化工原理課程設(shè)計(jì)分離苯—甲苯混合物5000kgh的連續(xù)操作精餾裝置

1、天津商業(yè)大學(xué)化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)旖蛏虡I(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程系化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(jì)說(shuō) 明 書(shū)設(shè)計(jì)題目：分離苯甲苯混合物5000kg/h的連續(xù)操作精餾裝置設(shè)計(jì)者：班級(jí) 食品科學(xué)與工程1202 姓名 日期 2014年12月25日 設(shè)計(jì)指導(dǎo)人：簽名 日期 設(shè)計(jì)答辯成績(jī)： 答辯委員會(huì)：簽名 日期 緒論 4二 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 51設(shè)計(jì)題目 52. 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集 53. 相平衡 7三 設(shè)計(jì)計(jì)算 9 1.精餾塔物料衡算 91.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品摩爾分?jǐn)?shù) 91.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品平均摩爾質(zhì)量 91.3物料衡算 92 塔板數(shù)的確定 101、理論塔板數(shù)

2、nt的計(jì)算 10 1.1最小回流比及操作回流比的計(jì)算 . .10 1.2求精餾段氣、液相負(fù)荷 10 1.3求操作線方程 10 1.4圖解法計(jì)算理論板數(shù) 102、實(shí)際板層數(shù)的計(jì)算 . .11四工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 . 111、操作壓力計(jì)算 .112、操作溫度計(jì)算 . 123、平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 .124、平均密度計(jì)算 .135、液體平均表明張力計(jì)算 .156、液體平均黏度計(jì)算 .157氣液負(fù)荷計(jì)算 .16五 精餾塔塔體工藝尺寸計(jì)算 171、塔徑的計(jì)算 .172、精餾塔有效高度的計(jì)算 18六 塔板主要工藝尺寸計(jì)算 .181、溢流裝置計(jì)算 . 18 1.1堰長(zhǎng)lw . 181.2溢流堰高度 1

3、8 1.3弓形降液管寬度和截面積 . .18 1.4降液管底隙高度h0 18 2、塔板布置19 2.1塔板的分塊.19 2.2邊緣區(qū)寬度確定. 19 2.3開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算.19七 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算.19 1.精餾段流體力學(xué)計(jì)算.19 11塔板壓降.19 1.11干板阻力算.19 1.1.2氣體通過(guò)液層的阻力算.19 1.1.3液體表面張力的阻力算.19 1.2霧沫夾帶20 1.3漏液20 1.4液泛20 2.提餾段流體力學(xué)計(jì)算 .202.1塔板壓降 .20 2.11氣體通過(guò)液層的阻力算 202.1.2干板阻力算 .20 2.13液體表面張力的阻力算 .21 2.2霧沫夾帶21 2.3漏液21

4、 2.4液泛21八 塔板負(fù)荷性能圖.21 1 精餾段 21 1.1霧沫夾帶線21 1.2液泛線.22 1.3液相負(fù)荷上線.23 1.4漏液線. . 23 1.5液相負(fù)荷下限.24 2提餾段24 2.1霧沫夾帶線 24 22液泛線24 23液相負(fù)荷上線. .2524漏液線.25 2.5液相負(fù)荷下限. 26九 板式塔附件設(shè)計(jì)261. 總塔結(jié)構(gòu)262. 冷凝器273. 再沸器27十 精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果摘要.27十一 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述27十二 參考文獻(xiàn)30十三 附圖（帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖）緒 論精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工

5、等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有時(shí)加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分離。本設(shè)計(jì)的題目是苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái)分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計(jì)一板式塔將其分離。計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝氣冷凝冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)

6、產(chǎn)品冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬于易分離物系，最小回流比比較小，所以操作回流比采取最新回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)料量：21.6千噸/年操作周期：300247200小時(shí)/年進(jìn)料組成：50%（質(zhì)量分率）塔頂產(chǎn)品組成：93%塔底2壓力4kpa單板壓降5所以設(shè)計(jì)合理弓形降液管低隙高度 ho=lh/3600*0.66*0.08=0.0167hw-h0=0.056-0.0167=0.0339所以設(shè)計(jì)合理塔板布置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取無(wú)效區(qū)寬度wc=0.04m、安定區(qū)寬度ws=0.07m1x=d/2-(wd+ws

7、)=1.0/2-(0.129+0.04)=0.331mr=d/2-wc=1.0/2-0.04=0.46m代入aa=20.331 (0.462-0.3312)0.5+3.14/1800.462sin-1(0.331/0.46)=0.551m2篩孔數(shù)n與開(kāi)孔率取篩空孔徑do=5mm，正三角形排列，篩板碳鋼厚度=3mm取t/do =4.0 孔心距t=4do=35=20mm塔板上的篩孔數(shù)n=(1158103/t2)aa=1158103/2020.551=1894孔塔板上開(kāi)空區(qū)的開(kāi)空率= a0/aa=0.907/(t/ do)2=0.907/16=5.67%(在515%范圍內(nèi))。每層塔板上開(kāi)孔面積a0=

8、 aa=0.05670.551=0.0312m2氣體通過(guò)篩孔的氣速u(mài)o= vs/ ao=0.372/0.0312=11.91m/s七 篩板塔的流體力學(xué)驗(yàn)算精餾段流體力學(xué)驗(yàn)算當(dāng)?shù)囊后w高度hp=hc+hl+h(1)干板壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hl，依d0/=5/3=1.67，查圖4131可知c0=0.772，hc=0.051(uo/co)0.5(pv/pl)=0.051(11.56/0.772) 0.5(2.91/802.1)=0.0401(2)氣流穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hlua=vs/(at-af)=0.271/(0.785-0.0567)=0.037m/sfa= ua(v)0.5=0.853

9、(2.91)0.5=1.46 查的=0.61， hl=0.61*(0.0506+0.094)=0.088(3)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hh=4/(lgd0)=420.473110-3/(802.139.810.005)=2.8610-3mhp=0.0372+0.039+2.8610-3=0.07926m單板壓降p= hplg=0.07926802.139.81=623pa(設(shè)計(jì)允許值）2.霧沫夾帶量ev的驗(yàn)算ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.2=5.710-6/(20.273110-3)0.51/(0.40-2.50.06)3.2=0.00141kg液/kg氣1.5)故在

10、設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量漏液4.液泛檢驗(yàn)為防止降液管液泛的發(fā)生，硬是降液管中青液層高度hd(ht+hw)hd=hp+hl+hdhd=0.153(ls/lw/h0)2=0.153(9.6210-4/0.65/0.0148)2=0.00153mhd=0.0783+0.06+0.00153=0.140m取=0.5則(ht+hw)=0.5(0.4 +0.0511)=0.225m故hd(ht+hw)，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。根據(jù)以上踏板的各項(xiàng)流體力學(xué)驗(yàn)算，可以認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。提留段流體力學(xué)驗(yàn)算1.氣體通過(guò)篩板壓降相當(dāng)?shù)囊后w高h(yuǎn)p=hc+hl+h(1)干板壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hl，依d0

11、/=5/3=1.67，、查圖413 可知c0=0.84，hc=0.051(uo/co)0.5(pv/pl)=0.051(11.99/0.84) 0.5(2.99/799.96)=0.043 0.072(2)氣流穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hlua=vs/(at-af)=0.363/(0.451/0.0785-0.0567)=0.651m/sfa= ua(v)0.5=0.651(3.24)0.5=1.107取板上液層充氣系數(shù)0為0.64hl=0 hl=0(hw+how)=0.640.07=0.0448m(3)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊后w高度hh=4/(lgd0)=418.6810-3/(78

12、2.949.810.005)=0.00195mhp=0.043+0.0448+0.00195=0.08975m單板壓降p= hplg=0.08975782.949.81=689.3pa0.7kpa(設(shè)計(jì)允許值)2.霧沫夾帶量ev的驗(yàn)算ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.=5.710-6/(18.6810-3)0.615/(0.4-0.175)3.2=0.012kg液/kg氣1.5)故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量漏液。4.液泛檢驗(yàn)為防止降液管液泛的發(fā)生，硬是降液管中青液層高度hd(ht+hw)hd=hp+hl+hdhd=0.153(ls/lw/h0)2=0.153(0.0021/0.585

13、/0.036)2=0.00152mhd=0.08975+0.07+0.00152=0.161m取=0.5則(ht+hw)=0.5(0.4+0.0534)=0.2267m故hd(ht+hw)，在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。根據(jù)以上踏板的各項(xiàng)流體力學(xué)驗(yàn)算，可以認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。八 塔板的負(fù)荷性能圖精餾段負(fù)荷性能圖1.霧沫夾帶線(1)ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.2式中ua=vs/(at-af)= vs/(0.0557/0.071-0.0557)=1.372 vs (a)hf=2.5(hw +how)=2.5hw+2.8410-3e(3600ls/2.6)2/3近似取e

14、=1.0, hw=0.051,lw=0.65m故hf=2.50.051+2.8410-31.0(3600ls/0.65)2/3=0.127+2.22 ls2/3 (b)取霧沫夾帶極限值ev為0.1kg液/kg氣,已知=20.4310-3n/m,ht=0.4m并將(a)(b)兩式帶入ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.2，得下式0.1=5.710-6/20.4310-31,372 vs/(0.4-0.127-2.22 ls2/3)3.2整理得vs=1.25-10.16 l s 2/3在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，以上是算出相應(yīng)的之列于附表 1 中附表 1lsm3/s0.610-40.001

15、50.00250.0055vsm3/s1.231.111.060.93依據(jù)表中數(shù)據(jù)在vs-ls圖中做出霧沫夾帶線(1)，如圖 4所示2.液泛線(2)由hd=hp+hl+hd，hd(ht+hw)兩式聯(lián)立得(ht +hw)= hp+hw+hd +how近似取e=1.0, lw=0.65how = 2.84/1000e(lh/lw)2/3=2.8410-3(3600 ls /0.65)=0.889ls2/3hc=0.051(u0/c0) 2(v/l)=0.051(vs/a0c0) (v/l)=0.051(vs/0.84/0.0312) 2(2.91/802.13)=0.269 vs2hl=0(how

16、+hw)=0.65(0.0511+0.889 ls2/3)=0.0332+0.5779 ls2/3h=2.07710-3 hp= hc+hl +h=0.269 vs2+0.0353+0.581 ls2/3hd=0.153(ls/lw / how) 2=0.153(ls/0.65 /0.0148) 2=1653 ls2將ht=0.4m, hw=0.0511, =0.5及上式聯(lián)立得0.5(0.4+0.0511)=0.269vs2+0.0353+0.58 ls2/3+0.0511+0.889 ls2/3+1653ls2整理得：vs2=0.5175.46 ls2/36145 ls2在操作范圍內(nèi)取若干l

17、s值，以上式計(jì)算vs值，列于附表2中，以表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)，如圖 4所示。附表 2lsm3/s0.610-40.00150.00250.0055vsm3/s0.5090.4320.3710.1613.液相負(fù)荷上限(3)取液體在降液管中停留時(shí)間為4秒，由l=asht/ls得lsmax=asht/l=0.40.879/4=0.0879液相負(fù)荷上限(3)在vs-ls坐標(biāo)圖上為與氣體流量vs無(wú)關(guān)的垂線，如圖 4所示。4.漏液線(氣相負(fù)荷下限)(4)由hl=hw+how=0.033+0.354 ls2/3,uow=vs min/a0 漏液帶點(diǎn)氣速式 uow=4.43c0(0.0056+0.13hc

18、-h) (v/l)0.5vs min/a0=4.430.80(0.0056+0.13(0.033+0.354 ls2/3)-2.51110-3) 0.5(803.542/2.774)0.5a0前已算出為0.388m2,帶入上式整理得vs min=3.16(1.564+13.29 ls2/3) 0.5此即氣相負(fù)荷下限、關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任意取幾個(gè)ls值，以上式計(jì)算相應(yīng)的vs值列于附表 3 中，依下表中數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線(4),如圖 4所示。附表 3ls m3/s0.0010.0150.030.040.050.06vs m3/s4.1134.8565.3185.5655.7845.9815.液

19、相負(fù)荷下限(5)取平堰, 堰上液層高度how作為液相負(fù)荷下限條件, 依how=2.84/1000e(3600 ls min / lw)2/3，取e=1.0則0.006=2.84/1000e(3600 ls min / lw)2/3整理上式的 ls min=2.20610-3m3/s以次值在vs- ls圖上作線(5)極為液相負(fù)荷下限，如圖 4所示。將以上5條線描會(huì)與圖(vs- ls圖)中，即為精餾段負(fù)荷性能圖，5條線包圍區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū)，p為操作點(diǎn)，操作線與 液泛線(2)的交點(diǎn)的相應(yīng)氣相負(fù)荷為vs msx,操作線與氣相負(fù)荷下限(4)的交點(diǎn)的相應(yīng)氣相負(fù)荷為vs min,可知本設(shè)計(jì)塔板上限液泛

20、線控制，下限由漏液線控制。精餾段操作彈性=vs max/vs min=19.59/4=4.89提留段負(fù)荷性能圖1.霧沫夾帶線(1)ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.2式中ua=vs/(at-af)= vs/(12.56-0.879)=0.086 vs (a)hf=2.5(hw +how)=2.5hw+2.8410-3e(3600ls/2.6)2/3近似取e=1.0, hw=0.012,lw=2.6m故hf=2.50.012+2.8410-31.0(3600ls/2.6)2/3=0.035+0.884 ls2/3 (b)取霧沫夾帶極限值ev為0.1kg液/kg氣,已知=18.6951

21、0-3n/m,ht=0.60m并將(a)(b)兩式帶入ev=5.710-6/(ua/ht-hf)3.2，得下式0.1=5.710-6/18.69510-30.086 vs/(0.60-0.035-0.884 ls2/3)3.2整理得vs=29.86-62.84 l s 2/3在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，以上是算出相應(yīng)的之列于附表 4 中附表 4ls m3/s0.0010.0150.030.040.050.06vs m3/s29.24528.09127.09525.98124.71623.017依據(jù)表中數(shù)據(jù)在vs-ls圖中做出霧沫夾帶線(1)，如圖 5所示2.液泛線(2)由hd=hp+hl+hd，

22、hd(ht+hw)兩式聯(lián)立得(ht +hw)= hp+hw+hd +how近似取e=1.0, lw=2.6how = 2.84/1000e(lh/lw)2/3=2.8410-3(3600 ls /2.6)=0.354 ls2/3hc=0.051(u0/c0) 2(v/l)=0.051(vs/a0c0) 2 (v/l)=0.051(vs/0.800/0.388) 2(2.726/784.134)=0.00032 vs2hl=0(how+hw)=0.6(0.043+0.354 ls2/3)=0.0072+0.2124 ls2/3h=2.4310-3 hp= hc+hl +h=0.00032vs2+

23、0.0096+0.2124 ls2/3hd=0.153(ls/lw / ho) 2=0.153(ls/2.6 /0.198) 2=0.5773ls2附表 5lsm3/s0.0010.0150.030.040.050.06vsm3/s26.57625.07423.94823.27322.61622.006將ht=0.60m, hw=0.012, =0.5及上式聯(lián)立得0.5(0.60+0.012)=0.00032vs2+0.0072+0.2124 ls2/3+0.012+0.354ls2/3+0.5773 ls2整理得：vs2=721.351541.12ls2/3860.170ls2在操作范圍內(nèi)取

24、若干ls值，以上式計(jì)算vs值，列于附表5中，以表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)， 3.液相負(fù)荷上限(3)取液體在降液管中停留時(shí)間為4秒，由l=asht/ls得lsmax=asht/l=0.450.904/4=0.1017液相負(fù)荷上限(3)在vs-ls坐標(biāo)圖上為與氣體流量vs無(wú)關(guān)的垂線，如圖 5所示。4.漏液線(氣相負(fù)荷下限)(4)由hl=hw+how=0.012+0.353ls2/3,uow=vs min/a0 漏液帶點(diǎn)氣速式 uow=4.43c0(0.0056+0.13hc-h) (v/l)0.5vs min/a0=4.430.80(0.0056+0.13(0.012+0.353 ls2/3)-2.

25、4310-3) 0.5(784.134/2.726)0.5a0前已算出為0.388m2,帶入上式整理得vs min=3.24(1.61+12.091ls2/3) 0.5刺激氣相負(fù)荷下限、關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任意取幾個(gè)ls值，以上式計(jì)算相應(yīng)的vs值列于附表 6 中，依下表中數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線(4),如圖 5所示。附表 6ls m3/s0.0010.0150.030.040.050.06vs m3/s4.2594.9515.3865.6205.8276.014 5.液相負(fù)荷下限(5)取平堰, 堰上液層高度how作為液相負(fù)荷下限條件, 依how=2.84/1000e(3600 ls min / lw)2/3，取e=1.0則0.006=2.84/1000e(3600 ls min / lw)2/3整理上式的 ls min=0.002218m3/s以此值在vs- ls圖上作線(5)極為液相負(fù)荷下限，如圖 5所示。將以上5條線描會(huì)與圖(vs