化工原理课程设计简易步骤.docx

化工原理课程设计简易步骤 化工原理课程设计说明书 设计题目 学生姓名 指导老师 学院 专业班级 完成时间 目录 1.设计任务书（） 2.设计方案的确定与工艺流程的说明（） 3.精馏塔的物料衡算（） 4.塔板数的确定（） 5.精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算（） 6.精馏段的汽液负荷计算（） 7.精馏段塔体主要工艺尺寸的计算（） 8.精馏段塔板主要工艺尺寸的计算（） 9.精馏段塔高的计算（） 10.精馏段塔板的流体力学验算（） 11.精馏段塔板的汽液负荷性能图（） 12.精馏段计算结果汇总（） 13.设计评述（） 14.参考文献（） 15.附件（） 附件1：附图1精馏工艺流程图（） 附件2：附图2降液管参数图（）附件3：附图3塔板布孔图（） 板式塔设计简易步骤 一、 设计方案的确定及工艺流程的说明 对塔型板型、工艺流程、加料状态、塔顶蒸汽冷凝方式、塔釜加热方式等进行说明，并 绘制工艺流程图。（图可附在后面） 二、 精馏塔物料衡算：见教材P270 计算出F 、D 、W ，单位：kmol/h 三、 塔板数的确定 1. 汽液相平衡数据： 查资料或计算确定相平衡数据，并绘制t-x-y 图。 2. 确定回流比： 先求出最小回流比：P 266。再确定适宜回流比：P 268。 3. 确定理论板数 逐板法或梯级图解法（塔顶采用全凝器）计算理论板层数，并确定加料板位置：P 257-258。（逐板法需先计算相对挥发度） 确定精馏段理论板数N 1、提馏段理论板数N 2 4. 确定实际板数： 估算塔板效率：P 285。（需知全塔平均温度，可由 t-x-y 图确定塔顶、塔底温度，或通过试差确定塔顶、塔底温度，再取算术平均值。需知相对挥发度，可由安托因方程求平均温度下的饱和蒸汽压，再按理想溶液计算。） 由塔板效率计算精馏段、提馏段的实际板层数N 1,N 2：P 284式6-67。 四、 精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 1. 操作压力m p ：取2 F D m p p p += 2. 精馏段平均温度m t ：查t-x-y 图确定塔顶、进料板温度，再取平均值。或由泡点方程试差法确定塔顶、进料板温度。 3. 平均摩尔质量M Vm 、M Lm ：由P 8式0-27分别计算塔顶、进料板处的摩尔质量，再分别 取两处的算术平均值。汽相的摩尔分率查t-x-y 图。 4. 平均密度Vm 、Lm ： Lm ：用P 13式1-7分别计算塔顶、进料板处液相密度，再 取算术平均值。m Vm m Vm T R M p ?= 5. 液体表面张力m ：由B B A A m x x +=分别计算塔顶mD 与进料板mF ，再取 平均值。 6. 液体粘度m ：与表面张力的计算类似。 五、 精馏段汽液负荷（Vs 、s ）计算 V=（R+1）D L=RD Vm Vm s VM V 3600= Lm Lm s LM L 3600= 同时计算V h 、L h 。 冷凝器的热负荷：(本设计不要求计算) 六、 精馏段主要工艺结构尺寸的计算 (一)板间距H T 的初估。 板间距初估是为了估算塔径，在P 286表6-8初选。 (二)塔径的初估与圆整 P 286 1. 液泛速度。 2. 塔径：计算，并圆整，再按P 286表6-5，检验塔径是否合适。 3. 实际操作气速。 七、 塔板工艺尺寸的计算 （一）溢流装置: 说明采用何种形式的溢流堰、降液管、受液盘。 （以下为选择依据：） 1.降液管：降液管有圆形与弓形两类。通常，圆形降液管只用于小直径塔，而弓形降液管由部分塔壁和一块夹板围成，它能充分利用塔内空间，普遍用于直径较大、负荷较大的塔板。 2.溢流方式： 溢流方式与降液管的布置有关。常用的降液管布置方式有U 型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等。常选择的为单流型和双流型P281。可依下表进行选择。 3.溢流堰的形式：有平直形和齿形两种。一般选择平型。 4）受液盘: 受液盘有平受液盘和凹形受液盘两种形式，如下图所示。 (a) 平受液盘 (b)凹受液盘 平受液盘一般需在塔板上设置进口堰，以保证降液管的液封，并使液体在板上分布均匀。但设置进口堰既占用板面，又易使沉淀物淤积此处造成阻塞，因此可不设进口堰。 采用凹形受液盘不需设置进口堰。凹形受 液盘既可在低液量时能形成良好的液封，又有改变液体流向的缓冲作用，并便于液体从侧线的抽出。对于600mm 以上的塔，多采用凹形受液盘。凹形受液盘的深度一般在50 mm 以上，有侧线采出时宜取深些。凹形受液盘不适于易聚合及有悬浮固体的情况，因易造成死角而堵塞。 3.溢流装置的设计计算 1）堰长l w ：参见P 281 堰长l W 应由液体负荷及溢流型式而定。对于常用的弓形降液管： 单溢流取l W = （0.60.8）D 其中D 为塔径，m 。 双流型塔板，两侧堰长取为塔径的0.50.7倍。 并保证堰上溢流强度()h m /m 130100/3 ?0.006m ，若低于此值，改用齿形堰。H ow 也不宜超过0.060.07m ，否则改用双溢流型塔板。 3）出口堰高h w ：堰高h w 需根据工艺条件与操作要求确定。设计时，一般应保持塔板上清液层高度在50100mm 。计算公式： ow L W h h h -= 式中：h L 板上液层高度，在50100mm 内取值，m ；h ow 堰上液层高度，m 。 堰高一般在0.030.05m 范围内，对于减压塔的h w 值应较低，以降低塔板的压降。堰高还要考虑降液管底端的液封，一般应使堰高在降液管底端0.006m 以上，大塔径相应增大此值。若堰高不能满足液封要求时，可设进口堰。 在求出h ow 后，检验堰高是否在下式范围： 4）弓形降液管宽度W d 与截面积A f : 可根据 D l W 查由下图查得。( 图中A T 为塔横截面积。 ) 按P 306 式6-65验算停留时间。即 若不能满足上式要求，应调整降液管尺寸或板间距，直至满足要求为止。 5）降液管底隙高度h 0 : 降液管底隙高度h 0应低于出口堰高度h w ，才能保证 降液管底端有良好的液封，一般取为： )012.0006.0(-=W O h h ，m 降液管底隙高度一般也不宜小于2025mm ，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。在设计中，塔径较小时可取h 0为2530mm ，塔径较大时可取h 0为40mm 左右，最大可达150mm 。 降液管底隙高度h 0也可用下式计算： 式中：L S 塔内液体流量，m 3 /s ； u 0液体通过降液管底隙的流速，m/s ；一般可取u 0=0.070.25m/s 。 (二) 塔板布置 1.边缘区宽度c W 与安定区宽度s W 塔板通常分为四个区：即边缘区、安定区、溢流区、开孔区。 确定边缘区宽度c W ：在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用，称为无效区，也称边缘区。其宽度W c 视塔板的支承需要而定，小塔一般为3076 mm ，大塔一般为5075 mm 。为防止液体经无效区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置挡板。 确定安定区宽度s W ：开孔区与溢流区之间的不开孔区域称为安定区，也称为破沫区。溢流堰前的安定区宽度为W s ，其作用是在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带气泡进入降液管；安定区的宽度可按下述范围选取，即：溢流堰前的安定区宽度 W s =70100 mm 。对小直径的塔(D l m)，因塔板面积小，安定区要相应减小。 溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积以A f 表示，受液盘所占面积以A f 表示。 2.计算开孔区面积： 对单溢流型塔板，开孔区面积可用下式计算，即 式中 ,m ；,m ； 为以角度表示的反正弦函数。 对双流型塔板，请查资料。 3. 开孔数及筛孔排列 （浮阀塔板）： 阀孔直径： 阀孔直径由所选浮阀的型号决定，如常用的F1型浮阀的阀孔直径为39mm 。 阀孔数：阀孔数n 取决于操作时的阀孔气速u 0，而u 0由阀孔动能因数F 0决定。 式中u o 孔速，m/s; V 气相密度，kg/m 3 ； F 0阀孔的动能因子，一般取811(苯-甲苯体系取9-13)，对于不同的工艺条件，也可适 当调整。 阀孔数n 的计算： 式中 n 阀孔数；V 气相流量，m 3 /s ； d 0阀孔孔径，m 。由所选浮阀的型号决定。 阀孔的排列：阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。正三角形排列又有顺排和叉排两种方式（见下图)。采用叉排时，相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显，而且相邻两阀容易被吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，所以采用叉排更好。 在整块式塔板中，阀孔一般按正三角形排列，其孔心距t 有75mm ，100mm ，125mm ，150mm 等几种。 在分块式塔板中，阀孔也可按等腰三角形排列，三角形的底边t 固定为75mm ，三角形高h （即排间距）有65mm ，70mm ，80mm ，90mm ，l00mm ，110mm 几种，必要时还可以调整。 按等腰三角形排列时： 按正三角形排列时： 式中 h 等腰三角形的高，m ； A a 开孔鼓泡区面积，m 2 ； t 等腰三角形的底边长，m ，一般取为0.075m ； A 0阀孔总面积，； t 正三角形的孔心距，m 。 估算后要根据实际排间距核算实际阀孔数。根据实际阀孔数校核孔速及阀孔动能因数。和塔板开孔率。 塔板上阀孔的开孔率指阀孔面积与塔截面之比。即T A A 0 = 。一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量少，但操作弹性小，漏液量大，板效率低，最好为6%-9%。 八、 精馏段塔高（精馏段）： ()T H N Z 1'11-= 九、 精馏段塔板的流体力学验算 1 塔板压降：塔板压降计算式为：g h p L p p =?，即要验算：g h p L p p =?是否小于设计规定的0.7kPa 。其中h p 的计算： 式中：h p 与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度，m ； h c 与气体克服干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度，m ； h l 与气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降相当的液柱高度，m ； h 与气体克服液体表面张力所产生的压强降相当的液柱高度，m 。 1）h C 的计算：将浮阀达到全开时的阀孔气速称之为临界孔速，以u oc 表示。 对于F 1重阀（质量约33g ，阀孔直径为39mm ）干板压降计算式为： 阀片全开前（u o u oc ） 阀片全开后（u o u oc ） 式中：u o 阀孔气速，m/s ；u oc 气体通过阀孔的临界气速，m/s 。 浮阀塔板在浮阀全开前和全开后，压降随气流速度的变化规律不同，计算时应先计算出临界气速u oc ，以判别用不同公式计算。 将上二式联立而解出u OC ，令 将g = 9.81m/s 2 代入，解得： 2）h l 的计算：受堰高、气速及溢流强度（单位溢流周边长度上的液体流量）等因素的影响，关系较为复杂，一般用下列经验公式计算： 式中：h w 溢流堰高，m ；h ow 堰上液层高度，m ；0充气因数。 充气因数0反映板上液层充气的程度，故称之为充气因数，无因次。当液相为水时，0=0.5；液相为油时，0=0.20.35；液相为碳氢化合物时，0=0.40.5。 3）h 的计算： 式中：液体表面张力，N/m ；h 浮阀开度，m 。 气体克服液体表面张力所造成的阻力通常很小，可以忽略不计。（！） 2 液泛：液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd 。 通常液体中取 H d ·（H T + h w ）。 H d 的计算：d L p d h h h H += 式中： h P 气体通过一块塔板的压降，m ；h W 溢流堰高度，m ； h d 液体流过降液管的压强降，m ； H T 板间距，m ； 降液管中泡沫层的相对密度，=L /L 。L 为降液管中泡沫层的 平均密度， kg/ m 3 。对于一般物系，=0.5；对于发泡严重物系，=0.30.4；对于不易发泡的物系，=0.60.7。 液体流过降液管的压强降h d可按下述经验公式计算： 塔板上不设进口堰时， 塔板上装有进口堰时， （略！） h p前已算出，h L为清液层高度前 也确定。 3过量雾沫夹带 目前多采用验算泛点率，作为间接 判断雾沫夹带量的方法。泛点率的意义 是指设计负荷与泛点负荷之比，是一种 统计的关联值，是广义地指塔内液面的 泛滥而导致的效率剧降之点。塔径大于 900mm的塔，F80%；塔径小于900mm 的塔，F70%；对于负压操作的塔，F 75%，便可保证每千克上升气体夹带到 上一层塔板的液体量小于0.1公斤，即 e V0.1。 泛点百分率F可依下式计算。 式中： Z L液体横过塔板流动的行程，对单溢流型塔板， Z L=D-2W d，m； A b塔板上的液流面积，对单溢流型塔板：A b= A T-2A f， m2； A T塔截面积，m2； A f降液管截面积，m2； C F泛点负荷因数由图查得； K物性系数，由下表查取。 4严重漏液 对于浮阀塔，漏液量是随阀重、孔速的增大、开度的减小与板上液层高度的降低而减小。经验证明，当阀孔的功能因数F0=56时，漏液量接近10%，因此取F0=56作为控制漏液 量的操作下限。验算时可依下式，求出F0来进行判定： 但对于采用轻阀的减压塔，应适当提高F0的下限值，而对于加压操作的塔，F0的下限值可低些。 如果漏液严重，可以适当减小开孔率或降低堰高。 十、精馏段塔板的汽液负荷性能图 1气相负荷下限线 对于F1重阀，以阀孔动能因数F0 = 5作为控制漏液量的操作下限，即得 气相负荷下限线方程： 气相负荷下限线为表示出不发生严重漏液现象的最低气体负荷，它是一条与横轴平行的直线。 2过量雾沫夹带线 对于浮阀塔以雾沫夹带量e V = 0.1相对应的泛点百分率F 作为上限，根据泛点率公式计算就可画出过量雾沫夹带线。 计算时，塔径大于900mm 的塔，取F = 0.8；塔径小于900mm 的塔，F = 0.7；对于负压操作的塔，F = 0.75。 3. 液相负荷下限线 对于平直堰，通常按堰上液层高度h 0W = 0.006m 作为最小液体负荷的下限考虑，故液相负荷下限线方程写成为： 式中：L S 液相流量，m 3 /s ；l w 溢流堰长，m ； E 流量收缩系数，查图，或可取E=1计算。 液相负荷下限线表示出为保证板上液体均匀分布的最低液相负荷。它是一条与纵轴平行的竖直线。 4液相负荷上限线 对于浮阀塔以液体在降液管内的最小停留时间要求= 5s 考虑，其液相负荷上限线方 程可写成为： 液相负荷上限线为表示出对液体在降液管内停留时间的起码要求。它亦是一条与纵轴平行的竖直线。 5液泛线 取极限值 其中 ；而 ； ； 联立得 忽略h ，将h 0W 与L s ；h d 与L s ；h c 与V s 的关系式代入上式，并整理得 s s L V 关系式。取点描图即得液泛线。 绘制气液负荷性能图： 十一、 精馏段计算汇总表 项 目 符 号 单 位 计 算 结 果 平均压强 m p kPa