化工原理课程设计常压二元筛板精馏塔的设计--大学论文.doc

《化工原理》课程设计

设计题目 常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计

课程设计时间2015年6月11日-2015年6月23 日

课程设计成绩

百分制
权重

设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%

独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问题情况，30%

设计最终成绩（五级分制）

指导教师签字
化学化工学院

课程名称 化工原理课程设计
设计题目 常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计
设计条件及任务：
设计体系：乙醇－水
设计条件： 1.进料：F=220kmol/h，q=1(泡点进料)，Xf=0.25； 
2.压力：p顶=4KPa，单板压降≤0.7KPa； 
3.采用间接蒸汽加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水； 
4.要求：XD=0.88 XW=0.01；
5.选定R/Rmin=1.6。 

摘要
化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。
板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。而在板式精馏塔中，筛板塔有结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右，处理能力大等优点，综合考虑更符合本设计的要求。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。
关键词：板式精馏塔 筛板 计算 校核

目    录   
一、 概述
二、 板式精馏塔的工艺计算
2.1 气液平衡数据
2.2 物料衡算
2.3 操作线及塔板计算
三、 板式塔主要尺寸的设计计算
3.1 塔径计算
3.2 塔高计算
3.3 塔板设计
3.4 塔板校核
3.5 负荷性能图
四、 筛板塔资料汇总
五、 辅助设备选型
5.1 全凝器
5.2 泵
六、参考文献

一、 概述
1.1精馏操作对塔设备的要求
精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：
（1）气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。
（2） 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。
（3） 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。
（4） 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。
（5） 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。
（6）塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。
1.2板式塔类型
气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其它分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触组件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。
1.2.1筛板塔
筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
(１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。
(２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。
(３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
(４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。
筛板塔的缺点是：
(１) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（2） 操作弹性较小(约2～3)。
（3）小孔筛板容易堵塞。
1.2.2浮阀塔
浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。
浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：
（1） 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。
（2） 操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。
（3） 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
（4） 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。
（5） 液面梯度小。
（6） 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。
（7） 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。
本书虽未包括其它塔板的设计数据，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同的。学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板。
1.3精馏塔的设计步骤
本设计按以下几个阶段进行：
（1） 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
（2）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。
（3）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。
（4）管路及附属设备的计算与选型，如换热器、泵。
（5）抄写说明书。
（6） 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。

二、 板式精馏塔的工艺计算
2.1汽液平衡数据（760mm Hg）[1]-P 466

X-Y相图

2.2物料衡算
已知：1.进料：F=220kmol/h，q=1.08(泡点进料)，Xf=0.25； 
2.压力：p顶=4KPa，单板压降≤0.7KPa； 
3.采用直接蒸汽加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水； 
4.要求：XD=0.88 XW=0.01；
5.选定R/Rmin=1.6。 
D=(Xf-Xw)/(XD-Xw)×F=(0.25-0.01)/(0.88-0.01)×220=60.69kmol/h W=F-D=220-60.69=159.31 kmol/h
q线方程：；
作图得到：Xe=0.26，Ye=0.42；

Rmin=(XD-Ye)/(Ye-Xe)= 4.6，R=1.6Rmin=7.36。

L=RD=7.36×60.69=446.678kmol/h V=(R+1)D=(7.36+1)×60.69=507.368kmol/h L'=L+qF=446.678+1.08×220=684.278kmol/h V'=V-(1-q)F=507.368-(1.08-1)×220=489.768kmol/h

2.3操作线及塔板计算
1.精馏段操作线:y=[R/(R+1)]X+[XD/(R+1)]=0.8804X+0.1053 
2.提馏段操作线:y=(L'/V')X-(W/V')Xw=1.397X-0.0033 
3.理论塔板的计算：
根据图取得的各个平衡点计算出精馏段和提留段的相对平均挥发度: ，, 。

再利用计算机逐板计算：

算得理论板数为12.55，精馏段理论板数9。因为给定板效率为0.52，所以实际板数N=12.55/0.52=24.13，圆整为25块塔板，精馏段实际板数18，在第18块板上进料。

三、板式塔主要尺寸的设计计算 [2] P 106-108;[3] P 125-128;
3.1塔径计算
全塔的平均温度：℃
查得平均温度下：
查得平均温度下：
液体平均表面张力：
塔的液相平均密度：
塔的蒸汽平均密度：
塔的平均蒸汽摩尔流量:
塔的平均蒸汽体积流量:
塔的平均液相摩尔流量:
塔的平均液相体积流量:
两相流动参数：
设塔间距HT=0.45m,根据史密斯关联图，可以查得C20=0.1。

最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为：

根据经验公式：，这里取0.8，u=1.82m/s。
所以，初步估算塔径为：圆整为1.5m。
塔径D=1.5m,重新计算气速：
泛点率：符合要求。塔径可取1.5m。

3.2塔高计算 [2] P 118;
塔高：
HD——塔顶空间，m；
Hw——塔底空间，m；
HT——塔板间距，m；
HT’——开有人孔的塔板间距，m；
Np——实际塔板数；
S——人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。
3.2.1塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为（ 1.5～2.0）HT。这里取HD =2HT =0.9m。
3.2.2塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取3～5分钟，否则需有10～15分钟的储量，以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取3～5分钟；对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取1～1.5分钟。这里取5分钟的保留量。计算得液体的体积为：，除以塔的截面积得到塔底空间：。
3.3.3人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可隔8～10块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔4～6块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450mm。这里设置人孔数目S=3，HT’ =0.45m。
所以塔高：。

3.3塔板设计 [3] P 127;
1.流动型式: 选取单流型弓形降液管塔板。
2.堰的计算: 堰长取Lw=0.6D=0.6×1.5=0.9 m, 堰高hw=0.04m
堰上清液高:
清液层高度：
3.塔板的布置：入口安定区和出口安定区：bs=bs’=0.05m,边缘区bc=0.05m。选取碳钢为筛板的材料，板厚δ=4m，孔径do=6mm，取孔中心距t=15mm，t/do=2.5。

因为，查弓形降液管的参数图可得。
弓形降液管宽度，截面积。

开孔区面积：
开孔率：
筛孔数：
筛孔气速：

bc
bd
bs
lW
r
x

3.4塔板校核 [3] P 129-130;
3.4.1液沫夹带量校核
气体通过有效截面的面积的速率：
则板上鼓泡层高度：
利用Hunt经验公式计算单位质量气体所夹带的液体质量：
<0.1kg液体/k气体，不产生过量液沫夹带，合格。
3.4.2塔板阻力的计算和校核
清液柱高度表示：
塔板阻力包括 以下几部分:
（1）干板阻力—气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；
查干筛孔流量系数图得。

；
（2）液层阻力—气体通过液层阻力；

查充气系数β与Fa关联图表得β=0.56

（3）克服液体表面张力阻力—孔口处表面张力。
；

气体通过每层塔板的压降为：
小于设计允许值0.7kPa，合格。
3.4.3降液管液泛校核
为防止塔内发生液泛降液管内液层高：；
其中乙醇和水属于一般物系列，查得泡沫层相对密度：
所以；
而，其中：
小于设计允许值，合格。
3.4.4液体在降液管中停留时间校核
停留时间：
设计要求：，合格。
3.4.5严重漏液校核
对于筛板塔漏液点气速：

实际孔速：，超过漏液点气速，合格。

3.5 负荷性能图 [3] P 130-132;
3.5.1过量液沫夹带线（气相负荷上限线）
规定：（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件，取E=1。
；；
；
；；
；
化简得到：
3.5.2液相负荷下限线
规定：；
整理得：
3.5.3严重漏液线（气相下限线）
；；
；
；
化简得：
3.5.4液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留的时间下限；

3.5.5降液管液泛线
；
；；；
；
；
；；
；
；
；
化简得：。
以为横轴，为纵轴，画出负荷性能图：

塔板的操作弹性：。
四、 筛板塔资料汇总 [3] P 133;
序号
项目
数值
1
加料热状态q
1.08
2
最小回流比Rmin
4.6
3
回流比R
7.36
4
理论板数NT
12.55
5
实际板数Np
25
6
实际精馏板数
17
7
实际提馏板数
8
8
板效率, %
52
9
加料量F,kmol/h
220
10
加料浓度XF
0.25
11
塔顶出料量D,kmol/h
60.69
12
塔顶浓度XD
0.88
13
塔底出料量W,kmol/h
159.31
14
塔底浓度XW
0.01
15
塔径D,m
1．5
16
板高H,m
13
17
板间距HT,m
0.45
18
溢流形式
单溢流
19
降液管形式
弓形
20
堰长LW,m
0.9
21
堰高hW,m
0.04
22
板上液层高度,m
0.0681
23
安定区宽度,m
0.05
24
边缘区宽度,m
0.05
25
开孔区面积,
1.362
26
筛孔直径,m
0.006
27
筛孔数目
6993
28
孔中心距,m
0.015
29
开孔率,%
14．51
30
空塔气速，m/s
1.757
31
筛孔气速，m/s
15.7
32
每层塔板压降，kPa
0.7

五、 辅助设备选型
5.1全凝器
塔顶全凝器采用逆流形式，为了便于冷凝，饱和蒸气（水和乙醇）走壳程，冷凝水走管程。
换热面积的估算：
塔顶：
水的汽化潜热：r=2310.39 kJ/kg
乙醇的汽化潜热：r=597 kJ/kg

冷凝剂取深井水, t1=12℃ ,t2=60℃ (出口温度)

设传热系数:
换热面积：
选159-Ⅱ-2.45-2型号管：Dn=159 mm，Pn=2.45MPa，A公=2，管程数1，管长2m，管子φ146×5，最大管数153根。
5.2泵
塔高13.03m，加上预留高度为14m。
冷凝水流速u=2m/s，t=12℃，ρ=995.7 kg/m3，μ=0.8012cp。
di=(Wc/0.785ρμ)=0.223m，取φ32×4 mm 热扎无缝钢管di=32-2×4=24mm。
实际流速：u=87.49/(0.785×995.7×0.242×995.7)=0.195m/s；
Re=duρ/μ=0.024×0.195×995.7/(0.8012×10-3)=5816；
ξ=0.15 mm，ξ/d=0.725×10-4；
查得：λ=0.0193；
设水到泵头总损失为5m ∴L=32.78+0.188+10=37.97 m；
各种局部阻力：K=8(λL/d+Σζ)/(π2×d4×g)=921.74；
，流量 ：Q=3600w/ρ=316.3 m3/h。
综合，选1H200-150-400型泵：
扬程 ：H=50m 汽蚀余量：3.5m
流量 ：400m3/h 轴功率 ：69.8kw
转速 1450r/min 配带电机号：YB280M-4
效率 ：78% 功率 ：90%
重量 289kg

六、参考文献
[1]管国锋.赵汝溥.化工原理（第三版）
[2]化工原理课程设计－(板式塔设计及任务3则）
[3]化工原理课程设计－(塔设备设计）
[4]化工手册
[5]化工过程及设备课程设计-湖南省化工技校－汤金石
[6]化工原理课程设计(全册）－贾绍义&柴诚敬
[7]化工原理课程设计－刘雪暖（换热器＋精馏塔）
[8]百度文库相关设计资料

设计感想
还没开始做课程设计的时候，我对设计精馏塔毫无头绪，感觉无从下手。但经过了老师的指导和阅读了一些文献资料，我渐渐明白了我要做的事情，然后一步步学习并动手计算数据，每当我计算出结果时都有一种成就感，真是太不容易了。我发现课程设计远比想象中的更加困难。它不仅要用到我们以前学习的书本上的知识和老师课上所讲的课件知识，更需要我们查找大量的文献资料，最恐怖的是要计算大量的数据，接触大量的公式以及图表。我需要从不同的文献中选择合适的方法来进行我的下一步计算，一旦方法选错了，往往要走大量弯路还不一定能得到结果。
我花了接近4天的时间才完成初步计算，在逐板计算理论板数的时，我考虑到我能不能自己编出程序来，用程序来算这样就比较简单了。有了这个思路后，我就用这学期学到的C++进行编程,自己琢磨了一会，通过自己的努力竟然真的编写完了，于是，非常准确的数据就这么轻而易举的得到了。得到了准确的数据后，发现自己的理论塔板数都计算错，于是，有重新修改了一下后面的相关的数据。当我全部修改完的时候，有一种非常了不起的成就感，感觉这就是自己最近忙活的最大的成就。通过这次的经验，让我深深体会到设计者的辛苦，往往一个小地方的失误就会导致一连串的数据出错。
虽然课程设计很累，但我从课程设计中，我确实学习到了课堂上学不到的东西，尤其是对WORD和EXCEL工具的熟悉和运用，以及对图表的绘制和程序的编程，同时，通过查资料掌握了一些以前没学过的知识，我比以前更有耐心，也更细心了，知识也更加丰富了。我相信通过课程设计，我对化工原理知识的掌握有了非常大的提高。
感谢
在本次课程设计的完成过程中，我要特别感谢我的《化工原理》授课老师
管国锋教授。
在课程设计的完成过程中，指导老师给了我很大的帮助，他给我们讲了详细的分析过程以及设计过程中需要的注意事项，对我们在以后的设计报告的书写中起到了极大的重要。由于老师上课的认真负责以及老师丰富的化工专业知识和上课的幽默以及教学的协调性，让我在课上就学到了非常的多，对我在课程设计的过程中起到了极大的作用。
同时，还要感谢和我一起探讨，一起工作的同学，特别是我的舍友，给了我极大的帮助，每当我有不懂的地方去问他们的时候，他们都会不厌其烦的给我讲解，帮我节省了很多的时间，才让我在老师规定时间内顺利的完成了此次的课程设计任务。
所以，我要真诚的向帮助过我的老师还有同学说声：“谢谢！”