2012年化工原理课程设计

化工原理课程设计题目：苯---甲苯二元混合物连续精馏装置的设计指导教师：刘自力、邹汉波1、化工原理课程设计的目的和内容2、设计方案的确定3、板式精馏塔的工艺计算4、板式塔主要尺寸的设计5、塔板类型及主要参数6、塔板的流体力学验算7、塔板负荷性能图8、数据总表9、参考文献主要内容1.1化工原理课程设计的目的•学生需要培养的能力：•1、查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；•2、综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型；•3、迅速准确进行工程计算的能力；•4、用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。•化工原理课程设计一般包括如下内容：•（1）设计方案的简介•（2）主要设备的工艺设计计算•（3）典型辅助设备的选型和计算•（4）工艺流程简图•（5）主体设备工艺条件图完整的化工原理课程设计报告由设计说明书和图纸两部分组成；1.2化工原理课程设计的内容1.2.1设计说明书的主要内容：•设计说明书包括的内容和编排顺序如下：•1、标题页（课程设计题目、班级、设计者、指导老师）•2、设计任务书•3、目录•4、正文（设计方案确定，工艺计算及主体设备设计）•5、数据总表•6、参考资料•7、对设计的评述1.2.2图纸的主要内容：•1、工艺流程简图•2、一张塔设备工艺条件图，用A1纸画，标准机械制图方法制图，包括塔和关键部位图、技术特性表、接管表(塔径在1.5m米以上须开人孔，0.8mm以下，只开手孔）。•技术特性表：注明操作压强、温度、工作介质、容器类别等。•用标准标注方法•3、Y－X相图，N－R图用标准坐标纸绘制•4、塔的负荷性能图（放在说明书的流体力学验算后、用标准坐标纸绘制）2.设计方案的确定2.1操作压力精馏操作可以在常压、减压和加压下进行。除热敏性物料外，凡通过常压精馏即可实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都采用常压精馏；对热敏性物料或混合物沸点过高的系统，宜采用减压精馏；常压下成气态的物料必须采用加压精馏。2.2进料状态的选择•进料状态以进料热状态参数q表示，有五种进料状态；•q1.0时，为低于泡点温度的冷液进料；•q＝1.0时，为泡点下饱和液体；•q＝0时，为露点下的饱和蒸气；•1q0时，为介于泡点和露点间的气液混合物；•q0时，为高于露点的过热蒸气进料。•为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器。•若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高，宜采用气态进料。2.3加热方式•蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器，以提供足够的热量；•若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，也可采用直接蒸汽加热。2.4冷却方式2.5热能的利用•采用合适的回流比；•蒸馏系统的合理设置，如采用中间再沸器和中间冷凝器的流程，可以提高精馏塔的热力学效率。用常温水做冷却剂是最经济的，水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。3.板式精馏塔的工艺计算3.1物料衡算及操作线方程•常规塔：一处进料和塔顶、塔底各有一个产品，塔釜间接蒸汽加热的精馏釜。（1）（2）式中：F、D、W——分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；xF、xD、xW——分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。得出：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：（3）（4）（5）（6）进料（q线）方程：（7）（8）（9）（10）（11）3.2操作回流比R的选定3.2.1求算Rmin（1）对具有正常无下凹部分的相平衡曲线，根据两组分的气液平衡数据做y－x图，读出进料线（q线）与平衡线的交点xq、yq值后代入式（12）求得；（12）（13）（3）对于理想溶液或在相对挥发度可取为常数时，可以用解析法计算Rmin;进料为饱和液体时：进料为饱和蒸气时：a全塔—全塔平均相对挥发度，α全塔变化不大时，可取塔顶和塔底的α几何平均值。3.2.2适宜的回流比（14）（15）分别取不同的系数，求出对应的塔板数，然后画出R－N图，由图可知最合适的回流比。3.3理论板数的确定3.3.1作图法由（xD，xD）点开始，在精馏段操作线与平衡线间做梯级，当跨过第m块理论板后液相浓度首次出现xmxq,则取第m块理论板为加料板可使总的理论板数最小。梯级的总个数即为理论塔板数。作图法的缺点：当平衡线和操作线较靠近时，作图法画梯级的误差较大。3.3.2逐板计算法利用体系的汽－液相平衡方程（A），精馏段操作线方程（A）和提馏段操作线方程（C），自塔顶开始，向下逐板计算，可以求得各层塔板上的汽、液相组成，计算结果较精确。当计算至xn与xF相等或接近时，第n层为加料板。同理，于加料板以下，改用方程（A）与方程（C）进行交叉计算，直至xN等于或略小于xw为止，则再沸器相当于第NT块塔板，此塔的总理论板数为NT－1，提馏段板数为（NT－n）块。3.3.3简捷法求理论板数a.在全回流下求出所需理论板数Nmin,对于接近理想体系的混合物，可以采用芬斯克方程计算；（16）b.使用吉利兰图，根据，由曲线查出，即可求出不包括再沸器在内的理论板数N；C.确定进料板位置，利用公式（16），以xF代xw，α精馏代替α全塔，求得精馏段的最小理论板数Nmin（精），按照步骤b法求得精馏段的理论板数N精，则加料板为N精的下一块板。3.4全塔效率理论板数NT与实际板数NP之比称为全塔（塔板）效率。（17）利用Oconnell法的简化经验公式进行计算：（18）式中μL为塔顶、塔底液相的平均粘度，对于多组分体系，μL可用下式计算；（19）式中xi——溶液中i组分的摩尔分数；μi——溶液中i组分的粘度，取塔顶、塔底平均温度下的数值。需要考虑以下几个因素：1、雾沫夹带：板间距小，则雾沫夹带量大，板间距增加则雾沫夹带量可以减小，当板间距增大到一定程度，雾沫夹带量的改变很小，过大的板间距就没有必要了。2、物料的起泡性：易起泡的物系，板间距较大，反之则小。3、操作弹性：当有较大的操作弹性时，选较大的板间距。4、与塔径的大小有关。不同的塔径范围的塔板间距建议采用下表的数据。4.塔体主要尺寸的设计4.1塔板间距（HT）另外，考虑安装检修的需要，在塔体人孔处的板间距不应小于600mm；对只需开手孔的小型塔，开手孔处的板间距可取为450mm以下。以不发生过量雾沫夹带为出发点，求出塔内的最大允许气速，然后算得适宜的操作气速，求得塔径。最大允许空塔气速:（20）（21）其中C为气相负荷因数：式中σ—为表面张力，N/m；C20—为液相表面张力σ为0.02N/m时的负荷因数，可由Smith气相负荷因数关联图查出。需要先知道液滴沉降高度（HT－hL），液气流动参数有关。4.2塔径D的计算hL——为板上清液高度，由于塔径和降液管的尺寸未定，hL可以取估计值：对于常压及加压塔：hL＝60～80mm对于减压塔：hL＝20～30mm4.2塔径D的计算适宜的空塔气速:（22）初步估算的塔径为:（23）对于直径较小或板间距小的塔，以及起泡严重的物系，系数取低限，反之则取高限。目前，塔的直径已标准化，所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在1米以下者，标准化先按100mm增值变化；塔径在1米以上者，按200mm增值变化，即1000mm，1200mm，1400mm….。圆整后的直径，再按实际塔径按（23）式求出实际空塔气速，验算其是否在最大允许空塔气速的0.6～0.8范围内，做为后面有关计算中的空塔气速值。4.3其它塔体的主要尺寸4.3.1塔顶高度HD塔顶空间高度作用是安装塔板和人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，塔顶空间高度一般取1.0～1.5m。4.3.3进料段高度HF进料如果是液相，则HF应稍大于一般的板间距，并满足安装人孔的需要。如果是两相进料，则HF需要取得大一些，以利于进料两相分离。一般可取：HF＝（1.0～1.2）m。4.3.4塔底空间高度HB为了保证塔底产品抽出稳定，使塔底液体不致流空，一般可取塔底产品的停留时间为10～15min，因此可按残液量和塔径进行计算，也可取经验值，常取1.3～3m。4.3.5塔体总有效高度H（24）S—人孔的数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔））5.塔板类型及主要参数5.1塔板类型的选择板式塔大致可以分为两类：1、降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板等等；2、无降液管塔板，如穿流式筛板，穿流式波纹板。工业上应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。泡罩塔主要优点是操作弹性大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定可靠；但其结构复杂，造价高，安装维修不便，气相压降较大。浮阀塔是现今应用最广的一种板型，其主要优点是生产能力大，操作弹性较大，分离效果较高，塔板结构较泡罩塔简单。制造费是泡罩塔板的60～80％，是筛板塔的120～130％。目前国内多用F1型（重阀）浮阀塔。筛板塔主要优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大、脏的和带固体粒子的料液。5.2塔板有关参数的计算5.2.1板上液流型式的确定常用的塔板流动型式有下面几种：（1）单流型：这是最普遍和最常用的，液体的流径较长，板面利用好；塔板结构简单，直径小于2.2m以下的塔普遍采用此型；（2）双流型：用于大塔径及液相负荷较大的场合；（3）回流型：又称U型流型，用于液气比较小的场合；（4）其他流型：当塔径及液流量都特大式，双流型无法满足，可以用四流型或阶梯型。5.2.2降液管降液管是塔板间液体流动的通道，也是溢流液中夹带的气体得以分离的场合。从形状上看，降液管可以分为弓形降液管和圆形降液管。（a）圆形降液管；（b）内弓形降液管，均适用于直径较小的塔板；（c）弓形降液管，它由部分塔壁和一块平板围成，能充分利用塔内空间，提供较大的降液面积及两相分离空间，普遍应用于直径较大、负荷较大的塔板；（d）倾斜式弓形降液管，它即增大了分离空间又不过多的占用塔板间距，适用于大直径大负荷的塔板。下面介绍单流型具有弓形降液管塔板的溢流装置的设计。5.2.3溢流装置的设计溢流装置的设计参数包括溢流堰长lw、堰高hw、弓形降液管截面积Af、降液管底隙高度hb、堰上液层高度how。①堰长lw：依据溢流型式及液体负荷决定单溢流型：lw一般取为（0.6～0.8）D；双溢流型：两侧堰长lw取（0.5～0.7）D，D为塔径②堰上液层高度how:对于平直堰，设计时how一般应大于0.006m。可按下式计算：（25）Ls－液体体积流量，m3/h；E－液流收缩系数，一般情况取1。当平堰上液层高度how＜6mm或液流强度Ls/lw＜3m3/（mh）时，需改为齿形流，此时how的计算公式可参看手册。③溢流堰高hw：对于常压或加压塔，一般取hw＝50～80mm；对于减压塔或要求塔板阻力很小时，hw为25mm左右；当液体量很大时，hw可适当取大。（26）④降液管的宽度Wd和截面积Af：可根据堰长lw与塔径D的比值，由图中查取Wd/D和Af/AT的值,。求得的降液管的宽度和截面积，应按照下式进行验算液体在降液管内的停留时间，并确保停留时间大于或等于3～5s，这样使得溢流中的泡沫有足够的时间在降液管中分离。（27）⑥受液盘及进口堰受液盘有凹形和平形两种形式。对于直径较小的塔或处理易聚合的物系时，塔板不易有死角存在，多采用平形受液盘。对于直径大于800mm以上的塔板或有侧线抽出时，也可以采用凹形受液盘。当大直径的塔采用平形受液盘时，一般需在塔板上设置进口堰。⑤降液管底隙高度hb：（28）hb不宜小于0.02～0.025m，以免引起堵塞。当选定hb后，即可求得液体流经底隙的流速μ0，其值不大于0.3～0.5m/s。（29）5.2.4鼓泡区阀孔（筛板）安排（1）塔板区域的划分塔板有整块式和分块式两种，整块式多用于直径小于0.8~0.9m的塔。当塔径较大时，整块式的刚性差，安装维修不便，多采用几块板合并而成的分块式塔板。以单流型为例，整个塔板可以分为以下几个区域：a.溢流区，即为受液区和降液区所占的区域；b.破沫区，位于溢流区和鼓泡区之间不开孔区