常用的有椭圆形、蝶形、球形等几种，建议采用椭圆形封 头（参照表3-2和附录11）。 34 人孔及手孔的设计 直径大于或等于800mm的塔，每隔68块塔板设一个人

16、 孔； 塔顶、塔底及进料处必须设置人孔； 最常用的人孔规格为Dg450； 凡有人孔的地方，塔板间距要等于或大于600mm。 35 塔高 塔顶空间HD 由塔顶第一板到筒体与封头接线距离（不包括封头空间） 称塔顶空间。通常取HD1.21.5m 塔底空间HB 由塔底第一板到塔底封头接线距离称塔底空间。 取产品停留时间1015min，排量大 取35min。 计算结果再加上12m作为塔底空间，即： 36 进料空间HF 液相进料，HF大于一般板间距并满足安装人孔需要即可 两相进料，则HF要取得大些，以利于进料两相的分离， 一般可取： HF1.01.2m 塔的总高H： 裙座： 塔类的裙座分为圆柱形与圆锥形。 当塔高与塔径之比大于30时用圆锥形裙座， 一般用圆筒形裙座。 塔径为1.22m塔裙座开4个50mm的排气孔， 塔径在1m以上要开两个Dg450的人孔。 图3-4(a) 37 二、接管的设计