焦油馏分塔的工艺设计

辽宁科技学院课程设计课程设计题目：焦油馏分塔的工艺设计系部：生物医药与化学工程学院专业：应用化学学生姓名：孙晓光班级：化BG091学号11指导教师姓名：艾丽梅职称副教授设计完成时间：2012年1月12日辽宁科技学院本科生课程设计-2-辽宁科技学院课程设计成绩评定表系（部）：学生姓名孙晓光学号11班级应化BG091专业应用化学指导教师姓名艾丽梅设计题目焦油馏分塔的工艺设计设计表现（20分）分值：规范性(25分)分值：基础理论和专门知识(25分)分值：答辩(30分)分值：合计分值：评定成绩分值：指导教师签字：年月日化工原理课程设计任务书一、课程设计题目焦油馏分塔的工艺设计二、设计条件〔1〕工艺简介：采用一塔式流程进行煤焦油的蒸馏，来自吸收车间的煤焦油经过脱盐、脱水后，进入焦油馏分塔进行蒸馏，自塔顶得到轻馏分，自侧线切取酚油、洗油和萘油的三混馏分，自塔低得到蒽油馏分。焦油馏分共计40块塔板，进料板为自下数的第五块塔板。〔2〕处理能力：年处理3万吨无水焦油。按每天24小时，每年330天工作日计算。〔3〕设备型式：浮阀塔〔4〕操作条件：根据工艺计算知需要40层实际塔板，塔顶温度120℃，压力0.1MPa。以精馏段平均参数为设计条件汽相流量Vs=920米3/小时液相流量Ls=2.556米3/小时汽相重度rv=2.47千克/米3液相重度rL=820千克/米3塔顶易挥发组分表面张力σ=22.9达因/厘米三、设计计算内容：选定流程及生产条件，进行工艺设计计算，塔板设计包括塔面布置、塔板间距、降液管停留时间、排空时间、负荷上下限的设计。绘制负荷性能图。四、设计结果：〔1〕设计说明书一份〔2〕精馏塔工艺条件图五、设计时间：两周。六、设计进程：辽宁科技学院本科生课程设计-2-指导教师布置实践题目1.0天实践方案确定1.5天主要设备计算2.5天绘图2.0天便携设计说明书2.0天答辩1.0天辽宁科技学院本科生课程设计-3-目录第一章概述浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。一种板式塔，用于气液传质过程中。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。在分离稳定同位素时采用在克服泡罩塔缺陷的基础上发展起鼓泡式接触装置。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大20％～40％；气体两个极限负荷比为5～6，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10％～15％；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。辽宁科技学院本科生课程设计-4-第二章设计部分2.1浮阀塔设计计算过程2.1.1塔径欲求出塔径应先计算出适宜空塔速度。适宜空塔速度u一般为最大允许气速uF的0.6～0.8倍u＝（0.6～0.8）uF（2.1.1.1）VvLFrrrCu(2.1.1.2)C可由史密斯关联图查得，液气动能参数为：22.0vvssrrVL(2.1.1.3)辽宁科技学院本科生课程设计-5-HT=0.4m，板上液层高度hL=0.083m，图中的参变量值HT-hL=0.4-0.083=0.317m。根据以上数值由图可得液相表面张力为20mN/m时的负荷系数C20=0.045。由所给出的工艺条件校正得：046.0202.020CC(2.1.1.4)smrrrCuvvLF83.0(2.1.1.5)取安全系数为0.7，则适宜空塔速度为：u=0.7x0.83=0.59m/s55.0785.0suVD＇(2.1.1.6)D=0.6m；2222826.06.044mDAT(2.1.1.7)89.0sTAVu(2.1.1.8)2.1.2溢流装置选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。各项计算如下：（1）堰长，取堰长，即：396.066.06.0wl（2）出口堰高wh依式得(2.1.2.1)辽宁科技学院本科生课程设计-6-(2.1.2.2)采用平直堰，堰上液层高度可依式计算，得(2.1.2.3)近似取，则可由列线图查出owh值。因396.0lw，smLh2556.2360000017.0由该图查得mhow04.0辽宁科技学院本科生课程设计-7-则mhw43.0（3）弓形降液管宽度和面积，用图求取和，因为：由该图查得：，则20203.02826.00721.0mAfmWd0744.06.0124.0依式验算液体在降液管中停留时间，即：sLHAsTf76.4700017.04.00203.0(2.1.2.4)辽宁科技学院本科生课程设计-8-停留时间θ5s，故降液管尺寸可用。（4）降液管底隙高度依式可知：＇00ulLhws(2.1.2.5)取降液管底隙处液体流速，则：，mh033.013.00396.000017.00取mh3.002.1.3塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子，用式求（2.1.3.1）即smFuv36.647.21000依式（2.1.3.2）求每层塔板上的浮阀数，即：3336.6039.04255.042020udVNs选取无效边缘区宽区WC=0.05m、破沫区宽度WS=0.04m依式计算塔板上的鼓泡区面积，即：（2.1.3.3）辽宁科技学院本科生课程设计-9-17.004.009.026.02sdWWDx（2.1.3.4）26.004.026.02CWDR（2.1.3.5）222222215.026.016.0arcsin26.018016.026.017.02arcsin1802mRxRxRxAa（2.1.3.6）浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的空心距t=75mm，则等腰三角形的高度：mAAdt077.00187.015.0907.0039.0907.00a0（2.1.3.7）由于塔直径D=0.6m0.8m，需采用整块式塔板。叉排时气、液接触效果较好，故一般都采用叉排。对整块塔板，多采用正三角形叉排，孔心距t为75-125mm，故本设计选用辽宁科技学院本科生课程设计-10-t=77mm，用CAD进行鼓泡区内依排列方式进行试排，可见，可排出阀孔数29个，如图2.1.4核算以下参数：按N=29重新核算孔速及阀孔动能因数：smuo36.729039.04255.02（2.1.4.1）56.1147.236.70F（2.1.4.2）阀孔动能因数变化不大，仍在9～12范围内。塔板开孔率：25.12%100200DdNAAT（2.1.4.3）开孔率在10％～14％之间，合适。辽宁科技学院本科生课程设计-11-2.2塔板流体力学验算2.2.1塔板压降利用下式计算：hhhhlcp（2.2.1.1）2.2.1.1干板阻力0825.1825.10/2.62.471.731.73usmuVC（2.2.1.2）因阀孔气速u0大于其临界阀孔气速u0C，故干板阻力计算式为：mgrurhLvc031.0234.520（2.2.1.3）2.2.1.2板上充气液层阻力可取充气系数ε0=0.4。mhhLl0332.0083.04.00（2.2.1.2.1）液体表面张力造成的阻力00067.02ghrhL（2.2.1.2.1）所以:hr=0.031+0.0332+0.00067=0.06487m单板压降:aLppPghp30.5219.820806487.0（2.2.1.2.1）一般对于常压精馏塔应在260～530Pa为宜2.2.2降液管液泛校核为了防止降液管液泛现象发生，要求控制降液管内清液层高度Hd≤φ(HT+Hw)。其辽宁科技学院本科生课程设计-12-中:Hd=hp+hL+hd（1）气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度hP前面已求出，hP=0.073767m。（2）液体通过降液管的压头损失（不设进口堰）mhLLhwsd0015.0153.020（2.2.2.1）（3）板上液层高度前已选定hL=0.083m所以Hd=0.073767+0.083+0.0015=0.158267m取降液管中泡沫层相对密度φ=0.5,前已选定板间距HT=0.4m，hw=0.05m。则φ(HT+Hw)=0.5(0.4+0.05)=0.225m可见，Hd＜φ(HT+Hw)，符合防止降液管液泛要求。2.2.3液体在降液管内停留时间应保证液体在降液管内的停留时间大于3～5s，才能使得液体所夹带气体的释出。本设计sLHAtsTf98.5＞5s（2.2.3）可见，所夹带气体可以释出。2.2.4雾沫夹带量校核依下面两式分别计算泛点率F，即及（2.2.4.1）板上液体流径长度mWDZdL4692.00654.026.02（2.2.4.2）板上液流面积20.2317320.054342-0.28262mAAAfTb（2.2.4.3）辽宁科技学院本科生课程设计-13-查得泛点负荷因数CF=0.16、物性系数K=1.0,将以上数据代入：F=0.383及F=0.406对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。上两式计算的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足eV＜0.1kg(液)/kg(气)的要求。2.2.4严重漏液校核当阀孔的动能因数F0低于5时将会发生严重漏液，前面已计出F0=11.56，可见不会发生严重漏液。3.塔板负荷性能图3.1气体负荷下限线对于F1型重阀，因动能因数F0＜5时会发生严重漏液，故取F0=5计算相应的气相流量(VS，min)：smrNdVvs30min117.054（3.1.1）3.2过量雾沫夹带线根据前面雾沫夹带校核可知，对于大塔，取泛点率F=0.8，那么80.02317.016.014692.036.12.47-8202.4736.1SSbFLSVLVSLVAKCZLVF（3.2.1）整理得:SSLV8.360.082当LS=0时VS=0.082m3/s；当LS=0.001时，VS=0.0737m3/s。由这两点便可绘出雾沫夹带线。辽宁科技学院本科生课程设计-14-3.3液相负荷下限线对于平直堰，其堰上液层高度how必须要大于0.006m。取how=0.006m，可作出液相负荷下限线。（3.3.1）取E=1、代入lw则可求出（LS）min：s0.000307m/360036.084.2006.01000360084.210002323minWOWSlhL（3.3.2）3.4液相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，取θ=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则：smHALTfS/0016.050.40.02033max（3.4）3.5液泛线先求出Vs与Ls的关系，就可在操作范围内任意取若干点，从而绘出液泛线。（3.5.1）其中：528.0338202.471091.11091.12525NaLV(3.5.2)1499.010wThHb(3.5.3)07.108403.0396.0153.0153.022202hlc