化工原理课程设计(规整填料塔).doc

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1、目录第1章 流程的确定和说明31.1加料方式31.2进料状态31.3冷凝方式31.4回流方式31.5加热方式31.6加热器4第2章 精馏塔设计计算52.1操作条件和基础数据52.1.1操作压力52.1.2基础数据52.2精馏塔工艺计算72.2.1物料衡算72.2.2热量衡算92.2.3理论塔板数计算112.3精馏塔的主要尺寸132.3.1精馏塔设计的主要依据132.3.2塔径设计计算152.3.3填料层高度的计算17第3章 附属设备及主要附件的选型计算183.1冷凝器183.1.1计算冷却水流量183.1.2冷凝器的计算与选型183.2再沸器193.2.1间接加热蒸汽193.2.2再沸器加热面

2、积193.3塔内其他结构193.3.1接管的计算与选择193.3.2液体分布器203.3.3除沫器223.3.4液体再分布器223.3.5填料支撑板的选择223.3.6塔底设计233.3.7塔的顶部空间高度23第4章 结束语25参考文献26第1章 流程的确定和说明1.1加料方式加料分两种方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定流量，但要求搭建塔台，增加基础建设费用：泵加料属于强制进料方式，泵加料易受温度影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，影响传质效率。靠重力的流动方式课省去一笔费用，本次加料可选泵加料，泵和自动调节装置配合控制加料。1.2进料状态进料方式一般有冷夜进料

3、、泡点进料、气液混合物进料、露点进料、加热蒸气进料等。冷夜进料对分离有利，但会增加操作费用。泡点进料对搭操作方便，不受季节气温影响。泡点进料基于恒摩尔流，假定精馏段和提馏段上升蒸气量相等，精馏段和提馏塔径基本相等。由于泡点进料时塔的制造比较方便，而其他进料方式对设备的要求高，设计起来难度相对加大，所以采用泡点进料。1.3冷凝方式选全凝器，塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高，无需再次冷凝，且本次分离是为了分离苯和甲苯，且制造设备较为简单，为节省资金，选全凝器。1.4回流方式宜采用重力回流，对于小型塔，冷凝器由重力作用回流入塔。优点是回流冷凝器无需支撑结构；缺点是回流控制较难安装，

4、但强制回流需用泵，安装费用、电耗费用大，故不用强制回流，塔顶上升蒸气采用冷凝冷却器以冷凝回流入塔内。1.5加热方式采用间接加热，因为对同一种进料组成，热状况及回流比得到相同的馏出液组成及回收率时，利用直接蒸气加热时，所理论塔板数比用间接蒸气时要多一些，若待分离的混合液为水溶液，且水是难挥发组分，釜液近于纯水，这时可采用直接加热方式，由于本次分离的是苯-甲苯混合液，故采用间接加热。1.6加热器选用管壳式换热器。只有在工艺物料的特征性或工艺条件特殊时才考虑选用其他型式。例如，热敏性物料加热多采用降膜式或者波纹式管式换热器或者换热器流路均匀、加热效率高的加热器。第2章 精馏塔设计计算2.1操作条件和

5、基础数据2.1.1操作压力精馏操作按操作压力可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般采用常压精馏，压力对挥发度的影响不大。在常压下不能进行分离或达不到分离的要求时，采用加压精馏；对于热敏性物质采用减压精馏。当压力较高时，对塔顶冷凝有利，对塔底加热不利，同时压力升高，相对挥发度降低，管径减小，壁厚增加。本次设计选用常压101.325kPa作为操作压力。2.1.2基础数据1、饱和蒸汽压表2-1 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0，kPa40.046.054.063.374.386.0（注

6、：A-苯，B-甲苯，下同。）2、气液平衡关系及平衡数据 表2-2 常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.

7、4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0表2-3 组分的液相密度温度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表2-4 液体粘度温度()8090100110120苯（mP.s）0.3080.2790.2550.2330.215甲苯（mP.s）0.3110.2860.2640.2540.228表2-5 纯组分的表面张力温度8090100110120苯，mN/m甲

8、苯，mN/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.33、回流比通常R=（1.12），此设计取。2.2精馏塔工艺计算2.2.1物料衡算1、 物料衡算已知：/a，,年开工300d。 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 进料液、溜出液、釜残液的摩尔分数分别为 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量： 根据物料衡算方程：代入数据得：解得：D=22.29 , W=26.26由于泡点进料q=1，有气液平衡数据，查表2-2得进料液温度=92.69。根据标2-1利用内插法求得在此温度下苯和甲苯的饱和蒸汽压分别为 则： =1.352、 物料衡算结果表2-6 物料衡算结果（a）物料流量

9、（）组成苯甲苯进料F48.550.450.55塔顶产品D22.290.9660.034塔顶残液W26.260.0120.988表2-7 物料衡算结果（b）物料流量（）精馏段上升蒸汽量58.40提馏段上升蒸汽量58.40精馏段下降液体量36.11提馏段下降液体量84.663、塔板效率的计算（1）、精馏段 （2）、提馏段 2.2.2热量衡算1、加热介质的选择选用饱和水蒸气，加热蒸汽压力为101.33kPa（表压）。原因：水蒸气清洁易得，不易结垢，不腐蚀管道。饱和水蒸汽冷凝放热越大，水蒸气压力越高，冷凝温差越大，管程数数相应减少，但蒸汽压力不易太高。2、冷凝剂的选择 选冷却水。 原因：冷却水方便易得

10、，清洁不易结垢，升温线越高，用水量越小，但平均温差小，传热面积大。3、 热量衡算 根据表2-2的气液平衡数据，用内插法可求塔顶温度，塔底温度。 （1）、0塔顶气体上升焓 塔顶以0为基准， （2）、回流液的焓 回流液组成与塔顶组成相同 （3）、塔顶溜出液的焓因馏出口与回流口组成一样，所以（4）、冷凝器消耗的焓 （5）、进料口的焓 所以，（6）、塔底残液的焓 （7）、再沸器（全塔范围内列衡算式）塔釜热损失为10%，则设再沸器损失热量加热器实际热负荷：表2-8 热量衡算表项目平均比热热量Q 进料116.79525566.62冷凝器1819354.99塔顶溜出液100.50183400.67塔底残液1

11、30.09375128.90再沸器2058131.042.2.3理论塔板数计算1、操作线方程 相平衡方程：2、逐板法求理论塔板数根据逐板计算步骤，现从塔顶开始计算，将各点的计算结果列表如下：n01234560.960.90630.84090.76300.68000.60150.53530.960.92910.88870.84050.78920.74070.6998n789101112130.48450.44840.42400.40810.57180.50210.41380.66840.64610.63100.62120.57180.50210.4138n141516171819200.2216

12、0.15700.10330.06370.03700.02010.00970.31590.22220.14440.08700.04830.0237在以上表中可以得到加料板的位置在第11块，最后一块的塔板是所以理论塔板数（块）（含再沸器）。其中，精馏段。2.3精馏塔的主要尺寸2.3.1精馏塔设计的主要依据根据表2-3，用内插法求得在温度下下苯和甲苯的密度，列表如下。表2-9 苯-甲苯不同温度下的密度温度/812.32807.50778.25780.21801.23797.231、 塔顶条件下的流量和物性参数 2、 进料条件下的流量和物性参数 3、 塔底条件下的流量和物性参数 4、 精馏段的流量和物

13、性参数 5、 提馏段的流量和物性参数 6、 体积流量 2.3.2塔径设计计算1、 填料的选择按设计任务书要求，本次设计选用的是规整填料。规整填料是按一定几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何构型可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，由金属丝网制成的。其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物性的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但其优良的性能仍得到了广泛的应用。综上考虑，本次设计选用250Y金属板波纹填料。2、精馏段 根据表2-4，用内插法求得在温度下

14、下苯和甲苯的粘度，列表如下。 表2-10 苯-甲苯不同温度下的粘度温度/0.3030.3060.2330.2540.2730.280由于平均黏度在数值上与甲苯粘度近似相等，且液相中甲苯居多，故本次采用甲苯粘度代替混合物的平均黏度。 式中： 、 圆整后：D=700，空塔气速。3、 提馏段与精馏段算法相同， 圆整后：圆整后：D=700 取全塔塔径700。2.3.3填料层高度的计算1、等板高度设计计算（1）、填料层高度对于250Y金属丝网波纹填料，查资料可得，每米填料理论板数为23块，取。则2、填料层压降计算对于250Y金属丝网波纹填料，查资料可得，每米填料层压降为第3章 附属设备及主要附件的选型计

15、算3.1冷凝器本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器。原因在于本设计冷凝器与被冷凝气体走管间，对于蒸馏塔的冷凝器，一般选管壳式冷凝器或空冷器，螺旋板式换热器，以便及时排除冷凝液。冷凝水循环与气体之间方向相反，当逆流式流入冷凝器时，其液膜减少，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费用。设杭州夏天最热月平均水温35。冷却水出口温度。泡点回流温度3.1.1计算冷却水流量3.1.2冷凝器的计算与选型冷凝器选择列管式，逆流方式。取冷凝器传热系数操作弹性为1.2，3.2再沸器选用卧式U型管换热器，经处理后，放在塔釜内，蒸气选择3.69atm、140的水蒸气，传热系数K取600kcal/(m2.h.)=

16、2520kJ/(m2.h.)，r=531kcal/kg。3.2.1间接加热蒸汽W=3.2.2再沸器加热面积tw1=109.81为再沸器液体入口温度；tw2=109.81为回流汽化为上升蒸气时的温度；t1=140为加热蒸气温度；t2=140为加热蒸气冷凝为液体的温度；用潜热加热可节省蒸气量从而减少热量损失。=140-109.81=30.19=30.19，A=。3.3塔内其他结构3.3.1接管的计算与选择1、 塔顶蒸汽管从塔顶至冷凝器的蒸气导管，尺寸必须适合，以免产生过大压降，特别在减压过程中，过大压降会影响塔的真空度。操作压力为常压，蒸气速度Wp=1220m/s,本次设计取Wp=15m/sdp=

17、圆整后 dp=200mm2、 回流管冷凝器安装在塔顶时，回流液在管道中流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要相应提高，对于重力回流，一般取速度WR为0.20.5m/s,本次设计取WR=0.5m/sdR=圆整后 dR=50mm3、 进料管本次加料选用泵加料，所以由泵输送时WF可取1.52.5m/s，本次设计取WF=2.0m/sdF=圆整后 dF=30mm4、 塔底流出管 塔釜流出液体的速度Ww一般可取0.51.0m/s，本次设计取Ww=0.6m/sdw=m其中=26.26=2415kg/h圆整后 dw=42.7mm3.3.2液体分布器采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好的润湿。结

18、构简单，制造和维修方便，喷洒比较方便，安装简便。1、 回流液分布器式中：U小孔流速，； H推动力液柱高度H=60mm； Q小孔输液能力。2、 进料液分布器由上一步可知U=0.89m/s3.3.3除沫器为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。常用的除沫器装置有折板除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。气速计算3.3.4液体再分布器由于规整填料本身就就具有使液体均匀分布的性能，故本次设计不需另外设液体再分布器对液体再次分布。3.3.5填料支撑板的选择填料支承的作用是支承塔内填料及其持液的重量。为了使气、液两相流体顺利通过填料层，填料塔的填料支承装置应满足一下三个基本条件：（1）足够的机械

19、强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下的持液的重量；（2）足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生；（3）要有一定的耐腐蚀性能。常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。对于规整填料，通常选用栅板装置，设计中，为了防止在填料支承装置处压降过大，甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于73%。栅板填料支承装置通常可以制成整块或分块。一般直径小于500mm可制成整块的；直径在600800mm时，可以分成两块：直径在9001000mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分成四块，是每

20、块宽度约在300400mm之间，以便装卸。3.3.6塔底设计料液在釜内停留15min，装料系数取0.6。塔底高（h）：塔径（d）=2:1塔底料液量塔底体积3.3.7塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取1.21.5m，本设计取1.2m。第4章 结束语 通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。首先，我们去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了设

21、计的流程和方法。通过查阅资料我们从对设计一无所知变得初晓门路，而进一步的学习和讨论使我们使我们具备了完成设计的知识和方法，这使我们对设计有了极大的信心。 这次历时近两周的的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解.通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间紧密协作，相互配合的能力，才可能在有限的时间内设计出合理的设计方案。最后，我们要感谢张良佺老师给予我们的指导和帮助。参考文献1 何潮洪，冯霄.化工原理（上册）.北京：科技出版社，2007.2 何潮洪，冯霄.化工原理（下册）.北京：科技出版社，2007.3 王卫东.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2011.4 马江权，冷一欣.化工原理课程设计.北京：中国石化出版社，2011.5 付家新，王为国等.化工原理课程设计（典型化工单元操作设备设计）.北京：化学工业出版社，2010.6 汤金石.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990.7 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）.天津：天津大学出版社，2002.8 贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计.天津：天津大学出版社，2011.9 王国胜.化工原理课程设计.大理：大理理工大学出版社，2006.24