化工原理课程设计说明书--板式精馏塔设计[1].docx

前言化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物,而且其中大部分都是均相物质.生产中为了满意储存.运谕.加工和运用的需求,时常须要将这些混合物分别为较纯净或几乎纯态的物质。柏温是分别液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用.精谣过程在能量计的费动下,使气.液两相多次干脆接触和分别,利用液相混合物中各相分挥发度的不同,使挥发组分由液相向气相转移，班押发祖分由气相向液相转移，实现原料混合物中各组成分别该过程是同时进行传质传热的过程.本次设计任务为设计杵定处理量的分别四氯化碳和二硫化碳混合物精慵塔.板式精帽塔也是很早出现的一种板式塔.20世纪50年头起对板式精溜塔进行了大累工业规模的探讨，逐步驾驭了筋板塔的性能，并形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，板式精窗塔具有卜列优点：生产实力(2佻一4S>>塔板效率(IOV50%)而且结构简洁,塔盘造价削破40%左右，安装,修理都较简洁.化工原理课程设计是培育学生化工设计实力的i1.1.要教学环节，通过课程设计使我们初步驾驭化工设计的基础学问、设计原则及方法：学会各种手册的运用方法及物理性防、化学性质的查找方法和技巧：学(各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形.在设计过程中不仅要考虑埋论上的可行性，还要考虑生产上的平安性、经济合理性.在设计过程中应考虑到设计的业精馅塔具有较大的生产实力湎意工艺要求.另外还要有肯定的潜力节约能源.综合利用余热.经济合理,冷却水进出11温度的凹凸，一方面影响到冷却水用尿.另一方面影响到所需传热面积的大小，即对掾作费用和设备费用均彳i影响，因此设计是否合理的利用热能R等干脆关系到牛.产过程的经济问题，本课程设计的主要内容是过程的物料衡算,工之计算.结构设计和校核.【精馆塔设计任务书】-设计题目相I®塔及其主要冏屉设条设计二工艺条件生产实力，10吨每小时（料液）年工作日：自定原料组成：34%的：硫化碳和66%的四副化碳（欧尔分率，下同）产品组成；谛出液97%的：硫化碳，釜液5%的：硫化碳操作压力：塔顶压强为常压进料温度：58进料状况：自定加热方式：干脆蒸汽加热回流比：自选三设计内容1确定精储装置流程：2工艺参数的确定基础数据的查取及估算.工艺过程的物料衡算及热晁衡目，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。3主要设备的工艺尺寸计算板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。-1流体力学计算流体力学验算,操作负荷性能图及盘作弹性.5主要时底设备设计计算及选型四设计结果慕汇招精懒塔的工艺设计计算的结果列在精瑞塔的工之设计计算结果总表中.五A文献列出在本次设计过程中所用到的文献名称、作者、出版在、出版日期.漉程的设计及说明»塔顶产品（或冷凝为演出波）团流闻加热水蒸汽t冷柒水塔底产品（双残液）图1板式精循塔的工艺流程简图工艺流程：如图1所示,原料液由高位槽经过预热器颈热后进入精循塔内.操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽,依次通过各层塔板，塔顶蒸汽JS入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷懒液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其氽部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品.为了使精饿塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设设便料槽.产品槽和相应的泵,有时还要设置高位梏，为了便于了解操作中的状况刚好发觉何题和实行相应的措施,常在流程中的适当位置设置必要的仪表.比如流量计、港度计和压力表等,以测量物流的各项参数.r已知叁数】主要基础数据:表I:破化碳和四纸化碳的物理性质«13分子式分子fit沸点CC)密度R/E，二破化碳CS27646.51.260四氯化碳CCI415476.81.595表2液体的表面加力。（单位:mN.'m）温度C46.55876.5二硫化碳28.526.824.5四氯化碳23.622.220.2衣3常压下的：嫉化碳和四级化碳的气液平衡数刖液相中二硫化碳摩尔分率X气相中二硫化碳摩尔分率y液相中二硫化碳摩尔分率X气相中二二化碳摩尔分率y000.39080.63400.02960.08230.53180.74700.06150.15550.66300.82900.11060.26600.75740.87900.14350.33250.86010.93200.25800.49501.01.0【设计计算】一、输馆海域的及定二破化碳和四氧化碳的混合液体经过预热到肯定的逊度时送入到精储塔，塔顶上升蒸气果热全凝器冷若冰得凝后，一部分作为何流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采纳间接蒸气再沸器供热，塔在产品经冷却后送入贮槽，流程图如图I所示。二、珞的物料折算(一卜料液及塔顶塔底产从含二硫化碳的顺岚分率0.34760.34×76+(1-0.34)×154().2030.97×760.97×76+(1.-0.97)×154=0.9410.05x76aw=0.05×76+(1.-0.05)×154=0.0235（二）、平均分子fitjV=0.34×76+(1.-0.34)×154=127.48Mn=0.97×76+(1-0.97)x54=78.34AfW=0.05×76+(1-0.05)154=150.1（三）、物料衡算每小时处理摩尔ItF199Ma78.44。”AMf127.48总物料所算D+W=F易挥发组分物料衡算O.97D+O.O5V=O.34F联立以上三式可得：D=24.75h>o1.hW=53.70knw1.ItF=7S.44hm>1./h三、塔场数的现比（）理论板NT的求法川图解法求理诒板（1）依据二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据作出Y-X图.如图2所示（2）进料热状况参数q1%绐，变为饱和蒸汽所需要的能量'原料液下摩尔汽化热0.66×154×0.85(76.8-58)=0.05830.3476×339+0.66×154×1.88（3） q线方程qI0.05631v=-2-xXc=.r×0.34<7-1<7-1'0.0583-10.0583-1=-O.O61.9x+O.36IO图2二破化碳、四氯化碳的y-x图及图解理论板（4） 以小回流比凡Tr1.I及操作回流比R&八次DxdyQ0-97-0.35-依公式11=2-=3.163为-/0-35-0.154取操作回流比R=1.5=1.5x3.163=4.744精储段操作线方程RX1.t4.7440.97CyCV=X+=X+=O.826.v+O.I69R+1/?+14.744+14.744+1按常规M.T,在图（I）上作图解得：N,=（9.5-1）层（不包括塔釜）,其中精馋段为5层,提摘段为3.5层.图2:破化碳、四款化碳的yx图及图解理论板（二）全塔效率4ET=O.I7-O.61.61.gt1.塔内的平均温度为,该温度下的平均粘度mm=0.34%+0.66“=0.33x0.3+0.660.68=1.428故:Er=017-0616Ig1.428=0.43（三）实际板数N精搦防NM=5/Er=11.6层（取12层）提慵段:M1.=3.5/E,=8.13层（取9层）B：珞工七条件及物件敷如计算（一）操作压变的计算Pm塔顶压强PD=4+IO!.3=IO5.3kPa取每层塔板压降P=1.OkPa则:进料板乐强:Pf=1O5.3+1O×1.0=113.7kPa塔釜压强：Pw=105.3*9×0.7=12UkPa相馆段平均操作压强：Pm=105.3+113,7=109.5kPa提窗段平均操作压强：P',n=2114.3+121.3=I1.6.8kPa.（-：）操作温度晌计算近似取塔顶温度为46SC.进料温度为58C.塔釜海度为76-C精慵段平均温度/=如垃=465+58=52.25Cr22提储段平均温度1.=依垃=竺±2竺=67.25C小如22三)平均摩尔质量计算塔顶摩尔城辰的计圾由xD=yE).97查平衡曲线阀XI=0.927MYDm=0.97X76+(1-0.97)×154=84.96依/hno1.M1.nm=0.927X76+(1-0.927)x154=75.07依Ikmoh进科摩尔质量的计算：由平衡曲线杳的：yf=0.582xf=O.388;vfi1.1.=().582×76+(1-0.582)×154=98.98依/hno1.：M1.nn=0-388x76+(1.-0.388)×154=123.74依/kmo!:塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲规杳的：xw=0.05x1.=0.127M*m=005X764+(1-0.05)X154=150.IJtj?/hno1.w,11=0.127×76+(1.-0.1.27)×154=144.!J/hno1.精饰段平均摩尔质ht：vmw,=(M.96+98.98)/2=9.97kgIkmo1.iMI”却=(75.07+123,74)/2=99.405依/hno1.,提储段平均摩尔旗M：MVmtftJ)=(98.98+150.1)/2=124.54依/bm>1.：MI=(123.74+144.1)/2=13392依/h)u)1.：四平均密度计算:pa1、液相密度0皿：塔顶部分依下式：1/PtK="(为质量分率)：其中P1.Pma1=0.941.Ctf1.=0.059：即：叱0.94i0.05912601295=>PhX=1275.2?/m进样板处:由加料板液相组成：由XF=C.34得a”=0.203：VPg0.2031-0.20312601595=>p1.fb,=1513.3kg/1.塔釜处液相组成：田k=005得qtw=°O253:1P1.WE0.02531260+1-0.02531595=PiWm=1636.3伙，/：故精窗段平均液相率度:A.tt1.=<7534+867.9)/2=810.7g/ni：提慵段的平均液相密度：Pm=(1636.3+15133)/2=1574.8依/r'：2,气相密度0vm：精饱段的平均气相密度Pv11>Mt=109.5x91.97RT8.314x(52.25+23.1)=3.78n'提的段的平均气相密度At1.PjkW=_"68x2454_=帚'n,s,RT8.314x(67.25+273.1)（五）液体平均表面张力Cm的计算液相平均表面张力依下式计算.及，皿=七%；塔顶液相平均表面张力的计尊由5=45.5C查手册得:cr=28.5/V/，：a=236mN/nt：ftn=0.97×28.5+0.03×23.6=28.35，"N/m：进料液相平均表面张力的计算由I,=58C查手册褥：<rA=26.StnN/m；1.=22.2mNI，：r,n=0.34X26.8+(I-0.34)×22.2=23.76WN/，；塔釜液相平均表面张力的计算由%=97.33C查手册得：=24.5WIm：1.1.=20.2W/mGwm=0.05X24.5+(I-0.05)20.2=20.42wrIm:精慵段液相平均表面张力为：1.rttt,=(20.17+51.24)/2=35.IXmNIm提慵段液相平均去面张力为：mat=(23.76+20.42)/2=22.WniNfm(六)液体平均粘度的计蚱液相平均粘度依下式计算.即M1.W=ZXM:塔顶液相平均拈度的计售.由由I.=46.5C查手册得：1.=033mPas：=0.7mPas：=097×0.33+0.03×0.71=0.414mPas；进料板液相平均拈度的计算：由=589手册得：=O28,"Ps：ft=0.64JPas：um=0.34×().28+0.660.64=().51KvnPa.s：塔釜液相平均拈度的计尊：Ei1.Q=76.8C查手册得:,<=Q.25mPas：MB=5nPas：M.we=O.O5×O.25+0.95×0.51=0.491Pax；五、希馆塔t液A荷计算精惚段:V=(R+1)D=(4.744+1)×24.75=142.1knu>1.IhJ<=.42.1.1.x91.97=104m)/536pvmt,4,36OO×3.781.=RD-4.744X24.74=11137b>1./f11737x99.405Cnfmm3人1.1=O.OO23m/s3600AE,m>36X1394.3U=3MX)X0.(K)23=8.28m'提蚀段：V=V=42.kmoh=0.956m'/5；VMs如142.11x124.543600AIn-3600x5.141.=1.+F=117.37+78.44=195.81kmoVh:小/曲=理辿3=000277m%；3600%1(w36OO×I574.81.f1.=3600×0.277=9.98m:六、塔加塔板的主桌工艺尺寸的计算（一）塔径D参考下表初选板间距HT=O.40m.取板上液层高度Hi.=0.07m故：精端段：Hrh1.=O400.07=03令乂第二(鬻乂翳)1°N25查图表Go=().078：依公式C=C30()°-=O.O78()u2=0.0733：/1394.3-3.78V-3.78取平安系数为0.7,则:=1.41.)6rn/su=().7M11,x=O7×2.1.4=1.(M7mWt八4V,/4x1.04,故：D=J«-=J=1.265?»；11×uV11×1.047按标准,塔径网整为1.4m.4V4x104则空塔气速为“=一号=0.78ms11D'×1.3塔的横截面枳AD2=.42=0.636"/提储段：(岳(")3=。飒7：SSV1pv0.9565.14C»=0.068；依公式：C=Q%产=Oa时卷，=Oa仪：k=C也2=00694产黑巫=1.213*取平安系数为0.70.“=07*"g=0.7x1.213=0.849$：(VAXC4V/4x0.956,MD=J=J=1.20?«；V,VX0.849为了使得整体的美观及加工工艺的的怙易化,在提慵段与精阳段的塔径相差不大的状况下选择相同的尺寸：故:D取1.4m塔的横嵌面积:Ar=-D-=-.42=1.327n2444V4x()956空塔气速为=-=拿=0.72Om心11D×1.3*板间距取0.4m合适(二)溢流装置采纳单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进流地.各计算如下：精慵段:1、溢流JS长人为0.7D,即:/=0.7×1.4=0.9Im52,出口堰离htthw=h1.-h<1w由ZD=O911.4=0.7.1.1.1.1.r匚=10.48，杳手册知：091E为1.03依下式得堰上液高度：出七化F=咨X1.OJ经=OQ”1000V,1000V0.91J故：hw=h1.-ho.=0.07-0.013=0.057m3、降液管宽度I匕与降液管面枳A,有mD=0.7查手册得Z)=O.I4.zA1=0.08故：Vy=O.I4D=0.14×1.3=0.182mA=0.08-D2=0.08×-x1.32=0.1(X>2f44“华=喘最=瓜对用,符合要求）4、降液管底隙高度品取液体通过降液管底隙的流速uo=O.1.m依式计算降液管底葭商度儿，即：2=_O(X)23=0025wj50.91x0.1提摘收：1、一流堰长/,为。7D,即:u=0.7x1.4=0.91m：2,出口堰高儿h.=h1.hg；It1./,>=0.91/1.4=0.7.1.v=12.63m查手册知E为104依卜式得城上液高度：儿=0.07-0.0146=0.0554m.3、降液管宽度Wif与降液管面枳A,有心/D=0.7连手册得Wd/D=0.14,A,A1.=0.08故，Vj=0.14D=0.14X1.4=O.182mA,=0.08"=0.08xx1.42=0.1.062病18.5s（5s.符合要求）降液管底隙高rH0.1062x0.41.0.0023取液体通过降液管底隙的流速U0=0.(X)8m1's依式计算降液管底隙高度A11：即(三)塔板布置1、取边域区宽度W,=0.035m.安定区宽度IV,=().()65n精摘段：依下式计算开孔区面积Au=2XS-其中X=?一(叫+叱)=手(0.182+0.065)=0.403mf=2-vv=!2_0.035=0.615mA17=2；0.403b.6152-0.4032+0.6152sin1II1800.61.5j=0.91.5m,提愉段：依下式“也开孔区面积A=2x>Jr'-x'+Ksin,A-°I180R0.365=2O.223O.3652-O.223i+0.3652sin丝纪=0.304nr其中.r=9-(WJ+W,)=¥-(0.112+0.()65)=0.223m?=y-VV=y-0.035=0.365w(四)筛孔数n与开孔率W取筛孔的孔径击为5mm正三角形排列,一般碳钢的板厚6为4mm,取4)=3.5故孔中心距=3.5X5.0=17.5mm依下式计算塔板上卿孔数n,即(1158x10、，f1.58×1O'5ICCyM=PA11=|一岳:-I×O.9I5=346(H1.依下式计兑塔板上开孔区的开孔率W，即：>=4%=3%=75%(在5-15%范围内)a(HdnY精馅段每层板上的开孔面积儿为Aff=×Au=0.075×0.915=0.0686/VIA4气孔通过筛孔的气速4=二=U=15.16"SAn0.6086提馋段每层板上的开孔面积A.为Ao=×A=0.101x0.304=0.0307，/气孔通过箱孔的气连“°=出旦=20.42/W/.S°A1,0.0307(五)塔有效高度新谣段ZM=(12-1)x0.4=4.Im：%=儿fg联立得(H,+J=A+h+%+hj近似的取E=1.O./“=0.91%=2.84x10'(竿严=2.84x10心也产0.91整理得儿.=0.71(¼,“3.=O.51(-)=O.5!(-)2(c<p1.C0Aip>=0.51(,)2(Ak1.)0.89x0.06861574.8=0.050叱2取q=0.6,近似的有h<=¾(+h,)=0.6(0.0554+0.7IO4.,21)=0.0332+0.426/13,=0.00141故：f,=0.0501¼2+0.0332+0.4261.j2/3+0.()0144(由式儿=0.153(一=0.153(4尸rftt-¼0.91x0.0304=1999.9YifiiHr=0.4m.w=0.057,=0.5.及(CMd).(6代入得0.5(0.4+0,0554)=0.0346+0.050I½2+0.4261.,2,+0.0544+,7IO41.n+199.9整理得：V-=2.75-22.68g'-3990.0此为液泛戌的关系式，在操作限制范附内去几个1.S.计算出相应的VS值。列表9表91.s.m'50.6x10'1.51.'3.O×1O,4.5x105Vs.tn/s1.6041.5371.3851.151（=）液相负荷上限战以。=5s作为液体在降液管中科留时间的下限。=土也=51.、则=华="等=Og8496Ms据此可作出与气体流显无关的垂直液相负荷上限（四）漏液线（气相负荷下限设）=4.4C,1(0.0056+0.13儿一儿)%ht=ht,-h,ttA1.=O.686m'得=4.4X0.8930.()056+0.13×(0.0554+0.7104。产”一0.144整理得:KIrtn=2.68*3,493+28.295Z'此为液相负荷上限线的关系式,在操作限制范围内去几个1金计制出相应的VSfft,列表10中.表101.s.mJsO.6×IO,1.5×10'3.O×IO,4.5×IO,Vs.tn/s0.5160.5280.5430.555（五）液粗负荷下限战对于平直斓.取塘上液层告知%1.f=0006m.化为最小液体负荷标准，取E=I.0。由心嗡同曲.=0.006=三(则4IIA1.=7.76XmmVS图4提储段负荷性能图据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线可知设计供板上限有雾沫夹带税限制，下限由漏夜找限制希慵段操作邦性=&=坨=2.385匕E.0525九、希馆塔的工艺谀计计算岫果总会表I1.Ui墙塔的工艺½i1.i-分结果总我项目符号单位计芽数据精窗段提槌段各段平均压强2kPa109.5116.8段平均温度1.C52.2567.25平均流最气相K11r,fs1.040.956液相1.mi1$0.00230.0028E际塔板数N块129板间柜%m0.40.4塔的有效高度Zm4.43.2塔径Dm1.41.4空塔气速Umis0.780.72塔板溢流彬式单流型电流型溢流装溢流管型式弓形弓形堪K1.m0.910.91地稀儿m0.0570.054溢流堰宽度%m0.1820.182管底与受液盘距离m0.0250.030板二清液层高度*m0.070.07孔径4f11m5.05.0孔间距Imm17.517.5孔数n个346034M)开孔面积ZF1.20.()6860.066箭孔气速%mf315.1615.16塔板压降kPa0.970.99液体在降液管中停用时间i18.518.5降液管内消液层高度%m0.1430.162雾沫夹帚依液/收气0.00150.0239负荷上限雾沫夹带JR制雾沫央带限制负荷下限漏液限制漏液限制气相最大负荷1.2431.252气相最小负荷Imi1$0.5240.525操作弹性2.3722.385十、帝馆珞的依附属谀备及接管尺寸(一)塔体结构1、塔高依据实际的工作阅历，及相像条件下的精端塔的相关参数的选择，己知全塔板间距Hr=O4”,可选择塔原空间，”=1.5%=0.6,”.塔底空间，“=1.6”人全塔共有21块塔板,考虑清理和修理的须要,选择全塔的人孔数为4个，在进料板上方开一人孔，人孔的真径选择为500mm.其伸出劳动塔体的长度为220mm.塔而H=(n-nr-np-)Hr+nfHt+npHt,+H1.,+Hb全塔的板间距相同，则上式可化为：H=(Zi-ZJr-I)Hr+nrHp+H,+HB=(21.-4-1.)×0.4+40.6+0.8+1.6=11.2m=11200mm2、塔体壁厚(二)塔板结构出于对劳动塔安装、修理、刚度等方面的考虑，将塔板分成多块，由表塔板分块数表杳得，塔径为1.4m时，塔板分为4块.()精谣塔的的属设符1、再沸器(蒸馈釜)该设备是用于加热塔底料液合之部分气化供应蒸慵过程所须要的热收的热交换设得，常用的有以下几种：内置式再沸器,釜式再沸器，虹式再沸战,强制循环式再沸器.踪介考虑其生产的传热条件及经济效率选择虹式再沸.2、塔顶回流冷凝器塔顶回流冷凝器通常是采纳管光式换热器.有卧式、立式、或管外冷凝器等形式.按冷凝器与塔的相对位置区分有这样的两类：整体式及自流式、强制循环式。在这个设计的生产中，由于产量比较大，立选用强制循环式。(四)讲座的相关尺寸计算1、基础环内环径D=D11+(160-400)/%=2-(160400)其中/无，=14(X)7wn取基础环的内外径与排鹿截面内径的差为20OmmDa=1400+200=1.600w11D1.1.,=1.400-200=1.200w112、基础环板厚度3、地脚螺栓4、祖座马塔体时头的焊接站构依据实际状况,由于这个塔的塔身较大，宜选用对接焊接.(五)接头管设计接管尺寸接管尺由管内蒸气速度及体积、流量确定。各接管允许的蒸气速度查表得I、塔顶蒸气出口管径取u=15ms.依据工艺标准，将其网整到D=0.30m：2、回流管管径取u=2.0nVs.D=O,O38m.依据工艺标准,将其圆整到D=0.(Mm.4、加料管管径0.00184mjjF>W,78.44x127.48360OXqF-3600513.3取u=0.6ms,八41.n4×O.(X)1S4八D=.1生=J=0.0627nV,MV力X0.6依据工艺标准，将其圆整到D=O.07m.5、料液排出管管径WX1.WW3600x0553.70x150.1036(X)x1636.3=O.OOI37w'5取u=0.8ms.n4/4x0.00137nf.D=J-ZaI=J=0.047，”V11tV11×0.8依据工艺标准，将其圆整到D=O.05m,(六)吊柱设计1化工朦&Wt设计化工原理研宜宣逸2谭警，最清稳化工设各城计和*天潭高校出版社200.3陈国桢化工机4U化学工业出JtUI2006.14五清化工原=（上）天泳高粒出Jkui2006.35夏清陈常贵化工月i（T）天津高校出版社2006.36中国石化化工工艺谈计乎0（第三匐化学工业出版社2003.7