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1、 * 化工原理课程设计 * 课题名称： 苯-甲苯板式精馏塔的工艺设计 目 录目 录1前 言3设计任务4一设计项目4二设计条件4三设计内容与要求4塔板的工艺设计5一精馏塔全塔物料衡算5二物性衡算6三理论塔板的计算13四精馏塔塔径工艺尺寸的初步计算15五溢流装置18六塔板分布及浮阀数20塔板的流体力学计算23一气相通过浮阀塔板的压降23二淹塔24三液沫夹带25四塔板负荷性能图26塔附件设计31一接管31二裙座32三筒体与封头33四除沫器33五人孔和手孔33附属设备设计34一冷凝器的选择34二再沸器选择34全塔工艺设计结果总汇35设计感想36参考文献37前 言 塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药
2、等生产过程中广泛采用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。塔设备中常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却和回收气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等。塔设备应满足的条件：气液两相能充分接触、生产能力及弹性大、操作稳定、流体流动阻力小、结构简单、材料耗用量少、制造和安装容易、耐腐蚀和不易阻塞、调节及检修方便。板式塔处理量大、效率高、清洗检修方便且造价低，故工业上多采用板式塔。因而本设计要求设计板式塔。设计任务一设计项目苯-甲苯二元混合液连续精馏装置的设计二设计条件 1.原料液处理量：吨/年（每年按天生产日计算
3、） 2.进料液苯含量：(质量分率) 3.进料状态：即 4.塔顶馏出液中苯含量：（质量分率） 5.塔底苯含量：（质量分率） 6.回流方式：泡点回流 7.操作压力：常压 8.塔板类型：浮阀塔板三设计内容与要求 1.绘制工艺流程图 2.绘制塔设备总装配图或工艺条件图 3.编制工艺设计说明书塔板的工艺设计一精馏塔全塔物料衡算苯的摩尔质量甲苯的摩尔质量1.原料苯组成2.塔顶组成3.塔底组成 4.进料量5.物料衡算式总物料衡算： 苯物料衡算： 即， 联立，得 二物性衡算 表1-1 常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系苯(分率)温度苯(分率)温度苯(分率)温度液相气相液相气相液相气相00110.639.7
4、61.895.280.391.484.48.821.2106.148.971.092.190.395.782.320.037.0102.259.278.989.49597.981.230.050.098.670.085.386.810010080.21. 精馏段物性衡算1.1 操作温度 利用常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系表格，由插值法分别求塔顶、进料处、塔底的温度、，则 得 得 得 所以，精馏段平均温度为 1.2 平均密度已知，混合液密度由求得，而混合气密度可由式算，其中为质量分数，为平均相对分子质量。又知塔顶温度为，进料温度为，塔底温度，根据表1，利用插值法分别求出三处的气相组成，过
5、程如下： 得 ： 得 ： 得 所以，精馏段液相组成精馏段气相组成进而求出气液相的平均摩尔质量，过程如下：根据表1-2，即不同温度下苯-甲苯的密度表格，分别求得在、下的苯和甲苯的密度（单位）。表1-2 不同温度下苯-甲苯的密度温度苯的密度甲苯的密度8081480990805801100791791110778780120763768则时， 得 得 得 时， 得 得 得 时， 得 得 得 所以，精馏段的液相平均密度：又塔顶、进料和塔底的气相的平均摩尔质量分别为：塔顶、进料处和塔底的气相密度分别为：所以，精馏段气相平均密度为：1.3 混合物的平均粘度由精馏段的平均温度，查液体的粘度常数表以及粘度图，
6、知苯的粘度为，甲苯的粘度为。所以，精馏段的平均粘度：1.4 相对挥发度由气相和液相组成和，按公式，求得其相对挥发度，如下：精馏段的平均相对挥发度：1.5 混合液体的平均表面张力表1-3 不同温度下苯-甲苯的表面张力温度苯的表面张力甲苯的表面张力8020.320.69019.619.710018.518.811017.217.512016.116.5液相的平均表面张力依下式计算，即由，根据表3，则塔顶的液相平均表面张力， 得 得 所以，则进料板液相平均表面张力为 得 得 所以，则塔底液相平均表面张力为 得 得 所以，精馏段平均表面张力为2. 提馏段物性衡算2.1 操作温度已求得，可求出提馏段操作
7、温度为：2.2 平均密度前面已求出， ，所以，提馏段液相组成提馏段气相组成进而求出气液相的平均摩尔质量，过程如下：且已根据表2，即不同温度下苯-甲苯的密度表格，求得了在、下的苯和甲苯的密度，知，。所以，提馏段的液相平均密度：又得知前面算出的进料和塔底的气相的平均摩尔质量分别为，根据公式，求得的进料板和塔底的气相平均密度分别为和。所以，提馏段气相平均密度为：2.3 混合物的平均粘度由提馏段的平均温度，查液体的粘度常数表以及粘度图，知苯的粘度为，甲苯的粘度为。所以，精馏段的粘度：2.4 相对挥发度由塔底的气相和液相组成和，按公式，求得其相对挥发度，又知，所以，提馏段的平均相对挥发度：2.5 混合液
8、体的平均表面张力，根据表3，即不同温度下苯-甲苯的表面张力表格，得塔底液相平均表面张力为 得 得 所以，又，则提馏段平均表面张力为：三理论塔板的计算1. 理论塔板数的的求取苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求出理论塔板数。1) 由表1可知苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出图2) 求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点作垂线即为即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为，故最小回流比：取操作回流比： 3) 求精馏塔的气液相负荷 本设计为泡点进料，故4) 求操作线方程精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：5) 图解法求理论塔板数采用图解法求理论塔板数，求解结果如下：总理论塔板
9、数：(包括再沸器)进料板位置：2. 实际塔板数的求取塔板的效率反映了实际塔板上传质过程进行的程度，并受操作条件、物质的物理性质、流体的力学性质以及其本身结构的共同影响。塔板效率可用奥康奈尔公式计算。已知精馏段的平均相对挥发度和平均粘度分别为，则精馏段实际所需塔板块数为：而提馏段的平均相对挥发度和平均粘度分别为，则提馏段实际所需塔板数为：所以，全塔实际所需塔板数为：全塔效率：进料板位置： 四精馏塔塔径工艺尺寸的初步计算：1. 精馏段塔径工艺尺寸的计算1.1 精馏段气液相体积流量的计算已知精馏段液相的平均摩尔质量、平均密度、液相负荷分别为，。气相的平均摩尔质量、平均密度、液相负荷分别为，。可求得质
10、量流量：体积流量：1.2 塔径的求取塔径可按公式求得，其中（安全系数）， ，可由史密斯关联图查得，而安全系数的取值在之间。图的横坐标的确定：取板间距为，板上液层高度，则查史密斯图，得令安全系数为0.7则0.7按标准塔径圆整，则精馏段塔径为：。精馏段塔的截面积：实际空塔气速 2. 提馏段塔径工艺尺寸的计算2.1 提馏段气液相体积流量的计算已知提馏段液相的平均摩尔质量、平均密度、液相负荷分别为，。气相的平均摩尔质量、平均密度、液相负荷分别为，。可求得质量流量：体积流量：2.2 塔径的求取史密斯图横坐标的确定：同样取板间距为，上液层高度，则查史密斯图，得令安全系数为0.7则0.7按标准塔径圆整，则提
11、馏段塔径为：。提馏段塔的截面积：实际空塔气速精馏段塔径为，提馏E段，两者相近，取上下塔径一致，则精馏塔的塔径为。五溢流装置因塔径小于1米，可选用单溢流弓形降液管，凹形受液盘。1. 精馏段溢流装置1.1 堰长取1.2 溢流堰高度出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算： （近似取）又，取，所以1.3 弓形降液管宽度和截面积由,查弓形降液管参数图，得 ，故 验算液体在降液管中的停留时间，可用公式 ，所以，精馏段液提在降液管中的停留时间为：停留时间，则降液管设计合理。1.4 降液管底隙高度取降液管底隙的流速，则精馏段降液管底隙高度为：，取，则符合要求。2. 提馏段溢流装置2.1 堰长同样取2
12、.2 溢流堰高度又，取，所以2.3 弓形降液管宽度和截面积取提馏段堰长与精馏段相同，则，。 验算液体在降液管中的停留时间，也用公式 ，所以，提馏段液体在降液管中的停留时间为：停留时间，则降液管设计合理。2.4 降液管底隙高度取降液管底隙的流速，则精馏段降液管底隙高度为：，取，则符合要求。六塔板分布及浮阀数取阀孔动能因子，孔径，破沫区宽度，边缘区宽度。1. 精馏段浮阀数与排列孔速为：则浮阀数目：个计算鼓泡区面积： 即，鼓泡区面积为浮阀排列方式采用等边三角形错排，且设孔心距，排列如下图，则实际浮阀数个。按重新核算阀孔的动能因子，则 ，故符合要求。则塔板开孔率为：2. 提馏段浮阀数与排列孔速为：待添
13、加的隐藏文字内容3则浮阀数目：个计算鼓泡区面积：即，鼓泡区面积为浮阀排列方式采用等边三角形错排，且设孔心距，排列如下图，则实际浮阀数个。按重新核算阀孔的动能因子，则 ，故符合要求。则塔板开孔率为：塔板的流体力学计算一.气相通过浮阀塔板的压降可根据，计算。1.精馏段1.1干板阻力由式先计算临界孔速，即因，故1.2 板上充气液层阻力本设计分离苯与甲苯的混合液，即液相为碳氢化合物，可取充气系数，又，则1.3 液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计。则所以，气体通过每层塔板的压降，即单板压降为：2.精馏段2.1干板阻力因，故2.2 板上充气液层阻力取充气系数，则2.3 液体表面张力所造成的阻力
14、此阻力很小，可忽略不计。则所以，单板压降为：二淹塔为防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清夜高度。可用下式计算，即1. 精馏段1.1 与单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 1.2 液体通过降液管的压头损失1.3 板上液层高度 苯与甲苯为一般物系，取，则 ，符合防止淹塔的要求。2. 提馏段2.1 与单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度 2.2 液体通过降液管的压头损失2.3 板上液层高度 取，则 ，符合防止淹塔的要求。三. 液沫夹带液沫夹带量由式，其中。1. 精馏段取，则，所以液沫夹带量符合要求。2. 提馏段同样取，则，所以液沫夹带量符合要求。四. 塔板负荷性能图1. 精馏段塔板负荷性能图1.
15、1 雾沫夹带线以为限，求关系如下：又 其中，则整理得，1.2 液泛线忽略，则又知，所以，整理得，1.3 液相负荷上限线液体的最大流量应保证降液管中的停留时间不低于，取作为液体在降液管内停留时间的下限，则1.4 液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限的条件。则， 1.5 漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则所以，根据以上1.11.5作出塔板负荷性能图：由图计算可得出，精馏段操作弹性为3.78。2. 提馏段塔板负荷性能图2.1 雾沫夹带线同样以为限，求关系如下：又 其中，则整理得，2.2 液泛线整理得，2.3 液相负荷上限线液体的最大流量同样应保证降液管中的停留时间不低于，取作
16、为液体在降液管内停留时间的下限，则2.4 液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限的条件。则， 2.5 漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则所以，根据以上2.12.5作出塔板负荷性能图：由图计算可得出，精馏段操作弹性为3.96。塔附件设计一接管1. 进料管采用直管进料管，管径计算如下：，取，又，所以，查标准系列选取。2.回流管采用直管回流管，取，则查标准系列选取。3.塔底出料管，则查标准系列取。4塔顶蒸气出料管直管出气，取出口气速，则查标准系列选取。5. 塔底进气管采用直管进气，取气速，则查标准系列选取。6. 法兰 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰。由不同的公
17、称直径，选用相应法兰。进料管接管法兰采用： 法兰 回流管接管法兰采用： 法兰 进料管接管法兰采用： 法兰 塔底出料管法兰采用： 法兰 塔顶蒸气出料管法兰： 法兰 塔底蒸气进气管法兰： 法兰 二裙座塔底座用群座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，是塔设备的主要支座形式，一般采用圆筒形。基础环内径：基础环外径：圆整取，。三筒体与封头筒体壁厚选，材质为无缝钢管。封头由公称直径为，选用厚的钢板制作。四除沫器当空塔气速较大时，塔顶带液现象严重，设置除沫器，可减少液体夹带损失，保证气体纯度，保证后续工作的正常进行。本设计采用丝网袜除沫器，其具有比表面积大、质量轻、空隙大及使用方便等优点。设计气
18、速选取：取，则所以，除沫器直径为：五人孔和手孔 两层塔盘之间设一手孔，直径为。裙座上开一人孔，直径为。六塔总体高度计算令塔顶部空间为，即塔顶封头到第一块塔盘的距离。塔底空间为。所以，塔体总高度为：附属设备设计一冷凝器的选择有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为。本设计取。出料液温度：冷却水温度：逆流操作：，传热面积：根据全塔热量衡算，得所以， 二再沸器选择 选用饱和水蒸气加热，传热系数取。料液温度：水蒸气温度：逆流操作：，所以，传热面积：根据全塔热量衡算，得。全塔工艺设计结果总汇设计内容符号及单位精馏段提馏段质量流量 ,质量流量 ,体积流量 , 体积流量,塔径 , 塔板间距 ,理论塔
19、板数 , 块实际所需塔板数 , 块实际塔板效率 , 空塔气速,堰长 ,溢流堰高 ,板上液层高度 , 降液管底隙高 , 浮阀数 , 个浮阀孔径 , 阀孔气速,浮阀动能因子临界阀孔气速,孔心距 , 开孔率 , 单板压降 , 负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液线控制漏液线控制气相负荷上限,气相负荷下限,操作弹性设计感想本次课程设计为化工原理设计，要求通过给定的操作条件自行设计一套苯-甲苯物系的浮阀塔。通过一段时间的努力，终于设计出了一套浮阀塔设备。在此过程中，感觉计算较繁杂，需要不时的验证，遇到结果不符设计要求时，必须考虑多方面因素，反复试值，直至达到要求。特别是，为了设计的更好，需要对各
20、种参数进行查阅，而这些参数并没有在哪一本书上集中，这就要靠我们自己对化工方面的不同文献进行查找。其次，设计过程多次涉及到绘图方面的知识，如：用图解法求理论塔板数、浮阀数的求取、精馏塔塔体的绘制、精馏流程图的绘制等等。还有塔板负荷性能图的绘制就需要利用excel。并且，设计的本身就是在精馏的过程上进行的，这就要求我们对课本的相关知识点有一定的掌握。不过，本设计中对一些数值的选取均采用的是经验值或参考值，这就使计算结果不够精确，另外有些计算是为了方便计算或受实际情况的限制不能进行考察，忽略或省略了某些因素，这些对设计的结果都产生一定的影响。总而言之，由于自身能力有限，设计难免有些不足。但通过这次设计，我的各方面能力都有了一定程度的提高，特别是查阅、选择、计算、设计、以及表述等方面。并且巩固了所学化工原理知识及与其相关知识，使得所学的理论知识和实际设计联系了起来。这对我的学习和工作都是大有益处的。参考文献 1.李德华.化学工程基础M.北京：化学工业出版社，2007.7 2.王国胜.化工原理课程设计M.大连：大连理工大学出版社，2006.8 3.于健良.化工设备机械基础M.大连：大连理工大学出版社，2009.7 4.申迎华，郝晓刚.化工原理课程设计M.北京：化学工业出版社，2009.5 5.匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社，2007.10
