化工原理課程設(shè)計(jì)——板式精餾塔設(shè)計(jì)

2010年9月化工原理課程設(shè)計(jì)4/7/2023——板式精餾塔設(shè)計(jì)第一部分：化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)第二部分：設(shè)計(jì)方法第三部分：化工塔器CAD設(shè)計(jì)軟件介紹第四部分：設(shè)計(jì)示例

三.設(shè)計(jì)任務(wù)完成精餾塔工藝設(shè)計(jì)，精餾設(shè)備設(shè)計(jì)，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選用，繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。四.設(shè)計(jì)內(nèi)容處理量噸/年進(jìn)料組成35%40%45%50%55%學(xué)號(hào)800003264917398500093452204290000123802284595000174210324810000020451436511.

工藝設(shè)計(jì)

（1）選擇工藝流程和工藝條件a．加料方式b.加料狀態(tài)c.塔頂蒸汽冷凝方式d.塔釜加熱方式e.塔頂塔底產(chǎn)品的出料狀態(tài)塔頂產(chǎn)品由塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻至常溫。

（2）精餾工藝計(jì)算：a.

物料衡算確定各物料流量和組成。b.經(jīng)濟(jì)核算確定適宜的回流比根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)常費(fèi)和設(shè)備投資費(fèi)綜合核算最經(jīng)濟(jì)原則，盡量使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，確定適宜回流比。c.

精餾塔實(shí)際塔板數(shù)用近似后的適宜回流比在計(jì)算機(jī)上通過(guò)逐板計(jì)算得到全塔理論塔板數(shù)以及精餾段和提餾段各自的理論塔板數(shù)。然后根據(jù)全塔效率ET，求得全塔、精餾段、提餾段的實(shí)際塔板數(shù)，確定加料板位置。

2.

精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì)(1)選擇塔型和板型采用板式塔，板型為篩板塔或浮閥塔。(2)塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體力學(xué)計(jì)算(3)繪制塔板負(fù)荷性能圖畫(huà)出精餾段或提餾段某塊的負(fù)荷性能圖。(4)有關(guān)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和塔體附件的選定*接管規(guī)格：根據(jù)流量和流體的性質(zhì)，選取經(jīng)驗(yàn)流速，選擇標(biāo)準(zhǔn)管道。*全塔高度：包括上、下封頭，裙座高度。一.流程和方案的確定1、塔設(shè)備的選擇板式塔和填料塔的比較（例如：浮閥塔的特點(diǎn)）2、蒸餾裝置流程的確定蒸餾裝置包括：精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、塔釜冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備，操作方式（1）操作壓力的選擇（2）進(jìn)料狀態(tài)的選擇（3）加料方式的選擇（預(yù)加熱）（4）回流比的選擇（5）加熱器的選擇（6）冷凝器的選擇塔頂產(chǎn)品（全凝器）和塔釜產(chǎn)品（冷卻器）（7）加料方式的選擇高位槽或泵（8）工藝流程3、正戊烷和正己烷的性質(zhì)、用途等3、物料衡算塔頂產(chǎn)品易揮發(fā)組分回收率η為：η=DxD/FxF式中:F、D、W分別為進(jìn)料、塔頂產(chǎn)品、塔底餾出液的摩爾流量(kmol/h),xF、xD、xW分別為進(jìn)料、塔頂產(chǎn)品、塔底餾出液組成的摩爾分率列表：進(jìn)料、塔頂、塔底產(chǎn)品流量和組成（二）常壓下正戊烷－正己烷混合汽液相平衡關(guān)系A(chǔ)ntoine方程：A、B、C教材附錄1查得用Antonie方程求出附錄2表2.2不同溫度下的正戊烷、正己烷飽和蒸汽壓及相對(duì)揮發(fā)度1、作出x-y相圖（三）塔板數(shù)的確定2、最小回流比及操作回流比2、最小回流比及操作回流比3、理論板數(shù)及加料位置①求精餾塔的汽、液相負(fù)荷②求精餾段、提餾段的操作線方程③作圖求出理論板數(shù)④逐板計(jì)算求理論板數(shù)（四）精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算1、操作壓力塔頂操作壓力=大氣壓+表壓每層塔板壓力=0.7KPa求出進(jìn)料板、塔底壓降、精餾段、提餾段平均壓降。2、操作溫度依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，苯、甲苯的飽和蒸氣壓由Antonie方程計(jì)算。依次求出塔頂溫度、進(jìn)料板溫度、塔底溫度及精餾段、提餾段平均溫度3、平均摩爾質(zhì)量塔頂氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量進(jìn)料板氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量塔底氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量精餾段、提餾段氣液混合物平均摩爾質(zhì)量4、平均密度（1）氣相平均密度注意：精餾段、提餾段分別計(jì)算（2）液相平均密度例：塔頂液相平均密度：tD=查手冊(cè)得ρA、ρB（盧煥章石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)）同理求得：進(jìn)料板、塔底液相平均密度求得：精餾段、提餾段液相平均密度（列表）5、液相平均表面張力塔頂液相平均表面張力：塔頂溫度查教材附錄4：同理求得：進(jìn)料板、塔底液相平均表面張力求得：精餾段、提餾段液相平均表面張力（列表）6、液相平均黏度提餾段（五）精餾塔的塔體工藝計(jì)算1、塔徑的計(jì)算（1）最大空塔氣速和空塔氣速（2）氣體負(fù)荷系數(shù)CC20由smith關(guān)聯(lián)圖求得（3）塔徑精餾段、提餾段分別計(jì)算由上式計(jì)算的塔徑按部頒發(fā)塔盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)圓整，圓整后的塔徑除了滿足板間距和塔徑的關(guān)系外，還須進(jìn)行空塔氣速校核塔截面積：塔截面積：實(shí)際空塔氣速：2、精餾塔有效高度的計(jì)算（1）塔板效率ET“奧康奈爾的精餾塔關(guān)聯(lián)圖“精餾段有效高度：提餾段有效高度：精餾段實(shí)際板數(shù)：提餾段實(shí)際板數(shù)：在進(jìn)料板上方開(kāi)一人孔，高度為0.8m（六）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算（2）降液管（圓形和弓形）①降液管的寬度Wd和截面積Af可根據(jù)堰長(zhǎng)與塔徑比值，查圖求取。

降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管中的停留時(shí)間一般等于或大于3～5秒，對(duì)低發(fā)泡系統(tǒng)可取低值，對(duì)高發(fā)泡系統(tǒng)及高壓操作的塔，停留時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)些。故在求得降液管的截面積之后，應(yīng)按下式驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間，即注意：精餾段與提餾段不同②降液管底隙高度h0為保證良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取為2、塔板布置和浮閥數(shù)目與排列①孔速每一層塔板上的浮閥數(shù)：②邊緣寬度wc在塔壁邊緣留出寬度為WC的區(qū)域，以固定塔板。③安定區(qū)ws在液體入塔處，有一寬度為ws的狹長(zhǎng)帶不開(kāi)孔區(qū)，其作用是防止氣體進(jìn)入降液管或因降液管流出的液流的沖擊而漏液。塔徑小于1.5m的塔塔徑大于1.5m的塔④有效傳質(zhì)面積Aa對(duì)于單流型塔板

以弧度表示的反三角函數(shù)

式中：對(duì)于雙流型塔板

式中：(（為雙溢流中間降液管的寬度)其它符號(hào)與單流型塔板公式同⑤浮閥的排列正三角形排列（小塔）等腰三角形叉排（大塔）⑥核算孔速和閥孔動(dòng)能因數(shù)⑦塔板開(kāi)孔率（七）塔板流體力學(xué)驗(yàn)算1、氣相通過(guò)浮閥塔的壓降塔板流體力學(xué)驗(yàn)算目的是為了檢驗(yàn)以上初算塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸的計(jì)算是否合理，塔板能否正常操作?！?dú)怏w通過(guò)每層塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱—?dú)怏w通過(guò)篩板的干板壓降，m液柱—?dú)怏w通過(guò)板上液層的阻力，m液柱

—克服液體表面張力的阻力，m液柱

①干板阻力ho臨界孔速u(mài)oc②板上充氣液層阻力hl板上充氣液層阻力受堰高、氣速及溢流長(zhǎng)度等因素的影響，一般用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：4/7/2023③表面張力所產(chǎn)生的阻力hσ一般浮閥塔的壓降比篩板塔大，對(duì)常壓和加壓塔，每層浮閥塔壓降為265～530pa，減壓塔約為200pa。2、降液管內(nèi)液體高度（淹塔or液泛）為防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度：式中:

—進(jìn)出口堰之間的液面梯度，m液柱(一般很小，可以忽略)—?dú)怏w通過(guò)一塊塔板的壓降，m液柱

—液體流出降液管的壓降，m液柱可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

無(wú)入口堰:

有入口堰：

如果液體和氣體流動(dòng)所遇阻力增加，降液管中液面上升，當(dāng)超過(guò)上一層塔板的堰頂后，產(chǎn)生液體倒流，即發(fā)生了液泛，因此，需要足夠的降液管高度，或控制適當(dāng)阻力以防液泛的發(fā)生。實(shí)際降液管中液體和泡沫的總高度大于用上式計(jì)算的值。為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過(guò)上層塔板的出口堰。因此:

為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。對(duì)于容易起泡的物系，取0.3～0.4；對(duì)不易起泡的物系，取0.6～0.7；對(duì)于一般物系，取0.5?！彘g距，m3、霧沫夾帶

霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過(guò)多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過(guò)0.1kg，即控制霧沫夾帶量<0.1kg(液)/kg(氣)。泛點(diǎn)百分率：大塔：直徑小于0.9m塔：減壓塔：泛點(diǎn)率：計(jì)算泛點(diǎn)率都在80%以下，（八）塔板負(fù)荷性能圖①霧沫夾帶線計(jì)算出：在操作范圍內(nèi)任取兩個(gè)qv,L,結(jié)果列表。②液泛線由上式確定液泛線在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)qv,L,結(jié)果列表。液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度達(dá)到最大允許值時(shí)的關(guān)系，塔板的適宜操作區(qū)也應(yīng)在此線之下，否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象，破壞塔的正常操作。③液相負(fù)荷上限線

此線反映對(duì)于液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的起碼要求。對(duì)于尺寸已經(jīng)確定的降液管，若液體流量超過(guò)某一限度，使液體在降液管中的停留時(shí)間過(guò)短，則其中氣泡來(lái)不及放出就進(jìn)入下層塔板，造成氣相返混，降底塔板效率。液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時(shí)間不低于3～5s求出上限液體量qV,L，在qV,V-qV,L圖上，液相負(fù)荷上限線是與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線。④漏液線由此式求出氣相負(fù)荷的下限值。⑤液相負(fù)荷下限線取E=1，計(jì)算出液相負(fù)荷的下限值。塔板負(fù)荷性能圖Vs,m3/sLs,m3/s(1)霧沫夾帶線(2)液泛線(3)液相上限線(4)漏夜線(5)液相負(fù)荷下限線AVs,minP操作點(diǎn)BVs,maxO在負(fù)荷性能圖上，由上述線所包圍的陰影區(qū)域，應(yīng)是所設(shè)計(jì)的塔板用于處理指定物系時(shí)的適宜操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，塔板上的流體力學(xué)狀況是正常的。⑥塔的操作彈性在塔的操作液氣比下，操作線OAB與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最低負(fù)荷之比，即：(4)塔釜出料管dw,塔釜出料，uw=0.5-1m/s,(5)再沸器返塔蒸汽管dv'取uv'=15m/S2、法蘭由于常壓，所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑選用相應(yīng)的法蘭。3、筒體和封頭筒體采用鋼板卷焊而成，其公稱直徑等于內(nèi)徑。當(dāng)筒體直徑較小時(shí)采用無(wú)縫鋼管制成。封頭采用橢圓形封頭。1、塔頂空間HD塔頂空間HD的作用是供安裝塔板和開(kāi)人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取1～1.5m。2、塔底空間HB塔底空間HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有10～15分鐘的儲(chǔ)量，以保證塔釜料液不致排完。若塔的進(jìn)料設(shè)有緩沖時(shí)間的容量，塔底容量可取為3～5分鐘的儲(chǔ)量。3、人孔一般每隔10-20層塔板設(shè)一人孔（安裝、檢修用），人孔處板間距≥600mm，人孔直徑一般為450～500mm,其伸出塔體的筒體長(zhǎng)為200～250mm,人孔中心距操作平臺(tái)約800～1200mm。裙座應(yīng)開(kāi)2個(gè)人孔。塔體結(jié)構(gòu)4．塔高H(不包括封頭、裙坐)H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn——實(shí)際塔板數(shù)；nF——進(jìn)料板數(shù)HF——進(jìn)料板處板間距，mnP——人孔數(shù)Hp——設(shè)人孔處的板間距，mHD——塔頂空間，m（不包括頭蓋部分）HB——塔底空間，m（不包括底蓋部分2.換熱器（1）冷凝器a.熱負(fù)荷QC=Vrb.冷卻水用量W取冷卻水的進(jìn)口溫度為30℃，出口溫度為45℃，水的比熱為4.18kJ/kg℃則qm2=Q/(CPt)c.換熱平均溫差tm

(泡點(diǎn)回流)

d.換熱系數(shù)K查教材上冊(cè)e.換熱面積AA=Q/(Ktm)可查表選設(shè)備。（2）再沸器a.熱負(fù)荷QB=V'r由塔底壓強(qiáng)組成確定塔底溫度表。b.加熱蒸汽用量GG=QB/r'c.換熱平均溫差tm

tm=T蒸汽-t釜溫d.換熱系數(shù)K查教材上冊(cè)e.換熱面積A'A'=Q/(Ktm)查表選設(shè)備。貯槽、加料泵、高位槽、產(chǎn)品冷卻器設(shè)計(jì)從略。五.帶控制點(diǎn)工藝流程圖主要參考文獻(xiàn)：[1]夏清，陳常貴.化工原理（上冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2006

[2]夏清，陳常貴.化工原理（下冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2006[3]陳敏恒，叢德滋等.化工原理（上冊(cè)）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007[4]陳敏恒，叢德滋等.化工原理（下冊(cè)）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007[5]申迎華，郝曉剛.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[6]賈紹義，柴誠(chéng)敬.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，2002

[10]時(shí)鈞主編.化學(xué)工程手冊(cè)（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996[7]上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000

[8]盧煥章等。石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982[9]馬沛生等。石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)（續(xù)篇）.北