化工原理课程设计

化工原理课程设计——板式精馏塔设计2015年1月4日化工原理课程设计1、准备曲线板、坐标纸、3#图纸2张、说明书纸一本加封皮。2、一周内写好设计说明书。3、周14、周二至周五上午答疑5、周5下午1点面试（交材料）6、图的要求：（1）用三号图纸画工艺流程图按比例画塔的工艺图（带管接口）；（3）其余工艺设计图用方格纸设计达到的目标：(设计说明书)设计出一个能达到分离要求完成生产任务且有一定操作弹性的完整塔设备。包括：求出Np,D,Z，塔板布置配管、泵、冷凝器、再沸器选取基础数据：苯――氯苯１、Antoine常数：苯氯苯A6.030556.1030B1211.0331431.05C220.79217.55方程中：t――°CP°――KPa2、常压沸点°C：80.1131.83、分子量：78.1112.54、密度：Kg/m380°C815.0104290°C803.91031100°C792.51019110°C780.81008120°C768.9996.45、汽化热cal/mol80°C73539116100°C70778872110°C69308743120°C67768609130°C66148469140°C8324设计说明书的写法：首先：附上设计任务书（发的）基础数据（自查或给）前言：（相当于可行性报告）可介绍本次设计的基本内容设计的构思过程（二元双相混合物用什么方法分，该体系能不能分开；用什么设备，什么压力等）；精馏的基本特点；本设计的特点，如产品从塔顶还是从塔底出，以什么部位的物性参数为依据设计等）。这部分看个人水平。目录：为使人一目了然，了解整个设计内容。一、流程及说明：给一个带控制点的流程图①（自己找参考）图后面附说明,注明为什么选择这样的流程（如进料状态、加料方式、塔釜加热方式、塔顶冷凝方式等）二、工艺计算：（核心内容、根据课堂学的内容）包括：Np、Z、D、塔板布置为了进行计算，必须做一定的数据准备,如：平衡数据、物料衡算数据、回流比、物性参数等。1、相平衡关系：作出t－x(y)②和x－y③图方法：可到图书馆查平衡数据（t－PA°、PB°－x、y）也可利用Antoine方程计算：logP°=A–B/(t+c)注意：此方程有多种形式如：ln、log、t、p的单位，°C、K、KPa、mmHg但计算结果一样，不同的方程不同的常数。列出数据表：①tPA°PB°xAyAα．．．．．．．．．．．．．．．．．．注:(1)温度取值范围、轻、重组分沸点之间。(2)查手册时同时查出必要的基础数据。如两组分的沸点粘度、密度、表面张力等。(3)算出可用几何平均匀也可用算术平均2、物料衡算：根据任务书的要求和精馏一章的知识计算F、D、W、XF、XD、XW、结果列表②3、回流比的确定：（1）Rmin：作图或用公式（2）R：利用芬斯克方程和吉利兰图算出Nmin、N作图④N~R、找出适宜的R~Rmin（倍数）参看教材P74（华化）算法：①算出Nmin（芬斯克方程）②取一个Rmin的倍数，如R=1.2Rmin，算出③从吉利兰图查得：求出N(包括塔釜）④取多个R，求出相应的N作出N~R图(也可用教材P74拟合公式看条件)然后根据设备费，操作费之和最低综合考虑，确定R值（一般R取1.2~2Rmin，曲线不太陡的位置）N费用操作费设备费RR优化设计问题，要知道一些必要参数4、理论板数NT及加料位置确定（用作图法和逐板计算）图⑤5、实际板数NP及实际加料位置的确定（NT分别代精馏段和全塔）ET=0.49(）-0.245（华理P118图10-20）式中为全塔平均温度下数值已求出,由t－x(y)图可查tD、tW（其中tD查露点线,因为xD=y1,tW查泡点线）（查教材上册P277）（公式中的Xi为加料组成）求出，NP可算，以上结果可列表③6、塔内温度、压力及物性参数的确定为简化计算，将塔内各点的压力均视为常压，则t－x(y)图对全塔都好用。由于该塔目的产品在塔底出，所以取提馏段平均温度下的数据做设计依据。算出提馏段平均温度下的：7、计算塔径：D（设计书有例子,天大为浮阀塔也可参考天大P163）关键是u--空塔气速（参考化工原理课程设计P106）u=（0.6~0.8）umax或uf---液泛气速查教材（天大）下，P165得C20（华理P129下册图10-42，用数据查）（HT值在P129）C20：物系表面张力为20mN/m的负荷系数。σ：操作物系的液体表面张力算出的D要圆整，再返算实际空塔气速。8、计算塔高ZZ=H+2封头高（0.3+0.04）mH=HD+(NP-1-NF-S)HT+NFHF+SHT’+HBHD-----塔顶空间，取1.0~1.5mHT-----板间距（参看教材P129，不同塔径，取不同值）HT’-----开人孔的板间距，取≥0.6m(参考化原课设P115)（人孔直径450~550）HF-----进料板间距，取HF＞HTHB-----塔底空间，可按储液量和D计，保证10~15min储液量0.785D2HB’=LS’×10×60HB=HB’+0.5m(发挥空间）（一般取0.2~0.5m)S-----人孔数NF----进料板数9、塔板设计D、Z算好之后，只是有了外壳，还要为气液接触安排一个舒适的场所，即使二者密切接触，进行传质，传热----塔板布置，在塔板上液相走降液管往下，气相走阀孔往上。（1）溢流装置=降液管+溢流堰-----流体通道a）降液管：有圆形和弓形一般用弓形（小塔除外，我们实验室为圆形）弓形降液管的关键尺寸为：堰长：LW=（0.6-0.8）D附图（也可选标准尺寸）高度降液管宽：Wd降液管面积：Af可根据LW和D定出参看教材：天大P170，化原课设P106-107（其中AT为塔截面，即塔板面积）b）溢流堰：（一般选平直堰，LOW≤0.6mm，选齿形堰）包括：出口堰和入口堰（入口堰不设，或采用受液盘）出口堰：（降液管上端高出塔板的高度）堰高hW和底隙高度hO之间有个关系。ho=hw－0.006(ho一般取25~40mm,hw≤HT×15%常压塔20~50mm,华理P131表10-3)即:为保持液封，ho必须小于hw至少6mm（不小于20~25mm以免堵）具体算法见：化原课设P107，uo’=0.07~0.25m/s(液体通过降液管底隙时的流速）堰上液层高度：（E可取1，how6mm）板上液层高度：hL=hw+how（一般为0.05~0.1m）（1）塔板布置-----气体通道对D900mm的塔，可采用分块式塔板。分块原则：（1）每块都可从人孔送入塔内（2）几块之和等于D塔板面积可分为四个区：a)鼓泡区：Aa，见P127（虚线以内，又称有效区）b)溢流区:Af，P127（降液管所占面积，液体通道）c)破沫区：WS,P127（两条线之间，又称安定区)D1.5m,WS取60~75mmd)边缘区：WC，P127（靠塔壁的两条，又称无效区）小塔取30~50，大塔取50~75mme)阀孔数：n，（涉及塔板类型）本设计：do取0.039m（F1重阀）FO：阀孔动能因子，重要参数当F=9~12时，阀孔刚好全开，操作情况最好(在此范围自选FO，算uo）f)阀孔排列：(正△,等腰△,顺排,叉排)分块塔板多采用等腰三角形，叉排，具体排法见P128，画出塔板布置图⑤。求出实际孔数，返算uo→Fo，看Fo是否还在9~12之间，若在排列通过。g)开孔率：（Ao为阀孔总面积，AT为塔截面）应在10~14%之间，结果列表⑤堰长lW：影响液层高度。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：40~80mm；减压塔：25mm左右。TdWAAfDlDbfDldW75.06.0DlW7.05.0DlW说明：通常应使溢流强度qVLh/lW不大于100~130m3/（mh）。或：双流型:单流型：3/231084.2WVLowlqEhh(4)塔板及其布置①受液区和降液区一般两区面积相等。②入口安定区和出口安定区其中，E：液流收缩系数，一般可近似取E=1。mmhOW6mmbbss10050mmbc50堰上方液头高度hOW：要求：③边缘区：bcbdbslWrx)sin(21222rxrxrxAa)sin(2)sin(211221211222rxrxrxrxrxrxAa（5）筛孔的尺寸和排列筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率：单流型弓形降液管塔板：④有效传质区：双流型弓形降液管塔板：20220907.060sin21421tdtdAAoaobcbdbslWrxd0t00AquSVV20200785.04dAdAna筛孔直径d0:3~8mm(一般)。12~25mm(大筛孔)孔中心距t:(2.5~5)d0取整。开孔率φ:通常为0.08~0.12。板厚：碳钢（3~4mm）、不锈钢。筛孔气速：筛孔数：d0t三、流体力学验算：P109（课设）1、气体通过塔板的压降：Pa（必须小于某一数值）△PP=△PC+△PL+△Pσ折合成：hP=hC+hl△PC：干板压降△P=hρLg△PL：液层压降△Pσ：液体表面张力压降（一般很小可忽略）△PP＜0.67KPa合格（国内常压，加压浮阀塔单板压降为267~667Pa，约为2~5mmHg,减压塔1~3mmHg）hc算法在天大P174有介绍2、液泛：（淹塔）因为降液管内要有一定的液位高度Hd，用以克服气体通过塔板时产生的相邻两板间的压强降hP，板上液层高度hL，和液体流过降液管的阻力hd，而稳定地流入下层塔板。所以：Hd=hP+hL+hd(不设入口堰，hd很小可忽略)在液体下流过程中夹带泡沫，泡沫与液体在降液管中的总高度不能超过上层塔板的出口堰。即：Hd≤φ（HT+hw）φ取0.4~0.6满足此条件，则不液泛,课设P1093、物沫夹带：过量雾沫夹带将导致塔板效率下降，综合考虑生产能力和板效率的关系，应控制雾沫夹带ev0.1Kg液/Kg汽一般用泛点率来估算，对大塔，泛点率80%,ev0.1合格，具体算法见P110（课设）4、漏液若气相负荷过小，或开孔率过大会出现漏涂现象，导致板效率下降，严重时板上无液层，无法操作，以阀孔动能因子数控制。对F1重阀：F=5~6为操作下限，即：F5~6合格（前面已算）四、负荷性能图课设P111(精,提两段分别做,重点提馏段）此图可检验塔设计是否合理，了解塔的操作状态，指导改进塔操作性能。此图以VS为纵座标，LS为横座标，由5条特殊的线围成，操作线经过其中,由状态点在图中的位置分析问题。操作线：过原点和操作点（LS＇，VS＇）的直线。5条线分别为：1、雾沫夹带线：按公式：式中：ZL=D-2Wd（板上液体流经长度）Ab=AT-2Af（板上液流面积）K--物性系数P176本体系可取1.0表3-4CF--泛点负荷系数P176查图3-16CF=0.112代入已知数据整理得:VS~LS关系（直线方程）任取两点作直线，得雾沫夹带线。2、液泛线:因为当Hd=φ(HT+hw)时发生液泛（其中Hd和hw代计算式）所以，由此式导出：VS~LS关系为液泛线（曲线）取多组数据可画出此曲线，为液泛线。具体算法见课设P111-1123、液相负荷上限