板式精馏塔设计计算

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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;3
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物性参数表
温度t ℃
80
90 100 110
120
L(苯) kg/m3
815 803.9 792.5 780.3
L(甲苯) kg/m3 L(苯) mN/m
810 800.2 790.3 780.3 21.27 20.06 18.85 17.66
L(甲苯) mN/m 21.69 20.59 19.94 18.41
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。
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5、加热方式的选择
◇加热方式:蒸馏釜的加热方式通常采用பைடு நூலகம்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。
精馏塔的设计计算
1
第一节 概述
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。
m3/s
L=RD
Ls

LM Lm
3600 Lm
m3/s
提馏段: V=V +(q-1)F L =L +F
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第三节 板式塔主要尺寸的计算
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。
L(苯) m·Pas 0.308 0.279 0.255 0.233
L(甲苯) m·Pas 0.311 0.286 0.284 0.254
768.9 770.0 16.49 17.31 0.215 0.228
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(三) 气液负荷的计算
精馏段:V=(R+1)D kmol/h
Vs

VM Vm
3600 Vm
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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,
◇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。
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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、D kmol/h 4、塔板数的计算 (1)理论板数的计算:
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3、平均密度
(1)气相平均密度
Vm

pmM Vm RTm
(2)液相平均密度
1
Lm
ai
i
(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。
平均密度:Lm (精)=(LD+ LF)/2 Vm (精)=(VD+ VF)/2 Lm (提)=(LW+ LF)/2 Vm (提)=(VW+ VF)/2
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。
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(2)全塔效率ET 可查P145页图11-21确定
或:av =0.1~1.0时, ET 0.49( av )0.245
(3)实际塔板数NP
NP N / ET
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
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4、液体平均表面张力
(1)液相平均表面张力 m xii
(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 m xii
(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。
◇确定理论塔板数(作图法)、实际板数; ◇确定塔高和塔径。
6
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。
2、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)/2
tm(提)=( tW+ tF)/2
t/℃
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 ℃
液流型式选取参考表
液 体 流 量 m3/h U 型流型 单流型 双流型 阶梯流型
<7
<45
<9
<70
<11
<90 90-160
<11
<110 110-200 200-300
<11
<110 110-230 230-350
<11
<110 110-250 250-400
<11
<110 110-250 250-450
③ 计算塔径 D
所需气体流通截面积
A Vs u
A AT Ad
AT

A 1 Ad
AT
A 1 Ad
AT
AT
D
lw
AT
D
Ad
AT:塔截面 Ad:降液管截面
AT


4
D2
4 AT

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Ad /AT 和 Wd /D
Ad AT

sin
1
lw D


lw D
1
塔板间距 HT,m 0.2-0.3
0.3-0.35
0.35-0.45 0.45-0.6
0.5-0.8
≥00..68
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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。
① 最大空塔气速(液泛气速,课本P.128—129)
2、课程设计组成 (1)设计说明书主要内容:
◇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;
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。
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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。
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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; 有效塔高: Z HT N p 塔体高度=有效高+顶部空间+底部空间+塔裙座高度
选取塔板间距 HT : 塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D,m
0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 >2.4
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② 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 ~ 40 mm。
课本P.129
0.02 0.03 0.04 0.07 0.1
0.2 0.3 0.4
FP VL L VG G
筛板塔气体负荷因子关联图
0.7 1.0
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② 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 ~ 0.6
设计气速 u = 泛点率 ×umax
4
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。
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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
1、操作压强
塔顶: pD pD表 101 .3 kPa
塔底: pW pD表 101 .3 NP p kPa
进料: pF pD表 101 .3 N(P 精) p kPa
平均压强:pm(精)=( pD+ pF)/2
pm(提)=( pW+ pF)/2
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液体流经底隙的流速ub =Ls/ (lwhb), 一般ub = 0.07—0.25m/s。
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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
umax C
L V V
C

C20

L
20
0.2
筛板塔,可查教材Smith图 求 C20 ;
浮阀塔可查数据手册书确定C20 。
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0.1 0.09
0.07 0.06
C20
0.05 0.04
0.03
0.02
HT=0.6 0.45 0.3
0.15
0.01 0.01
(lw
/
D)2

/


sin 1 lw 的单位取弧度 D
Ad/AT也可由lw/D查图得(教材P.137)
lw/D的确定:
单流型: lW D 0.6 0.8
双流型: lW D 0.5 0.7
说明:计算得到的塔径需圆整。
lw/D
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。
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hb
底隙: hb 堰头液高: h0W 堰高: hW
Wc
Ws
r
x
lW
Wd
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3、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 26
塔径 m 1.0 1.4 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
110 100 90 80
0
p=101.3kPa
t-y t-x
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x (y) 1.0
2、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=78.59 kg/kmol MLDm= 0.916×78.11+(1-0.916) ×92.13=79.29 kg/kmol
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