化工原理课程设计简易步骤1.docx

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1、化工原理课程设计说明书设计题目学生姓名指导教师学 院专业班级完成时间目录1. 设计任务书 2. 设计方案确实定与工艺流程的说明 3. 精馏塔的物料衡算 4. 塔板数确实定 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、设计方案确实定

2、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、塔釜加热方式等进展说明，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、塔板数确实定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 。再确定适宜回流比：P 。2662683. 确定理论板数逐板法或梯级图解法塔顶承受全凝器计算理论板层数，并确定加料板位置： P。逐板法需先计算相对挥发度257-258确定精馏段理论板数N 、提馏段理论板数N124. 确定实际板数：估算塔板效率：P 。需知全塔平均温度，可由 t-x

3、-y 图确定塔顶、塔底温度，285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，再按抱负溶液计算。由塔板效率计算精馏段、提馏段的实际板层数N ,N ：P 式 6-67。12284四、精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1. 操作压力 pm：取 ppDpF m22. 精馏段平均温度tm：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 、M 由 P 式 0-27 分别计算塔顶、进料板处的摩尔质量，再分别VmLm：8取两处的算术平均值。汽相的摩尔分率查t-x-y 图。4. 平

4、均密度、：用P 式 1-7 分别计算塔顶、进料板处液相密度，再VmLmLm13取算术平均值。p MmVmVmR Tm5. 液体外表张力：由xx 分别计算塔顶与进料板，再取mmA AB BmDmF平均值。6. 液体粘度：与外表张力的计算类似。m五、精馏段汽液负荷Vs、s计算V=R+1DL=RD第 3 页 共 15 页VVM Vm s3600VmLLM Lm s3600Lm同时计算V 、L 。hh冷凝器的热负荷：(本设计不要求计算)六、精馏段主要工艺构造尺寸的计算(一)板间距H 的初估。T板间距初估是为了估算塔径，在P 表 6-8 初选。286(二)塔径的初估与圆整 P2861. 液泛速度。2.

5、塔径：计算，并圆整，再按P 表 6-5，检验塔径是否适宜。2863. 实际操作气速。七、塔板工艺尺寸的计算一溢流装置:说明承受何种形式的溢流堰、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，而弓形降液管由局部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。可依下表进展选择。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

6、盘两种形式，如以以下图所示。(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堵塞，因此可不设进口堰。承受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，又有转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，多承受凹形受液盘。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状况，因易造成死角而堵塞。3. 溢流装置的设计计算1） 堰长 l ：参见 P 堰长 l 应由液体负荷及溢流型式而定。对于

7、常用的弓形降液管：w281Wl = 0.60.8DD 为塔径，m。W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 L /lhw求。100 130m 3/ m h ，满足筛板塔的堰上溢流强度要2） 堰上液层高度 h : 太小，堰上的液体均布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。ow对于平直堰，堰上液层高度h 可用弗朗西斯Francis阅历公式求算：owLs塔内液体流量，m3/h； lw堰长，m； E液流收缩系数。液流收缩系数E，可由液流收缩系数计算图查取。一般状况下可取E=1，所引起的误差对计算结果影响不大。平直堰，一般 h 0.006m，假设低于此值，改用齿形堰。H 也

8、不宜超过 0.060.07m，否owow则改用双溢流型塔板。3） 出口堰高h ：堰高h 需依据工艺条件与操作要求确定。设计时，一般应保持塔板上ww清液层高度在 50100mm。计算公式：hWhhLow式中：h 板上液层高度，在 50100mm 内取值，m；h 堰上液层高度，m。Low堰高一般在 0.030.05m 范围内，对于减压塔的 h 值应较低，以降低塔板的压降。堰w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。假设堰高不能满足液封要求时，可设进口堰。在求出h 后，检验堰高是否在下式范围：ow4） 弓形降液管宽度 Wd与截面积A :fl可依据

9、W 查由以以下图查得。( 图中 A为塔横截面积。 )DT按 P式 6-65 验算停留时间。即306第 5 页 共 15 页假设不能满足上式要求，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 应低于出口堰高度h ，才能保证0w降 液 管 底 端 有 良 好 的 液 封 ， 一 般 取 为 ：hh(0.006 0.012)，mOW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 为 2530mm，塔径较大时可取0h 为 40mm 左右，最大可达 150mm。0降液管底隙高度h0式中：

10、L 塔内液体流量，m3/s；Su 液体通过降液管底隙的流速，m/s；一般0可取 u =0.070.25m/s。0(二)塔板布置1. 边缘区宽度W 与安定区宽度Wcs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，c也称边缘区。其宽度 Wc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。s溢流堰前的安定区宽度为W ，其作用是在液体进入降液管之前有

11、一段不鼓泡的安定地带，以s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 =70100 mm 。对小直径的塔(Dl m)，因塔板面积小，安定区要相应减小。s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 Af表示，受液盘所占面积以 A 表示。f2. 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打算，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 ，而u 由阀

12、孔动能因数F打算。000式中u 孔速，m/s; 气相密度，kg/m3；oVF 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0当调整。 阀孔数n 的计算：式中 n阀孔数；V气相流量，m3/s；d 阀孔孔径，m。由所选浮阀的型号打算。0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以以下图)。承受叉排时，相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显， 而且相邻两阀简洁被吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，所以承受叉排更好。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，150

13、mm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 开孔鼓泡区面积，m2；at等腰三角形的底边长，m，一般取为 0.075m；A 阀孔总面积，；t 正三角形的孔心距，m。0估算后要依据实际排间距核算实际阀孔数。依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A0。一般开孔率大，塔板压AT降低，雾沫夹带量少，但操作弹性小，漏液量大，板

14、效率低，最好为6%-9%。八、精馏段塔高精馏段：Z ” N1 H11T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： phg ，即要验算： phg 是否pp Lpp L小于设计规定的 0.7kPa。其中h 的计算：p第 7 页 共 15 页h 与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度，m；ph 与气体抑制干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度，m；ch 与气体抑制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；lh 与气体抑制液体外表张力所产生的压强降相当的液柱高度，m。1h 的计算：将浮阀到达全开时的阀孔气速称之为临界孔速，以u 表示。Coc对于F 重阀质量约 33g

15、，阀孔直径为 39mm干板压降计算式为：1阀片全开前u u阀片全开后u u oocoocu 阀孔气速，m/s；u 气体通过阀孔的临界气速，m/s。ooc临界气速u ，以判别用不同公式计算。oc将上二式联立而解出u ，令OC将g = 9.81m/s2 代入，解得：2h 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，lh 溢流堰高，mh 堰上液层高度，m 充气因数。wow0 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， =0.20.35；液相为碳氢化合物时， =0.40.5。0003h的计算：式中：液体外表张力，N/mh浮阀开

16、度，m。气体抑制液体外表张力所造成的阻力通常很小，可以无视不计。！2. 液泛：液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种状况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进展验算。为使液体能由上层塔板顺当地流入下层塔板，降液管内须维持确定的液层高度Hd。 通常液体中取 HdHT+ hw。Hd 的计算： H dhphLhdhP气体通过一块塔板的压降，mhW溢流堰高度，m； hd液体流过降液管的压强降，m；HT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/ m3。对于一般物系，=0.5；对于发泡严峻物系，=0.30.4；对于不易发泡的物系，=0.60.7。h 可

17、按下述阅历公式计算：d塔板上装有进口堰时，略！h 前已算出，h 为清液层高度前pL也确定。3. 过量雾沫夹带目前多承受验算泛点率，作为间接推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，F75%，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 0.1。V泛点百分率F Z =D-2W ，mLd式中：Z 液体横过塔板流淌的行程，对单溢流型塔板，LA 塔板上的液流面积，对单溢流型塔板：A = A -2A ，

18、 m2；bbTfA 塔截面积，m2；A 降液管截面积，m2；TfC 泛点负荷因数由图查得；K物性系数，由下表查取。F4. 严峻漏液对于浮阀塔，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。阅历证明，当阀孔的功能因数F =56 时，漏液量接近 10%，因此取F =56 作为把握漏液00量的操作下限。验算时可依下式，求出F0可低些。F 的下限值，而对于加压操作的塔，F 的下限值00假设漏液严峻，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F 重阀，以阀孔动能因数F = 5 作为把握漏液量的操作下限，即得10第 9 页 共 15 页直线。 2

19、过量雾沫夹带线对于浮阀塔以雾沫夹带量e = 0.1 相对应的泛点百分率F 作为上限，依据泛点率公式V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 = 0.006m 作为最小液体负荷的下限考虑，故液相0W负荷下限线方程写成为：L 液相流量，m3/sl 溢流堰长，m；SwE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

20、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行的竖直线。5液泛线取极限值其中；而；联立得无视 h ，将h 与L ；h 与 L ；h 与 V 的关系式代入上式，并0Wsdscs整理得V L 关系式。取点描图即得液泛线。ss项目符号单位计 算 结 果平均压强pmkPa绘制气液负荷性能图： 十一、 精馏段计算汇总表平均温度tm气相Vs平均流量液相Ls m3/s m3/s实际塔板数板间距塔段的有效高度塔径空塔气速塔板液流型式溢流管型式N ”1HTZDumax/块mm mm/s/溢堰长lmw流装堰高hmw置底隙高度hmo板上清液层高度hmL孔径dmmO孔间距tmm孔数n个开孔面积Am

21、2O筛孔气速um/s0塔板压降液体在降液管中的停留时间降液管内清液层高度雾沫夹带负荷上限负荷下限ppkPasHmdekg 液/kg 气v/说明由何把握说明由何把握第 11 页 共 15 页气相最大负荷Vs,maxm3/s气相最小负荷Vs,minm3/s操作弹性/提馏段重复四九：本设计略十二、 设计评述对设计结果进展评述，或对有关问题进展分析与争论。参考文献1. 王志魁. 化工原理，北京：化学工业出版社，2023 年2. 略筛孔塔板的塔板布置步骤：七二塔板布置筛板塔筛孔孔径d ：通常是 38mm，现在也有 1225mm 的大筛孔，推举 46mm。0筛板厚度： 筛孔的加工一般承受冲压法，故确定筛板

22、厚度应依据筛孔直径的大小，考虑加工的可能性。对于碳钢塔板，板厚 为 34 mm，孔径 d0应不小于板厚 ；对于不锈钢塔板，板厚 为 22.5 mm，d0应不小于(1.52)。孔心距t：筛孔一般按正三角形排列。孔心距过小，易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板传质效率。假设 t/do 值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡简洁碰撞生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。假设t/do 值过大， 板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。一 般取 t/do=2.55，常用值 34。1158000 A筛孔数n： n开孔率： at：孔心距，mm。t2通常开孔率为 5%15%。验算是否在此

23、范围。孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，数实际孔数。孔数假设与计算值相差太大，可以调整孔心距。假设布孔数过多，可在适当位置堵孔。按实际孔数校核开孔率并计算实际气速u :U =V /A八、塔板上的流体力学验算00s01. 塔板压降：可参见谭天恩化工原理P130塔板压降计算式为： phg ，即要验算： phg 是否小于设计规定的pp Lpp L0.7kPa。其中hp 的计算：中：hp与气体通过一层浮阀塔板的压强降相当的液柱高度，m； hc与气体抑制干板阻力所产生的压强降相当的液柱高度，m； hl与气体抑制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 与气体抑制液体外表张力所产生的压强降

24、相当的液柱高度，m。其中：1气体通过干板的压降hch0.051cuoV ，m C2oL式中孔流系数C 由d / 查上图。oo2.气体通过板上液层的压降hlhhhlwow式中充气系数 ，反映板上液层的充气程度，其值从右图查取，通常可取=0.50.6。图中 F0为气相动能因子，其定义式为kg1/2/(sm1/2)；u 通过有效传质区的气速，m/s；aA 塔截面积，m2。T3气体抑制液体外表张力产生的压降h 4h，mgdL2. 雾沫夹带量evo的验算e5.7 10 6u3.2a，kg液/kg气VHhTf验算 e 是否小于 0.1kg 液体/kg 气体。vh式中：h 塔板上鼓泡层高度，m。依据设计阅历

25、，一般取 ff3. 漏液的验算2.5hL依据阅历，当漏液量小于塔内液流量的10%时对塔板效率影响不大。故漏液量等于塔内液流量的 10%时的气速称为漏液点气速，它是塔板操作气速的下限，以 u0min表示。 计算筛第 13 页 共 15 页板塔漏液点气速有不同的方法。设计中可承受下式计算，即u4.4Com ino0.0056 0.13hhL/ ，m/s ，气体通过筛孔的实际速度 u 与漏LV0u液点气速 u0m之比，称为稳定系数，即Ko ，无因次。K 值的适宜范围为 1.52。验算uom一下。4. 液泛的验算同浮阀塔液泛分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种状况。因设计中已对液沫夹带量进展了验算， 故在

26、筛板的流体力学验算中通常只对降液管液泛迸行验算。为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度HHhdTwHhhhdpLd其中， hd1.39 L2 s， mgl hw o验算HHh 是否成立，假设不成立，会发生液泛，需重调整选择的参数。dTw九、塔板负荷性能图1.雾沫夹带线e5.7 10 6u3.2 avHhTfV式中： u s，得出u V关系式。aAAasTfh2.5hfL2.5 hwhow 得出 h L关系式。fs取 e =0.1,将上两式代入，得VsLs 关系式，在操作范围内取系列Ls，依雾沫夹带关系V式算出Vs，列表如下：Ls，m3/s Vs，m3/s在 Vs-Ls 图中取点描图即得

27、雾沫夹带线。2.液泛线取极限值HHh ， 而HhhhdTwdpLd将其中各项的表达式代入Ls、Vs 作未知数，得 VsLs 关系式。同理，在操作范围内，任取几个Ls 值，依VsLs 关系式计算Vs 值列表，并描点作图得液泛线。三液相负荷上限线Ls,maxH T Ad ，m 3 /s 其中 取极限值 5s,代入计算，为直线。四漏液线气相负荷下限线取漏液点气速u4.4C0.0056 0.13hh/ ，m/so,minoLLVVs,minA uo o,minhhhLwow计算整理，得Vs,minL 关系非直线！s同理，取点描图得漏液线。五液相负荷下限线对于平直堰，通常按堰上液层高度h = 0.006m 作为最小液体负荷的下限考虑，故液相0W负荷下限线方程写成为：h0.0028Eow3600Llws,min2 /30.006Ls,min式中：L 最小液相流量，m3/sl 溢流堰长，m；S,minwE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。V绘制气液负荷性能图，计算汽液比，绘制操作点和操作线，计算操作弹性。 s,max Vs,min第 15 页 共 15 页