化工課程方案說明書板式精餾塔方案[]

1、、尸、 亠前言化工生產(chǎn)中所處理的原料，中間產(chǎn)物，粗產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組 成的混合物，而且其中大部分都是均相物質(zhì)。生產(chǎn)中為了滿足儲(chǔ)存，運(yùn) 輸，加工和使用的需求，時(shí)常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài) 的物質(zhì)。精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油 化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量計(jì)的驅(qū)動(dòng)下，使氣，液兩相多 次直接接觸和分離，利用液相混合物中各相分揮發(fā)度的不同，使揮發(fā)組分 由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。實(shí)現(xiàn)原料混合物中各 組成分離該過程是同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的過程。本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處 理量的分離四氯化碳和二硫化碳混合物精餾塔。板式精餾塔也是很早

2、出現(xiàn)的一種板式塔， 20 世紀(jì) 50 年代起對(duì)板式精 餾塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較 完善的設(shè)計(jì)方法。與泡罩塔相比，板式精餾塔具有下列優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力 2 0% 40%）塔板效率 10% 50%）而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔盤造價(jià)減少 40%左 右，安裝，維修都較容易。化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教案環(huán)節(jié)，通過課 程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)各種 手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果 的校核，能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮理 論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。

3、在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮到設(shè)計(jì)的業(yè)精餾塔具有較大的生產(chǎn)能力滿足工藝 要求，另外還要有一定的潛力。節(jié)省能源，綜合利用余熱。經(jīng)濟(jì)合理，冷 卻水進(jìn)出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量。另一方面影響到所需 傳熱面積的大小。即對(duì)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均有影響，因此設(shè)計(jì)是否合理 的利用熱能 R 等直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)問題。本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是過程的物料衡算，工藝計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校 核?！揪s塔設(shè)計(jì)任務(wù)書】一設(shè)計(jì)題目精餾塔及其主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì)二 工藝條件生產(chǎn)能力： 10 噸每小時(shí) 密度Ld硫化碳回7646.51.260四氯化碳a15476.81.595表2液體的表面加力H （單位:mN/m溫度C46.5587

4、6.5硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2表3常壓下的1硫化碳和四氯化碳的氣液平衡數(shù)據(jù)液相中二硫化碳?xì)庀嘀幸涣蚧家合嘀卸蚧細(xì)庀嘀卸蚧寄柗致蕏摩爾分率y摩爾分率x摩爾分率y000.39080.63400.02960.08230.53180.74700.06150.15550.66300.82900.11060.26600.75740.87900.14350.33250.86040.93200.25800.49501.01.0【設(shè)計(jì)計(jì)算】一、精餾流程的確定二硫化碳和四氯化碳的混合液體經(jīng)過預(yù)熱到一定的溫度時(shí)送入到精餾塔， 塔頂上升蒸氣采用全凝器冷若冰霜凝后，一部

5、分作為回流，其余的為塔頂 產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送到貯中，塔釜采用間接蒸氣再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻 后送入貯槽。流程圖如圖 1所示。二、塔的物料衡算（一 、料液及塔頂塔底產(chǎn)品含二硫化碳的質(zhì)量分率二）、平均分子量三）、物料衡算每小時(shí)處理摩爾量總物料衡算H K 易揮發(fā)組分物料衡算聯(lián)立以上三式可得:三、塔板數(shù)的確定 一）理論板Nt的求法 用圖解法求理論板（1）根據(jù)二硫化碳和四氯化碳的氣液平衡數(shù)據(jù)作出（2）進(jìn)料熱狀況參數(shù)qy-x圖,如圖2所示（3）q線方程圖2二硫化碳、四氯化碳的y-x圖及圖解理論板(4) 最小回流比 丨及操作回流比R取操作回流比精餾段操作線方程按常規(guī)M,T，在圖(1上作圖解得:1不包括塔釜)

6、，其中精餾段為5層，提餾段為3.5層.圖2二硫化碳、四氯化碳的y-x圖及圖解理論板（二 全塔效率塔內(nèi)的平均溫度為，該溫度下的平均粘度（三實(shí)際板數(shù)N精餾段：提餾段:四：塔工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算（一 操作壓強(qiáng)的計(jì)算Pm塔頂壓強(qiáng)PD=4+101.3=105.3kPa取每層塔板壓降厶 P=1.0kPa貝進(jìn)料板壓強(qiáng)：Pf=105.3+10 1.0=113.7kPa塔釜壓強(qiáng)：Pw=105.3+9 0.7=121.3kPa精餾段平均操作壓強(qiáng)：Pm=|=109.5 kPa提餾段平均操作壓強(qiáng)：P m =I =116.8kPa.（二 操作溫度的計(jì)算近似取塔頂溫度為 465C，進(jìn)料溫度為58C，塔釜溫度為76C精餾

7、段平均溫度提餾段平均溫度L 1L 1CC（三平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂摩爾質(zhì)量的計(jì)算:由xD=y仁0.97查平衡曲線，得 x1=0.927塔釜摩爾質(zhì)量的計(jì)算：由平衡曲線查的：Xw=0.05b =0.127精餾段平均摩爾質(zhì)量:提餾段平均摩爾質(zhì)量:到 到四平均密度計(jì)算：m1、液相密度： 塔頂部分依下式: 為質(zhì)量分率）；其中 =0.941,=0.059； 進(jìn)料板處：由加料板液相組成：由Xf=0.34得 =0.203 ； 塔釜處液相組成：由xw=0.05得叵=0.0253 ；故精餾段平均液相密度:提餾段的平均液相密度:2、氣相密度G : 精餾段的平均氣相密度 提餾段的平均氣相密度五）液體平均表面張力匸的計(jì)算

8、液相平均表面張力依下式計(jì)算，及丨X】塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由71 =45.5 C查手冊(cè)得:進(jìn)料液相平均表面張力的計(jì)算由=58 C查手冊(cè)得: 塔釜液相平均表面張力的計(jì)算由I =97.33 C查手冊(cè)得:；則:精餾段液相平均表面張力為:提餾段液相平均表面張力為:=L=RD=Lh=3600 0.0023=8.28提餾段：1 ；六、塔和塔板的主要工藝尺寸的計(jì)算 一 ）塔徑D參考下表初選板間距HT=0.40m,取板上液層高度HL=0.07m 故：精餾段：HT-hL=0.40-0.07=0.3-=0.078;依公式取安全系數(shù)為0.7,則：u=0.7“ =0.7 2.14=1.047m/s故:按標(biāo)準(zhǔn)，塔徑

9、圓整為1.4 m,則空塔氣速為塔的橫截面積提餾段:I =0.068 ;依公式:取安全系數(shù)為0.70，為了使得整體的美觀及加工工藝的簡(jiǎn)單易化，在提餾段與精餾段的塔徑相差不大的情況下選擇相同的尺寸。故:D取1.4 m塔的橫截面積空塔氣速為板間距取0.4m合適二）溢流裝置采用單溢流、弓形降液管、平形受液盤及平形溢流堰，不設(shè)進(jìn)流堰。各計(jì)算如下:精餾段:1、溢流堰長(zhǎng) 為0.7D，即:2、出口堰咼 hwhw=hL-how查手冊(cè)由 lw/D=0.91/1. 4 =0.7,知：E為1.03依下式得堰上液高度:故:3、降液管寬度與降液管面積n有I =0.7查手冊(cè)得故： 叫=0.14D=0.141.3=0.182

10、m4、降液管底隙高度取液體通過降液管底隙的流速=0.1m/s依式計(jì)算降液管底隙高度，即：提餾段:1、溢流堰長(zhǎng)勺為0.7，即:2、 出口堰高查手冊(cè)知E為1.04依下式得堰上液高度:3、降液管寬度匚.與降液管面積有.* 1 =0.7查手冊(cè)得故： 理 =0.14D=0.14 I 1.4 =0.182m降液管底隙高取液體通過降液管底隙的流速=0.008m/s依式計(jì)算降液管底隙高度L:即三）塔板布置1、取邊緣區(qū)寬度=0.035m ,安定區(qū)寬度 =0.065m精餾段：依下式計(jì)算開孔區(qū)面積其中提餾段：依下式計(jì)算開孔區(qū)面積=0.304四）篩孔數(shù)n與開孔率廠為4mm,取取篩孔的孔徑do為5mm正三角形排列，一般

11、碳鋼的板厚.I 故孔中心距 t=3.55.0=17.5mm依下式計(jì)算塔板上篩孔數(shù)n ,即依下式計(jì)算塔板上開孔區(qū)的開孔率，即:在515%范圍內(nèi)）氣孔通過篩孔的氣速提餾段每層板上的開孔面積II.為氣孔通過篩孔的氣速五）塔有效高度精餾段提餾段有效高度在進(jìn)料板上方開一人孔，其高為0.8m，般每68層塔板設(shè)一人孔 安裝、檢修用），需經(jīng)常清洗時(shí)每隔 34層塊塔板處設(shè) 一人孔。設(shè)人孔處的板間距等于或大于600m。根據(jù)此塔人孔設(shè)3個(gè)。故：精餾塔有效高度 二-七.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算（一 氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萪1、根據(jù)二八干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨菼2、根據(jù) ，查干篩孔的流量系數(shù)圖_1精餾段由下式得提餾段由

12、下式得3、精餾段氣流穿過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨扔蓤D充氣系數(shù)耳與的關(guān)聯(lián)圖查取板上液層充氣系數(shù)0.57則=D = E提餾段氣流穿過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?由圖充氣系數(shù)引與的關(guān)聯(lián)圖查取板上液層充氣系數(shù)為 0.58則=耳-=|3、精餾段克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨裙示s段單板壓降計(jì)允許值）故提餾段單板壓降計(jì)允許值）二）精餾段霧沫夾帶量的驗(yàn)算由式 = 亠- kg 液/kg 氣 0.1kg 液/kg氣故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶提餾段霧沫夾帶量的驗(yàn)算由式 =一 kg 液/kg 氣 0.1kg 液/kg氣故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶三）精餾段漏液的驗(yàn)算=8.6 篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故在

13、設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液提餾段漏液的驗(yàn)算=8.6篩板的穩(wěn)定性系數(shù)丨X 1故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液四)精餾段液泛驗(yàn)算為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度由 計(jì)算=0.082+0.06+0.00098=0.143m取 =0.5，貝U I =0.50.4+0.057)=0.229m故，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛提餾段液泛驗(yàn)算為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度取司=0.5，則故I，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛八.塔板負(fù)荷性能圖提餾段（一 霧沫夾帶線1）式中a)近似取 E 1.0，=0.057m，=0.91m故=)|=0.1425+1.776 匕 b）取霧沫夾帶極限值為0.1Kg

14、液/Kg氣已知 =-亠=0.4m，并將a）, b）式代入此為霧沫夾帶線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)Ls,計(jì)算出相應(yīng)的Vs值。列于表4中表4Ls.旦L=J4L=JL=JVs.旦2.1272.0391.9261.831整理得取，近似的有(d(e整理得:此為液泛線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)Ls,計(jì)算出相應(yīng)的Vs值。列于表5中表 5Ls.田L(fēng)JL=JL=JL=JVs.旦1.8551.8001.7181.633三）液相負(fù)荷上限線以二I作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限（四漏液線 氣相負(fù)荷下限線）由產(chǎn)| =4.4 E：|=工| . I =-=X |整理得：

15、Ls,計(jì)算出此為液相負(fù)荷上限線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)相應(yīng)的Vs值。列于表6 表 6Ls.旦L=J4L=JL=JVs.旦2.1272.0391.9261.831（五液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層告訴回=0.006m，化為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，取E 1.0。由即：0.006=Vs m / sVSmax(1).minJL78LS 10J3m3/s圖3精餾段負(fù)荷性能圖據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線可知設(shè)計(jì)供板上限有霧沫夾帶線控制，下限由漏夜線控制精餾段操作彈性=提餾段（一 霧沫夾帶線1）31 = Ia)式中近似取 Em 1.0,=0.057m,=0.91m=0.136+1.7

16、76 糾b)取霧沫夾帶極限值為0.1Kg液/Kg氣，已知=-J_I =0.4m，并將a), b)式代入整理得 匚=I1)此為霧沫夾帶線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)Ls,計(jì)算出相應(yīng)的Vs值。列于表8中。表8Ls.| LJ1 * IVs.4.0973.9243.7013.514整理得 .-一IIHl取 F丨，近似的有(d(e,及(c,(d,(e代入得整理得:此為液泛線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)Ls,計(jì)算出相應(yīng)的Vs值。列表9表9Ls. 3 L=J II LJI L=J II L=lVs.凹1.6041.5371.3851.151以亠 作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限EH1三）液相負(fù)荷上限

17、線據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限（四漏液線 氣相負(fù)荷下限線）由嚴(yán)| =4.4 E：| =.-| =三-_ _ =|整理得：此為液相負(fù)荷上限線的關(guān)系式，在操作控制范圍內(nèi)去幾個(gè)Ls,計(jì)算出相應(yīng)的Vs值。列表10中。表10Ls.L=J1 - 1L=JL=JVs.Ld0.5160.5280.5430.555（五液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層告訴回=0.006m，化為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，取由匸=據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線可知設(shè)計(jì)供板上限有霧沫夾帶線控制，下限由漏夜線控制精餾段操作彈性=九、精餾塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表表11精餾塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)

18、精餾段提餾段各段平均壓強(qiáng)a回109.5116.8各段平均溫度回Id52.2567.25平均流氣相l(xiāng)J1.040.956量液相d0.00230.0028實(shí)際塔板數(shù)N塊129板間距Id0.40.4塔的有效高度1114.43.2塔徑1JLil11.41.4空塔氣速El0.780.72塔板溢流形式單流型單流型溢流裝 置溢流管型式弓形弓形堰長(zhǎng)130.910.91堰咼il0.0570.054溢流堰寬度工10.1820.182管底與受液盤距 離0.0250.030板上清液層咼度包回0.070.07孔徑1凹5.05.0孔間距ijH1117.5P 17.5孔數(shù)個(gè)34603460開孔面積因10.0686:0.06

19、6篩孔氣速IdEl15.1615.16塔板壓降因回0.970.99液體在降液管中停留時(shí)間18.5r 18.5降液管內(nèi)清液層咼度J可0.1430.162霧沫夾帶111rI .10.00150.0239負(fù)荷上限霧沫夾帶 控制霧沫夾帶 控制負(fù)荷下限漏液控制:漏液控制氣相取大負(fù)何回1.2431.252氣相最小負(fù)荷I凹10.5240.525操作彈性2.3722.385十、精餾塔的的附屬設(shè)備及接管尺寸（一）塔體結(jié)構(gòu)1、塔高根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，及相似條件下的精餾塔的相關(guān)參數(shù)的選擇。已知全塔板間距 I，可選擇塔頂空間要，選擇全塔的人孔數(shù)為4個(gè)，在進(jìn)料板上方開一人孔，人孔的直徑選擇為500mm,其伸出勞動(dòng)塔體的長(zhǎng)度為220mm。塔高全塔的板間距相同，則上式可化為:2、塔體壁厚 二）塔板結(jié)構(gòu)出于對(duì)勞動(dòng)塔安裝、維修、剛度等方面的考慮，將塔板分成多塊。由 表塔板分塊數(shù)表查得，塔徑為1.4m時(shí)，塔板分為4塊。三）精餾塔的附屬設(shè)備1、再沸器 蒸餾釜）該設(shè)備是用于加熱塔底料液合之部分氣化提供蒸餾過程所需要的熱量 的熱交