课程设计任务书
课程名称 设计时间 专 业 班 级 综合课程设计1 课程代码 指导教师 80s06210 一、课程设计任务(题目)及要求 (一)设计任务:筛板塔设计 在一常压操作的连续精馏塔内分离苯、甲苯混合物,原料液处理量为3900kg/h、组成为0.42(苯的质量分数,下同),要求塔顶馏出液的组成为0.95,塔底釜液的组成为0.02。 设计条件如下: 操作压力 4kPa(塔顶表压) 进料热状况 自选 回流比 自选 单板压降 ≤0.7kPa 全塔效率 ET=50% 气候条件 忽略 试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。设计基本资料见主要参考资料。 (二)设计要求 1、学生应在老师指导下独立完成,题目不可更换。 2、查阅相关资料,自学具体课题中涉及到的新知识。 3、最后提交的课程设计成果包括: a) 课程设计说明书纸质文件。 b) 课程设计说明书电子文件。 c) 课程设计计算电子表格文件。 二、对课程设计成果的要求(包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求) 1、分析课程设计题目的要求; 2、写出详细设计说明; 3、写出详细计算过程、经验值的取舍依据; 4、设计完成后提交课程设计说明书; 5、设计说明书应内容充实、写作规范、项目填写正确完整、书面整洁、版面编排符合要求。 6、计算过程使用的符号符合参考资料中的要求,设计内容按参考资料[2]121页设计示例执行。理论塔板数的求取用逐板计算法。Af和Wd的求取按自己推导的公式进行。 三、主要参考资料 [1] 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津大学出版社,2002年6月. [2] 陈敏恒,潘鹤林.化工原理(少学时).华东理工大学出版社,2008年8月. 指导教师(签名): 教研室主任(签名):
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XX大学
化工原理课程设计说明书
系 别:
专 业: 学生姓名: 指导教师:
2010年 月 日
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摘 要
精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作,在化工﹑炼油﹑石油化工等工业中得到广泛的应用。本设计的题目是苯—甲苯二元物系板式精馏塔的设计。在确定的工艺要求下,确定设计方案,设计内容包括精馏塔工艺设计计算,塔辅助设备设计计算,精馏工艺过程流程图,精馏塔设备结构图,设计说明书。 关键词:板式塔;苯--甲苯;工艺计算;结构图
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目 录
一 设计方案的确定..........................................................................................................(1) 二 精馏塔的物料算..........................................................................................................(1)
1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率.................................................................(1)
2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量..........................................................(1) 3、物料衡算..................................................................................................................(1)
三 塔板数的确定.......................................................................................................... .(2)
1、理论板层数NT的求取............................................................................................(2)
1. 1求最小回流比及操作回流比..........................................................................(2) 1. 2求精馏塔的气,液相负荷..............................................................................(2)
1. 3求操作线方程..................................................................................................(2) 1. 4逐板法计算理论板数......................................................................................(2) 2、实际板层数的求取.................................................................................................(3)
四 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算(以精馏段为例)..............(4)
1、操作压力计算.......................................................................................................(4)
2、操作温度计算.........................................................................................................(4) 3、平均摩尔质量计算.................................................................................................(4) 4、平均密度计算.........................................................................................................(5) 5、液体平均表面张力计算.........................................................................................(6) 6、液体平均粘度计算.................................................................................................(6)
五 精馏塔塔体工艺尺寸计算................................................................................... (7)
1、塔径的计算............................................................................................................(7)
2、精馏塔有效高度计算..........................................................................................................(8)
六 塔板主要工艺尺寸计算 ..................................................................................................(8)
1、溢流装置计算............................................................................................... .......(8)
1. 1堰长lw. ..........................................................................................................(8) 1. 2溢流堰高度...................................................................................................(8)
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1. 3弓形降液管宽度Wd和截面积At ...............................................................(8) 1. 4降液管底隙高度h0.....................................................................................(9) 2、塔板布置..............................................................................................................(9) 2.1塔板的分块....................................................................................................(9) 2.2边缘区宽度确定............................................................................................(9)
3.3开孔区面积计算................................................................................ ...........(9) 4.4筛孔计算及其排列........................................................................................(9)
七 筛板的流体力学验算..........................................................................................(10)
1、塔板压降...........................................................................................................(10)
1.1干板阻力hc计算.........................................................................................(10) 1.2气体通过液层的阻力h1计算.....................................................................(10) 1.3液体表面张力的阻力h计算.................................................................(10) 2、液面落差............................................................................................................(11) 3、泡沫夹带............................................................................................................(11) 4、漏液....................................................................................................................(11) 5、液泛....................................................................................................................(12)
八 塔板负荷性能图...................................................................................................(12)
1、漏液线...............................................................................................................(12)
2、液沫夹带线.......................................................................................................(14) 3、液相负荷下限线...............................................................................................(15) 4、液相负荷上限线...............................................................................................(15) 5、液泛线...............................................................................................................(15)
九 筛板塔设计计算结果..........................................................................................(17) 十 参考资料................................................................................................................(19)
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【设计计算】
(一)设计方案的确定
本设计任务为分离苯—甲苯混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
(二)精馏塔的物料衡算
1)原料液及塔顶,塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量 MA=78.11 kg/kmol 甲苯的摩尔质量 MB=92.13 kg/kmol
0.42/78.110.460
0.42/78.110.58/92.130.95/78.11 xD0.957
0.95/78.110.05/92.130.02/78.11 xW0.024
0.02/78.110.98/92.13 xF 2)原料液及塔顶,塔底产品的平均摩尔质量 MF0.46*78.11(10.46)*92.1395.68 MD0.957*78.11(10.957)*92.1378.71 MW0.024*78.11(10.024)*92.1391.79 3)物料衡算 原料处理量 Fqm390040.76 mF95.68 总物料衡算 F=D+W 40.76=D+W
苯物料衡算 FxFDxDWxW 40.76*0.46=0.957D+0.024W 联立解得 D=19.05kmol/h W=21.71kmol/h
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(三)塔板数确定
1) 理论版层数NT的求取
1.求最小回流比及操作回流比 苯-甲苯的相对挥发度为2.74
因q=1 所以xqxF0.460
xq 混合物的相平衡方程为yq yq0.678
1(1)xq 故最小回流比为 RminxDyqyqxq0.9570.6781.28
0.6780.460 取操作回流比为 R2Rmin2*1.282.56
2.求精馏塔的气,液相负荷
LRD2.86*19.0554.483kmol/h V(R1)D(2.861)*19.0573.533kmol/h L'LF54.48340.7695.243kmol/h V'V73.533kmol/h 3.求操作线方程 精馏段操作线方程为
Rx2.560.957xnDxn0.719xn0.269 R1R12.5612.561 提馏段操作线方程
yni
FxDxW0.9570.0242.14 DxFxW0.4600.024代入得
yn1RF/DF/D1xnxw1.32xn0.008
R1R1 4.逐板法计算理论板数
泡点进料 q=1 xqxF0.460 第一块板上升的蒸汽组成y1xD0.957
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从第一块板下降的液体组成式由 xnyn求取
(1)yn x1y10.9570.9001
2.471.47y12.471.470.957 第二块板上升的气相组成用式求取 y20.719*0.90010.2690.916 第二块板下降的液体组成
0.916 x20.815
2.471.47*0.916 如此反复计算
y30.856 x30.706 y40.777 x40.585 y50.6896 x50.474 y60.607 x60.385
因x6 y80.413 x80.247 y90.354 x90.204 y100.261 x100.142 y110.179 x110.0925 y120.114 x120.0567 y130.0668 x130.0324 y140.0347 x140.0166 < xw0.024 0.50020.319 2.141.14*0.5002 3 所需总理论板数为14块,第6块加料,精馏段需7块板 2) 实际板层数的求取 精馏段实际板层数 N精7/0.514 提留段实际板层数 N提7/0.514 (四)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 1)操作压力计算 塔顶操作压力 PD101.34105.3kPa 每层塔板压降 p0.7kPa 进料板压力 PF105.30.7*14115.1kPa 精馏段平均压力Pm(105.3115.1)/2110.2kPa 2)操作温度计算 依据操作压力,有泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中苯、甲 苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算,计算过程略。计算结果如下: 塔顶温度 tD82.30C 进料板温度 tF100.00C 精馏段平均温度 tm(82.3100.0)/291.150C 3)平均摩尔质量计算 由 xDy10.957 x1y10.9570.9001 (1)y12.471.470.957 MVDm0.95778.11(10.957)92.1378.71 kg/kmol MLDm0.900178.11(10.9001)92.1379.51 kg/kmol 进料板平均摩尔质量计算 yF0.607 xF0.385 MVFm0.607*78.11(10.607)*92.1383.62 4 MLFm0.385*78.11(10.385)*92.1386.73 精馏段平均摩尔质量 MVm(78.7184.63)/281.67 MLm(79.5186.73)/283.12 4)平均密度计算 1.气相平均密度计算 由理想气体状态方程式计算,即 VmPmMVm110.2*81.672.97 RTm8.314*(91.15273.15) 2.液相平均密度计算 液相平均密度依 1/Lmai/i计算 塔顶液相平均密度计算 由 tD82.30C,查手册得 A812.7kg/m3 B807.9 kg/m3 1812.5 kg/m3 0.95/812.70.05/807.9 进料板液相平均密度计算 LDm 由 tF100.00C,查手册得 A793.1 kg/m3 B790.8 kg/m3 进料板液相的质量分率 aA LFm0.385*78.110.347 0.385*78.110.615*92.131791.6 kg/m3 0.347/793.10.653/790.8 精馏段液相平均密度为 Lm(812.5791.6)/2802.1 kg/m3 5)液体平均表面张力计算 液相平均表面张力依Lmxii计算 5 塔顶液相平均表面张力的计算 由 tD82.30C 查图得 A21.24mN/m B21.42mN/m LDm0.957*21.240.043*21.4221.25 mN/m 进料板液相平均表面张力的计算 由 tF100.00C,查手册得 A18.90mN/m B20.0mN/m LFm0.385*18.900.615*20.019.58 mN/m 精馏段液相平均表面张力为 Lm(21.2519.58)/220.415 mN/m 6)液相平均年度的计算 液相平均粘度依lguLmxiui计算 塔顶液相平均粘度的计算 由 tD82.30C 查图得 A0.303 mPa·s B0.307 mPa·s lgLDm0.957lg(0.302)0.043lg(0.306) 解出 LDm0.302 mPas 进料板液相平均粘度的计算 有 tF100.00C,查手册得 A0.256mPas B0.265mPas lgLFm0.385*lg(0.256)0.615lg(0.265) 解出 LFm0.261mPas 精馏段液相平均表面粘度为 Lm(0.3020.261)/20.282mPas 6 (五)精馏塔的塔体工艺尺寸计算 1)塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 VsVMVm73.533*81.670.562m3/s 3600Vm3600*2.97LMLm54.483*83.120.00167m3/s 3600Lm3600*802.1 Ls 由 umaxCLV V0.2 式中C由CC20L计算,其中的C20由图查取 20LhL 查取图的横坐标为VhV1/20.00167*3600802.10.562*36002.971/20.0488 取板间距 HT0.40m,板上液层高度 hL0.06m 则 HThL0.400.060.34m 查书图的 C200.072 CC20(L20)0.20.072(20.4150.2)0.0723 20 umax0.0723802.12.971.186m/s 2.97 取安全系数为0.7,则空塔气速为 u0.7umax0.7*1.1860.83m/s D4Vsu4*0.5620.929m *0.83 按标准塔径圆整后为D1.0m 塔截面积为AT 实际空塔气速为 u 4D24*1.020.785m2 0.1740.222m/s 0.7857 2)精馏塔有效高度的计算 精馏塔有效高度为 (N精1)HT(141)*0.45.2m Z精 提馏段有效高度为 (N提1)HT(141)*0.45.2m Z提 在进料板上方开一人孔,其高度为0.8m 故精馏塔的有效高度为 ZZ精Z提0.85.25.20.811.2m (六)塔板主要工艺尺寸的计算 1)溢流装置计算 因塔径D1.0m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘。各项 计算如下: 1.堰长 lW 取 lW0.66D0.66*1.00.66m 2.溢流堰高度 hW 取 hWhlhOW 2.84LhE 选用平直堰,堰上液层高度how=1000lw2/3近似取E=1,则 hOW2.840.00167*36002/3*1*()0.012m 10000.66 塔板上清液层高度 hL60mm 故 hW0.060.0120.048m 3.弓形降液管宽度Wd和截面积Af DDlWdW0.124m222 22 8 D2AlW/Dl1AflWDWd0.0567m22222 2 依据公式3600AfHTLh3600*0.0567*0.4014.18>5 0.0016*3600 故降液管设计合理。 4.降液管底隙高度 h0 h0 则 h0Lh' 取u0.08m/s 0'3600lwu00.00167*36000.032m 3600*0.66*0.08 hWh00.0480.0320.0160.006m 故降液管底隙高度设计合理。 ' 选用凹形受液盘,深度 hW50mm 2)塔板布置 1.塔板的分块 因D800mm,故塔板采用分块式,查表得,塔板分为3块。 2.边缘区宽度确定 取WsWs'0.065m,Wc0.035m 3.开孔区面积计算 r21x22 开孔区面积 Aa2xrx180sinr DWdWs0.50.1240.0650.311m 2D rWC0.50.0350.465m 2 其中x0.31122 故 Aa20.3110.46520.31120.465sin10.532m 0.465 4.筛孔计算及其排列 本题所处理的物系无腐蚀性,可选用3mm碳钢板,取筛孔板直 径d05mm。 9 筛孔板按正三角形排列,取孔中心距t为 t3d03*515mm 筛孔数目为 1.155A01.155*0.5322731个 t20.0152 开孔率 nd0.005 0.90700.90710.1% 0.015t 气体通过阀孔的气速为 u0Vs0.17411.56m/s A00.101*0.53222 (七)筛板的流体力学验算 1)塔板压降 1.干板阻力hc计算 u0h0.051 干板阻力 hc由式cc02VL 由 d0/5/31.67,查图得,c00.772 11.56 故 hc0.051*0.77222.970.0423m 液柱 802.1 2.气体通过液层的阻力h1计算 气体通过液层的阻力h1由式 hlhL计算,- uaVs0.5620.772m/s ATAf0.7850.0567 F00.772*2.971.33 kg1/2/(sm1/2) 查图得 0.63。 故 h1hL(hWhOW)0.63*(0.0480.012)0.0378m 液柱 3.液体表面张力的阻力h计算 10 液体表面张力所产生的阻力h 4L4*20.415*103 h0.0021 m 液柱 Lgd0802.1*9.81*0.005 气体通过每层塔板的液柱高度hp hphch1h0.04230.03780.00210.0822 m液柱 气体通过每层塔板的压降为 PphpLg0.0822*802.1*9.81646.8< 0.7 2)液面落差 对于筛板塔,液面落差很小,且本例的塔径和液流量均不大,故可忽略液面 kPa(设计允许) 落差的影响。 3)液沫夹带 液沫夹带量计算 ua5.7106 ev=HhLfT3.2 hf=2.5hL=2.50.060.15m 5.7*1060.772 故 eV20.415*1030.400.15/kg气 3.20.0103kg液/kg气<0.1kg液 故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。 4)漏液 对筛塔板,漏液点气速u0,min u0,min4.4C00.00560.13hLhL/V =4.4*0.7720.00560.13*0.060.0021802.1/2.975.933m/s 实际孔速u011.56m/su0,min 11 稳定系数为 Ku0u0,min11.561.951.5 5.933 故在本设计中无明显漏液。 5)液泛 为防止塔内发生液泛,降液管内液层高Hd应服从 Hd(HT+hW) 苯—甲苯物系属一般物系,取=0.5,则 HThW0.5(0.40.048)0.224m 而 Hd=hP+hL+hd 板上不设进口堰,hd可有 hd=0.153(u0)2=0.1530.080.001m液柱 2 Hd0.08220.060.0010.1432m液柱 HdHThW 即0.1432<0.224 故在本设计中不会发生液泛现象 (八)塔板负荷性能图 1)漏液线 由u0,min=4.4C0(0.00560.13hLh)L/V u0,min= Vs,min A0 hL=hWhOW 2.84Lh hOW=E1000lW2/3 2/32.84Lh 得 Vs,min=4.4C0A0{0.00560.13[hWE1000lW =4.4*0.772*0.101*0.532 12 ]h}L/V 2/32.843600Ls*0.00560.130.048*1*0.0021802.1/2.97 10000.66 整理得 在操作范围内,任取几个Ls值,计算出Vs值,计算结果列如表 Ls,m3/s Vs,m3/s 0.0006 0.308 0.0015 0.318 0.0030 0.331 0.0045 0.341 由上表数据即可作出漏液线1。 2)液沫夹带线 以eV=0.1kg液/kg气为限,求Vs—Ls关系如下: 5.710ua 由 eV= LHThf6 3.2 ua= VsVs1.373Vs = ATAf0.7850.0567 hf=2.5hL=2.5(hw+how) hW=0.047 2.843600Ls hOW=110000.66 故hf=0.118+2.2Ls2/32/30.88Ls2/3 2/3 HT-hf=0.282-2.2Ls5.7106 eV= 20.691032/31.373Vs2/30.2822.2Ls230.1 整理得 Vs=1.3010.11Ls 在操作范围内,任取几个Ls值,计算出Vs值,计算结果如表 Ls,m3/s Vs,m3/s 0.0006 1.228 0.0015 1.168 0.0030 1.090 0.0045 1.024 由上表数据即可作出液沫夹带线2。 13 3)液相负荷下限线 对于平直堰,取堰上液层高度hOW=0.006m作为最小液体负荷标 准,由公式得 2.843600LsE hOW=1000lW2/30.006 取E=1,则 0.0061000 Ls,min=2.843/20.660.00056m2/s 3600 据此可作出与液体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 4)液相负荷上限线 以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限, = AfHTLs=4 005670.400.00567m2/s 4 故 Ls,min= AfHT4= 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。 5)液泛线 令Hd=(HT+hW) 由 Hd=hP+hL+hd;hP=hc+hl+h;hl=hL;hL=hw+hOW 联立得 HT+(--1)hW=(+1)hOW+hc+hd+h 忽略h,将hOW与Ls,hd与Ls,hc与Vs的关系式代入上式,并 整理得 a'Vs=b'c'Lsd'Ls a'= 0.051s 2(A0c0)L222/3 b'=HT(1)hW 14 c'=0.153/(lWhO)2 360032.8410E(1)d' =lW2/3 将有关的数据代入, 得 a'= 0.0512.930.108 (0.1010.5320.772)2803.45 b'=0.50.40(0.50.61)0.0470.148 c'= 0.153343.01 2(0.660.032)2333600 d'=2.84101(10.6)0.66 1.408 故 0.108Vs0.148343.01Ls1.42Ls 或 Vs1.373176Ls13.04Ls 在操作范围内,任取几 Ls,m3/s Vs,m3/s 0.0006 1.276 0.0015 1.192 22232223 0.0030 1.070 0.0045 0.950 个Ls值,计算出VS值计算结果如表 由上表数据即可作出液泛线5 根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图, 15 在负荷性能图上,作出操作点A,连接OA,即可作出操作线。由图可 看出,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为漏液控制。由 图查得 Vs,max= 1.075m3/s Vs,min=0.317m3/s 故操作弹性为 Vs,max1.0753.391 = Vs,min0.317 (九)所设计的筛板的主要结果汇总于表 序号 项目 1 平均温度 tm,℃ 2 平均压力Pm,kPa 3 气相流量 Vs,(m³/s) 4 液相流量 Ls,(m³/s) 5 实际塔板数 6 有效段高度Z,m 7 塔径m 8 板间距m 9 溢流形式 10 降液管形式 11 堰长m 12 堰高m 13 板上液层高度m 14 堰上液层高度m 16 数值 91.15 110.2 0.562 0.00167 28 11.2 1.0 0.4 单溢流 弓形 0.66 0.048 0.06 0.012 15 降液管底隙高度m 16 安定区宽度m 17 边缘区宽度m 18 开孔区面积m² 19 筛孔直径m 20 筛孔数目 21 孔中心距m 22 开孔率 % 23 空塔气速m/s 24 筛孔气速m/s 25 稳定系数 26 每层塔板压降Pa 27 负荷上限 28 负荷下限 29 液沫夹带ev,(kg液/kg气) 30 气相负荷上限 m3/s 31 气相负荷下限 m3/s 32 操作弹性 0.032 0.065 0.035 0.532 0.005 2731 0.015 10.1 0.222 11.56 1.95 646.8 液泛控制 漏液控制 0.0103 1.075 0.317 3.391 (十)参考资料 1)贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津大学出版社,2002年6月。 2)陈敏恒,潘鹤林.化工原理(少学时).华东理工大学出版社,2008年8月。 17 因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容