板式精馏塔的设计

序言化工原理课程设计是一个综合性和实践性较强的教学环节，也是培养学生独立工作的有益实践，更是理论联系实际的有效手段。通过化工原理课程设计，要求我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计达到如下目的：（1）．巩固化工原理课程学习的有关内容，并使它扩大化和系统化；（2）．培养学生计算技能及应用所学理论知识分析问题和解决问题的能力；（3）．熟悉化工工艺设计的基本步骤和方法；（4）．学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工艺尺寸图；（5）．训练查阅参考资料及使用图表、手册的能力；（6）．通过对“适宜条件”的选择及对自己设计成果的评价，初步建立正确的设计思想，培养从工程技术观点出发考虑和处理工程实际问题的能力；（7）．学会编写设计说明书。它的分离原理如下：首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。设计方案简介具体计算与分析精馏塔的物料衡算原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯摩尔质量:甲苯摩尔质量:原料苯的质量分数：40%塔顶笨的质量分数：98%塔釜甲苯的质量分数：97%xF04⁄04⁄+06⁄0440xD0⁄0⁄+00⁄0xW00⁄00⁄+0⁄005xF---------料液流率xD，xW------------分别为塔顶，塔底产品的摩尔分数物料衡算{FD+WFxFDxD+WxwF6×0700×4hF×04+×06646hDF(XF−XW)XD−XW646×(0440−005)0−00544hWF(XD−XF)XD−XW646×(0−0440)0−005555h(+)D0×4460h⁄+D60+4440h⁄式中F------原料液流率D------塔顶产品（馏出液）流率W------塔底产品（釜液）流率塔板数的确定理论塔板数NT的求取苯一甲苯属理想物系，可采逐板计算求理论板层数。(1)求R=2.475y45x+45x由于是泡点进料，则q=1xF0440xeXF0440ye0660最小回流比minxDyeyexe0983066006600440465min0（2）精馏段操作线方程y+x+xD+0x0+x+00+06x+000xdxF0440yd06×0440+000606（3）提馏段操作线方程由b(0.035，0.035)，d(0.440，0.6096)两点得提馏段方程：y=1.4187x-0.0146精馏段的理论板数：yxD0x05y2066x200y3040x306y704x7050y8065x804xd0440提馏段的理论板数：y905x905y005x000y044x0y50054x500xW005可知，原料液在第八层进料，理论塔板数为14。实际塔板层数沸点tm80+06255℃粘度μ苯045pasμ甲苯04pasμav∑xiμi044×05+056×0406E04(∂μav)024504×(45×06)0245054............实际塔板数：N精E0545N提E60454精馏塔的工艺条件及有关物性数据操作压力操作塔顶压力PD00+405pa每层塔板压降∆P0pa进料板压力PF05+0×55pa精馏段平均压力Pm053+582055pa操作温度塔顶温度tD56℃进料板温度tF5℃精馏段平均温度tm8256+93252℃平均摩尔质量衡算塔顶yxD0x05VDm0×+(−0)×5⁄LDm05×+(−05)×6⁄进料板x804y8065VFm065×+(−065)×6⁄LFm04×+(−04)×60⁄精馏段平均摩尔质量Vm5+606⁄Lm6+60⁄平均密度(1)气相平均密度ρVmPmVmTm055×0664×(+5)3⁄(2)液相平均密度ρLm∑αiPi由tD56℃ρ403tF5℃ρ00403ρ00003进料板液相的质量分率：α04×04×+056×0ρLFm00040⁄+0600000⁄0053精馏段液相平均密度：ρLm40+0050603液体平均表面张力液体平均表面张力计算：σLm∑xiσi塔顶液相平均表面张力：由tD56℃，查手册，得σ0Nσ4N⁄⁄σLFm0×0+00×400N⁄进料板液相平均表面张力的计算由tF5℃σ50N⁄σ0N⁄σLFm04×50+(−04)×05N⁄精馏段液相平均表面张力：σLm00+50N⁄液体平均黏度液体平均粘度按下式计算：μLm∑xiμi塔顶液相平均黏度的计算：由tD56℃，查手册得：μ00pasμ005pasμLDm0×(00)+(−0)005解得μLDm00pas进料板液相平均黏度的计算：由tF5℃，查手册得μ0pasμ04pasμLFm066×0+(−066)04解得μLFm0pas精馏段液相平均黏度为：μLm00+0650pas精馏塔的塔体工艺尺寸精馏段塔径精馏段的气、液相体积流速分别为：sVm600ρVm60×066600×003s⁄sLm600ρLm×600×0600063s⁄由umaxC√ρLρVρVC-------蒸汽负荷因子ρL---------液相密度ρV---------气相密度ss(ρLρV)12000600×(06)12004取板间距HT040，板上液层高度hL006则HT−hL040−00604由史密斯关联图查得C2000Cc20(σL0)0200×(00)0200umax00×√06−s⁄取安全系数为0.7，则空塔流速u0×umax0×00s⁄所以精馏段塔径：D√4Sπu√4×00π×0取D塔截面积：ATπ4D2π4×022实际空塔流速：u0005s⁄精馏塔有效高度精馏塔有效高度为：Z精=(N精−)HT(5−)×0456提馏段有效高度为：Z提(N提−)HT(−)×0444在进料板上方开一入孔，其高度为0.8m故精馏塔的有效高度为：ZZ精+Z提+056+44+00塔板主要工艺尺寸的设计溢流装置的计算为提高传热和传质的效果，降低液面落差，减少倾向性漏液的可能性，液体在塔板上常采用不同的溢流方式。主要有单溢流，双溢流，阶梯双溢流，U型流等几种形式。确切的选择方式见下表：塔径/mm液体流量/(m3·h-1)U型流单溢流双溢流阶梯双溢流1000≤7≤451400≤9≤702000≤11≤9090～1603000≤11≤110110～200200～3004000≤11≤110110～230230～3505000≤11≤110110～250250～4006000≤11≤110110～250250～450因塔径D=1.3m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受溢盘。各项设计如下：（1）堰长W是维持板上液位，保证两相接触时间的装置，一般有平堰与齿形堰两种，多采用平堰。取W066D066×05（2）溢流堰高度hW由hWhL−hOW选用平直堰，堰上液层高度hOW由下式计算，即hOW4000E(WW)23近似取E=1，则hOW4000××(0006×60005)2300取板上清液层高度hL60故hW006−00004（3）弓形降液管宽度Wd和截面积Af由lWD066查手册可得fT00WdD=0.124故Af00AT0×0052Wd04D04×054依下式验算液体在降液管中停留时间，即θ600AfHTh600×005×0400006×60044s5s故降液管设计合理。若不能满足，则需通过加大板间距及塔径的方法来解决。（4）降液管底隙高度h0h0Lh3600lwu0′取u0′00s⁄则h000026×36003600×0858×00800hw−h0004−000000006𝑚故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受溢盘，深度hw′50。塔板布置（1）塔板的分块因D≧800mm，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为4块。分块式塔板即降液区以外的部分是由若干块钢板组装而成，装在焊与塔体壁的塔板支撑件上，塔身为焊制整体圆筒，不分塔节。塔径/mm800～12001400～16001800～20002200～2400塔板分块数3456（2）边缘区宽度确定取WsWs′0065Wc005（3）开孔区面积计算开孔区面积Aa按下式计算，即Aa(x√r2−x2+πr20sinxr)其中xD2−(Wd+Ws)32−(054+0065)046rD−Wc−005065故Aa×(046√0652−0462+π×065280sin0436065)（4）筛孔计算及其排列苯—甲苯物系无腐蚀性，可选用δ碳钢板，取筛孔直径d05。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为td0×55筛孔数目n为n55at255×46005245个开孔率为∅00(d0t)200×(0005005)20%气体通过阀孔的气速为u0sA0000×46s⁄筛板的流体力学验算踏板压降（1）干板阻力hc计算干板阻力hc由下式计算，即hc005×(u0c0)2×(ρVρL)由d0δ536，查手册得，c00故hc005×(9780772)2×2978063004液柱(2)气体通过液层的阻力h计算气体通过液层的阻力h由下式计算，即hβhLuaSAT−Af0−0050s⁄F0ua√ev0×√12s12⁄查手册，得β06。故hβhLβ(hW+hOW)06×(004+00)0066液柱(3)液体表面张力的阻力hσ计算液体表面张力所产生的阻力hσ按下式计算，即hσ4σLρLgd04×2037×0−38063×98×0005000液柱气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即hphc+h+hσ004+0066+000=0.0831m液柱气体通过每层塔板的压降为∆PphpρL006×06×4pa0pa(设计允许值)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本里的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。液膜夹带液沫夹带量由下式计算，即ev5×06σL(uaHT−hf)32hf5hL5×00605故ev57×0−62037×0−3×(08204005)3200液气⁄0液气⁄故在本设计中液沫夹带量在ev允许范围内。漏液对筛板塔，漏液点气速u0min可由下式计算，即u0min44C0√(00056+0hL−h0)ρLρV⁄44×0×√(00056+0×006−000)×06⁄=5.946m/s实际孔速u0s⁄u0min稳定系数为Ku0u0min54645故在本设计中无明显漏液。液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下述关系，即Hd≤φ(HT+hW)苯—甲苯物系属一般物系，取φ05，则φ(HT+hW)05×(04+004)05而Hdhp+hL+hd板上不设进口堰，hd可由下式计算，即hd05(u0′)205×(00)2000液柱所以Hd006+006+00004液柱Hdφ(HT+hW)故在本设计中不会发生液泛现象。塔板负荷性能图为保证设计出的筛板塔具有可操作性，这就要求要有一定的可调节范围。即在保证不发生异常现象的前提下，要允许流量在一定的范围内波动。将允许的最高气量与最低气量的比值称操作弹性。显然，操作弹性越大，则塔的可调节范围越宽，可操作性越强。工程上规定，一设计合理的筛板塔，其操作弹性应介于3～4之间。漏液线由u0min44C0√(00056+0hL−hσ)ρLρV⁄U0minsminA0hLhW+hOWhOW4000E(hW)23所以smin44C0A0√{00056+0[hW+4000E(hW)23]−h0}ρLρV