化工原理课程设计简易步骤
化工原理课程设计简易步骤
《化工原理》课程设计说明书
设计题目
学生姓名
指导老师
学院
专业班级
完成时间
目录
1.设计任务书……………………………………………（）
2.设计方案的确定与工艺流程的说明…………………（）
3.精馏塔的物料衡算……………………………………（）
4.塔板数的确定………………………………………（）
5.精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算………（）
6.精馏段的汽液负荷计算………………………………（）
7.精馏段塔体主要工艺尺寸的计算…………………（）
8.精馏段塔板主要工艺尺寸的计算…………………………（）
9.精馏段塔高的计算…………………………………（）
10.精馏段塔板的流体力学验算…………………………（）
11.精馏段塔板的汽液负荷性能图………………………（）
12.精馏段计算结果汇总………………………………（）
13.设计评述……………………………………………（）
14.参考文献………………………………………………（）
15.附件……………………………………………………（）
附件1：附图1精馏工艺流程图………………………（）
附件2：附图2降液管参数图……………………………（）附件3：附图3塔板布孔图………………………………（）
板式塔设计简易步骤
一、设计方案的确定及工艺流程的说明
对塔型板型、工艺流程、加料状态、塔顶蒸
汽冷凝方式、塔釜加热方式等进行说明，并
绘制工艺流程图。（图可附在后面）
二、精馏塔物料衡算：见教材P270
计算出F、D、W，单位：kmol/h
三、塔板数的确定
1. 汽液相平衡数据：
查资料或计算确定相平衡数据，并绘制
t-x-y图。
2. 确定回流比：
。再确定适宜先求出最小回流比：P
266
回流比：P
。
268
3. 确定理论板数
逐板法或梯级图解法（塔顶采用全凝
器）计算理论板层数，并确定加料板位置：
P
。（逐板法需先计算相对挥发度）257-258
、提馏段理论板确定精馏段理论板数N
1
数N
2
4. 确定实际板数：
估算塔板效率：P 285。（①需知全塔平均温度，可由 t-x-y 图确定塔顶、塔底温度，或通过试差确定塔顶、塔底温度，再取算术平均值。②需知相对挥发度，可由安托因方程求平均温度下的饱和蒸汽压，再按理想溶液计算。） 由塔板效率计算精馏段、提馏段的实际板层数N 1’,N 2’：P 284式6-67。
四、 精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算
1. 操作压力m
p ：取2
F
D m
p p p
+=
2. 精馏段平均温度m
t ：查t-x-y 图确定塔顶、
进料板温度，再取平均值。或由泡点方程试差法确定塔顶、进料板温度。
3. 平均摩尔质量M Vm 、M Lm ：由P 8式0-27分别计算塔顶、进料板处的摩尔质量，再分别取两处的算术平均值。汽相的摩尔分率查t-x-y 图。
4. 平均密度Vm
ρ、Lm
ρ： Lm
ρ：用P 13式1-7分别计
算塔顶、进料板处液相密度，再取算术平均
值。m
Vm m Vm
T R M p ??=
ρ
5. 液体表面张力m
σ：由B
B A A m
x x σσσ
+=分别计算塔
顶mD
σ与进料板mF
σ，再取平均值。 6. 液体粘度m
μ：与表面张力的计算类似。
五、 精馏段汽液负荷（Vs 、Ｌs ）计算
V=（R+1）D L=RD
Vm
Vm
s VM V ρ3600=
Lm
Lm s
LM L
ρ3600=
同时计算V h 、L h 。
冷凝器的热负荷：(本设计不要求计算)
六、 精馏段主要工艺结构尺寸的计算 (一) 板间距H T 的初估。
板间距初估是为了估算塔径，在P 286表6-8初选。
(二) 塔径的初估与圆整 P 286 1. 液泛速度。
2. 塔径：计算，并圆整，再按P 286表6-5，检验塔径是否合适。
3. 实际操作气速。 七、 塔板工艺尺寸的计算 （一）溢流装置:
说明采用何种形式的溢流堰、降液管、受液盘。
（以下为选择依据：）
1.降液管：降液管有圆形与弓形两类。通常，圆形降液管只用于小直径塔，而弓形降液管由部分塔壁和一块夹板围成，它能充分利用塔内空间，普遍用于直径较大、负荷较大的塔板。
2.溢流方式：溢流方式与降液管的布置有关。常用的降液管布置方式有U型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等。常选择的为单流型和双流型P281。可依下表进行选择。
3.溢流堰的形式：有平直形和齿形两种。一般选择平型。
4）受液盘: 受液盘有平
受液盘和凹形受液盘两
种形式，如下图所示。
(a) 平受液盘 (b)凹
受液盘
平受液盘一般需在塔板上设置进口堰，以保证降液管的液封，并使液体在板上分布均匀。但设置进口堰既占用板面，又易使沉淀物淤积此处造成阻塞，因此可不设进口堰。
采用凹形受液盘不需设置进口堰。凹形受液盘既可在低液量时能形成良好的液封，又有改变液体流向的缓冲作用，并便于液体从侧线的抽出。对于φ600mm 以上的塔，多采用凹形受液盘。凹形受液盘的深度一般在50 mm 以上，有侧线采出时宜取深些。凹形受液盘不适于易聚合及有悬浮固体的情况，因易造成死角而堵塞。 3.溢流装置的设计计算
1）堰长l w ：参见P 281 堰长l W 应由液体负荷及溢流型式而定。对于常用的弓形降液管：
单溢流取l W = （0.6～0.8）D 其中D 为
塔径，m 。
双流型塔板，两侧堰长取为塔径的
0.5~0.7倍。
并保证堰上溢流强度()
h m /m 130~100/3? l L ，满 足筛板塔的堰上溢流强度要求。 2）堰上液层高度h ow : 太小，堰上的液体均 布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。 对于平直堰，堰上液层高度h ow 可用弗朗西斯（Francis ）经验公式求算： 式中：Ls ——塔内液体流量，m 3 /h ；lw —— 堰长，m ； E ——液流收缩系数。 液流收缩系数E ，可由液流收缩系数计算图查取。一般情况下可取E=1，所引起的误差对计算结果影响不大。 平直堰，一般h ow >0.006m ，若低于此值，改用齿形堰。H ow 也不宜超过0.06~0.07m ，否则改用双溢流型塔板。 3）出口堰高h w ：堰高h w 需根据工艺条件与操作要求确定。设计时，一般应保持塔板上清液层高度在50～100mm 。计算公式： ow L W h h h -= 式中：h L ——板上液层高度，在50～100mm 内取值，m ；h ow ——堰上液层高度，m 。 堰高一般在0.03～0.05m 范围内，对于减压塔的h w 值应较低，以降低塔板的压降。堰高还要考虑降液管底端的液封，一般应使堰高在降液管底端0.006m 以上，大塔径相应增大此值。若堰高不能满足液封要求时，可设进口堰。 在求出h ow 后，检验堰高是否在下式范围： 4）弓形降液管宽度W d 与截面积A f : 可根据D l W 查由下图查得。( 图中A T 为塔横截 面积。 ) 按P 306 式6-65验算停留时间。即 若不能满足上式要求，应调整降液管尺寸或板间距，直至满足要求为止。 5）降液管底隙高度h 0 : 降液管底隙高度h 0应低于出口堰高度h w ，才能保证降液管底端有良好的液封，一般 取为： ) 012.0~006.0(-=W O h h ，m 降液管底隙高度一般也不宜小于20～25mm ，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。在设计中，塔径较小时可取h 0为25～30mm ，塔径较大时可取h 0为40mm 左右，最大可达150mm 。 降液管底隙高度h 0也可用下式计算： 式中：L S ——塔内液体流量，m 3 /s ； u 0′——液体通过降液管底隙的流速，m/s ；一般可取u 0′=0.07～0.25m/s 。 (二) 塔板布置 1.边缘区宽度c W 与安定区宽度s W 塔板通常分为四个区：即边缘区、安定区、溢流区、开孔区。 确定边缘区宽度c W ：在靠近塔壁的一圈边缘区 域供支持塔板的边梁之用，称为无效区，也称边缘区。其宽度W c 视塔板的支承需要而定，小塔一般为30~76 mm ，大塔一般为50~75 mm 。为防止液体经无效区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置挡板。 确定安定区宽度 W：开孔区与溢流区之间的不 s 开孔区域称为安定区，也称为破沫区。溢流堰前的安定区宽度为W s，其作用是在液体进入降液管之前有一段不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带气泡进入降液管；安定区的宽度可按下述范围选取，即：溢流堰前的安定区宽度W s=70~100 mm 。对小直径的塔(D＜l m)，因塔板面积小，安定区要相应减小。 溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积以A f表示，受液盘所占面积以A′f表示。 2.计算开孔区面积： 对单溢流型塔板，开孔区面积可用下式计算，即 式中,m；,m；为以角度表示的反正弦函数。 对双流型塔板，请查资料。 3. 开孔数及筛孔排列（浮阀塔板）： ①阀孔直径：阀孔直径由所选浮阀的型号决定，如常用的F1型浮阀的阀孔直径为39mm。 ②阀孔数：阀孔数n取决于操作时的阀孔气速 u0，而u0由阀孔动能因数F0决定。 式中u o——孔速，m/s; ρV——气相密度，kg/m3； F0——阀孔的动能因子，一般取8~11(苯-甲苯体系取9-13)，对于不同的工艺条件，也可适当调 整。阀孔数n的计算： 式中n——阀孔数；V——气相流量，m3 /s； d0——阀孔孔径，m。由所选浮阀的型号决定。 ③阀孔的排列：阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。正三角形排列又有顺排和叉排两种方式（见下图)。采用叉排时，相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显，而且相邻两阀容易被吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，所以采用叉排更好。 在整块式塔板中，阀孔一般按正三角形排列，其孔心距t有75mm，100mm，125mm，150mm 等几种。 在分块式塔板中，阀孔也可按等腰三角形排列，三角形的底边t′固定为75mm，三角形高h （即排间距）有65mm ，70mm ，80mm ，90mm ，l00mm ，110mm 几种，必要时还可以调整。 按等腰三角形排列时： 按正三角形排列时： 式中 h ——等腰三角形的高，m ； A a ——开孔鼓泡区面积，m 2 ； t ′——等腰三角形的底边长，m ，一般取为 0.075m ； A 0——阀孔总面积，； t ——正三角形的孔 心距，m 。 估算后要根据实际排间距核算实际阀孔数。根据实际阀孔数校核孔速及阀孔动能因数。和塔板开孔率。 塔板上阀孔的开孔率指阀孔面积与塔截面 之比。即T A A 0=φ 。一般开孔率大，塔板压降低， 雾沫夹带量少，但操作弹性小，漏液量大，板效率低，最好为6%-9%。 八、 精馏段塔高（精馏段）： ()T H N Z 1'1 1 -= 九、 精馏段塔板的流体力学验算 1． 塔板压降：塔板压降计算式为：： g h p L p p ρ=?，即要验算：g h p L p p ρ=?是否小于设计规定 的0.7kPa 。其中h p 的计算： 式中：h p ——与气体通过一层浮阀塔板的压 强降相当的液柱高度，m ； h c ——与气体克服干板阻力所产生 的压强降相当的液柱高度，m ； h l ——与气体克服板上充气液层的 静压强所产生的压强降相当的液柱高度，m ； h σ——与气体克服液体表面张力所 产生的压强降相当的液柱高度，m 。 1）h C 的计算：将浮阀达到全开时的阀孔气速称之为临界孔速，以u oc 表示。 对于F 1重阀（质量约33g ，阀孔直径为39mm ）干板压降计算式为： 阀片全开前（u o ＜u oc ） 阀片全开后（u o ≥u oc ） 式中：u o ——阀孔气速，m/s；u oc ——气体通 过阀孔的临界气速，m/s。 浮阀塔板在浮阀全开前和全开后，压降随气流速度的变化规律不同，计算时应先计算出临界气速u oc ，以判别用不同公式计算。 将上二式联立而解出u OC ，令 将g = 9.81m/s2代入，解得： 2）h l 的计算：受堰高、气速及溢流强度（单位溢流周边长度上的液体流量）等因素的影响，关系较为复杂，一般用下列经验公式计算： 式中：h w ——溢流堰高，m；h ow ——堰上 液层高度，m；ε ——充气因数。 充气因数ε 反映板上液层充气的程度，故称之为充气因数，无因次。当液相为水时，ε 0=0.5；液相为油时，ε =0.2～0.35；液相为碳 氢化合物时，ε =0.4～0.5。 3）h σ 的计算： 式中：σ——液体表面张力，N/m；h——浮阀开度，m。 气体克服液体表面张力所造成的阻力通常很小，可以忽略不计。（！） 2．液泛：液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液 层高度Hd。通常液体中取 H d ≤Φ·（H T + h w ）。 H d 的计算： d L p d h h h H+ + = 式中：h P ——气体通过一块塔板的压降， m；h W ——溢流堰高度，m； h d ——液体流过降液管的压强降， m； H T ——板间距，m； Φ——降液管中泡沫层的相对密 度，φ=ρ L ′/ρ L 。ρ L ′为 降液管中泡沫层的平均密度， kg/ m3。对于一般物系，Φ=0.5；对于发泡严重物系，Φ=0.3～0.4；对于不易发泡的物系，Φ=0.6～0.7。 液体流过降液管的压强降h d 可按下述经验公式 计算： 塔板上 不设进口堰 时， 塔板上装有进口堰时，（略！） h p 前已算出，h L 为清液层高度前也确定。 3．过量雾沫夹带 目前多采用验算泛点率，作为间接判断雾沫夹带量的方法。泛点 率的意义是指设计 负荷与泛点负荷之 比，是一种统计的关 联值，是广义地指塔内液面的泛滥而导致的效率剧降之点。塔径大于900mm的塔，F＜80%；塔径小于900mm的塔，F＜70%；对于负压操作的塔，F＜75%，便可保证每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量小于0.1公斤，即e V ≤0.1。 泛点百分率F可依下式计算。 式中： Z L ——液体横过塔板流动的行程，对单溢流型塔 板，Z L =D-2W d ，m； A b ——塔板上的液流面积，对单溢流型塔板：A b = A T -2A f ， m2； A T ——塔截面积，m2； A f ——降 液管截面积，m2； C F ——泛点负荷因数由图查得； K——物性系数，由下表查取。