精馏塔的设计计算(2013)

精馏塔的设计计算一、化工原理课程设计的目的和要求通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1.查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3.迅速准确的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。第一节概述二、化工原理课程设计的内容1、课程设计的基本内容（1）设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；（2）主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；（3）典型辅助设备的选型和计算对典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；（4）工艺流程简图以单线图的形式绘制流程图，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；（5）主体设备工艺条件图（装配图）图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；◇封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）；◇目录；◇设计任务书；◇工艺流程图及设计方案说明；◇设计条件及主要物性参数表；◇工艺设计计算；◇设计结果汇总表；◇辅助设备的设计及选型；◇设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；◇参考资料。（2）工艺流程图及主体设备装配图；2、课程设计组成（1）设计说明书主要内容：3、注意事项整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。◇论述应该条理清晰，观点明确；◇计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；◇图表应能简要表达计算的结果。三、化工原理课程设计的步骤本设计按以下几个阶段进行：1、根据设计任务和工艺要求，确定设计方案。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、塔板类型等进行论述。2、蒸馏塔的工艺计算◇确定理论塔板数（作图法）、实际板数；◇确定塔高和塔径。3、塔板设计：◇设计塔板各主要工艺尺寸溢流装置、塔板布置、筛孔或浮阀的设计及排列（图）；◇进行流体力学校核计算；◇画出塔的负荷性能图。4、管路及附属设备的设计与选型，如冷凝器、泵等。5、抄写说明书。6、绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔装配图。第二节板式精馏塔的工艺计算一、设计方案的确定1、装置流程的确定：经济方面：充分考虑整个系统的热能利用，降低操作费用。操作的稳定性：加热蒸汽的压力、进料量、回流液等2、操作压力的选择：设计压力一般指塔顶压力。蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。可考虑取常压操作，塔顶压力为4kPa（表压），每层塔板压降p≤0.7kPa。3、进料状况的选择进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。4、多股进料本次设计宜采用单股进料。5、加热方式的选择◇加热方式：蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。◇加热剂：T＜180℃，常用饱和水蒸气。◇再沸器结构：小塔可在塔底，形式有夹套式、蛇管式、列管式。大塔一般在塔外，形式为列管式，有立式和卧式两种。6、冷却方式通常在塔顶设置蒸气全部冷凝的全凝器。其为辅助设备，需进行选型，多采用列管式，水平或垂直放置。二、工艺计算（一）全塔物料衡算1、计算原料液、塔顶、塔底浓度2、平均分子量：（原料液MF、塔顶MD、塔底MW）3、物料衡算求W、Dkmol/h4、塔板数的计算（1）理论板数的计算：作y－x图、t－x－y图；求最小回流比Rmin、实际回流比R；图解法求理论板数N。（2）全塔效率ET可查P145页图11-21确定或：av=0.1～1.0时，（3）实际塔板数NP分别求精馏段和提馏段所需实际板数（二）塔的工艺条件及物性数据1、操作压强245.0avT)(49.0ETP/ENNkPa3.101DD　　塔顶：　　表ppkPa3.101PDW　　塔底：　　表pNppkPa3.101PDF　　（精）进料：　　表pNpp平均压强：pm(精)=(pD+pF)/2pm(提)=(pW+pF)/22、操作温度塔顶tD：可由t-x-y图查得塔顶tD、塔底tW、进料处tF。平均温度：tm(精)=(tD+tF)/2tm(提)=(tW+tF)/2如图：xF=0.5，xw=0.05时，泡点进料tF=92℃（露点进料tF=101℃）塔底tw=108℃提馏段平均温度：tm=(tW+tF)/2＝(92+108)/2＝100℃t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPa01.080100901102、平均摩尔质量（1）由塔顶、塔底、进料处的浓度计算平均摩尔质量；（2）计算精馏段平均摩尔质量MVm(精)、MLm(精)；（3）计算提馏段平均摩尔质量MVm(提)、MLm(提)。如塔顶：y1=xD=0.966，按气液平衡关系可查得x1=0.916则：MVDm=0.966×78.11+(1－0.966)×92.13=78.59kg/kmolMLDm=0.916×78.11+(1－0.916)×92.13=79.29kg/kmol3、平均密度（1）气相平均密度（2）液相平均密度（3）计算塔顶、塔底、进料处气、液相平均密度；（4）计算精馏段、提馏段平均密度。mVmmVmRTMpiiLm1a平均密度：Lm(精)=(LD+LF)/2Vm(精)=(VD+VF)/2Lm(提)=(LW+LF)/2Vm(提)=(VW+VF)/24、液体平均表面张力（1）液相平均表面张力（2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的表面张力；（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均表面张力；（4）计算精馏段、提馏段平均表面张力。5、液体平均粘度（1）液相平均粘度（2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的粘度；（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均粘度；（4）计算精馏段、提馏段平均粘度。iimxiimx温度t℃8090100110120L(苯)kg/m3815803.9792.5780.3768.9L(甲苯)kg/m3810800.2790.3780.3770.0L(苯)mN/m21.2720.0618.8517.6616.49L(甲苯)mN/m21.6920.5919.9418.4117.31L(苯)m·Pas0.3080.2790.2550.2330.215L(甲苯)m·Pas0.3110.2860.2840.2540.228物性参数表(三)气液负荷的计算精馏段：V＝(R＋1)Dkmol/hm3/sL＝RDm3/s提馏段：V＝V＋(q－1)FL＝L＋FVmVms3600VMVLmLms3600LML板式塔主要尺寸的设计计算：◇包括塔高◇塔径的设计计算◇板上液流形式的选择◇溢流装置的设计◇塔板布置等设计时，先选取某段塔板（如精馏段、提馏段）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸，应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，因此设计过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。第三节板式塔主要尺寸的计算一、精馏塔的结构设计1、塔的有效高度和板间距已知：实际塔板数NP；选取塔板间距HT；pTNHZ选取塔板间距HT：塔板间距和塔径的经验关系塔体高度＝有效高＋顶部空间＋底部空间＋塔裙座高度有效塔高：塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距HT，m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8≥0.60.8VVLCumax①最大空塔气速（液泛气速，课本P.128—129）2、塔径估算确定原则：防止过量液沫夹带液泛步骤：先确定最大空塔气速umax(m/s)；然后根据经验确定设计气速u；最后计算塔径D。2.0L2020CC筛板塔，可查教材Smith图求C20；浮阀塔可查数据手册书确定C20。HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05GLGLVVFP20C　　　　筛板塔气体负荷因子关联图课本P.129②选取设计气速u选取泛点率：u/umax一般液体，0.7～0.8易起泡液体，0.5～0.6uVAs所需气体流通截面积设计气速u=泛点率×umax③计算塔径DdTAAAAT：塔截面Ad：降液管截面TdT1AAAAATDAdlw2T4DATdT1AAAAT4AD说明：计算得到的塔径需圆整。标准直径为：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0（m）……。直径确定后应重新计算实际气速及泛点率。8.06.0DlW7.05.0DlW双流型:单流型：lw/D的确定：Ad/AT也可由lw/D查图得（教材P.137）/)/(1sin21TdDlDlDlAA和Wd/D的单位取弧度Dlw1sinhb底隙：hb堰头液高：h0W堰高：hWWcWdWslWrx3、溢流装置设计①溢流型式的选择依据：塔径、流量；型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。U型流型单流型双流型液流型式选取参考表液体流量m3/h塔径mU型流型单流型双流型阶梯流型1.07451.49702.0119090-1603.011110110-200200-3004.011110110-230230-3505.011110110-250250-4006.011110110-250250-450②降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：一般Ad/AT=0.06~0.12，由lw/D确定(图11-16)Ad/AT过大，气液两相接触传质区小，生产能力和板效率将较低；Ad/AT过小，易产生气泡夹带，引起降液管液泛。底隙hb：应小于hw，通常在30~40mm。液体流经底隙的流速ub=Ls/(lwhb)，一般ub=0.07—0.25m/s。平流堰溢流辅堰栅栏堰三角形齿堰③溢流堰（又称出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。主要尺寸：堰高hw和堰长lw堰高hW：直接影响塔板上液层厚度过小，相际传质面积过小；过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：hW=50~80mm；减压塔：hW=25mm。hW=hL－h0W板上液层高度（常压）：hL=50～100mm3/2h3ow1084.2WlLEhE可由图11-11查取(P.131)，若Lh不是过大，可近似取E=1。mm60Wh堰上方液头高度hOW可用经验式计算：how过小时，板上液体流动不均，效率降低，可调整lW/D。Lh：液体流量m3/h堰长lW：对于弓形降液管8.06.0DlW7.05.0DlW双流型:单流型：堰长由计算得到的塔径确定lW/D也可根据数据手册推荐值按塔径选取①受液区和降液区一般两区面积相等。②边缘区小塔：大塔：③安定区：入口安定区：因板上液面落差，减少漏液出口安定区：避免夹带气泡的液体进入降液管4、塔板及其布置mm10050―ssWWmm7050―cWWcWdWslWrx塔径小于0.9m时可用整块板；塔径较大时，常采用分块式塔板。mm5030―cW)sin180(21222rxrxrxAa5、筛孔、阀孔的尺寸和排列（1）筛板塔单流型弓形