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1、1 / 20 课程设计任务书20092018 学年第二学期学生姓名： _石华端专业班级： _07级应用化学 _ 指导老师： _ 工作部门： _ 一课程设计题目设计一台苯甲苯分离板式精馏塔二设计要求1、设计一座苯 -甲苯连续精馏塔，具体工艺参数如下：原料苯含量 (m/m：25+0.5）%原料处理量： 2万 t/a 产品要求 m/m）：xD = 0.98， xW=0.02 2、操作条件塔顶压力：常压进料热状况：泡点进料回流比：自选单板压降： 0.7kPa加热方式：间接蒸气加热冷凝方式：全凝器，泡点回流年操作时数： 8000h 3、塔板类型浮阀塔板 8、绘制主体设备图 (A2 图纸 四进度安排1.
2、课程设计准备阶段：收集查阅资料，并借阅相关工程设计书；2. 设计分析讨论阶段：确定设计思路，正确选用设计参数，树立工程观点，小组分工协作，较好完成设计任务；3. 计算设计阶段：物料衡算，热量衡算，主要设备工艺尺寸计算，塔盘工精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 20 页2 / 20 艺尺寸计算及流体力学计算。4. 课程设计说明书编写阶段：整理文字资料计算数据，用简洁的文字和适当的图表表达自己的设计思想及设计成果。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 20 页3
3、 / 20 1. 课程设计的目的化工原理课程设计是一个综合性和实践性较强的教案环节，也是培养学生独立工作的有益实践，更是理论联系实际的有效手段。通过课程设计达到如下目的： 1巩固化工原理课程学习的有关内容，并使它扩大化和系统化； 2培养学生计算技能及应用所学理论知识分析问题和解决问题的能力； 3熟悉化工工艺设计的基本步骤和方法； 4学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工艺尺寸图； 5训练查阅参考资料及使用图表、手册的能力； 6通过对“适宜条件”的选择及对自己设计成果的评价，初步建立正确的设计思想，培养从工程技术观点出发考虑和处理工程实际问题的能力；7学会编写设计说明书。课程设计题目描述和要求本设
4、计的题目是苯 - 甲苯浮阀式连续精馏塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔，板空上安装浮阀，具体工艺参数如下：生产能力： 2万吨/ 年( 料液 原料组成： 25%苯，60% 甲苯摩尔分数，下同）产品组成：馏出液 98% 苯， 釜液 2% 苯操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点进料状况：泡点加热方式：间接蒸汽加热回流比： R=1.22）Rmin 3 课程设计报告内容3.1 流程示意图冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐苯回流原料原料罐原料预热器精馏塔回流再沸器塔底产品冷却器甲苯的储罐甲苯3.2 流程和方案的说明及论证精选学习资料 - - - -
5、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 20 页4 / 20 3.2.1 流程的说明首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液
6、相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与氯苯的分离。3.2.2 方案的说明和论证浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20% 40% ，与筛板塔接近。2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4气体压
7、降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80% ，但是比筛板塔高 20%30% 。浮阀塔盘的操作原理和发展: 浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片，阀孔的排列方式，应使绝大部分液体内有气泡透过，并使相邻两阀容易吹开，鼓泡均匀。为此常采用对液流方向成错排的三角形的排列方式。蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫，浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定的操作。但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔
8、质量：；甲苯的摩尔质量：；. 2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量原料液的平均摩尔质量：平衡线方程的求算汽液相平衡方程式：. (2q 线方程进料状态由五种，即过冷液体进料1,饱和液体进料 q1），气液混合进料(0q和过热蒸汽进料 (q，本设计选用的为泡点进料，故q=1。则 xF=xq 4. 最小回流比；由以上两式可得：；由于5. 精馏段操作线方程精馏段液相质量流量：精馏段气相质量流量： V=精馏段操作方程：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 20 页8 / 20 提馏段液相质量流程：提段气相质量流程：提馏段操作线方程：.
9、 由以上精馏段操作方程和提馏段操作线方程可得：两操作线交点的横坐标为(5理论塔板数的确定先交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程计算如下：；. 以下交替使用提馏线操作线方程语相平衡方程得：；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 20 页9 / 20 ；.故理论板为 21 块，精馏板为 10 块，第 11 块为进料板 . 4.2.1.2逐板法求塔板数由此算得于逐板法得一致. 4.2.2 精馏塔塔效率的计算在 t=95.4 时，此时查得苯和甲苯黏度：，则：时, 此时的相对挥发度为：则：精选学习资料 - - - - - - - - -
10、 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 20 页10 / 20 查奥康内尔精馏塔全塔板效率图得：.4.3 塔的工艺条件及物性数据计算4.3.1 混合液的平均摩尔质量计算进料板苯的摩尔分数在塔板数计算中得进料板的苯的摩尔分数为*92=82.914kg/kmol =0.428*78+(1-0.428*92=86.008kg/mol 塔底摩尔分数 /2=87.289kg/kmol =(86.008+91.664/2=88.836kg/kmol 4.3.2 平均密度计算进料板平均密度： t=94 时，=7893,=789,=0.39 参考化工原理 P361某些有机液体的相对密度图/2
11、=786.55kg/m3=102.315 vm=2.83kg/m3精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 20 页11 / 20 4.3.3 液体的平均张力 t=110.63时, =17.2,=17.8 t=94 时，=19.8，=19.9，由化工原理第三版P379查得 t=101.63时，=0.024*17.2+1-0.024 ）*17.8=17.7859t=94时，=0.428*19.8+1-0.428 ）*19.9=19.8572提馏段平均张力：=18.824.3.4 提馏段气液相的体积流量 Lh=26.02m3/h V
12、h=5044.5m3/h 4.4 塔体工艺尺寸计算4.4.1 精馏段塔径计算由 FLV及HT-hl）查 Smith 图化工单元过程及课程设计P161）气流动参数 FLV=0.086 取塔盘清夜层高度 hL=0.07m HT=0.45m 液滴沉降高度 HT-hL=0.45m-0.07m=0.38m 当=18.82 时的负荷因子 C20等于 0.028 由工艺条件得： C=C200.2=0.081 液乏气速 uf=c=0.081*=1.35m/s 取泛点率为 0.75 ，故空塔气速 u=0.75=0.75*1.35=1.013m/s 气相通过的塔截面积 A=1.38m2取=0.0877 精选学习资
13、料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 20 页12 / 20 由计算 D： D=故取 D=1.4m 设计点的泛点率 =4.4. 2 精馏塔高度计算 (1精馏段有效高度计算： Z精=(N 精-1*HT=10*0.35=3.5m (2提馏段有效高度计算： Z提=(N 提-1*HT=(17-1*0.45=7.2m 如进料板上面开一人孔，其高度为0.6m (3精馏塔的有效高度为： Z有=Z精+Z提+0.8=3.5+7.2+0.6=11.3m .(4 精馏塔的实际高度为：塔两端空间，上封头留1.5m. 下封头留 1.5m. Z实= Z 有+1.
14、5*2=11.3+3=14.3m 4.4.3 溢流装置的计算由化工单元过程及设备课程设计P166流液收缩图：降管液的尺寸：降液管宽度：选取 hb=0.04m 溢流堰尺寸：堰上液头高 how, 取 E=1 堰高：溢流强度：降液管底隙流体速度：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 20 页13 / 20 4.5 塔板负荷性能4.5.1 浮阀计算及其排列（1）浮阀数选取 F1型浮阀，阀孔直径d0=0.039m 根据表 54 选择单流型初取 F0=11 , 则浮阀数：2）排列方式取塔板上液体进，出口安定区宽度取边缘区宽度 bc=0.
15、05m 根据估算提供孔心距进行布孔，按t=75mm进行布孔，实排阀数n=163 阀孔气速动能因子塔板开孔率4.6 塔板的流体性能的校核4.6.1 泡沫夹带量校核为控制液沫夹带量eV过大，应使泛点 F10.80.82 浮阀塔板泛点率计算如下：由塔板上气相密度及板间距HT=0.45m 查图 526泛点荷精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 20 页14 / 20 因数）得系数 GF=0.128, 根据表 511 液流面积故得：故不会产生过量的液沫夹带4.6.2 塔板阻力计算由化工单元过程及设备课程设计P171泛点负荷因数图： (
16、3 克服表面张力所造成阻力由以上三阻力之和求得塔板阻力:4.6.3 降液管液面校对流体流过降液管底隙的阻力：浮阀塔板上液面落差较小可以忽略，则降液管内清液层高度：取降液管中泡沫层相对密度，则可求降液管中泡沫层高度：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 20 页15 / 20 而，故不会发生降液管液泛。4.6.4 液体在降液管内停留时间校核应保证液体在降液管内的停留时间大于3S5S，才能保证液体所夹带的气体的释放。故所夹带气体可以释出4.6.5 严重漏液校核当阀孔的动能因子F0=5的相应孔流气速：稳定系数故不会发生严重漏液4.
17、6.6 塔板负荷性能图由化工单元过程及设备课程设计P187塔板负荷性能图： 1）过量液沫夹带线关系式根据前面液沫夹带的校核选择F1=0.8 则有由此两点作过量液夹带线 (2 液相下限线关系式对于平直堰，其堰上液头高度how必须大于 0.006m。取 how=0.006m ，即可以确定液相流量的下限线取 E=1.0，代人 lw=0.98 该线为垂直轴的直线，记为 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 20 页16 / 20 (3严重漏液线关系式：因动能因子 F05时，会发生严重漏液，故取F0=5,计算相应气体流量：该线为平行轴
18、的直线，为漏液线，也称为气相下限线，记 (4液相上限线关系式：降液的最大流量为：该线为平行轴的直线，记为 (5降液管液泛关系式：根据降液管液泛的条件，得以下将液管液泛工况下的关系：或即 10 20 30 40 50 60 6133.7 590.75 566.2 538.3 506.06 468.1 操作弹性适宜裕度 =46.9% 4.7 换热器的计算4.7.1 原料预热器：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 20 页17 / 20 设加热原料温度由10加热到 104则4.7.2 塔顶冷凝器： R苯=390kJ/kg 4.7
19、.3 塔底再沸器：4.7.4 贮罐的体积计算：由化工单元过程及设备课程设计查得在0.11MPa下，塔顶采量 D=7394kmol/h 故设冷凝液停留 20min，补充系数则贮罐容积估算结果表4.7.5 进料罐线管径选择原液流速： u=0.5m/s 管线直径：选取管材，其内径为 0.121m 其实际流速为： u=10471/(3600*798*0.785*0.09162=0.5m/s 5. 设计结果汇总表表一 设备一览表序号位号设备名称形式主要结构参数或性能位号名称停留时间容积/m3V-101 原料中间罐20min 13 V-102 回流罐10min 7 V-103 塔顶产品罐24h 937 V
20、-104 塔底产品罐24h 937 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 20 页18 / 20 1 T-101 循环苯精馏塔浮阀塔D=1400 Np=27 H=18500 2 E-101 原料预热器固定管板式24m23 E-102 塔 T-101 顶冷凝器固定管板式151m24 E-103 塔 T-101 再沸器固定管板式166m25 E-104 塔顶产品冷却器固定管板式55m26 E-105 塔底产品冷却器固定管板式62m2 7 P-101 进料泵 2 号离心泵qv=14m3/h H=10m 8 P-102 釜液泵 2
21、号离心泵qv = 8 m3/h H=4m 9 P-103 回流泵 2 号离心泵qv=11 m3/h H=19m 10 P-104 塔顶产品泵2 号离心泵qv=6 m3/h H=19m 11 P-105 塔底产品泵2 号离心泵qv=8 m3/h H=4m 12 V-101 原料罐卧式V=13m313 V-102 回流罐卧式V=7 m314 V-103 塔顶产品罐立式937m215 V-104 塔底产品罐立式937m216 V-105 不合格产品罐立式937m2表二 提留段塔板设计结果汇总表塔板主要结构参数数据塔板主要流动参数数据精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
22、- - - - - -第 18 页，共 20 页19 / 20 塔径 m塔板间距堰长 lw堰宽堰高 hw入口堰高底隙 hb塔截面积AT降液管面积有效传质区Aa开孔面积气相流通面积阀孔直径阀孔数 n开孔率孔心距 t边缘区宽塔板厚 S安定区宽排列方式1.4m 0.6m 0.98m 0.2001m 0.045m 无0.04m 0.0877m 1.513m 0.135m 1.020m 0.215m 1.405m 0.039m 163 0.126 0.0809m 0.050m 0.075m 错排流动方式液体流量气体流量 qVVh 液泛气速空塔气速 u 降液管内流速 ud底隙流速泛点率 F1 溢流强度堰上
23、头液高度 hOW塔板阻力降液管内液体层高度Hd 降液管内液沫层高度 Hd/降液管液体停留时间阀孔气速阀孔动能因子 F0 漏液点气速稳定系数K 最大气相流量最大气相流量 min单流型26.2m3/h 5044.5m3/h 1.35m/s 0.997 0.937 0.053m/s 0.184m/s 0.739 26.55m3/(mh 0.025m 0.0682m 0.1614m 0.296m 8.4s 7.2m/s 12.11 2.97m/s 2.42 7410.0m3/h 2080.87m3/h 6. 课程设计心得体会本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的浮阀式连续
24、精馏塔设备。通过两周的努力，反复计算和优化，小组成员终于设计出一套较为完善的浮阀式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。课程设计需要我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，更让我们体会到了理论知识对实践工作的重要的指导意义。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 20 页20 / 20 像以往课程那样一切都由教材和老师安排。因此，课程设计给我们提供了更大的发挥空间，
25、让我们发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间必须紧密合作，相互配合，才可能在有限的时间内设计出最优的设计方案。总之，这次课程设计既是对我们课程知识的考核，又是对我们思考问题、解决问题能力的考核，课程设计让我们学到了很多东西。在这次课程设计中，给我们印象最深的是，这期间由于我们对设计的流程和具体要求理解地不够深入，在设计的初期，我们曾因为没有清晰的设计思路，而无法开始，后来在计算的过程中，由于组员的疏忽，计算上出现了错误，特别是第二次，设计已完成过半，发现前面的基础数据出现了问题，看着几天的劳动成果就这样被自己否定，我们没有气馁，没有相互抱怨，而是在一起冷静分析思考错误，认真总结经验教训，重新制定了设计方案，在接下来的设计中，我们采用了两组同时进行计算的办法，发现问题之后，可以马上解决，避免了同样错误的再次出现。本次课程设计中，大家相互配合，齐心协力，克服重重困难，坚持不懈的工作，终于完成了本次课程设计! 7. 主要参考文献1. 王志魁 . 化工原理 M. 第三版 . 北京：化学工业出版社，2004 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 20 页
