化工原理課程設計說明書板式精餾塔設計

1、前言化工生產中所處理的原料，中間產物，粗產品幾乎都是由若干組分組成的混合物，而且其中大部分都是均相物質。生產中為了滿足儲存，運輸，加工和使用的需求，時常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質。 精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)得到廣泛應用。精餾過程在能量計的驅動下，使氣，液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各相分揮發(fā)度的不同，使揮發(fā)組分由液相向氣相轉移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉移。實現原料混合物中各組成分離該過程是同時進行傳質傳熱的過程。本次設計任務為設計一定處理量的分離四氯化碳和二硫化碳混合物精餾塔。板式精餾塔也是很早出現的一種板式塔，20世

2、紀50年代起對板式精餾塔進行了大量工業(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計方法。與泡罩塔相比，板式精餾塔具有下列優(yōu)點：生產能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且結構簡單，塔盤造價減少40%左右，安裝，維修都較容易。化工原理課程設計是培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧；掌握各種結果的校核，能畫出工藝流程、塔板結構等圖形。在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產上的安全性、經濟合理性。在設計過程中應考慮到設計的業(yè)精餾塔具有較大的生產能力滿

3、足工藝要求，另外還要有一定的潛力。節(jié)省能源，綜合利用余熱。經濟合理，冷卻水進出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量。另一方面影響到所需傳熱面積的大小。即對操作費用和設備費用均有影響，因此設計是否合理的利用熱能r等直接關系到生產過程的經濟問題。本課程設計的主要內容是過程的物料衡算，工藝計算，結構設計和校核?！揪s塔設計任務書】一 設計題目 精餾塔及其主要附屬設備設計二 工藝條件生產能力：10噸每小時（料液）年工作日：自定原料組成：34%的二硫化碳和66%的四氯化碳（摩爾分率，下同）產品組成：餾出液 97%的二硫化碳，釜液5%的二硫化碳操作壓力：塔頂壓強為常壓進料溫度：58進料狀況：自定加熱方式：

4、直接蒸汽加熱回流比： 自選三 設計內容1 確定精餾裝置流程;2 工藝參數的確定基礎數據的查取及估算，工藝過程的物料衡算及熱量衡算，理論塔板數，塔板效率，實際塔板數等。3 主要設備的工藝尺寸計算板間距，塔徑，塔高，溢流裝置，塔盤布置等。4 流體力學計算流體力學驗算，操作負荷性能圖及操作彈性。5 主要附屬設備設計計算及選型四 設計結果總匯將精餾塔的工藝設計計算的結果列在精餾塔的工藝設計計算結果總表中。五 參考文獻 列出在本次設計過程中所用到的文獻名稱、作者、出版社、出版日期。流程的設計及說明圖1 板式精餾塔的工藝流程簡圖工藝流程：如圖1所示。原料液由高位槽經過預熱器預熱后進入精餾塔內。操作時連續(xù)的

5、從再沸器中取出部分液體作為塔底產品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經過冷凝器后被送出作為塔頂產品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設置原料槽。產品槽和相應的泵,有時還要設置高位槽。為了便于了解操作中的情況及時發(fā)現問題和采取相應的措施，常在流程中的適當位置設置必要的儀表。比如流量計、溫度計和壓力表等，以測量物流的各項參數?！疽阎獏怠?主要基礎數據:表1 二硫化碳和四氯化碳的物理性質項目分子式分子量沸點()密度二硫化碳7646.5

6、1.2601.595四氯化碳15476.8表2 液體的表面加力 (單位:mn/m)溫度46.55876.5二硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2表3 常壓下的二硫化碳和四氯化碳的氣液平衡數據液相中二硫化碳摩爾分率x氣相中二硫化碳摩爾分率y液相中二硫化碳摩爾分率x氣相中二硫化碳摩爾分率y00.02960.06150.11060.14350.258000.08230.15550.26600.33250.49500.39080.53180.66300.75740.86041.00.63400.74700.82900.87900.93201.0【設計計算】一、精餾流程的確定

7、二硫化碳和四氯化碳的混合液體經過預熱到一定的溫度時送入到精餾塔，塔頂上升蒸氣采用全凝器冷若冰霜凝后，一部分作為回流，其余的為塔頂產品經冷卻后送到貯中，塔釜采用間接蒸氣再沸器供熱，塔底產品經冷卻后送入貯槽。流程圖如圖1所示。二、塔的物料衡算(一)、料液及塔頂塔底產品含二硫化碳的質量分率（二）、平均分子量（三）、物料衡算每小時處理摩爾量總物料衡算易揮發(fā)組分物料衡算聯立以上三式可得：三、塔板數的確定（一）理論板nt的求法用圖解法求理論板（1） 根據二硫化碳和四氯化碳的氣液平衡數據作出y-x圖,如圖2所示（2） 進料熱狀況參數 q （3） q線方程圖2 二硫化碳、四氯化碳的y-x圖及圖解理論板（4）

8、最小回流比及操作回流比r依公式取操作回流比精餾段操作線方程按常規(guī)m,t，在圖(1)上作圖解得：（不包括塔釜），其中精餾段為5層，提餾段為3.5層.圖2 二硫化碳、四氯化碳的y-x圖及圖解理論板(二) 全塔效率塔內的平均溫度為,該溫度下的平均粘度故:(三) 實際板數n精餾段:提餾段:四：塔工藝條件及物性數據計算(一) 操作壓強的計算pm塔頂壓強pd=4+101.3=105.3kpa取每層塔板壓降p=1.0kpa 則：進料板壓強：pf=105.3+101.0=113.7kpa塔釜壓強：pw=105.3+90.7=121.3kpa精餾段平均操作壓強：pm=109.5 kpa 提餾段平均操作壓強：pm

9、 = =116.8kpa.(二) 操作溫度的計算 近似取塔頂溫度為46.5,進料溫度為58,塔釜溫度為76 精餾段平均溫度 提餾段平均溫度 (三) 平均摩爾質量計算塔頂摩爾質量的計算：由xd=y1=0.97查平衡曲線,得x1=0.927 ；進料摩爾質量的計算：由平衡曲線查的： yf=0.582 xf=0.388； ； ；塔釜摩爾質量的計算：由平衡曲線查的：xw=0.05 =0.127 精餾段平均摩爾質量：；提餾段平均摩爾質量：；（四) 平均密度計算：m 1、液相密度：塔頂部分 依下式： （為質量分率）；其中=0.941,=0.059； 即：； 進料板處：由加料板液相組成：由xf=0.34 得=

10、0.203； ； 塔釜處液相組成：由xw=0.05 得=0.0253； ； 故 精餾段平均液相密度：； 提餾段的平均液相密度： ；2、氣相密度： 精餾段的平均氣相密度 提餾段的平均氣相密度 （五）液體平均表面張力 的計算 液相平均表面張力依下式計算，及 塔頂液相平均表面張力的計算 由=45.5查手冊得： ； ； ； 進料液相平均表面張力的計算 由=58查手冊得： ； ； ； 塔釜液相平均表面張力的計算 由=97.33查手冊得： ； ； 則： 精餾段液相平均表面張力為： 提餾段液相平均表面張力為： （六）液體平均粘度的計算 液相平均粘度依下式計算，即； 塔頂液相平均粘度的計算，由由=46.5查手

11、冊得： ； ； ； 進料板液相平均粘度的計算：由=58手冊得： ； ； ； 塔釜液相平均粘度的計算： 由=76.8查手冊得： ； ； ；五、精餾塔氣液負荷計算 精餾段：v=(r+1) = l=rd= lh=36000.0023=8.28 提餾段：； ； ； ； ；六、塔和塔板的主要工藝尺寸的計算（一）塔徑d 參考下表 初選板間距ht=0.40m,取板上液層高度hl=0.07m 故： 精餾段：ht-hl=0.40-0.07=0.3 查圖表=0.078；依公式； 取安全系數為0.7，則： u=0.7=0.72.14=1.047m/s 故：； 按標準，塔徑圓整為1.m,則空塔氣速為 塔的橫截面積 提

12、餾段： ；查圖=0.068；依公式：； 取安全系數為0.70，；為了使得整體的美觀及加工工藝的簡單易化,在提餾段與精餾段的塔徑相差不大的情況下選擇相同的尺寸;故:d取1.m塔的橫截面積:空塔氣速為板間距取0.4m合適 （二）溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平形受液盤及平形溢流堰，不設進流堰。各計算如下：精餾段： 1、溢流堰長 為0.7d，即：； 2、出口堰高 hw hw=hl-how 由lw/d=0.91/1.=0.7, 查手冊知：e為1.03 依下式得堰上液高度：故：3、 降液管寬度與降液管面積有=0.7查手冊得故：=0.14d=0.14 1.3=0.182m 4、降液管底隙高度取液體通過

13、降液管底隙的流速=0.1m/s 依式計算降液管底隙高度， 即： 提餾段：1、 溢流堰長為0.7，即：；2、 出口堰高 ；由 ，查手冊知e為1.04依下式得堰上液高度：。3、 降液管寬度與降液管面積有=0.7查手冊得故：=0.14d=0.14 1.=0.182m 降液管底隙高度 取液體通過降液管底隙的流速=0.008m/s 依式計算降液管底隙高度 ：即 （三）塔板布置 1、取邊緣區(qū)寬度=0.035m ,安定區(qū)寬度=0.065m 精餾段：依下式計算開孔區(qū)面積 其中 故: 提餾段：依下式計算開孔區(qū)面積 =0.304 其中 （四）篩孔數n與開孔率 取篩孔的孔徑d0為5mm正三角形排列，一般碳鋼的板厚為

14、4mm,取 故孔中心距t=3.5 5.0=17.5mm 依下式計算塔板上篩孔數n ,即 依下式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率，即： （在515%范圍內） 精餾段每層板上的開孔面積為氣孔通過篩孔的氣速提餾段每層板上的開孔面積為氣孔通過篩孔的氣速（五）塔有效高度 精餾段； 提餾段有效高度； 在進料板上方開一人孔，其高為0.8m，一般每68層塔板設一人孔（安裝、檢修用），需經常清洗時每隔34層塊塔板處設一人孔。設人孔處的板間距等于或大于600m。根據此塔人孔設3個。故：精餾塔有效高度七篩板的流體力學驗算(一) 氣體通過篩板壓降相當的液柱高度 1、根據 干板壓降相當的液柱高度2、根據，查干篩孔的流量系數圖精

15、餾段由下式得=提餾段由下式得3、精餾段氣流穿過板上液層壓降相當的液柱高度由圖充氣系數與的關聯圖查取板上液層充氣系數為0.57 則=提餾段氣流穿過板上液層壓降相當的液柱高度由圖充氣系數與的關聯圖查取板上液層充氣系數為0.58 則=3、精餾段克服液體表面張力壓降相當的液柱高度由 =提餾段克服液體表面張力壓降相當的液柱高度由 =故精餾段 單板壓降 =（設計允許值）故提餾段 單板壓降 =（設計允許值）（二）精餾段霧沫夾帶量的驗算 由式= =kg液/kg氣0.1kg液/kg氣 故在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶提餾段霧沫夾帶量的驗算 由式= =kg液/kg氣0.1kg液/kg氣 故在設計負荷下不會發(fā)生過

16、量霧沫夾帶 （三）精餾段漏液的驗算 = =8.6 篩板的穩(wěn)定性系數 故在設計負荷下不會產生過量漏液提餾段漏液的驗算 =8.6 篩板的穩(wěn)定性系數 故在設計負荷下不會產生過量漏液 （四）精餾段液泛驗算 為防止降液管液泛的發(fā)生，應使降液管中清液層高度 由計算 =0.082+0.06+0.00098=0.143m 取=0.5，則=0.5（0.4+0.057）=0.229m 故，在設計負荷下不會發(fā)生液泛提餾段液泛驗算 為防止降液管液泛的發(fā)生，應使降液管中清液層高度 由計算 取=0.5，則 故，在設計負荷下不會發(fā)生液泛八塔板負荷性能圖提餾段(一) 霧沫夾帶線（1） 式中 （a） = 近似取e1.0，=0.

17、057m，=0.91m 故= =0.1425+1.776 （b） 取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知=， =0.4m，并將（a），（b）式代入 得 整理得 = （1） 此為霧沫夾帶線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列于表中表 ls. vs. 2.127 2.039 1.926 1.831 （二）液泛線令 聯立得 近似的取e=1.0, 整理得 (c)取,近似的有故: (d)由式 (e)將,及(c),(d),(e)代入得整理得:此為液泛線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列于表中表ls. vs. 1.855 1.800 1.718 1.6

18、33 （三）液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限 則 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限(四)漏液線（氣相負荷下限線）由=4.4= =- =得 整理得:此為液相負荷上限線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列于表表ls. vs. 2.127 2.039 1.926 1.831 (五)液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層告訴=0.006m，化為最小液體負荷標準, 取e1.0。由=即:0.006=則據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線可知設計供板上限有霧沫夾帶線控制，下限由漏夜線控制精餾段操作彈性=提餾段(一) 霧沫夾帶線（1） 式中 （a） =

19、近似取e1.0，=0.057m，=0.91m 故= =0.136+1.776 （b） 取霧沫夾帶極限值為0.1kg液/kg氣，已知=， =0.4m，并將（a），（b）式代入 得 整理得 = （1） 此為霧沫夾帶線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列于表中。表 ls. vs. 4.097 3.924 3.701 3.514 （二）液泛線令 聯立得 近似的取e=1.0, 整理得 (c)取,近似的有故: (d)由式 (e)將,及(c),(d),(e)代入得整理得:此為液泛線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列表表 ls. vs. 1.604 1.537

20、 1.385 1.151 （三）液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限 則 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限(四)漏液線（氣相負荷下限線）由=4.4= =- =得 整理得:此為液相負荷上限線的關系式，在操作控制范圍內去幾個ls,計算出相應的vs值。列表10中。表10ls. vs. 0.516 0.528 0.543 0.555 (五)液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層告訴=0.006m，化為最小液體負荷標準, 取e1.0。由=即:則據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線可知設計供板上限有霧沫夾帶線控制，下限由漏夜線控制精餾段操作彈性=九、精餾塔的工藝設計計算結果總表

21、 表11精餾塔的工藝設計計算結果總表項目符號單位計算數據精餾段提餾段各段平均壓強109.5116.8各段平均溫度52.2567.25平均流量氣相1.040.956液相0.00230.0028實際塔板數塊129板間距0.40.4塔的有效高度4.43.2塔徑1.41.4空塔氣速0.780.72塔板溢流形式單流型單流型溢流裝置溢流管型式弓形弓形堰長0.910.91堰高0.0570.054溢流堰寬度0.1820.182管底與受液盤距離0.0250.030板上清液層高度0.070.07孔徑5.05.0孔間距17.517.5孔數個34603460開孔面積0.06860.066篩孔氣速15.1615.16塔

22、板壓降0.970.99液體在降液管中停留時間18.518.5降液管內清液層高度0.1430.162霧沫夾帶0.00150.0239負荷上限霧沫夾帶控制霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制漏液控制氣相最大負荷1.2431.252氣相最小負荷0.5240.525操作彈性2.3722.385十、精餾塔的的附屬設備及接管尺寸(一) 塔體結構、塔高根據實際的工作經驗，及相似條件下的精餾塔的相關參數的選擇。已知全塔板間距，可選擇塔頂空間。塔底空間。全塔共有21塊塔板，考慮清理和維修的需要，選擇全塔的人孔數為4個，在進料板上方開一人孔，人孔的直徑選擇為500mm，其伸出勞動塔體的長度為220mm。塔高全塔的板間距相同，則上式可化為：、塔體壁厚（二） 塔板結構出于對勞動塔安裝、維修、剛度等方面的考慮