精餾塔課程設(shè)計(jì)..

1 化工工藝與設(shè)備課程設(shè)計(jì) 精餾塔設(shè)計(jì) 2 第一部分前言 一 課程設(shè)計(jì)的目的運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的各門課程的知識(shí) 特別是 化工原理 進(jìn)行化工單元設(shè)備中常見設(shè)備 精餾塔的設(shè)計(jì) 達(dá)到以下幾方面目的 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) 查閱化工資料獲取有關(guān)知識(shí)和數(shù)據(jù) 進(jìn)行化工設(shè)備初步設(shè)計(jì)的能力 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作及發(fā)現(xiàn)問題 分析問題 解決問題的綜合能力 提高計(jì)算能力 培養(yǎng)工程實(shí)際觀念 深入了解化工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 掌握板式精餾塔的各主要部件的結(jié)構(gòu)及作用 培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真的學(xué)風(fēng)和工作作風(fēng) 3 二 課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 1 已知條件 分離對(duì)象 乙醇和水混合物分離 處理量 XXXX噸 年 XXXX 學(xué)號(hào)后三位 1000 如 學(xué)號(hào)110130085 處理量為8 5萬噸 年原料組成 例如 乙醇45 體積 進(jìn)料狀態(tài) 泡點(diǎn) 產(chǎn)品要求 例如 塔頂產(chǎn)品含乙醇93 回收率99 塔頂壓力 1 03atm 絕對(duì)壓強(qiáng) 4 2 設(shè)計(jì)任務(wù) 工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)品組成 xD xW 通過物料衡算 操作條件 TD PD TW PW回流比 最小回流比 Rm 操作回流比 R塔板數(shù) 提餾段板數(shù) 精餾段板數(shù)塔徑 D熱負(fù)荷 冷凝器和再沸器熱負(fù)荷 2 塔板設(shè)計(jì) 填料塔 篩板塔 浮閥塔 泡罩塔各班隨機(jī)抽選 或自主分配 班與班之間不許重復(fù) 3 塔板設(shè)計(jì) 溢流裝置 塔板布置 流體力學(xué)校核 4 輔助設(shè)備選用 冷凝器的選用與校核 再沸器的選用 5 3 需要上交的材料 設(shè)計(jì)說明書 主要包括 和設(shè)計(jì)工藝說明書 設(shè)計(jì)說明書 按學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)格式要求 含以下內(nèi)容 工藝設(shè)計(jì) 物料和能量計(jì)算 塔板設(shè)計(jì) 塔的輔助設(shè)備選用 計(jì)算結(jié)果匯總表 結(jié)果與討論 2 帶控制點(diǎn)的工藝流程 A2 3 計(jì)算草稿 6 三 日程安排 2014年9月1日 10月17日共六周 10月17日交說明書 其中 熟悉流程 查閱文獻(xiàn) 第一周 工藝計(jì)算 第二周 塔板設(shè)計(jì) 第三周 附屬設(shè)備選用 第四周 繪圖 第五周 整理說明書 第六周 注意 時(shí)間很充裕 可能不按此時(shí)間進(jìn)度要求 提前完成早完成早自由 7 四 課程設(shè)計(jì)過程注意問題 認(rèn)真閱讀教材 草擬進(jìn)度表 擬定設(shè)計(jì)的方法和步驟 計(jì)算過程中要隨時(shí)復(fù)核計(jì)算結(jié)果的正確性 做到有錯(cuò)即改 避免大的返工 要求來教室進(jìn)行設(shè)計(jì) 每天簽到與檢查進(jìn)度 8 五 參考資料 9 第二部分工藝計(jì)算設(shè)計(jì)要點(diǎn) 物料衡算塔頂和塔底溫度和壓力的確定冷凝器及再沸器熱負(fù)荷的確定關(guān)于混合物物性參數(shù)的計(jì)算關(guān)于回流比的選擇全塔效率的計(jì)算部分物性數(shù)據(jù) 10 一 物料平衡 二 塔頂壓力 溫度的確定 1 回流罐凝液溫度的初步確定回流罐冷凝液的溫度 即塔頂產(chǎn)品溫度 由冷卻介質(zhì)的溫度決定 當(dāng)用水作為冷卻介質(zhì)時(shí) 水溫 25 30 凝液溫度可取40 50 保證冷凝器要有10 20 溫度的傳熱溫差 但要注意水的出口不高于50 1 目的 計(jì)算塔頂 塔底產(chǎn)品組成和產(chǎn)品量 2 方法 對(duì)于兩組分精餾 根據(jù)塔頂 塔底產(chǎn)品濃度要求 通過物料平衡計(jì)算即可求出塔頂 塔底產(chǎn)品組成 對(duì)于多組份體系 先假定清晰分割 再進(jìn)行物料平衡計(jì)算 注 濃度或組成有效數(shù)字位數(shù) 一般取小數(shù)點(diǎn)后4位 11 回流比的確定 原則 先確定Rmin 再根據(jù)各種經(jīng)濟(jì)因素確定適宜的R 繪圖法 或逐板計(jì)算法 2 求理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷法 12 若輕 重關(guān)鍵組分為相鄰組分 僅有一個(gè) 和Rmin值 若在輕 重關(guān)鍵組分之間還有k個(gè)其它組分 則有k 1個(gè) 和Rmin值 可取其平均值作為設(shè)計(jì)時(shí)的最小回流比 應(yīng)用恩德伍德公式的條件 1 塔內(nèi)汽 液相為恒摩爾流 2 各組分的相對(duì)揮發(fā)度為常數(shù) 方法 將多組分精餾過程簡(jiǎn)化為輕 重關(guān)鍵組分的雙組分精餾過程 其計(jì)算過程與雙組分精餾基本相同 基本關(guān)系式 芬斯克方程 恩德伍德方程和吉利蘭關(guān)聯(lián)圖 P284 理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 13 2 回流罐壓力的初步計(jì)算用泡點(diǎn)方程計(jì)算回流罐的壓力 常壓或減壓時(shí) 用Antonine 安托因 方程計(jì)算3 回流罐壓力的確定 1 計(jì)算值大于101 3kPa時(shí) 采用加壓操作 2 計(jì)算值小于101 3kPa時(shí) 采用常壓或減壓操作 4 塔頂壓力的確定 回流罐的壓力加上管線阻力即為塔頂壓力 管線阻力可取0 1 0 2atm 減壓塔可取25mmHg左右 14 5 塔頂溫度的確定在塔頂壓力下計(jì)算塔頂產(chǎn)品的露點(diǎn)溫度即為塔頂溫度 6 塔底壓力的確定塔底壓力等于塔頂壓力加上全塔壓降 常 加壓塔的每板壓降可取 3 6mmHg 減壓塔的每板壓降可取 2 3mmHg 7 塔底溫度的確定在塔底壓力下 塔底產(chǎn)品的泡點(diǎn)溫度即為塔底產(chǎn)品的溫度 15 三 冷凝器及再沸器熱負(fù)荷的確定 1 冷凝器熱負(fù)荷的計(jì)算 冷凝器的熱負(fù)荷是塔頂飽和蒸汽從露點(diǎn)氣相冷凝為泡點(diǎn)液相所放出的熱量 可用以下辦法計(jì)算 露點(diǎn)氣相 Td 泡點(diǎn)液相 Tb 液相 Td Qc HV HL Cp Td Tb Qc Hv HL 16 2 再沸器熱負(fù)荷的計(jì)算 再沸器的熱負(fù)荷是塔底液相部分汽化成飽和蒸汽所吸收的熱量 蒸汽的量就是塔內(nèi)氣相流量 可用全塔熱平衡計(jì)算 QB FHF DHLD WHLW QC Q損 QB DHLD WHLW QC Q損 FHFQ損 5 QB或近似由下式計(jì)算QB V w HV W HLW 17 四 關(guān)于混合物物性參數(shù)的計(jì)算 混合物的分子量 密度 粘度 表面張力等參數(shù)參考圖表集的計(jì)算方法計(jì)算 五 回流比及理論板的計(jì)算 首先用Underwood公式求最小回流比Rmin 再由芬斯克公式求 或用繪圖法數(shù)出 最小理論板數(shù)Nmin 然后再由吉利蘭圖求不同R下的N 最后通過下式作圖 在N R 1 最小處即為適宜回流比 同時(shí)得到理論板數(shù) 一般取1 5 3 18 七 全塔效率的計(jì)算 建議采用奧 康奈爾法 應(yīng)用條件 注意 混合物粘度用進(jìn)料溫度 進(jìn)料總組成下液體粘度 單位cP 19 已經(jīng)確定塔頂溫度TD假定塔底溫度TW 計(jì)算各組分相對(duì)揮發(fā)度 計(jì)算理論塔板數(shù) 計(jì)算塔板效率 計(jì)算實(shí)際板數(shù) 假設(shè)每板壓降計(jì)算塔底壓力 計(jì)算塔底溫度 TW TW TW 是 計(jì)算結(jié)束 否 重設(shè)TW 八 塔底溫度 壓力 理論板數(shù)的迭代計(jì)算 減壓塔或常壓塔 由平均溫度求得各組份的飽和蒸氣壓再求相對(duì)揮發(fā)度 加壓塔 先由塔底溫度求得塔底壓力 再求平均塔壓 由塔平均壓力和溫度求Ki 再求相對(duì)揮發(fā)度 20 表1分子量 沸點(diǎn)及臨界數(shù)據(jù) 九 部分物性數(shù)據(jù) 表2飽和蒸氣壓 表3液體的密度 表4液體的表面張力 21 表4液體的表面張力 溫度與表面張力的關(guān)系 表5液體的汽化潛熱 其中 Tr Trb分別為溫度T和常壓沸點(diǎn)溫度Tb時(shí)的對(duì)比溫度 汽化潛熱與溫度的關(guān)系 22 表6各組分的Antoine常數(shù) 表7液體的平均比熱 23 第三部分塔板尺寸設(shè)計(jì)要點(diǎn) 板間距HT的選定塔徑的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的選用塔板開孔率 填料 的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)塔板的選取浮閥塔板的流體力學(xué)計(jì)算塔板結(jié)構(gòu)精餾塔設(shè)計(jì)框圖 24 一 塔板間距HT的選定 選擇塔板間距時(shí) 主要考慮以下因素霧沫夾帶物料的起泡性操作彈性安裝與檢修的要求塔徑 表1塔板間距與塔徑的關(guān)系 25 塔徑公式計(jì)算 計(jì)算空塔氣氣速 u 應(yīng)注意以下事項(xiàng) 二 塔徑的計(jì)算 空塔氣速的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式很多 可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的使用條件進(jìn)行選擇 推薦使用比較普遍的史密斯和波津方法 取兩法計(jì)算的較大直徑 精餾段與提餾段應(yīng)分別計(jì)算 如兩段塔徑相差不多 可采用同一塔徑 26 五 標(biāo)準(zhǔn)塔板的選取 當(dāng)已知塔徑和開孔率 可以從附表十 單溢流浮閥塔板標(biāo)準(zhǔn)系列參數(shù)表 選取浮閥塔板的參數(shù) 注意要選擇和計(jì)算開孔率相近的標(biāo)準(zhǔn)塔板 從標(biāo)準(zhǔn)浮閥塔板中可得到浮閥塔板的如下參數(shù) 塔截面積 AT 降液管堰長(zhǎng) 堰寬 浮閥個(gè)數(shù) 排列方式 出口堰高度等 27 對(duì)精餾段和提餾段進(jìn)行水力學(xué)校核 繪出塔板負(fù)荷性能圖 六 塔板水力學(xué)校核 1 塔板壓降 hp不高于6mmHg 常壓或加壓塔 減壓塔不高于3mmHg2 霧沫夾帶量 阿列克山德羅夫經(jīng)驗(yàn)公式及泛點(diǎn)率分別核算降液管內(nèi)液面高度Hd 漏液 Fo Foa5 液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間及流速 28 塔板的負(fù)荷性能圖繪制 過量霧沫夾帶線 淹塔線 液泛線 過量泄漏線 氣相負(fù)荷下限線 降液管超負(fù)荷線 液相負(fù)荷上限線 液相負(fù)荷下限線 操作線 Origin繪制塔板負(fù)荷性能圖 并計(jì)算塔的操作彈性K 要求K不小于3 根據(jù)塔板的流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果和塔板的負(fù)荷性能圖 分析討論所設(shè)計(jì)塔板的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 29 塔板有整塊式和分塊式兩種類型 當(dāng)塔直徑小于800mm時(shí) 一般將塔板加工成整塊式 當(dāng)塔直徑大于800mm 一般將塔板加工成分塊式 分塊式塔板由兩塊弓形板 一塊通道板和數(shù)個(gè)矩形板構(gòu)成 七 塔板結(jié)構(gòu) 30 第四部分塔輔助設(shè)備的選用與校核 塔頂冷凝器的選用與校核塔頂再沸器的選用 31 一 塔頂冷凝器的選用與校核 32 二 塔底再沸器的選用 選用塔底再沸器的主要步驟如下 根據(jù)塔釜溫度和熱源溫度計(jì)算換熱平均溫差tm 初步選取換熱總傳熱系數(shù)K用QW AK tm計(jì)算換熱面積A查表選取標(biāo)準(zhǔn)換熱器 得到換熱器的基本參數(shù) 33 第五部分塔體的初步設(shè)計(jì) 一 塔體設(shè)計(jì) 筒體 建議采用碳鋼 筒體的壁厚根據(jù)塔徑 材料 操作溫度及壓力從表3 1中選取 封頭的設(shè)計(jì) 常用的有橢圓形 蝶形 球形等幾種 建議采用橢圓形封頭 參照表3 2和附錄11 34 人孔及手孔的設(shè)計(jì)直徑大于或等于800mm的塔 每隔6 8塊塔板設(shè)一個(gè)人孔 塔頂 塔底及進(jìn)料處必須設(shè)置人孔 最常用的人孔規(guī)格為Dg450 凡有人孔的地方 塔板間距要等于或大于600mm 35 塔高 塔頂空間HD由塔頂?shù)谝话宓酵搀w與封頭接線距離 不包括封頭空間 稱塔頂空間 通常取HD 1 2 1 5m 塔底空間HB由塔底第一板到塔底封頭接線距離稱塔底空間 取產(chǎn)品停留時(shí)間 10 15min 排量大 取3 5min 計(jì)算結(jié)果再加上1 2m作為塔底空間 即 36 進(jìn)料空間HF液相進(jìn)料 HF大于一般板間距并滿足安裝人孔需要即可兩相進(jìn)料 則HF要取得大些 以利于進(jìn)料兩相的分離 一般可取 HF 1 0 1 2m 塔的總高H 裙座 塔類的裙座分為圓柱形與圓錐形 當(dāng)塔高與塔徑之比大于30時(shí)用圓錐形裙座 一般用圓筒形裙座 塔徑為1 2 2m塔裙座開4個(gè) 50mm的排氣孔 塔徑在1m以上要開兩個(gè)Dg450的人孔 圖3 4 a 37 二 接管的設(shè)計(jì) 塔頂蒸汽出口管徑dv 原則 避免過大的壓力降 特別是減壓塔 查標(biāo)準(zhǔn) 選擇導(dǎo)管中蒸汽的常用速度uv 計(jì)算管徑dv 查標(biāo)準(zhǔn) 取接管的標(biāo)準(zhǔn)系列 回流管管徑dR 一般回流泵輸送時(shí) 可取uR 1 5 2 5m s 計(jì)算回流管管徑dR 并選取標(biāo)準(zhǔn)系列 38 進(jìn)料管管徑dF 液相進(jìn)料采用泵送時(shí)可取uF 1 5 2 5m s 標(biāo)準(zhǔn)系列查表 若為氣液混相進(jìn)料 則只用氣相流量計(jì)算管徑 但允許氣速應(yīng)為經(jīng)驗(yàn)氣速的倍 39 一般可取出料管速度uw 0 5 1 5m s 一次通過式再沸器取0 5 1 0m s 先求塔底出料的體積流率 則 塔底出料管徑dw 塔底至再沸器連接管管徑dL 一次通過式再沸器 接管內(nèi)速度取uL 1 1 5m s 液相流量為提餾段的液相負(fù)荷 40 罐式再沸器返塔是蒸汽部分 其流量為提餾段蒸汽負(fù)荷 熱虹吸式再沸器 返塔的既有氣相也有液相 一次通過式 蒸汽量為提餾段汽相負(fù)荷 液相量為塔底產(chǎn)品量W 循環(huán)式 其液相量由循環(huán)比決定 熱虹吸式再沸器返塔管徑估算與兩相進(jìn)料的方法同 即 選取經(jīng)驗(yàn)氣速u 求允許氣速 求得聯(lián)接管管徑 選取標(biāo)準(zhǔn)系列 再沸器返塔聯(lián)接管管徑db 注 綜合以上計(jì)算結(jié)果 列出各接管匯總表 41 第六部分編制計(jì)算結(jié)果匯總表 將計(jì)算和設(shè)計(jì)的結(jié)果 如塔頂壓力 塔底壓力 塔板數(shù)據(jù) 塔高等 匯總 編制計(jì)算結(jié)果匯總表 42 幾點(diǎn)說明 說明書的符合校畢業(yè)論文要求 對(duì)于不常用的數(shù)據(jù)和公式要注明來源 對(duì)于試差求解的要說明試差過程 計(jì)算示例 列表 公式圖表要注明序號(hào) 編寫目錄和頁碼 裝訂成冊(cè)上交 43 附錄 44 假定 塔底