1 化工工藝與設備課程設計 精餾塔設計 2 第一部分前言 一 課程設計的目的運用已經學過的各門課程的知識 特別是 化工原理 進行化工單元設備中常見設備 精餾塔的設計 達到以下幾方面目的 培養學生綜合運用所學知識 查閱化工資料獲取有關知識和數據 進行化工設備初步設計的能力 培養學生獨立工作及發現問題 分析問題 解決問題的綜合能力 提高計算能力 培養工程實際觀念 深入了解化工設備的內部結構 掌握板式精餾塔的各主要部件的結構及作用 培養學生認真的學風和工作作風 3 二 課程設計的任務 1 已知條件 分離對象 乙醇和水混合物分離 處理量 XXXX噸 年 XXXX 學號后三位 1000 如 學號110130085 處理量為8 5萬噸 年原料組成 例如 乙醇45 體積 進料狀態 泡點 產品要求 例如 塔頂產品含乙醇93 回收率99 塔頂壓力 1 03atm 絕對壓強 4 2 設計任務 工藝設計產品組成 xD xW 通過物料衡算 操作條件 TD PD TW PW回流比 最小回流比 Rm 操作回流比 R塔板數 提餾段板數 精餾段板數塔徑 D熱負荷 冷凝器和再沸器熱負荷 2 塔板設計 填料塔 篩板塔 浮閥塔 泡罩塔各班隨機抽選 或自主分配 班與班之間不許重復 3 塔板設計 溢流裝置 塔板布置 流體力學校核 4 輔助設備選用 冷凝器的選用與校核 再沸器的選用 5 3 需要上交的材料 設計說明書 主要包括 和設計工藝說明書 設計說明書 按學校畢業設計格式要求 含以下內容 工藝設計 物料和能量計算 塔板設計 塔的輔助設備選用 計算結果匯總表 結果與討論 2 帶控制點的工藝流程 A2 3 計算草稿 6 三 日程安排 2014年9月1日 10月17日共六周 10月17日交說明書 其中 熟悉流程 查閱文獻 第一周 工藝計算 第二周 塔板設計 第三周 附屬設備選用 第四周 繪圖 第五周 整理說明書 第六周 注意 時間很充裕 可能不按此時間進度要求 提前完成早完成早自由 7 四 課程設計過程注意問題 認真閱讀教材 草擬進度表 擬定設計的方法和步驟 計算過程中要隨時復核計算結果的正確性 做到有錯即改 避免大的返工 要求來教室進行設計 每天簽到與檢查進度 8 五 參考資料 9 第二部分工藝計算設計要點 物料衡算塔頂和塔底溫度和壓力的確定冷凝器及再沸器熱負荷的確定關于混合物物性參數的計算關于回流比的選擇全塔效率的計算部分物性數據 10 一 物料平衡 二 塔頂壓力 溫度的確定 1 回流罐凝液溫度的初步確定回流罐冷凝液的溫度 即塔頂產品溫度 由冷卻介質的溫度決定 當用水作為冷卻介質時 水溫 25 30 凝液溫度可取40 50 保證冷凝器要有10 20 溫度的傳熱溫差 但要注意水的出口不高于50 1 目的 計算塔頂 塔底產品組成和產品量 2 方法 對于兩組分精餾 根據塔頂 塔底產品濃度要求 通過物料平衡計算即可求出塔頂 塔底產品組成 對于多組份體系 先假定清晰分割 再進行物料平衡計算 注 濃度或組成有效數字位數 一般取小數點后4位 11 回流比的確定 原則 先確定Rmin 再根據各種經濟因素確定適宜的R 繪圖法 或逐板計算法 2 求理論板數的簡捷法 12 若輕 重關鍵組分為相鄰組分 僅有一個 和Rmin值 若在輕 重關鍵組分之間還有k個其它組分 則有k 1個 和Rmin值 可取其平均值作為設計時的最小回流比 應用恩德伍德公式的條件 1 塔內汽 液相為恒摩爾流 2 各組分的相對揮發度為常數 方法 將多組分精餾過程簡化為輕 重關鍵組分的雙組分精餾過程 其計算過程與雙組分精餾基本相同 基本關系式 芬斯克方程 恩德伍德方程和吉利蘭關聯圖 P284 理論板數的簡捷計算法 13 2 回流罐壓力的初步計算用泡點方程計算回流罐的壓力 常壓或減壓時 用Antonine 安托因 方程計算3 回流罐壓力的確定 1 計算值大于101 3kPa時 采用加壓操作 2 計算值小于101 3kPa時 采用常壓或減壓操作 4 塔頂壓力的確定 回流罐的壓力加上管線阻力即為塔頂壓力 管線阻力可取0 1 0 2atm 減壓塔可取25mmHg左右 14 5 塔頂溫度的確定在塔頂壓力下計算塔頂產品的露點溫度即為塔頂溫度 6 塔底壓力的確定塔底壓力等于塔頂壓力加上全塔壓降 常 加壓塔的每板壓降可取 3 6mmHg 減壓塔的每板壓降可取 2 3mmHg 7 塔底溫度的確定在塔底壓力下 塔底產品的泡點溫度即為塔底產品的溫度 15 三 冷凝器及再沸器熱負荷的確定 1 冷凝器熱負荷的計算 冷凝器的熱負荷是塔頂飽和蒸汽從露點氣相冷凝為泡點液相所放出的熱量 可用以下辦法計算 露點氣相 Td 泡點液相 Tb 液相 Td Qc HV HL Cp Td Tb Qc Hv HL 16 2 再沸器熱負荷的計算 再沸器的熱負荷是塔底液相部分汽化成飽和蒸汽所吸收的熱量 蒸汽的量就是塔內氣相流量 可用全塔熱平衡計算 QB FHF DHLD WHLW QC Q損 QB DHLD WHLW QC Q損 FHFQ損 5 QB或近似由下式計算QB V w HV W HLW 17 四 關于混合物物性參數的計算 混合物的分子量 密度 粘度 表面張力等參數參考圖表集的計算方法計算 五 回流比及理論板的計算 首先用Underwood公式求最小回流比Rmin 再由芬斯克公式求 或用繪圖法數出 最小理論板數Nmin 然后再由吉利蘭圖求不同R下的N 最后通過下式作圖 在N R 1 最小處即為適宜回流比 同時得到理論板數 一般取1 5 3 18 七 全塔效率的計算 建議采用奧 康奈爾法 應用條件 注意 混合物粘度用進料溫度 進料總組成下液體粘度 單位cP 19 已經確定塔頂溫度TD假定塔底溫度TW 計算各組分相對揮發度 計算理論塔板數 計算塔板效率 計算實際板數 假設每板壓降計算塔底壓力 計算塔底溫度 TW TW TW 是 計算結束 否 重設TW 八 塔底溫度 壓力 理論板數的迭代計算 減壓塔或常壓塔 由平均溫度求得各組份的飽和蒸氣壓再求相對揮發度 加壓塔 先由塔底溫度求得塔底壓力 再求平均塔壓 由塔平均壓力和溫度求Ki 再求相對揮發度 20 表1分子量 沸點及臨界數據 九 部分物性數據 表2飽和蒸氣壓 表3液體的密度 表4液體的表面張力 21 表4液體的表面張力 溫度與表面張力的關系 表5液體的汽化潛熱 其中 Tr Trb分別為溫度T和常壓沸點溫度Tb時的對比溫度 汽化潛熱與溫度的關系 22 表6各組分的Antoine常數 表7液體的平均比熱 23 第三部分塔板尺寸設計要點 板間距HT的選定塔徑的計算標準的選用塔板開孔率 填料 的計算標準塔板的選取浮閥塔板的流體力學計算塔板結構精餾塔設計框圖 24 一 塔板間距HT的選定 選擇塔板間距時 主要考慮以下因素霧沫夾帶物料的起泡性操作彈性安裝與檢修的要求塔徑 表1塔板間距與塔徑的關系 25 塔徑公式計算 計算空塔氣氣速 u 應注意以下事項 二 塔徑的計算 空塔氣速的經驗計算公式很多 可根據經驗公式的使用條件進行選擇 推薦使用比較普遍的史密斯和波津方法 取兩法計算的較大直徑 精餾段與提餾段應分別計算 如兩段塔徑相差不多 可采用同一塔徑 26 五 標準塔板的選取 當已知塔徑和開孔率 可以從附表十 單溢流浮閥塔板標準系列參數表 選取浮閥塔板的參數 注意要選擇和計算開孔率相近的標準塔板 從標準浮閥塔板中可得到浮閥塔板的如下參數 塔截面積 AT 降液管堰長 堰寬 浮閥個數 排列方式 出口堰高度等 27 對精餾段和提餾段進行水力學校核 繪出塔板負荷性能圖 六 塔板水力學校核 1 塔板壓降 hp不高于6mmHg 常壓或加壓塔 減壓塔不高于3mmHg2 霧沫夾帶量 阿列克山德羅夫經驗公式及泛點率分別核算降液管內液面高度Hd 漏液 Fo Foa5 液體在降液管內停留時間及流速 28 塔板的負荷性能圖繪制 過量霧沫夾帶線 淹塔線 液泛線 過量泄漏線 氣相負荷下限線 降液管超負荷線 液相負荷上限線 液相負荷下限線 操作線 Origin繪制塔板負荷性能圖 并計算塔的操作彈性K 要求K不小于3 根據塔板的流體力學計算結果和塔板的負荷性能圖 分析討論所設計塔板的特點及優缺點 29 塔板有整塊式和分塊式兩種類型 當塔直徑小于800mm時 一般將塔板加工成整塊式 當塔直徑大于800mm 一般將塔板加工成分塊式 分塊式塔板由兩塊弓形板 一塊通道板和數個矩形板構成 七 塔板結構 30 第四部分塔輔助設備的選用與校核 塔頂冷凝器的選用與校核塔頂再沸器的選用 31 一 塔頂冷凝器的選用與校核 32 二 塔底再沸器的選用 選用塔底再沸器的主要步驟如下 根據塔釜溫度和熱源溫度計算換熱平均溫差tm 初步選取換熱總傳熱系數K用QW AK tm計算換熱面積A查表選取標準換熱器 得到換熱器的基本參數 33 第五部分塔體的初步設計 一 塔體設計 筒體 建議采用碳鋼 筒體的壁厚根據塔徑 材料 操作溫度及壓力從表3 1中選取 封頭的設計 常用的有橢圓形 蝶形 球形等幾種 建議采用橢圓形封頭 參照表3 2和附錄11 34 人孔及手孔的設計直徑大于或等于800mm的塔 每隔6 8塊塔板設一個人孔 塔頂 塔底及進料處必須設置人孔 最常用的人孔規格為Dg450 凡有人孔的地方 塔板間距要等于或大于600mm 35 塔高 塔頂空間HD由塔頂第一板到筒體與封頭接線距離 不包括封頭空間 稱塔頂空間 通常取HD 1 2 1 5m 塔底空間HB由塔底第一板到塔底封頭接線距離稱塔底空間 取產品停留時間 10 15min 排量大 取3 5min 計算結果再加上1 2m作為塔底空間 即 36 進料空間HF液相進料 HF大于一般板間距并滿足安裝人孔需要即可兩相進料 則HF要取得大些 以利于進料兩相的分離 一般可取 HF 1 0 1 2m 塔的總高H 裙座 塔類的裙座分為圓柱形與圓錐形 當塔高與塔徑之比大于30時用圓錐形裙座 一般用圓筒形裙座 塔徑為1 2 2m塔裙座開4個 50mm的排氣孔 塔徑在1m以上要開兩個Dg450的人孔 圖3 4 a 37 二 接管的設計 塔頂蒸汽出口管徑dv 原則 避免過大的壓力降 特別是減壓塔 查標準 選擇導管中蒸汽的常用速度uv 計算管徑dv 查標準 取接管的標準系列 回流管管徑dR 一般回流泵輸送時 可取uR 1 5 2 5m s 計算回流管管徑dR 并選取標準系列 38 進料管管徑dF 液相進料采用泵送時可取uF 1 5 2 5m s 標準系列查表 若為氣液混相進料 則只用氣相流量計算管徑 但允許氣速應為經驗氣速的倍 39 一般可取出料管速度uw 0 5 1 5m s 一次通過式再沸器取0 5 1 0m s 先求塔底出料的體積流率 則 塔底出料管徑dw 塔底至再沸器連接管管徑dL 一次通過式再沸器 接管內速度取uL 1 1 5m s 液相流量為提餾段的液相負荷 40 罐式再沸器返塔是蒸汽部分 其流量為提餾段蒸汽負荷 熱虹吸式再沸器 返塔的既有氣相也有液相 一次通過式 蒸汽量為提餾段汽相負荷 液相量為塔底產品量W 循環式 其液相量由循環比決定 熱虹吸式再沸器返塔管徑估算與兩相進料的方法同 即 選取經驗氣速u 求允許氣速 求得聯接管管徑 選取標準系列 再沸器返塔聯接管管徑db 注 綜合以上計算結果 列出各接管匯總表 41 第六部分編制計算結果匯總表 將計算和設計的結果 如塔頂壓力 塔底壓力 塔板數據 塔高等 匯總 編制計算結果匯總表 42 幾點說明 說明書的符合校畢業論文要求 對于不常用的數據和公式要注明來源 對于試差求解的要說明試差過程 計算示例 列表 公式圖表要注明序號 編寫目錄和頁碼 裝訂成冊上交 43 附錄 44 假定 塔底