化工原理課程設(shè)計簡易步驟

1、化工原理課程設(shè)計說明書設(shè)計題目 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 學(xué) 院 專業(yè)班級 完成時間 目 錄1. 設(shè)計任務(wù)書（ ）2. 設(shè)計方案的確定與工藝流程的說明（ ）3. 精餾塔的物料衡算（ ）4. 塔板數(shù)的確定 （ ）5. 精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算（ ）6. 精餾段的汽液負(fù)荷計算（ ）7. 精餾段塔體主要工藝尺寸的計算 （ ）8. 精餾段塔板主要工藝尺寸的計算（ ）9. 精餾段塔高的計算 （ ）10. 精餾段塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算（ ）11. 精餾段塔板的汽液負(fù)荷性能圖（ ）12. 精餾段計算結(jié)果匯總 （ ）13. 設(shè)計評述 （ ）14. 參考文獻(xiàn)（ ）15. 附件（ ）附件1：附圖1精餾工藝流程

2、圖 （ ）附件2：附圖2降液管參數(shù)圖（ ）附件3：附圖3塔板布孔圖（ ） 板式塔設(shè)計簡易步驟一、 設(shè)計方案的確定及工藝流程的說明對塔型板型、工藝流程、加料狀態(tài)、塔頂蒸汽冷凝方式、塔釜加熱方式等進(jìn)行說明，并繪制工藝流程圖。（圖可附在后面）二、 精餾塔物料衡算：見教材P270計算出F、D、W，單位：kmol/h三、 塔板數(shù)的確定1. 汽液相平衡數(shù)據(jù)：查資料或計算確定相平衡數(shù)據(jù)，并繪制t-x-y圖。2. 確定回流比：先求出最小回流比：P266。再確定適宜回流比：P268。3. 確定理論板數(shù)逐板法或梯級圖解法（塔頂采用全凝器）計算理論板層數(shù)，并確定加料板位置：P257-258。（逐板法需先計算相對揮發(fā)

3、度）確定精餾段理論板數(shù)N1、提餾段理論板數(shù)N24. 確定實(shí)際板數(shù)：估算塔板效率：P285。（需知全塔平均溫度，可由 t-x-y圖確定塔頂、塔底溫度，或通過試差確定塔頂、塔底溫度，再取算術(shù)平均值。需知相對揮發(fā)度，可由安托因方程求平均溫度下的飽和蒸汽壓，再按理想溶液計算。）由塔板效率計算精餾段、提餾段的實(shí)際板層數(shù)N1,N2：P284式6-67。四、 精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1. 操作壓力：取2. 精餾段平均溫度：查t-x-y圖確定塔頂、進(jìn)料板溫度，再取平均值?；蛴膳蔹c(diǎn)方程試差法確定塔頂、進(jìn)料板溫度。3. 平均摩爾質(zhì)量MVm、MLm：由P8式0-27分別計算塔頂、進(jìn)料板處的摩爾質(zhì)量，再

4、分別取兩處的算術(shù)平均值。汽相的摩爾分率查t-x-y圖。4. 平均密度、： ：用P13式1-7分別計算塔頂、進(jìn)料板處液相密度，再取算術(shù)平均值。5. 液體表面張力：由分別計算塔頂與進(jìn)料板，再取平均值。6. 液體粘度：與表面張力的計算類似。五、 精餾段汽液負(fù)荷（Vs、s）計算V=（R+1）D L=RD 同時計算Vh、Lh。冷凝器的熱負(fù)荷：(本設(shè)計不要求計算)六、 精餾段主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算(一) 板間距HT的初估。板間距初估是為了估算塔徑，在P286表6-8初選。(二) 塔徑的初估與圓整 P2861. 液泛速度。2. 塔徑：計算，并圓整，再按P286表6-5，檢驗(yàn)塔徑是否合適。3. 實(shí)際操作氣速。

5、七、 塔板工藝尺寸的計算（一）溢流裝置:說明采用何種形式的溢流堰、降液管、受液盤。（以下為選擇依據(jù)：）1.降液管：降液管有圓形與弓形兩類。通常，圓形降液管只用于小直徑塔，而弓形降液管由部分塔壁和一塊夾板圍成，它能充分利用塔內(nèi)空間，普遍用于直徑較大、負(fù)荷較大的塔板。2.溢流方式： 溢流方式與降液管的布置有關(guān)。常用的降液管布置方式有U型流、單溢流、雙溢流及階梯式雙溢流等。常選擇的為單流型和雙流型P281?？梢老卤磉M(jìn)行選擇。3.溢流堰的形式：有平直形和齒形兩種。一般選擇平型。4）受液盤: 受液盤有平受液盤和凹形受液盤兩種形式，如下圖所示。 (a) 平受液盤 (b)凹受液盤 平受液盤一般需在塔板上設(shè)置

6、進(jìn)口堰，以保證降液管的液封，并使液體在板上分布均勻。但設(shè)置進(jìn)口堰既占用板面，又易使沉淀物淤積此處造成阻塞，因此可不設(shè)進(jìn)口堰。采用凹形受液盤不需設(shè)置進(jìn)口堰。凹形受液盤既可在低液量時能形成良好的液封，又有改變液體流向的緩沖作用，并便于液體從側(cè)線的抽出。對于600mm 以上的塔，多采用凹形受液盤。凹形受液盤的深度一般在50 mm以上，有側(cè)線采出時宜取深些。凹形受液盤不適于易聚合及有懸浮固體的情況，因易造成死角而堵塞。3.溢流裝置的設(shè)計計算 1）堰長lw：參見P281 堰長lW應(yīng)由液體負(fù)荷及溢流型式而定。對于常用的弓形降液管：單溢流取lW= （0.60.8）D 其中D為塔徑，m。雙流型塔板，兩側(cè)堰長取

7、為塔徑的0.50.7倍。并保證堰上溢流強(qiáng)度，滿足篩板塔的堰上溢流強(qiáng)度要求。2）堰上液層高度how: 太小，堰上的液體均布差，太大則塔板壓強(qiáng)增大，物沫夾帶增加。對于平直堰，堰上液層高度how可用弗朗西斯（Francis）經(jīng)驗(yàn)公式求算：式中：Ls塔內(nèi)液體流量，m3/h；lw堰長，m；E液流收縮系數(shù)。液流收縮系數(shù)E，可由液流收縮系數(shù)計算圖查取。一般情況下可取E=1，所引起的誤差對計算結(jié)果影響不大。平直堰，一般how0.006m，若低于此值，改用齒形堰。How也不宜超過0.060.07m，否則改用雙溢流型塔板。3）出口堰高h(yuǎn)w：堰高h(yuǎn)w需根據(jù)工藝條件與操作要求確定。設(shè)計時，一般應(yīng)保持塔板上清液層高度在

8、50100mm。計算公式： 式中：hL板上液層高度，在50100mm內(nèi)取值，m；how堰上液層高度，m。 堰高一般在0.030.05m范圍內(nèi)，對于減壓塔的hw值應(yīng)較低，以降低塔板的壓降。堰高還要考慮降液管底端的液封，一般應(yīng)使堰高在降液管底端0.006m以上，大塔徑相應(yīng)增大此值。若堰高不能滿足液封要求時，可設(shè)進(jìn)口堰。在求出how后，檢驗(yàn)堰高是否在下式范圍：4）弓形降液管寬度Wd與截面積Af:可根據(jù)查由下圖查得。( 圖中AT為塔橫截面積。 ) 按P306 式6-65驗(yàn)算停留時間。即 若不能滿足上式要求，應(yīng)調(diào)整降液管尺寸或板間距，直至滿足要求為止。5）降液管底隙高度h0 :降液管底隙高度h0應(yīng)低于出

9、口堰高度hw，才能保證降液管底端有良好的液封，一般取為： ，m降液管底隙高度一般也不宜小于2025mm，否則易于堵塞，或因安裝偏差而使液流不暢，造成液泛。在設(shè)計中，塔徑較小時可取h0為2530mm，塔徑較大時可取h0為40mm左右，最大可達(dá)150mm。降液管底隙高度h0也可用下式計算：式中：LS塔內(nèi)液體流量，m3/s； u0液體通過降液管底隙的流速，m/s；一般可取u0=0.070.25m/s。(二) 塔板布置 1.邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度塔板通常分為四個區(qū)：即邊緣區(qū)、安定區(qū)、溢流區(qū)、開孔區(qū)。確定邊緣區(qū)寬度：在靠近塔壁的一圈邊緣區(qū)域供支持塔板的邊梁之用，稱為無效區(qū)，也稱邊緣區(qū)。其寬度Wc視塔板的

10、支承需要而定，小塔一般為3076 mm，大塔一般為5075 mm。為防止液體經(jīng)無效區(qū)流過而產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔壁設(shè)置擋板。確定安定區(qū)寬度：開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域稱為安定區(qū)，也稱為破沫區(qū)。溢流堰前的安定區(qū)寬度為Ws，其作用是在液體進(jìn)入降液管之前有一段不鼓泡的安定地帶，以免液體大量夾帶氣泡進(jìn)入降液管；安定區(qū)的寬度可按下述范圍選取，即：溢流堰前的安定區(qū)寬度 Ws=70100 mm 。對小直徑的塔(Dl m)，因塔板面積小，安定區(qū)要相應(yīng)減小。溢流區(qū)為降液管及受液盤所占的區(qū)域，其中降液管所占面積以Af表示，受液盤所占面積以Af表示。2.計算開孔區(qū)面積： 對單溢流型塔板，開孔區(qū)面積可用下式

11、計算，即 式中 ,m；,m； 為以角度表示的反正弦函數(shù)。 對雙流型塔板，請查資料。3. 開孔數(shù)及篩孔排列 （浮閥塔板）：閥孔直徑： 閥孔直徑由所選浮閥的型號決定，如常用的F1型浮閥的閥孔直徑為39mm。 閥孔數(shù)：閥孔數(shù)n取決于操作時的閥孔氣速u0，而u0由閥孔動能因數(shù)F0決定。 式中uo孔速，m/s; V氣相密度，kg/m3； F0閥孔的動能因子，一般取811(苯-甲苯體系取9-13)，對于不同的工藝條件，也可適當(dāng)調(diào)整。 閥孔數(shù)n的計算： 式中 n閥孔數(shù)；V氣相流量，m3 /s；d0閥孔孔徑，m。由所選浮閥的型號決定。閥孔的排列：閥孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。正三角形排列又有順

12、排和叉排兩種方式（見下圖)。采用叉排時，相鄰兩閥吹出的氣流攪動液層的作用比順排明顯，而且相鄰兩閥容易被吹開，液面梯度較小，鼓泡均勻，所以采用叉排更好。 在整塊式塔板中，閥孔一般按正三角形排列，其孔心距t有75mm，100mm，125mm，150mm等幾種。 在分塊式塔板中，閥孔也可按等腰三角形排列，三角形的底邊t固定為75mm，三角形高h(yuǎn)（即排間距）有65mm，70mm，80mm，90mm，l00mm，110mm幾種，必要時還可以調(diào)整。按等腰三角形排列時： 按正三角形排列時： 式中 h等腰三角形的高，m； Aa開孔鼓泡區(qū)面積，m2； t等腰三角形的底邊長，m，一般取為0.075m； A0閥孔總

13、面積，； t 正三角形的孔心距，m。 估算后要根據(jù)實(shí)際排間距核算實(shí)際閥孔數(shù)。根據(jù)實(shí)際閥孔數(shù)校核孔速及閥孔動能因數(shù)。和塔板開孔率。塔板上閥孔的開孔率指閥孔面積與塔截面之比。即 。一般開孔率大，塔板壓降低，霧沫夾帶量少，但操作彈性小，漏液量大，板效率低，最好為6%-9%。八、 精餾段塔高（精餾段）： 九、 精餾段塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算1 塔板壓降：塔板壓降計算式為：，即要驗(yàn)算：是否小于設(shè)計規(guī)定的0.7kPa。其中hp的計算： 式中：hp與氣體通過一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；hc與氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；hl與氣體克服板上充氣液層的靜壓強(qiáng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?/p>

14、，m；h與氣體克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m。1）hC的計算：將浮閥達(dá)到全開時的閥孔氣速稱之為臨界孔速，以uoc表示。 對于F1重閥（質(zhì)量約33g，閥孔直徑為39mm）干板壓降計算式為： 閥片全開前（uouoc） 閥片全開后（uouoc） 式中：uo閥孔氣速，m/s；uoc氣體通過閥孔的臨界氣速，m/s。浮閥塔板在浮閥全開前和全開后，壓降隨氣流速度的變化規(guī)律不同，計算時應(yīng)先計算出臨界氣速uoc，以判別用不同公式計算。將上二式聯(lián)立而解出uOC，令 將g = 9.81m/s2代入，解得： 2）hl的計算：受堰高、氣速及溢流強(qiáng)度（單位溢流周邊長度上的液體流量）等因素的影響，關(guān)系較為

15、復(fù)雜，一般用下列經(jīng)驗(yàn)公式計算：式中：hw溢流堰高，m；how堰上液層高度，m；0充氣因數(shù)。充氣因數(shù)0反映板上液層充氣的程度，故稱之為充氣因數(shù)，無因次。當(dāng)液相為水時，0=0.5；液相為油時，0=0.20.35；液相為碳?xì)浠衔飼r，0=0.40.5。3）h的計算： 式中：液體表面張力，N/m；h浮閥開度，m。氣體克服液體表面張力所造成的阻力通常很小，可以忽略不計。（！）2 液泛：液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算中通常對降液管液泛進(jìn)行驗(yàn)算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度Hd。 通常液體中取 Hd（HT+ hw）。Hd的計算：式

16、中：hP氣體通過一塊塔板的壓降，m；hW溢流堰高度，m；hd液體流過降液管的壓強(qiáng)降，m； HT板間距，m；降液管中泡沫層的相對密度，=L/L。L為降液管中泡沫層的平均密度， kg/ m3。對于一般物系，=0.5；對于發(fā)泡嚴(yán)重物系，=0.30.4；對于不易發(fā)泡的物系，=0.60.7。液體流過降液管的壓強(qiáng)降hd可按下述經(jīng)驗(yàn)公式計算： 塔板上不設(shè)進(jìn)口堰時， 塔板上裝有進(jìn)口堰時，（略?。﹉p前已算出，hL為清液層高度前也確定。3 過量霧沫夾帶目前多采用驗(yàn)算泛點(diǎn)率，作為間接判斷霧沫夾帶量的方法。泛點(diǎn)率的意義是指設(shè)計負(fù)荷與泛點(diǎn)負(fù)荷之比，是一種統(tǒng)計的關(guān)聯(lián)值，是廣義地指塔內(nèi)液面的泛濫而導(dǎo)致的效率劇降之點(diǎn)。塔徑

17、大于900mm的塔，F(xiàn)80%；塔徑小于900mm的塔，F(xiàn)70%；對于負(fù)壓操作的塔，F(xiàn)75%，便可保證每千克上升氣體夾帶到上一層塔板的液體量小于0.1公斤，即eV0.1。泛點(diǎn)百分率F可依下式計算。式中：ZL液體橫過塔板流動的行程，對單溢流型塔板，ZL=D-2Wd，m；Ab塔板上的液流面積，對單溢流型塔板：Ab= AT-2Af， m2； AT塔截面積，m2； Af降液管截面積，m2；CF泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)由圖查得； K物性系數(shù)，由下表查取。 4嚴(yán)重漏液對于浮閥塔，漏液量是隨閥重、孔速的增大、開度的減小與板上液層高度的降低而減小。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)閥孔的功能因數(shù)F0=56時，漏液量接近10%，因此取F0=56作

18、為控制漏液量的操作下限。驗(yàn)算時可依下式，求出F0來進(jìn)行判定：但對于采用輕閥的減壓塔，應(yīng)適當(dāng)提高F0的下限值，而對于加壓操作的塔，F(xiàn)0的下限值可低些。如果漏液嚴(yán)重，可以適當(dāng)減小開孔率或降低堰高。十、 精餾段塔板的汽液負(fù)荷性能圖1氣相負(fù)荷下限線對于F1重閥，以閥孔動能因數(shù)F0 = 5作為控制漏液量的操作下限，即得氣相負(fù)荷下限線方程：氣相負(fù)荷下限線為表示出不發(fā)生嚴(yán)重漏液現(xiàn)象的最低氣體負(fù)荷，它是一條與橫軸平行的直線。 2過量霧沫夾帶線對于浮閥塔以霧沫夾帶量eV = 0.1相對應(yīng)的泛點(diǎn)百分率F 作為上限，根據(jù)泛點(diǎn)率公式計算就可畫出過量霧沫夾帶線。計算時，塔徑大于900mm的塔，取F = 0.8；塔徑小于

19、900mm的塔，F(xiàn) = 0.7；對于負(fù)壓操作的塔，F(xiàn) = 0.75。3. 液相負(fù)荷下限線對于平直堰，通常按堰上液層高度h0W = 0.006m作為最小液體負(fù)荷的下限考慮，故液相負(fù)荷下限線方程寫成為：式中：LS液相流量，m3/s；lw溢流堰長，m；E流量收縮系數(shù)，查圖，或可取E=1計算。 液相負(fù)荷下限線表示出為保證板上液體均勻分布的最低液相負(fù)荷。它是一條與縱軸平行的豎直線。4液相負(fù)荷上限線對于浮閥塔以液體在降液管內(nèi)的最小停留時間要求= 5s考慮，其液相負(fù)荷上限線方程可寫成為： 液相負(fù)荷上限線為表示出對液體在降液管內(nèi)停留時間的起碼要求。它亦是一條與縱軸平行的豎直線。5液泛線 取極限值 其中；而；聯(lián)

20、立得忽略h，將h0W與Ls；hd與Ls；hc與Vs的關(guān)系式代入上式，并整理得 關(guān)系式。取點(diǎn)描圖即得液泛線。繪制氣液負(fù)荷性能圖：十一、 精餾段計算匯總表項(xiàng) 目符 號單 位計 算 結(jié) 果平均壓強(qiáng)kPa平均溫度平均流量氣相m3/s液相m3/s實(shí)際塔板數(shù)塊板間距m塔段的有效高度Zm塔徑m空塔氣速m/s塔板液流型式/溢流裝置溢流管型式/堰長m堰高m底隙高度m板上清液層高度m孔徑mm孔間距mm孔數(shù)個開孔面積m2篩孔氣速m/s塔板壓降kPa液體在降液管中的停留時間s降液管內(nèi)清液層高度m霧沫夾帶kg液/kg氣負(fù)荷上限/說明由何控制負(fù)荷下限/說明由何控制氣相最大負(fù)荷m3/s氣相最小負(fù)荷m3/s操作彈性/提餾段重

21、復(fù)四九：（本設(shè)計略）十二、 設(shè)計評述對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評述，或?qū)τ嘘P(guān)問題進(jìn)行分析與討論。參考文獻(xiàn)1. 王志魁. 化工原理，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005年2. （略）篩孔塔板的塔板布置步驟：七（二）塔板布置（篩板塔）篩孔孔徑d0：通常是38mm，現(xiàn)在也有1225mm的大篩孔，推薦46mm。篩板厚度： 篩孔的加工一般采用沖壓法，故確定篩板厚度應(yīng)根據(jù)篩孔直徑的大小，考慮加工的可能性。對于碳鋼塔板，板厚為34 mm，孔徑 d0應(yīng)不小于板厚；對于不銹鋼塔板，板厚為22.5 mm，d0應(yīng)不小于(1.52)。孔心距t：篩孔一般按正三角形排列。孔心距過小，易形成氣流相互擾動，過大則鼓泡不均勻，影響塔板傳質(zhì)效率。

22、若 t/do值過小，開孔過密，塔板強(qiáng)度下降，且氣泡容易碰撞生成大氣泡，傳質(zhì)面積減小，對傳質(zhì)不利。若t/do值過大，板上產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)分布太疏，塔板利用率過低，亦不適宜。一般取t/do=2.55，常用值34。篩孔數(shù)n： t：孔心距，mm。開孔率：通常開孔率為5%15%。驗(yàn)算是否在此范圍?？讛?shù)確定后，在塔板開孔區(qū)內(nèi)布篩孔，數(shù)實(shí)際孔數(shù)。孔數(shù)如果與計算值相差太大，可以調(diào)整孔心距。若布孔數(shù)過多，可在適當(dāng)位置堵孔。按實(shí)際孔數(shù)校核開孔率并計算實(shí)際氣速u0:U0=Vs/A0八、塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算1. 塔板壓降：（可參見譚天恩化工原理P130塔板壓降計算式為：，即要驗(yàn)算：是否小于設(shè)計規(guī)定的0.7kPa。其中hp

23、的計算： 式中：hp與氣體通過一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；hc與氣體克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；hl與氣體克服板上充氣液層的靜壓強(qiáng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；h與氣體克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m。其中：1）氣體通過干板的壓降 式中孔流系數(shù)由查上圖。2）.氣體通過板上液層的壓降式中充氣系數(shù)，反映板上液層的充氣程度，其值從右圖查取，通?？扇?0.50.6。圖中F0為氣相動能因子，其定義式為 kg1/2/(sm1/2)；ua通過有效傳質(zhì)區(qū)的氣速，m/s； AT塔截面積，m2。3）氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降2.霧沫夾帶量的驗(yàn)算驗(yàn)算ev是否小于0.1kg液體/kg氣體。式中：hf塔板上鼓泡層高度，m。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，一般取3.漏液的驗(yàn)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)漏液量小于塔內(nèi)液流量的10%