化工原理课程设计精馏塔

成绩

化工原理课程设计

设计说明书

设计题目：5.4万吨/年苯—甲苯连续精馏装置工艺设计

姓 名 李家伦 班 级 化工09-4班 学 号 09014020440 完成日期 2012-1-8 指导教师 梁伯行

化工原理课程设计任务书

(化工09-3,4适用)

一、 设计说明书题目:

5.4(万吨/年) 苯 - 甲苯连续精馏装置工艺设计说明书 二、 设计任务及条件

(1).处理量: (1500＋本班学号×150) Kg/h (每年生产时间按7200小时计); (2). 进料热状况参数：( 4班)为0.30,

(3). 进料组成: ( 4班) 含苯为55％(质量百分数), (4).塔底产品含苯不大于1％(质量百分数); (5). 塔顶产品中含苯为98％(质量百分数)。 塔顶采用30度的冷回流，冷却水温度为25度，塔底再沸器加热介质为比密度0.86的柴油，进口温度290度，出口温度160度。 三、 设计说明书目录(主要内容) 要求 1) 装置工艺流程及工艺流程说明 2) 装置物料衡算 3) 工艺条件及校核

4) 回流比比较计算确定最优方案 5) 最优方案的F1重型浮阀塔板设计 6) 最优方案设计结果汇总及评价 7) 装置停开工操作原则

8) 附录：1、装置详细工艺流程图，2、精馏塔结构简图 四、 经济指标及参考书目

1) 料液输送3元（吨每小时） 2) 冷却水16元（吨每小时）

3) 3000元/(平方米塔板重阀),5000元/(立方米塔) 4) 4000元/(立方米传热面积),

5) 泵报价1200元/(立方米每小时)

6) 热载体柴油160元一吨每小时, 设备使用年限15年,

7) 装置主要固定资产年折旧率为10% , 银行借贷平均年利息12.5%。

五、参考书目

化工原理课程设计指导、化工工艺设计图表、炼油工艺设计手册浮阀塔分册

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目录

一、前言 .........................................................................................................................................5 2.1 处理量确定............................................................................................................................5 2.2 设计题目与进程....................................................................................................................5 2.3 概述........................................................................................................................................5 2.4设计方案..............................................................................................................................5

2.4.1塔设备的工业要求......................................................................................................5 2.4.2工艺流程如下..............................................................................................................6 2.4.3流程的说明 ................................................................................................................6 三、精馏塔设计...............................................................................................................................6 3.1工艺条件的确定.....................................................................................................................6 3.1.1苯与甲苯的基础数据......................................................................................................6 3.1.2温度的条件......................................................................................................................7 3.1.3操作压力选定..................................................................................................................7 3.2精馏塔物料恒算.....................................................................................................................7 3.2.1摩尔分数..........................................................................................................................7 3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量......................................................................7 3.2.3质量物料恒算与负荷计算及其结果表..........................................................................8 3.3塔板数计算.............................................................................................................................8 3.3.1.理论塔板数......................................................................................................................8 3.3.2做X-Y曲线.....................................................................................................................8 3.3.3求RMIN............................................................................................................................8 3.3.4求理论塔板数..................................................................................................................8 3.3.5求平均塔效率ET.............................................................................................................8 3.3.6求实际塔板数..................................................................................................................8 3.4有关物性数据的计算 (以精馏段R1为例)..........................................................................9 3.4.1平均压力计算...................................................................................................................9 3.4.2平均摩尔质量计算...........................................................................................................9 3.4.3平均密度计算...................................................................................................................9 3.4.4液体平均表面张力计算...................................................................................................9 3.3.2.5液体的平均粘度..........................................................................................................10 3.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算................................................................................................10 3.5.1负荷计算.........................................................................................................................10 3.5.1.1摩尔计算：..............................................................................................................10 3.5.1.2同理得质量计算：..................................................................................................10 3.5.1.3 不同回流比的负荷结果.........................................................................................10 3.5.1.4 Vs和Ls计算.........................................................................................................10 3.5.2塔径的计算.....................................................................................................................10 3.5.3精馏塔有效高度的计算.................................................................................................11 3.5.4塔顶、塔底空间.............................................................................................................11 3.5.4.1塔顶空间HD ...........................................................................................................11 3.5.4.2塔底空间HB ............................................................................................................11 3.5.5塔壁厚计算.....................................................................................................................11 四.热平衡确定热换器...................................................................................................................11 4.1.塔顶全凝器..........................................................................................................................11 4.1.1热负荷Qc ..................................................................................................................11 4.1.2传热面积A....................................................................................................................12 4.1.2.1求平均温度.............................................................................................................12 4.1.2.2 K值选定.................................................................................................................12 4.1.2.3传热面积A.............................................................................................................12 4.1.3 循环水的用量计算.......................................................................................................12 4.1.4热换器选用....................................................................................................................12 4.2.塔底再沸器.............................................................................................................................13

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4.2.1热负荷QB......................................................................................................................13 4.2.2传热面积A.....................................................................................................................13 4.2.2.1求平均温度..............................................................................................................13 4.2.2.2传热面积A计算.....................................................................................................13 4.2.3 过热蒸汽的用量............................................................................................................13 4.2.4再沸器的选用.................................................................................................................13 4.3.原料预热器 ..............................................................................................................................14 4.3.1求平均温度.....................................................................................................................14 4.3.2 求比热和传热的热量....................................................................................................14 4.3.3塔底产品预热给的热量...............................................................................................14 4.3.3 传热面积和过热蒸汽的用量计算................................................................................14 4.3.4 预热器选用....................................................................................................................14 4.4塔釜产品冷却器 ..................................................................................................................14 五、经济估算..................................................................................................................................15 5.1 塔主要设备经费计算（R1为例）......................................................................................15 5.1.1塔壁面积计算.................................................................................................................15 5.1.2塔板面积计算.................................................................................................................15 5.1.3主要塔设备费用计算...................................................................................................15 5.1.4固定资产折旧费用.......................................................................................................15 5.2 主要操作费计算（10年）（R1为例）...............................................................................15 5.2.1.清水用量费用................................................................................................................15 5.2.2 过热蒸汽的用量费用....................................................................................................15 5.2.3设备费用和操作费用的总费用p....................................................................................15 5.2.4 银行利息后的总成本P总 ..............................................................................................15 5.3回流比的选择........................................................................................................................15 六. F1型浮阀塔板设计 .............................................................................................................16 6.1溢流装置.........................................................................................................................16 6.1.1 .堰长lw.....................................................................................................................16 6.1.2.出口堰高hw.............................................................................................................16 6.1.3弓形降液管宽度Wd和面积Af：..........................................................................16 3.6.1.4降液管底隙高度ho..................................................................................................16 6.2塔板布置及浮阀数目与排列.........................................................................................17 6.3塔板流体力学验算.........................................................................................................17 6.3.1气相通过浮阀塔板的压强降..................................................................................17 6.3.2淹塔..........................................................................................................................17 6.3.3雾沫夹带..................................................................................................................18 6.4塔板的负荷性能.............................................................................................................18 6.4.1雾沫夹带线..............................................................................................................18 6.4.2液泛线....................................................................................................................18 6.4.3液体负荷上限线....................................................................................................19 6.4.4漏夜线....................................................................................................................19 6.4.5 液相负荷下限线...................................................................................................19 七、设计结果一览表............................................................................................................... 20八．装置停开工操作原则.............................................................................................................21 九.个人总结及对本设计的评述.....................................................................................................21

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一、前言

化工原理课程设计是理论系实际的桥梁，是让学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求我们能够综合运用化工原理上下册的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到以化工单元操作为主的化工设计的初步训练。通过课程设计，我们了解到工程设计的基本内容，掌握典型单元操作设计的主要程序和方法，培养了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。

二、设计方案的确定

2.1 处理量确定

依设计任务书可知，处理量为:1500+40*150=7500Kg/h,7500*7200=5.4万吨/年

2.2 设计题目与设计进程

该次设计题目为：5.4万吨/年苯—甲苯连续精馏装置工艺设计。 本次设计为俩周，安排如下：表2-1. 进程表 找数据与上课 第一周的周一、二 全部设计计算 画图 写说明书 剩余时间 第一周的周三到周日 第二周的周一到周四 2.3概述

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔

内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔大致可分为两类：有降液管的塔板和无降液管的塔板。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。

浮阀塔广泛用于精馏、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀塔的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，塔板效率高，气体压强降及液面落差较小，塔的造价低，塔板结构较泡罩塔简单.

浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F－1型（V－1型）、V－4型、十字架型、和A型，其中F－1型浮阀结构较简单、节省材料，制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普遍应用，已列入部颁标准（JB－1118－81）。其阀孔直径为39mm，重阀质量为33g，轻阀为25g。一般多采用重阀，因其操作稳定性好。

2.4 设计方案

2.4.1塔设备的工业要求

总的要求是在符合生产工艺条件下，尽可能多的使用新技术，节约能源和成本，少量的污染。精馏塔对塔设备的要求大致如下：

一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 四：有一定的操作弹性：当气液

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相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等.

2.4.2工艺流程如下：

苯与甲苯混合液（原料储罐）→原料预热器→浮阀精馏塔（塔顶：→全凝器→分配器→部分回流，部分进入冷却器→产品储罐）(塔釜：再沸器→冷却器→产品进入储罐）

2.4.3流程的说明

本方案主要是采用浮阀塔，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到89摄氏度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。

本次设计的要求是先算出最小回流比，然后随意选三个系数得到三个回流比，最后找出最佳的回流比。

三、精馏塔设计

3.1工艺条件的确定

3.1.1苯与甲苯的基础数据

表3-1 相平衡数据 温度/℃ PA /Kpa PB /Kpa OO80.1 101.33 40 1.00 1.00 85 116.9 46 2.54 0.780 0.897 90 135.5 54 2.51 0.581 0.773 95 155.7 63.3 2.46 0.412 0.633

100 179.2 74.3 2.41 0.258 0.461 105 204.2 86 2.37 0.130 0.269 110.6 240.0 101.33 0 0 ? x y 表3-2 苯与甲苯的物理性质 项目 苯 甲苯 分子式 C6H6 C6H5-----CH3 相对分子量 78.11 92.13

表3-3 Antoine常数值 组分 苯 甲苯 A 6.023 6.078

B 1206.35 1343.94 C 220.24 219.58 沸点/℃ 80.1 110.6 临界温度/℃ 288.5 318.57 临界压力/Pa 6833.4 4107.7 6

表3-4 苯与甲苯的液相密度 温度/℃ 80 810 815 90 800.2 803.9

表3-5 液体的表面张力 温度/℃ 80 21.27 21.69 90 20.06 20.59 100 18.85 19.94

表3-6 液体的黏度 温度/℃ 80 0.308 0.311 90 0.279 0.286 100 0.255 0.264 110 0.233 0.254 120 0.215 0.228 110 17.66 18.41 120 16.49 17.31 100 792.5 790.3 110 780.3 780.3 120 768.9 770.9 ?L,苯/(kg/m3) ?L,甲苯/(kg/m3) ?苯（/mN/m） ?甲苯（/mN/m） ?L,苯（mpa.s）?L,甲苯（mpa.s）温度/℃ 苯/(KJ/Kg)甲苯/(KJ/Kg) 3.1.2温度的条件：

假定常压，作出苯—甲苯混合液的t-x-y图，如后附图所示。依任务书，可算出：xf=(0.55/78.11)/(0.55/78.11+0.45/92.13)=0.59;同理，xD=0.984，xw=0.012查t-x-y图可得，tD=80.7℃,tW=109.8℃,tF=89℃ 精馏段平均温度tm=（80.7+89）1/2=84.85℃ 3.1.3操作压力选定

O

最底操作压力：取回流罐物料的温度为83.85℃，查手册得PA =29.33Kpa，POB =10.00Kpa.由泡点方程XD=(Pmin-POB)/(POA -POB)=0.983,可得Pmin=29.02Kpa.取塔顶操作压力P=1.5P0=1.5*101.33Kpa=152Kpa

?

表3.7 液体的汽化热?

80 384.1 379.9 90 386.9 373.8 100 379.3 367.6 110 371.5 361.2 120 363.2 354.6 3.2精馏塔物料恒算

3.2.1摩尔分数

由以上可知，摩尔分数为xf=0.59，xD=0.984，xw=0.012 3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量

MF=xFMA+(1-xF)MB=0.59×78.11+（1-0.59）×92.13=83.85 kg/kmol ， MD=xDMA+(1-xD)MB=0.984× 78.11+(1-0.984) × 92.13=78.33kg/kmol ， MW=xWMA+(1-xW)MB=0.024 ×78.11+(1-0.024) × 92.13=91.96 kg/kmol 3.2.3质量物料恒算与负荷计算及其结果表

总物料衡算 D+W=7500 （1） 易挥发组分物料衡算 0.98D+0.01W=0.59×7500 （2）

7

联立（1）、（2）解得：

F=7500 kg/h=2.08 kg/s=5.4万吨/年 ,F=7500/83.86=89.43 kmol/h=0.025kmol/s

W=3015.5 kg/h=0.84kg/s= 2.171万吨/年,W=3015.5/91.96=32.79 kmol/h=0.009kmol/s D=4484.5kg/h =1.25 kg/s =3.23万吨/年,D=4484.5/78.33=57.25kmol/h=0.016kmol/s

表3-8 物料恒算表 物料 kg/h kg/s 万吨/年 kmol/h kmol/s F 7500 2.08 5.4 89.43 0.025 D 4484.5 1.25 3.23 57.25 0.016 W 3015.5 0.84 2.17 32.80 0.009 3.3塔板数计算

3.3.1.理论塔板数 3.3.2做X-Y曲线

作出苯与甲苯的X-Y图如后面的附图所示，因P=1.2P0 故可不对X-Y图进行修正 3.3.3求Rmin

依Q线斜率K=-0.3/0.7=-0.43，且通过(XF,XF)=(0.59,0.59),作出Q线与平衡线交一点(Xq,Yq)=（0.44，0.66），故Rmin=(XD-Yq)/(Yq-Xq)=(0.98-0.66)/(0.66-0.44)=1.47, 3.3.4求理论塔板数

取R1=1.1Rmin=1.62，故 可求精馏段操作方程为： y=0.841x+0.157, 提馏段操作方程为：y=1.834x-0.02 ，用图解法求出理论塔板数NT=24,进料板为第12层。

同理得出R2=1.28Rmin=1.88时，

精馏段操作方程为：y=0.881x+0.118, 提馏段操作方程为：y=1.51x-0.012 NT=19,进料板为第10层 R3=1.45Rmin=2.13时,

精馏段操作方程为：y=0.893x+0.106, 提馏段操作方程为：y=1.434x-0.010 NT=17,进料板为第9层 3.3.5求平均塔效率ET

塔顶与塔底的平均温度：tm=(80.7*109.8)0.5=94.03℃ 分别算出t=94.03℃下得相对挥发度?和μL如下：

=POA/POB =152.91Kpa/62.03Kpa=2.47 ,有t - x -y 图查得该温度下XA=0.45 μm=xAμ苯+（1-xA）μ甲苯=0.45*0.2754+0.55*0.0.2804=0.278mpa.s 故 *μm=0.69

查塔效率关联曲线得ET=0.53 3.3.6求实际塔板数

精馏段实际塔板数 N精=11/0.53=21 ; 提馏段实际塔板数 N提=13/0.53=25 全塔实际塔板数N=24/0.53=46 同理可得，R2和R3得如下： R2=1.28Rmin=1.88

精馏段实际塔板数 N精=17 ，提馏段实际塔板数N提=19 ，全塔实际塔板数N=36 R3=1.45Rmin=2.13时,

精馏段实际塔板数 N精=15 ，提馏段实际塔板数N提=17 ，全塔实际塔板数N=32

?3.4有关物性数据的计算(以精馏段R1为例)

3.4.1平均压力计算

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取每层压降为?p?0.7Kpa，那么进料板的压力P=152+0.7*12=160.4KPa 精馏段的平均压力位Pm=(152+160.4)/2=156.2KPa 同理其他回流比计算结果如下表：

表3-9 压力表 R R1 R2 R3 进料板压力/KPa 160.4 159 158.3 精馏段平均压力/KPa 156.2 155.55 155.15 3.4.2平均摩尔质量计算

由 xD=y1=0.984 查 t-x-y图 得x1=0.972

塔顶气相平均摩尔分子量 MVmD=y1MA+(1-y1)MB=0.983*78.11+0.17*92.13=78.22Kg/Kmol 塔顶液相平均摩尔分子量MLmD=x1MA+(1-x1)MB=0.972*78.11+0.028*92.13=78.39Kg/Kmol 由xF=0.59,查t-x-y图知:yF=0.784

进料板气相平均摩尔分子量 MVmF=yFMA+(1-yF)MB=0.784*78.11+0.21*92.13=81.02Kg/Kmol 进料板液相平均摩尔分子量 MLmF=xFMA+(1-xF)MB=591*78.11+409*92.13=83.73Kg/Kmol 精馏段气相平均摩尔分子量

MVm?(MVmD?MVmF)/2?(78.22?85.25)/2?79.03Kg/Kmol

精馏段液相平均摩尔分子量 MLm?(MLmD?MLmF)/2?81.06Kg/Kmol

3.4.3平均密度计算

A.气相平均密度

?Vm=Pm*Mm/RTm=155.5*78.22/(8.314*(91.34+273.15))=4.01Kg/m3

同理计算出其他回流比R2和R3的?Vm分别 为：4.00Kg/Kmol和4.00Kg/Kmol

B.液相的平均密度：

塔顶平均密度 由tD =80.6℃,查手册得ρA=814.4Kg/m3 ,ρB=809.5Kg/m3

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ρLDm=1/(0.99/814.4+0.01/809.5)=814.4Kg/m 进料板平均密度 tF=89℃ ρA=808.7Kg/m3 ，ρB=805.4Kg/m3

进料板液相的质量分率：aA=0.59*78.11/(59*78.11+0.409*92.13) =0.55

ρLFm =1/(0.55/808.7+0.45/805.4)=807.21Kg/m3

精馏段液相平均密度为 ρLm=（ρLDm+ρLFm）/2=810.2 Kg/m3

3.4.4液体平均表面张力计算

由塔顶温度t=80.7℃ 时,查苯-甲苯表面张力于下表：

表3-10 塔顶苯-甲苯表面张力

组分

表面张力?\\mN/m 塔顶表面张力：

苯(A) 21.20

甲苯(B) 22.10

σm，顶=0.992×21.20+(1-0.992)×22.10=21.20mN/m 由进料温度 t=89℃ 时,查苯-甲苯表面张力于表3-8

表3-11 进料苯-甲苯表面张力

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组分

表面张力?\\mN/m

苯(A) 20.18

甲苯(B) 20.7

进料板的表面张力 ：σm，进=0.59×20.18+(1-0.59)×20.7=20.39mN/m

则精馏段平均表面张力为：σm，精=（σm，顶+σm，进）/2=20.90 mN/m 3.3.2.5液体的平均粘度

由塔顶温度t=80.6℃ 时，查手册得μA=0.309mPa.S ,μB=0.315mPas μL顶=0.992×0.309+(1-0.992)×0.315=0.309mPas

由进料温度 t=89℃ 时,查苯-甲苯粘度为：μA=0.282mPa.S , μB=0.289mPas μL进 =0.59×0.282+(1-0.59)×0.289=285mPas 精馏段液相平均粘度 μL(精) =（μL顶+μL进 ）/2=0.298 mPas

3.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算

3.5.1负荷计算 R1=1.62

3.5.1.1摩尔计算：

L=RD=1.62*57.25=92.75kmol/h=0.026kmol/s, V=(R+1)D=2.62*57.25=150kmol/h=0.042kmol/s

L′=L+qF=92.75+0.3*89.43=119.58kmol/h=0.033kmol/s V′=V+(q-1)F=150-0.7*89.43=87.4kmol/h=0.024kmol/s 3.5.1.2同理得质量计算：

L=6031.93kg/h=1.68kg/s , V=7170.03kg/h=1.99kg/s L′=6991.93kg/h=1.94kg/s , V′=3330.03kg/h=0.93kg/s 3.5.1.3 不同回流比的负荷结果

同理得出R2=1.88Rmin=1.88 和R3=1.9Rmin=2.13得负荷计算， 三个回流比计算结果如下表：表3-12 摩尔负荷 R R1 R2 R3 R L V L′ V′ kmol/h kmol/s kmol/h kmol/s kmol/h kmol/s kmol/h kmol/s 92.75 0.026 150 0.042 119.58 0.033 87.4 0.024 107.63 0.030 164.88 0.046 134.46 0.037 102.28 0.028 121.94 0.034 179.19 0.050 148.77 0.041 116.59 0.032 表3-13 质量负荷 L V L′ V′ kg/h kg/s kg/h kg/s kg/h kg/s kg/h kg/s 7264.90 2.02 11749.40 3.26 9514.9 2.64 6499.4 1.81 8430.86 2.34 12915.36 3.59 10680.86 2.97 7665.36 2.13 9551.99 2.65 14036.49 3.90 11801.99 3.28 8786.49 2.44 R1 R2 R3 3.5.1.4 Vs和Ls计算 以R1=1.62为例

Vs=V*MVm/(3600*?Vm)=150*79.03/(3600*4.01)=0.821m3/s Ls=L*MLm/(3600*?Lm)=119.58*81.06/(3600*810.2)=0.00257m3/s 同理得R2和R3,总的结果如下表

R 表3-13 Vs和Ls值表 3Vs/(m/s) Ls/(m/s) 3 10

依据前面可知，每年塔顶冷凝器用水量Q1=4.17*105吨/年，

釜液冷却一年用水量Q2=0.95*3600*7200=2.46万吨/年 单价为16元/吨， 故15年循环水费用I1=（Q1+Q2）*15*16=1.06*108元

同理得其他回流比R2和R3的10年循环水费用I1分别为：6.16*107元和6.84*107 5.2.2 柴油热载体用量费用 8.46吨*7200*15*160=1.46*108

5.2.3设备费用和操作费用的总费用p

依以上可知P=1409160+140916+1.06*108+1.46*108=2.54*108元

同理得出其他回流比R2和R3的P如下：2.87*108元和2.98*108元 结论：选R1是最经济的。 5.3回流比的选择

依据成本计算可知，R1的成本最小，且依Vs~Ls图可知，操作点也是比较合理的位置，故这次回流比选R1进行设计

六、F1型浮阀塔板设计 取R=1.62

1

6.1溢流装置

选用单溢流方形降液管，不设进口堰，各项计算如下： 6.1.1.堰长lw:取堰长lw=0.66D=0.66m 6.1.2.出口堰高hw:

Lh'22.84hw=hL-how ,how?E()3 ，近似取E=1，Lh=Ls*3600=0.0026*3600=8.5m3/s

1000lw故how=0.015m 则 hw=hL-how =0.07-0.015=0.065m

6.1.3弓形降液管宽度Wd和面积Af：

由lw/D=0.66/1=0.66,查弓形降液管的宽度和面积图可得，Af/AT=0.0721，Wd/D=0.124

2

故Af=0.0721*1.13=0.0815m ,Wd=0.124*1.2=0.14m 验算液体在降液管中的停留时间：

??3600Af*HT/Lh?3600*0.0566*0.45/(3600*0.0022)?15s ??5s 故降液管尺寸可用。

6.1.4降液管底隙高度ho

Ls' 可取降液管底隙处液体流速取uo'=0.13m/s h0?lwu0 则 ho=0.0026/(0.79*0.13) =0.0253m

hw?ho合理

同理可得出其他回流比的各项计算，总结果如下表：

表3-17 溢流装置参数表

R 堰上液层高度 h0/m R1 0.014 0．79 堰长lw/m 出口堰高hw/m 0.056 降液管宽度Wd/m 0.149 降液管的面积Af/m2 0.0815 停留时间θ/S 15.01 底隙高度ho/m 0.023 6.2塔板布置及浮阀数目与排列

选用F1型重阀，阀孔直径d0=39mm，底边孔中心距t=75mm

16

取阀孔动能因子F0=10 ，孔速u0?F0/?V?10/4.1?4.94m/s

2每一层塔板上的浮阀数N：N?Vs/(?/4*d0u0)?0.82/(3.14/4*0.0392*4.94)?138

取边缘区域宽度Wc=0.06m Ws=0.10m

?2x??塔板上的鼓泡面积Aa?2?xR2?x2?Rarcsin?

180R??R=D/2-Wc==0.6-0.06=0.54m x=D/2-(Wd+Ws)=0.5-(0.124+0.10)=0.351m 把数据代入得Aa=0.4516

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一排的孔心距t=75mm=0.075m 则估算排间距t'?Aa/(N*t)?0.7/(138*0.075)?67.6mm 考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块版的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用69.2mm，而应小于此值。 故取t’=65mm=0.065m ，

按t=75mm，t’=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，或者查标准可得阀数120个.

按N=76重新核算孔速及阀孔动能因数。

u0?Vs/(?/4?0.0392N)?0.82/(3.14?4?0.0392?76)?5.85m/s

F0?u0?4.1?5.85*4.1?11.84阀孔动能因数F0变化不大，

仍在9~12范围内。 塔板开孔率=u/u0=0.66/5.71=11.58%

同理，得出其他回流比总结果如下表：

表3-18 塔板参数表 2u0/(m/X/m 初算Aa/m R/m 初算R s) t'/mm 浮阀数N 4.94 138 0.70 0.54 0.35 67.6 R1 最后t'/mm 65 最后确定N 120 最后u0/m/s 5.85 F0 开孔率/% 11.58 11.84 6.3塔板流体力学验算

6.3.1气相通过浮阀塔板的压强降：Hp?hC?hI?h? A.干板阻力:

u0c?1.82573.1/?V?1.82573.1/4.1?4.85m/s 因为uo>uoc

2hC?5.34*?Vu0/(2*?L*g)?5.34*4.1*5.852/(2*802.15*9.81)?0.042m液柱 B.板上充气液层阻力:

由液相为碳氢化合物，可取充气系数ξ0=0.5 hI=ξ0hL =0.5*0.07=0.035m液柱 C.液体表面张力所造成的阻力h?：此阻力很小，可以忽略不计。

因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高为hp=0.042+0.035=0.075m液柱.

单板压降△hp??L?g?0.075*810.26*9.81?605.66Pa＜700Pa 故设计合理。 6.3.2淹塔

为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，Hd≤φ(HT+hw) 其中 Hd=hp+hL+hd

17

A.依前面可知，hp=0.069 m液柱

B.液体通过降液管的压头损失，因不设进口堰，故

hd?0.153(Ls/lwho)2?0.153?(0.0022?0.66?0.026)2?0.00251m，

C.板上液层高度，前已选定hL=0.07m 则Hd=0.079+0.07+0.00251=0.1515m 取φ=0.5 又已选定HT=0.45m，hw=0.055m， 则φ(HT+hw)=0.5×（0.45+0.055）=0.2525m 可见 Hd＜φ(HT+hw),符合防止淹塔的要求. 6.3.3雾沫夹带

Vs'泛点率??vm精?1.36L'sZL?Lm精??vm精KCFAb?10000-----a式

板上液体流经长度ZL=D-2Wd=1-2*0.124=0.752m 板上液体面积Ab=AT-2Af=0.785-2*0.0566=0.6718m2

苯和甲苯按正常系统取物性系数K=1.0，由泛点负荷系数图查得CF=0.128 泛点率=(0.518?泛点率=

4.01?1.36?0.0022?0.752)/(1?0.128?0.6718)?100%?45.3%-b试

802.15?4.010.518??V4.01?(0.78KCFAT)?100%?0.512??(0.78?1?0.128?0.785)?46.8%?L??V802.15?4.01依俩式算出泛点率均在80％以下，

故知雾沫夹带量能满足ev＜0.1 kg液/kg气的要求

表3-19 泛点率有关数据表

ZL/m R R1 0.752 Ab/m 0.6718 2a式泛点率/% 45.3 B式泛点率/% 46.8 6.4塔板的负荷性能图 以R1为例.

6.4.1雾沫夹带线

18

Vs依据泛点率?'?vm精?1.36L'sZL?Lm精??vm精KCFAb?10000,

按泛点率=80%，代人数据化简整理得：

Vs=-14.43Ls+0.97,作出雾沫夹带线(1)如附图中Vs—Ls图所示。 6.4.2液泛线

依前可知hp=hc+hI+hσ Hd=hp+hL+hd Hd＜φ(HT+hw)

得：φ(HT+hw)= hp?hL?hd?hc?hI?h??hL?hd由此式确定液泛线，忽略hσ项。

?Vu2?L2.843600Ls2/3??0.153(s)2?(1??0)?hw?E()? 即：?(HT?hw)?5.34??Lglwh01000lw??V因HT,hw、ho、lw、?V、?L、?0及?均为定值，且，把有关数据代人整u0?2s?d0/4N0VS理得液泛线： 0.16522/3?519.59L2?1.32L?0.17?0 SS任意取四点坐标如下：

（0.001，0.973）,(0.005,0.847),(0.010,0.587),和（0.012，0.397） 在Vs-Ls图中作出液泛线（2）， 6.4.3液体负荷上限线

液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3-5s，液体在降液管内停留时间.

3600AfHT??=3—5S ，则(Ls)max?AfHT/5?0.0566?0.45/5?0.0051m3/s 'Lh液相负荷上限线（3）在VS—LS图中为与气相流量 无关的垂线。 6.4.4漏夜线

对于F1型重阀，依据F0?u0?V?5 计算，则 u0?5/?V

2Nu0 又知VSmin??/4d0?25则VSmin?d0N??3.14?4?0.0392?76?5?4.01?0.227m3/s

4?V作气相负荷下限线（4）

6.4.5 液相负荷下限线

取堰上液层上高度how=0.006m作为液相负荷下限条件，即

2.84L'h2how?E()3=0.006m

1000lw从而计算出下限值，取E=1.02

则，LSmin?(0.006?1000)3/2?lW?(0.006?1000)3/2?0.66?0.00056m3/s

2.84?136002.84?13600依此作出液相负荷下限线(5)，该线为气相流出无关的竖直线。

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七．设计结果一览表

计算结果 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项目 平均温度 平均压力 平均流量 气相 液相 符号 tm Pm Vs Ls Np Z D H u Lw hw hL how Ws Wc Aa d n u0 F0 t t′ ΔP 单位 R1(最好) ℃ kpa m/s m/s 块 m m m m/s m m m m m m m m 个 m/s m m kpa s m m/s m/s m/s 333233精馏段 R2 91.34 155.5 0.691 0.0031 26 12.3 1.20 0.45 单流型 0.612 弓形 0.792 0.053 0.07 0.017 0.10 0.06 0.7071 0.039 118 4.90 9.80 12.49 0.075 0.065 0.535 11.83 0.030 42.9/43.4 0.0013 0.00068 0.352 3.72 R3 91.34 155.5 0.769 0.0034 25 11.85 1.20 0.45 单流型 0.681 弓形 0.792 0.052 0.07 0.018 0.10 0.06 0.7071 0.039 118 5.46 10.92 12.47 0.075 0.065 0.598 10.79 0.033 47.4/48.3 0.0073 0.00068 0.352 3.73 91.34 155.5 0.518 0.0026 34 15.9 1.00 0.45 单流型 0.660 弓形 0.66 0.055 0.07 0.015 0.10 0.06 0.4516 0.039 76 5.71 11.43 11.56 0.075 0.065 0.622 11.58 0.026 45.3/46.8 0.0051 0.00056 0.227 3.71 实际塔板数 塔的有效高度 塔径 板间距 塔板溢流形式 空塔气速 溢流管形式 溢流堰长度 13 溢流装置 溢流堰高度 14 板上液层高度 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 30 31 32 33 34 堰上液层高度 安定区宽度 开孔区到塔壁距离 鼓泡面积 阀孔直径 浮阀数个 阀孔气速 阀孔动能因数 开孔率% 孔心距 排间距 塔板压降 液体在降液管内的停留时间 底隙高度 泛点率，% 液相负荷上限 液相负荷下限 气相负荷下限 操作弹性 ? ho Ls max Ls min Vs min 20

八、装置停开工操作原则

九、个人总结及对本设计的评述

通过查资料与多次的修改，这次化工原理课程设计，虽然只是对精馏段进

行设计计算，但是也可以说是成功的。经过这次的课程设计，让我更加深入了解到塔的种类及它们的优缺点，特别是浮阀塔和筛板塔的各自优点，从这次课程设计实践中，我更深入理解了精馏塔个个阶段的不同因素，让我对化工原理精馏塔这一章深入的了解，知道了最小回流比和它们对理论塔板数的影响等等。更重要是让我进一步感受到一些道理，万事开始难，很多事情开端给人感觉很复杂，但当你开始做后，思路就慢慢清晰啦；也有些事情，它们让我们感觉到看起来很容易，但是具体做起来，就会有一大堆疑问滔滔而出啦，实践才知道问题之所在。 此次设计的心得有以下几点：对于设计而言

数据必须自己查，并且尽可能保证数据的同一来源。 对各公式的单位必须清楚，否则必然导致严重错误。 对设计来说，耐心和细心同样重要，缺一不可。

如果有条件，尽量给别人看一下，自己的错误自己不易发现。

出现问题要认真找出症结所在，再根据理论调节各参数的取值范围以达到要求。

十、参考文献

（1）匡国柱，史启才主编 《化工单元过程及设备课程教材》，化学工业出版社，

（2）夏清、陈常贵主编《化工原理》上、下册，天津大学出版社，2005.1

（3）贾绍义、柴成敬主编的《化工原理课程设计》，天津大学出版社，2002.8 （4）李功样、陈兰英、崔英德《常用化工单元设备设计》，华南理工大学出版社， （5）陈均志、李磊编著《化工原理实验及课程设计》，化学工业出版社，2008.7 （6）北京石油设计院编《石油化工工艺计算图表》，烃加工出版社，1985.12

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八、装置停开工操作原则

九、个人总结及对本设计的评述

通过查资料与多次的修改，这次化工原理课程设计，虽然只是对精馏段进

行设计计算，但是也可以说是成功的。经过这次的课程设计，让我更加深入了解到塔的种类及它们的优缺点，特别是浮阀塔和筛板塔的各自优点，从这次课程设计实践中，我更深入理解了精馏塔个个阶段的不同因素，让我对化工原理精馏塔这一章深入的了解，知道了最小回流比和它们对理论塔板数的影响等等。更重要是让我进一步感受到一些道理，万事开始难，很多事情开端给人感觉很复杂，但当你开始做后，思路就慢慢清晰啦；也有些事情，它们让我们感觉到看起来很容易，但是具体做起来，就会有一大堆疑问滔滔而出啦，实践才知道问题之所在。 此次设计的心得有以下几点：对于设计而言

数据必须自己查，并且尽可能保证数据的同一来源。 对各公式的单位必须清楚，否则必然导致严重错误。 对设计来说，耐心和细心同样重要，缺一不可。

如果有条件，尽量给别人看一下，自己的错误自己不易发现。

出现问题要认真找出症结所在，再根据理论调节各参数的取值范围以达到要求。

十、参考文献

（1）匡国柱，史启才主编 《化工单元过程及设备课程教材》，化学工业出版社，

（2）夏清、陈常贵主编《化工原理》上、下册，天津大学出版社，2005.1

（3）贾绍义、柴成敬主编的《化工原理课程设计》，天津大学出版社，2002.8 （4）李功样、陈兰英、崔英德《常用化工单元设备设计》，华南理工大学出版社， （5）陈均志、李磊编著《化工原理实验及课程设计》，化学工业出版社，2008.7 （6）北京石油设计院编《石油化工工艺计算图表》，烃加工出版社，1985.12

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9ni6.html