化工原理课程设计(修改一稿)

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1、化工原理课程设计化工原理课程设计板式精馏塔的设计设计题目：设计题目： 板式精馏塔的设计 学院和专业：学院和专业： 化学工程与工艺班级：班级： 化工本 1004111姓名：姓名： 周林江 指导教师：指导教师： 黄凤林西安石油大学二一一年三月2目 录一、设计任务3二、设计方案选定 3三、总体设计计算43.1 精馏流程的确定43.2 塔的物料衡算 43.3 塔板数的确定 53.4 塔的工艺条件及物性数据计算 73.5 精馏段气液负荷计算 933.6 塔和塔板主要工艺尺寸计算9四、设计小结9一、 设计任务1 1、设计题目、设计题目：苯甲苯精馏塔工艺设计2 2、已知条件、已知条件：每日处理量：240 吨

2、。 原料组成：含苯 35%wt（质量），其余为甲苯操作条件：精馏塔顶压强：4kPa，单板压降：0.7 kPa3 3、设计要求、设计要求（1）产品苯含量不得低于 97%wt（质量）（2）釜残液苯不得高于 3%wt（质量）二设计方案选定42.12.1 精馏方式精馏方式：对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用合适进料状态，将原料液通过预热器加热至要求后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成

3、度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。2.22.2 操作压力操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。2.32.3 塔板形式塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的浮阀塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。2.42.4 加料方式和加料热状态加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。由于原料温度稳定，为减少操作成本采用 30 度原料冷液进料。2.52.5 由于蒸汽质量不易保证，采用间接，蒸汽

4、加热。由于蒸汽质量不易保证，采用间接，蒸汽加热。2.62.6 再沸器，冷凝器等附属设备的安排再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至 65 度回流入塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储罐。塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。回流比的选择 回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费和操作费用之和最低。设计时，应根据实际需要选定回流比，也可参考同类生产的经验值选定。必要时可选用若干个 R 值，利用吉利兰图(简捷法)求出对应理论板数 N，作出 NR 曲线，从中找出

5、适宜操作回流比 R，也可作出 R 对精馏操作费用的关系线，从中确定适宜回流比 R。理论板层数的计算 . R$ A/ 2 c* O* n3 v* o对给定设计任务，当分离要求和操作条件确定后，所需理论板层数可采用逐板计算法或图解法求得，设计中，给定相应的设计参数，通过模拟计算，即可获得所需的理论板层数，进料板位置。塔径的计算 板式塔的塔径依据流量公式计算，即 : m( p- C“ E% ( k H8 w: o(3-2)5式中 D塔径，m； s+ t$ - % V P8 EVS气体体积流量，m3/s； 1 S7 T3 O% 7 g1 U, M* xu空塔气速，m/s。 由式 3-2 可知，计算塔径

6、的关键是计算空塔气速 u。设计中，空塔气速 u 的计算方法是，先求得最大空塔气速 umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 & u“ c1 6 ) s, r9 lu=(0.60.8)umax (3-3)安全系数的选取与分离物系的发泡程度密切相关。对不易发泡的物系，可取较高的安全系数，对易发泡的物系，应取较低的安全系数。塔高 板式塔的塔高如图 3-18 所示。可按下式计算，即 H=(n-nF-nP-1)HT+nFHF+nPHP+HD+HB+H1+H2 (3-47)式中 H塔高，m； n实际塔板数； 8 r h/ B6 i+ F! L! LnF进料板数； HF进料板处板间距，m； np人

7、孔数； HB塔底空间高度，m； HP设人孔处的板间距，m； : r2 q% o2 q8 IHD塔顶空间高度，m； H1封头高度，m； H2裙座高度 m 板式塔的塔板工艺尺寸计算 3.2.4.1 溢流装置的设计板式塔的溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分，其结构和尺寸对塔的性能有着重要的影响。 （1）降液管的类型与溢流方式 降液管的类型 降液管是塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管有圆形与弓形两类，如图 3-3 所示。通常，圆形降液管一般只用于小直径塔，对于直径较大的塔，常用弓形降液管。U 型流也称回转流。其结构是将弓形降液管用挡板隔成两半，一半作受液盘，另

8、一半作降液管，降液和受液装置安排在同一侧。此种溢流方式液体流径长，可以提高板效率，其板面利用率也高，但它的液面落差大，只适用于小塔及液体流量小的场合。6单溢流又称直径流。液体自受液盘横向流过塔板至溢流堰。此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于 2.2m 的塔中被广泛使用。 “ 双溢流又称半径流。其结构是降液管交替设在塔截面的中部和两侧，来自上层塔板的液体分别从两侧的降液管进人塔板，横过半块塔板而进入中部降液管，到下层塔板则液体由中央向两侧流动。此种溢流方式的优点是液体流动的路程短，可降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于 2m 的塔中。

9、 阶梯式双溢流的塔板做成阶梯型式，每一阶梯均有溢流。此种溢流方式可在不缩短液体流径的情况下减小液面落差。这种塔板结构最为复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。板式塔的结构与附属设备 3.2.7.1 塔体结构(1)塔顶空间指塔内最上层塔极与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，设计中通常取塔顶间距为(1.52.0)HT。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶间距。 (2)塔底空间 指塔内最下层培板到塔底间距。其值由如下因素决定：塔底储液空间依储存液量停留 38 min(易结焦物料可缩短停留时间)而定；再沸器的安装方式及安装高度；塔底液面至最下层塔板之间

10、要留有 12m 的间距。(3)人孔对于 D1000mm 的板式塔，为安装、检修的需要，一般每隔 68 层塔板设一人孔。人孔直径一般为 450 mm600mm，其伸出塔体的筒体长为 200250 mm，人孔中心距操作平台约 8001200mm。设人孔处的板间距应等于或大于 600mm。三设计计算一塔的物料衡算： （一） 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分率：x =x =(二)平均分子量kg/molkg/mol（二） 物料衡算7处理量：20000t/年=F=Kmol/hD=W=87.842Kmol/h0.00275常压下苯甲苯平衡组成（摩尔）与温度关系温度/ 液相 气相温度/ 液相 气相温度/ 液相

11、 气相100 0 0 95.5 1.90 17.00 89.0 7.21 38.91 86.7 9.66 43.75 85.3 12.38 47.04 84.1 16.61 50.8982.7 23.37 54.45 82.3 26.08 55.80 81.5 32.73 59.26 80.7 39.65 61.22 79.8 50.79 65.99 79.7 51.98 65.9979.3 57.32 68.41 78.74 67.63 73.85 78.41 74.72 78.15 78.15 89.43 89.438塔体总高度 板式塔的塔高如图 5-2 所示，塔体总高度（不包括裙座）由下

12、式决定： (2)DpTTFBHHNSHSHHH(5-1)式中：HD塔顶空间，m；HB塔底空间，m； HT塔板间距，m； HT开有人孔的塔板间距，m； HF进料段高度，m； Np实际塔板数； S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔） 。塔的有效高度和板间距的初选4.1.1 塔的有效高度 板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：（4-1）(1)T T TNZHE式中 Z塔的有效高度，m； ET全塔总板效率； NT 塔内所需的理论板层数； HT塔板间距，m。 4.1.2 板间距的初选 板间距 NT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的 安装检修等因

13、素。 对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹 性及安装检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从 而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔 高可降低；但是板间距过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种 不同情况予以考虑。如对易发泡的物系，板间距应取大一些，以保证塔的分离效果。板间距与塔径 之间的关系，应根据实际情况，结合经济权衡，反复调整，已做出最佳选择。设计时通常根据塔径 的大小，由表 4-1 列出的塔板间距的经验数值选取。表 4-1 塔板间距

14、与塔径的关系塔 径/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT，mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在决 定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小 于 600mm。 4.2 塔径塔的横截面应满足汽液接触部分的面积、溢流部分的面积和塔板支承、固定等结构处理所需9面积的要求。在塔板设计中起主导作用，往往是气液接触部分的面积，应保证有适宜的气体速度。 计算塔径的方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径。另一 类计算方法则是先确定适宜的孔流气速，算出一个孔（阀孔或筛孔）允许通过的气量，定出每块塔 板所需孔数，再根据孔的排列及塔板各区域的相互比例，最后算出塔的横截面积和塔径。 4.2.1 初步计算塔径 板式塔的塔径依据流量公式计算，即（4-2）4sVDu式中 D 塔径 m； Vs 塔内气体流量 m3/s； u 空塔气速 m