处理量为250Ta的二硫化碳和四氯化碳精馏塔工艺设计.doc

化工原理课程设计

课程设计报告

《处理量为250T/a的二硫化碳和四氯化碳精馏塔工艺设计》

专 业： 化学工程与工艺
单 位 河南科技学院
班 级： 化工103班

【精馏塔设计任务书】
一 设计题目

精馏塔及其主要附属设备设计
二 工艺条件
生产能力：7.5万吨每年（料液）
年工作日：7200小时
原料组成：34%的二硫化碳和66%的四氯化碳（摩尔分率，下同）
产品组成：馏出液 97%的二硫化碳，釜液5%的二硫化碳
操作压力：塔顶压强为常压
进料温度：泡点
进料状况：泡点进料；
加热方式：直接蒸汽加热
回流比： 1.8
工作时间：每年工作300天，每天工作24小时
三 设计内容
1 确定精馏装置流程;
2 工艺参数的确定
基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。
3 主要设备的工艺尺寸计算
板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。
4 流体力学计算
流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。
5 主要附属设备设计计算及选型
四 设计结果总汇
将精馏塔的工艺设计计算的结果列在精馏塔的工艺设计计算结果总表中。
五 参考文献
列出在本次设计过程中所用到的文献名称、作者、出版社、出版日期。
流程的设计及说明
图1 板式精馏塔的工艺流程简图
工艺流程：如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。

【已知参数】:
主要基础数据:
表1 二硫化碳和四氯化碳的物理性质
项目
分子式
分子量
沸点(℃)
密度
二硫化碳

76
46.5
1.260
1.595
四氯化碳

154
76.8

表2 液体的表面加力 (单位:mN/m)
温度℃
46.5
58
76.5
二硫化碳
28.5
26.8
24.5
四氯化碳
23.6
22.2
20.2

表3 常压下的二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据
液相中二硫化碳摩尔分率x
气相中二硫化碳摩尔分率y
液相中二硫化碳摩尔分率x
气相中二硫化碳摩尔分率y
0
0.0296
0.0615
0.1106
0.1435
0.2580
0
0.0823
0.1555
0.2660
0.3325
0.4950
0.3908
0.5318
0.6630
0.7574
0.8604
1.0
0.6340
0.7470
0.8290
0.8790
0.9320
1.0

【设计计算】
一、精馏流程的确定
二硫化碳和四氯化碳的混合液体经过预热到一定的温度时送入到精馏塔，塔顶上升蒸气采用全凝器冷若冰霜凝后，一部分作为回流，其余的为塔顶产品经冷却后送到贮中，塔釜采用间接蒸气再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程图如图1所示。
二、塔的物料衡算
(一)、料液及塔顶塔底产品含二硫化碳的质量分率

（二）、平均分子量

（三）、物料衡算
每小时处理摩尔量
总物料衡算

易挥发组分物料衡算

联立以上三式可得：

三、塔板数的确定
（一）理论板NT的求法
用图解法求理论板
（1） 根据二硫化碳和四氯化碳的气液平衡数据作出y-x图,如图2所示
（2） 进料热状况参数 q =1
（3） q线方程
图2 二硫化碳、四氯化碳的y-x图及图解理论板
（4） 最小回流比及操作回流比R
依公式
取操作回流比
精馏段操作线方程
按常规M,T，在图(1)上作图解得：
（不包括塔釜），其中精馏段为7层，提馏段为4层.
(二) 全塔效率

塔内的平均温度为60℃,该温度下的平均粘度

故:
(三) 实际板数N
精馏段:
提馏段:
四：塔工艺条件及物性数据计算
(一) 操作压强的计算Pm
塔顶压强PD=101.3取每层塔板压降△P=0.7kPa 则：
进料板压强：PF=101.3+170.7=113.2kPa
塔釜压强：Pw=101.3+100.7=108.3kPa
精馏段平均操作压强：Pm==109.5 kPa
提馏段平均操作压强：P′m = =116.8kPa.
(二) 操作温度的计算
近似取塔顶温度为47.5℃,进料温度为58℃,塔釜温度为76℃

精馏段平均温度℃
提馏段平均温度℃
(三) 平均摩尔质量计算
塔顶摩尔质量的计算：由xD=y1=0.96查平衡曲线,得x1=0.927

；
进料摩尔质量的计算：由平衡曲线查的： yF=0.582 xF=0.32；
；
；
塔釜摩尔质量的计算：由平衡曲线查的：xW=0.024 =0.0796

精馏段平均摩尔质量：
；
；
提馏段平均摩尔质量：
；
；
（四) 平均密度计算：m
1、液相密度：
①塔顶部分 依下式：
（为质量分率）；其中=0.941,=0.059；
即：；
②进料板处：由加料板液相组成：由xF=0.32得=0.203；
；
③塔釜处液相组成：由xW=0.024 得=0.0253；
；
故 精馏段平均液相密度：
；
提馏段的平均液相密度：
；
2、气相密度：
① 精馏段的平均气相密度

② 提馏段的平均气相密度

（五）液体平均表面张力 的计算
液相平均表面张力依下式计算，及
①塔顶液相平均表面张力的计算 由=47.5℃查手册得：
； ；
；
② 进料液相平均表面张力的计算 由=58℃查手册得：
； ；
；
③ 塔釜液相平均表面张力的计算 由=76.33℃查手册得：
；
； 则：
精馏段液相平均表面张力为：

提馏段液相平均表面张力为：

（六）液体平均粘度的计算
液相平均粘度依下式计算，即；
塔顶液相平均粘度的计算，由由=47℃查手册得：
； ；
；
进料板液相平均粘度的计算：由=58℃手册得：
； ；
；
塔釜液相平均粘度的计算： 由=76℃查手册得：
； ；
；
五、精馏塔气液负荷计算
精馏段：V=(R+1) =

L=RD=

Lh=36000.0027=9.72
提馏段：；
；
；
；
；
六、塔和塔板的主要工艺尺寸的计算
（一）塔径D 参考下表 初选板间距HT=0.40m,取板上液层高度HL=0.07m 故：
①精馏段：
HT-hL=0.40-0.07=0.33
查图表
=0.078；依公式
；

取安全系数为0.6，则：
u=0.6=0.61.496=0.898m/s
故：；
按标准，塔径圆整为1.8m,
则空塔气速为
塔的横截面积
②提馏段：
；查图
=0.068；依公式：；

取安全系数为0.60，
；
；
为了使得整体的美观及加工工艺的简单易化,在提馏段与精馏段的塔径相差不大的情况下选择相同的尺寸;
故:D取1.４m
塔的横截面积:
空塔气速为
板间距取0.4m合适
（二）溢流装置
采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进流堰。各计算如下：
①精馏段：
1、溢流堰长 为0.7D，即：；
2、出口堰高 hw hw=hL-how
由lw/D=1.26/1.8=0.7, 查手册知：
E为1.03 依下式得堰上液高度：
故：
3、 降液管宽度与降液管面积
有=0.7查手册得
故：=0.14D=0.14 1.8=0.252m

4、降液管底隙高度
取液体通过降液管底隙的流速=0.1m/s
依式计算降液管底隙高度， 即：
②提馏段：
1、 溢流堰长为0.7，即：；
2、 出口堰高 ；
由 ，查手册知
E为1.04依下式得堰上液高度：
。
3、 降液管宽度与降液管面积
有=0.7查手册得
故：=0.14D=0.14 1.４=0.182m

降液管底隙高度
取液体通过降液管底隙的流速=0.008m/s
依式计算降液管底隙高度 ：即

（三）塔板布置
1、取边缘区宽度=0.035m ,安定区宽度=0.065m
①精馏段：依下式计算开孔区面积

其中

故:

②提馏段：依下式计算开孔区面积

=0.304
其中

（四）筛孔数n与开孔率
取筛孔的孔径d0为5mm正三角形排列，一般碳钢的板厚为4mm,取 故孔中心距t=3.5 5.0=17.5mm
依下式计算塔板上筛孔数n ,即

依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即：
（在5~15%范围内）
精馏段每层板上的开孔面积为

气孔通过筛孔的气速
提馏段每层板上的开孔面积为

气孔通过筛孔的气速

（五）塔有效高度
精馏段；
提馏段有效高度；
在进料板上方开一人孔，其高为0.8m，一般每6~8层塔板设一
人孔（安装、检修用），需经常清洗时每隔3~4层块塔板处设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600m。根据此塔人孔设3个。故：精馏塔有效高度

七．筛板的流体力学验算
(一) 气体通过筛板压降相当的液柱高度
1、根据
干板压降相当的液柱高度
2、根据，查干筛孔的流量系数图
①精馏段由下式得=
②提馏段由下式得

3、①精馏段气流穿过板上液层压降相当的液柱高度

由图充气系数与的关联图查取板上液层充气系数为0.57
则==
②提馏段气流穿过板上液层压降相当的液柱高度

由图充气系数与的关联图查取板上液层充气系数为0.58
则==
3、①精馏段克服液体表面张力压降相当的液柱高度
由 =
②提馏段克服液体表面张力压降相当的液柱高度
由 =

故①精馏段
单板压降 =（设计允许值）
故②提馏段
单板压降 =（设计允许值）

（二）①精馏段雾沫夹带量的验算
由式=
==kg液/kg气<0.1kg液/kg气
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带
②提馏段雾沫夹带量的验算
由式=
==kg液/kg气<0.1kg液/kg气
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带

（三）①精馏段漏液的验算

=
=8.7
筛板的稳定性系数
故在设计负荷下不会产生过量漏液
②提馏段漏液的验算

=7.89
筛板的稳定性系数
故在设计负荷下不会产生过量漏液

（四）①精馏段液泛验算
为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度
由计算

=0.082+0.06+0.00098=0.143m
取=0.5，则=0.5（0.4+0.057）=0.229m
故，在设计负荷下不会发生液泛
②提馏段液泛验算
为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度
由计算

取=0.5，则 故，在设计负荷下不会发生液泛
八．塔板负荷性能图
①提馏段
(一) 雾沫夹带线（1）

式中 （a）
=
近似取E1.0，=0.057m，=0.91m
故=
=0.1425+1.776 　 （b）
取雾沫夹带极限值为0.1Kg液/Kg气，已知=，
=0.4m，并将（a），（b）式代入
得
整理得 = （1）
此为雾沫夹带线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列于表４中
表 ４
Ls.

Vs.
2.127
2.039
1.926
1.831
（二）液泛线
令

联立得
近似的取E=1.0,

整理得 (c)

取,近似的有

故: (d)
由式
(e)
将,及(c),(d),(e)代入得

整理得:

此为液泛线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列于表５中
表　５
Ls.

Vs.
1.855
1.800
1.718
1.633
（三）液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限
则
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限
(四)漏液线（气相负荷下限线）
由=4.4
= =- =
得 整理得:
此为液相负荷上限线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列于表６
表　６
Ls.

Vs.
2.127
2.039
1.926
1.831
(五)液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层告诉=0.006m，化为最小液体负荷标准, 取E1.0。由
=即:0.006=则

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线
可知设计供板上限有雾沫夹带线控制，下限由漏夜线控制
精馏段操作弹性=
②提馏段
(一) 雾沫夹带线（1）

式中 （a）
=
近似取E1.0，=0.057m，=0.91m
故=
=0.136+1.776 （b）
取雾沫夹带极限值为0.1Kg液/Kg气，已知=，
=0.4m，并将（a），（b）式代入
得
整理得 = （1）
此为雾沫夹带线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列于表８中。
表 ８
Ls.

Vs.
4.097
3.924
3.701
3.514
（二）液泛线
令

联立得
近似的取E=1.0,

整理得 (c)

取,近似的有

故: (d)
由式
(e)
将,及(c),(d),(e)代入得

整理得:

此为液泛线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列表９
表 ９
Ls.

Vs.
1.604
1.537
1.385
1.151

（三）液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限
则
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限
(四)漏液线（气相负荷下限线）
由=4.4
= =- =

得 整理得:
此为液相负荷上限线的关系式，在操作控制范围内去几个Ls,计算出相应的Vs值。列表10中。
表　10
Ls.

Vs.
0.516
0.528
0.543
0.555
(五)液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层告诉=0.006m，化为最小液体负荷标准, 取E1.0。
由=
即:
则
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线
可知设计供板上限有雾沫夹带线控制，下限由漏夜线控制
精馏段操作弹性=
九、精馏塔的工艺设计计算结果总表
表11　精馏塔的工艺设计计算结果总表

项目

符号

单位
计算数据
精馏段
提馏段
各段平均压强

109.5
116.8
各段平均温度

52.5
67
平均流量
气相

1.12
0.617
液相

0.0023
0.0028
实际塔板数
Ｎ
块
12
9
板间距

0.4
0.4
塔的有效高度

4.4
3.2
塔径

1.8
1.8
空塔气速

0.45
0.409
塔板溢流形式

单流型
单流型
溢流装置
溢流管型式

弓形
弓形
堰长

1.26
1.26
堰高

0.252
0.252
溢流堰宽度

0.983
0.182
管底与受液盘距离

0.025
0.030
板上清液层高度

0.07
0.07
孔径

5.0
5.0
孔间距

17.5
17.5
孔数

个
3460
3460
开孔面积

0.0686
0.0307
筛孔气速

16.32
19.87
塔板压降

0.997
0.805
液体在降液管中停留时间

18.5
18.5
降液管内清液层高度

0.143
0.162
雾沫夹带

0.0015
0.0239
负荷上限

雾沫夹带控制
雾沫夹带控制
负荷下限

漏液控制
漏液控制
气相最大负荷

1.326
1.324
气相最小负荷

0.524
0.525
操作弹性

2.53
2.522
十、精馏塔的的附属设备及接管尺寸
(一) 塔体结构
１、塔高 :根据实际的工作经验，及相似条件下的精馏塔的相关参数的选择。已知全塔板间距，可选择塔顶空间。塔底空间。全塔共有21块塔板，考虑清理和维修的需要，选择全塔的人孔数为4个，在进料板上方开一人孔，人孔的直径选择为500mm，其伸出劳动塔体的长度为220mm。
塔高
全塔的板间距相同，则上式可化为：

２、塔体壁厚
（二） 塔板结构 :出于对劳动塔安装、维修、刚度等方面的考虑，将塔板分成多块。由表塔板分块数表查得，塔径为1.4m时，塔板分为4块。
（三）　精馏塔的附属设备
１、再沸器（蒸馏釜）
该设备是用于加热塔底料液合之部分气化提供蒸馏过程所需要的热量的热交换设备，常用的有以下几种：内置式再沸器，釜式再沸器，虹式再沸器，强制循环式再沸器。综合考虑其生产的传热条件及经济效率选择虹式再沸。
２、塔顶回流冷凝器
塔顶回流冷凝器通常是采用管壳式换热器,有卧式、立式、或管外冷凝器等形式。按冷凝器与塔的相对位置区分有这样的两类：整体式及自流式、强制循环式。在这个设计的生产中，由于产量比较大，宜选用强制循环式。
(四)　裙座的相关尺寸计算
１、基础环内坏径

其中
取基础环的内外径与裙座截面内径的差为200mm

２、基础环板厚度
３、地脚螺栓
４、裙座与塔体封头的焊接结构
根据实际情况，由于这个塔的塔身较大，宜选用对接焊接。
（五）接头管设计
接管尺寸 :接管尺由管内蒸气速度及体积、流量决定。各接管允许的蒸气速度查表得
1、塔顶蒸气出口管径
取u=15m/s,
,
根据工艺标准，将其圆整到D=0.30m。
2、回流管管径: 取u=2.0m/s, ,
根据工艺标准，将其圆整到D=0.04m。
4、 加料管管径

取u=0.6m/s,

根据工艺标准，将其圆整到D=0.07m。
5、 料液排出管管径

取u=0.8m/s,

根据工艺标准，将其圆整到D=0.05m。

参考文献
[1]《化工原理课程设计》 化工原理教研室室选编
[2] 谭蔚，聂清德　化工设备设计基础　天津大学出版社　2008.８　
[3] 陈国桓　化工机械基础　化学工业出版社　2006.1
[4] 夏清　陈常贵　化工原理（上）天津大学出版社　2006.3
[5] 夏清　陈常贵　化工原理（下）天津大学出版社　2006.3
[6] 中国石化 化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社2003.7

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62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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