化工原理過(guò)程設(shè)計(jì)

1、學(xué) 院： 化工學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用化學(xué) 二班 設(shè) 計(jì) 者：指導(dǎo)老師： 泰山醫(yī)學(xué)院首屆大學(xué)生化工過(guò)程設(shè)計(jì)競(jìng)賽泰山醫(yī)學(xué)院首屆大學(xué)生化工過(guò)程設(shè)計(jì)競(jìng)賽-篩板式精餾塔的設(shè)計(jì)篩板式精餾塔的設(shè)計(jì)第一章第一章 概述概述 本設(shè)計(jì)通過(guò)已知數(shù)據(jù)，理論計(jì)算了餾出液及釜?dú)堃旱牧髁亢徒M成，從而求出了q線，平衡線，精餾段和提餾段操作線方程，進(jìn)而通過(guò)這四個(gè)方程采用圖解法求出理論塔板數(shù)，并確定了進(jìn)料位置;通過(guò)苯和甲苯的物性數(shù)據(jù)分別求出精餾段、進(jìn)料板、提餾段的氣液相平均摩爾質(zhì)量、平均密度、平均表面張力等工藝條件，進(jìn)而確定適合的塔徑、塔高以及實(shí)際板數(shù)和進(jìn)料位置，從而設(shè)計(jì)出最合理的工藝流程。再通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理，便于實(shí)際開(kāi)展。

2、第二章第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求方案設(shè)計(jì)任務(wù)及要求方案（一）設(shè)計(jì)任務(wù) 某工廠采用石腦油為原料生產(chǎn)對(duì)二苯（px）時(shí)產(chǎn)生了一股物流，含有苯40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、甲苯60%.設(shè)計(jì)一座常壓精餾塔對(duì)上述混合物進(jìn)行分離，要求塔頂流出液中苯的回收率為95%，釜?dú)堃褐屑妆降幕厥章蕿?7%，該工藝物流的處理量為1.5萬(wàn)噸/年。產(chǎn)品均需要冷卻到40，塔釜采用外置再沸器，熱公用工程為飽和水蒸汽，蒸汽壓力0.4Mpa（表壓），冷公用工程為循環(huán)水（20-30 ），環(huán)境溫度為20 。 （二）操作條件1.操作壓力：常壓。2.進(jìn)料熱狀況：冷夜進(jìn)料，進(jìn)料溫度為60 。3.回流比：根據(jù)要求最小回流比自己選定。（三）塔板類型篩板（

3、四）工作日每年300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行（五）設(shè)計(jì)內(nèi)容1.計(jì)算流出液和釜?dú)堃旱牧髁亢徒M成。2.采用圖解法求理論板數(shù)并確定進(jìn)料位置。3.進(jìn)行篩板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)，確定塔高、塔徑、進(jìn)料位置。4.根據(jù)題意，設(shè)計(jì)一合理的工藝流程，并繪制帶有主要參數(shù)控制點(diǎn)的工藝流程圖。5.計(jì)算所設(shè)計(jì)流程的冷熱公用工程用量。并對(duì)工藝流程中的任一臺(tái)換熱器進(jìn)行計(jì)算，要求采用列管式換熱器，計(jì)算其主要參數(shù)，包括管長(zhǎng)、管子規(guī)格、殼程直徑、管程數(shù)、殼程數(shù)、管子數(shù)目等。畫(huà)出換熱的簡(jiǎn)圖，表明接管尺寸。6.如果采用離心泵輸送原料，試確定適用的離心泵型號(hào)，并確定離心泵的安裝高度。第三章 相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算第四章 設(shè)計(jì)內(nèi)容的計(jì)算4.1精

4、餾塔的物料衡算（一）原料液及塔頂餾出液，塔底塔釜液的組成44.013.9260.011.7840.011.7840.0Fx由設(shè)計(jì)任務(wù)已知可得：039. 0/7 .1396. 0/54.1024.2467.1044. 024.24/17.13)44. 01 (24.2497. 0)1 (97. 0)1 (97. 0)1 ()1 (/13.1044. 024.2495. 095. 095. 044. 013.92/60. 01178/40. 011.78/40. 0/24.242430096.85100015000/96.8513.9244. 0111.7844. 0)1 (WDFWDFWFWFD

5、FDFBFAFmxhkmolWxhkmolDFWDFxWxDxhkmolxFxWxFxWhkmolFxDxFxDxxhkmolFmolkgMxMxM由題意得。則）（平均摩爾質(zhì)量為4.2塔板數(shù)及進(jìn)料位置的確定理論塔板數(shù)的求?。▓D解法）q值的計(jì)算由表7和t-x-y圖得泡點(diǎn)溫度為93 冷夜進(jìn)料，且進(jìn)料溫度為60 則其物性溫度為t=(93 60 )/2=76.5 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下：苯 比熱容（KJ/kg）：1.90 汽化熱：394.66KJ/kg甲苯 比熱容（KJ/kg）：1.90 汽化熱：360.70KJ/kgCp=1.9078.110.44+1.9092.130.56=163.3KJ/(kg)r=

6、394.6678.110.44+360.7092.130.56=3217.36KJ/kg冷夜進(jìn)料q=1+Cp（Tb-Tf）/r=1.16 則經(jīng)計(jì)算的q線方程為y=7.25x-2.75平衡線方程為y=2.45x/（1+1.45X）由 的交點(diǎn)坐標(biāo)（Xe，Ye）；Xe=0.474 Ye=0.690最小回流比Rmin=（Xd-Ye）/（Ye-Xe）=1.25按照經(jīng)驗(yàn)值取按照經(jīng)驗(yàn)值取R=1.6Rmin=1.61.25=2.0精餾段操作線方程為y=0.67x+0.32提餾段操作線方程為y=1.39x-0.015根據(jù)各操作線方程做X-Y圖圖4-1 圖解法求理論塔板數(shù)示意圖理論塔板數(shù)的計(jì)算理論塔板數(shù)的計(jì)算由上

7、圖可知 總理論塔板數(shù)：NT=12塊（包括再沸器） 精餾段理論塔板數(shù)：Nt精=5塊 提餾段理論塔板數(shù)：Nt提=7塊（包括再沸器）實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算 Np=NT/ET塔板效率 精餾段的塔板效率Et精=0.45(2.46 0.291)-0.245=0.532提餾段的塔板效率Et提=0.45 (2.46 0.266)-0.245=0.544245. 0)(49. 0LTE實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算 精餾段實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算: Np,精=NT精/Et精=5/0.532=10塊 提餾段實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算: Np提=Nt提/Et提=7/0.544=13塊總實(shí)際板數(shù)總實(shí)際板數(shù):Np=Np精精+Np提提=23塊

8、塊進(jìn)料位置的確定通過(guò)上圖4-1可知:自塔向下數(shù),第六塊板為加料板.4.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 1.操作壓力 常壓2.操作溫度由苯-甲苯混合液的沸點(diǎn)組成圖 得：塔頂溫度 tD =80.89進(jìn)料板溫度 92.97 塔底溫度 =108.2精餾段平均溫度=（ 80.89+92.97）/2 = 86.93提餾段平均溫度=（92.97+108.2）/2 =100.58全塔的平均溫度=93.76 FtwttD3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 (1)塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由xD=y1=0.96,代入相平衡方程得x1=0.91(2)進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由上面理論板的算法，得 yF 0.635，xF 0.

9、399(3)塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算kg/kmol67.7814.9296. 0111.7896. 0,mVDMl9.37kg/kmo713.9291. 0111.7891. 0,mLDMkg/kmol23. 3813.92.6350111.78635. 0,mVFMol86.31kg/km13.92415. 0111.78415. 0,mLFM(6）全塔的平均摩爾質(zhì)量由xw=0.039,由相平衡方程，得yw=0.016（4）精餾段的平均摩爾質(zhì)量(5)提留段的平均摩爾質(zhì)量ol91.58kg/km13.92039.0111.78039.0,mLFMol91.58kg/km13.92016.0111.

10、78016.0,mLFMkg/kmol95.802/23.3867.78,FVMkg/kmol84.822/31.6837.79,FLMol89.11kg/km,wLMol89.11kg/km,wVMol84.18kg/km,mVMol85.98kg/km,mLM4. 液體的平均密度 (1)液相平均密度 塔頂 進(jìn)料板 塔釜BABAL13DL,m.Kg62.8133wL,m.Kg18.7813FL,m.Kg02.799精餾段平均密度提留段平均密度全塔平均密度（2）氣相平均密度計(jì)算 精餾段 提留段 全塔的 3Lm.Kg32.8063Wm.Kg4 .7903mL,m.798.36Kg3fv,m.2.

11、74Kg3wv,m.2.85Kg3mv,m.2.80KgRTPM5.液體平均表面張力的計(jì)算 塔頂LD=21.11mN/m 進(jìn)料板LF=19.99mN/m 塔釜LW=18.57mN/m 精餾段平均L=20.55mN/m 提留段平均L=19.82mN/m 全塔LM=19.92mN/miniix16.液體平均黏度的計(jì)算lgLm=xilgi 塔頂 LD=0.305mPas 進(jìn)料 LF=0.276mPas 塔釜 Lw=0.255mPas 精餾段L=0.29mPas 提留段L=0.266mPas 全塔 Lm=0.279mPas4.4精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算1.塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為提餾段的氣

12、、液相體積流率為/sm26. 074. 2360095.8062.3136003,mVmVsVMV/sm0006. 032.806360084.8208.2136003,mLmLsLML/sm3.085.236004.875.3536003,mVmVsVMV/sm0016. 032.806360084.8208.2136003,mLmLsLML精餾段塔徑的計(jì)算由 公式計(jì)算，其中C20由化工原理課程設(shè)計(jì)教材負(fù)荷系數(shù)圖查取，圖的橫坐標(biāo)為取板間距HT=0.4m，板上液層高度hL=0.06m，則HT- hL=0.40-0.06=0.34m 查負(fù)荷系數(shù)圖得C20=0.075VVLC/max04. 074

13、. 232.80626. 0360036000006. 02/ 12/ 1VLssVL0.20.22020.550.0750.0752020LCCsm/28.1maxsm/896. 028. 17 . 07 . 0max按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為：D=0.7m同法算得提留段塔徑 D=0.7m2.塔截面積為： AT=/4D2=0.5m2 3.實(shí)際空塔氣速為: 4.精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度：Z精=（N精-1）HT=100.3=3m提餾段有效高度：Z提=（N提-1）HT=（13-1）0.3=3.6m 全塔有效高度：Z=3.6+3=6.6mmVsD608. 0896. 014. 326. 04/4s

14、m /52.05.026.04.5 塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算1.溢流裝置的設(shè)置因塔徑D=0.7m，可選用單溢流弓形降（1）溢流堰長(zhǎng)(2)溢流高度hw選用平直堰一般取E=1取板上清液層高度hL=60mm m462. 07 . 066. 066. 0Dlw3/2/00284. 0whowlLEhowLwhhh0.0093owhmm051. 00093. 006. 0owLwhhh（3）降液管的寬度 和降液管的面積Af由 ，查圖得驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間可以滿足要求。（4）降液管的底隙高度液體通過(guò)降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過(guò)降液管底隙的流速， 則有：dW66. 0/

15、DLw0722. 0/,124. 0/TfdAADWmDWAAdtf087. 07 . 0124. 0124. 0m036. 05 . 00722. 00722. 02s5s 1 .1336000011. 0/40. 0036. 03600/3600hTfLHAohm/s08. 0oum033. 008. 042. 0360036000011. 03600owhoulLh 所以降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理2.塔板布置 （1）邊緣區(qū)寬度的確定邊緣區(qū)寬度 ：塔徑小于1.5m時(shí)，一般取3050mm; 安定區(qū)寬度 :規(guī)定 m時(shí)，一般取6075mm; （2）開(kāi)孔區(qū)面積00.050.0330.0170.006W

16、hhmm0.065 ,0.035SSCWWm WmcWsW5 . 1DRxRxRxAa1222sin1802aAmWDrc315. 0035. 027 . 02mWWDxsd198. 0065. 0087. 027 . 02（4）篩孔計(jì)算及其排列由于處理的物系無(wú)腐蝕性，可先用 碳鋼板，取篩孔直徑 ，篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：每層塔板的開(kāi)孔數(shù)為：每層塔板的開(kāi)孔率為：212221222m31.0315.0198.0sin315.0180198.0315.0198.02sin1802RxRxRxAamm3mmd50mmdt15533033221158101158100.3115950.01

17、5anAt（ 個(gè) ）%1 .10015.0005.0907.0/907.022odt每層塔板的開(kāi)孔面積：氣體通過(guò)篩孔的孔速：4.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 1.塔板壓降 （1）干板阻力hc的計(jì)算干板阻力hc由公式計(jì)算，即由d。 查圖得C0=0.772 故：（2）氣體通過(guò)液層的阻力h1計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力h1由公式計(jì)算，即 2m031. 031. 0101. 0aoAAm/s9 . 8)31. 0101. 0/(28. 0/osoAVuLVoocCuh2051. 067.13/5/m024.036.7988 .2772.09 .8051.0051.022LVoocCuhm/sAATV sua603

18、.0036.05.028.0fhhLl查表得=0.64.(3)液體表面張力的阻力 計(jì)算:氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度為:氣體通過(guò)每層塔板的壓降為：滿足工藝要求2. 液面落差和液沫夾帶對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本案例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響)/(01.18 .2603.02/12/10mskgvaFumhhowhwhLl038.0)01.005.0(64.0)(hm002. 0005. 081. 936.7981092.194gd4h30LL液柱 m064. 00020. 0038. 0024. 0hhhhlcp0.7kPakPa5012. 0Pa2 .501064. 081

19、. 936.798pLpghp液沫夾帶量由公式計(jì)算，即 =2.50.06=0.15 =0.003kg液/kg氣 3.漏液 漏液點(diǎn)的氣速u0min ，可由下式計(jì)算： 實(shí)際孔速 u0min=8.9m/su0,m 篩板的穩(wěn)定性系數(shù): 即不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量液漏。Lfhh5 . 22.36107.5fTaLVhHue2 . 3362 . 3615. 040. 052. 01092.19107 . 5107 . 5fTaVhHue4.40.00560.13/4.4 0.7720.00560.13 0.060.002 798.36/ 2.86.02m/somoLLVuChh，8 .91 .61 .56 .1 2o

20、o muKu4. 液泛為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的清液層高度 般物系取=0.5，易發(fā)泡物系=0.30.4不發(fā)泡物系=0.60.7板上不設(shè)進(jìn)口堰， 0.225m 成立，故不會(huì)產(chǎn)生液泛。4.7塔板負(fù)荷性能圖就是找出塔內(nèi)液相流量與氣相流量的關(guān)系。 1.漏液線漏液點(diǎn)氣速wTdhHHm226.0051.040.05.0wThHdLpdhhhHm01. 008. 0153. 0)(153. 02。uhdm134.001.006.0064.0dHwTdhHHVLLoohhCu/13. 00056. 04 . 4min0min=Vs,m/A0在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式算出對(duì)應(yīng)的值列于下表：做出漏

21、液線（1）2 液沫夾帶線 以 氣為限，求Ls-Vs關(guān)系如下：式中：owwLhhh3/2/00284.0whowlLEh3/2min,141. 000118. 074. 3SsLV表 漏液線數(shù)據(jù)kgkgev/1 . 0液2 . 36107 . 5fTaLvhHuessfTsaVVAAVu15.2036.05 .0所以將已知數(shù)據(jù)代入式在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依式算出對(duì)應(yīng)的值列于下表：依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（2）owwLfhhhh5 . 25 . 23/23/209.1462.036001100084.2ssOWLLh3/272. 2125. 0SfLh05.0Wh3/23/2725. 227

22、5. 075. 1125. 04 . 0SSfTLLhH1 . 0725. 2275. 015. 21080.21107 . 52 . 33/236ssvLVe3/2092. 88166. 0ssLV表6霧沫夾帶線數(shù)據(jù)3. 液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度how=0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由公式得，并取E=1則:據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線（3）4 .液相負(fù)荷上限線以=4s作為液相在降液管中停留時(shí)間的下限，由公式得所以：據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線（4）006.03600100084.23/2WsOWlLEhsmLS/00048.03min,4S

23、TfLHAsmHALTfS/0036.0440.0036.043max,5.液泛線令 由聯(lián)立得：忽略h，將how與hS，hd與LS，hC與VS的關(guān)系代入上式，并整理得WTdhHHdLpdhhhHhhhhCP1Lhh1OWWLhhhhhhhhHdCOWWT113/222SSSLdLcbVaLVCAa200051.0WThHb120/153. 0hlcW3/23360011084. 2WlEd代入數(shù)據(jù)最后整理的：在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表7 液泛線數(shù)據(jù)由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線（5）根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖所示3/22271.2571.

24、4216204. 2SssLLV在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A（Ls，Vs），連接OA，即作出操作線由圖查得：所以操作彈性為：smVs，/64. 03maxsmVs，/198. 03min23. 3198. 064. 0minmaxS，S，VV4.8附屬設(shè)備的選型及計(jì)算1.塔體總高度 ：式中 HD塔頂空間，m；HB塔底空間，m；HT塔板間距，m；HT開(kāi)有人孔的塔板間距，m； HF進(jìn)料段高度，m； Np實(shí)際塔板數(shù)；S人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。其中HT=0，S=0因?yàn)樗捷^小，所以沒(méi)開(kāi)人孔。(2)DpTTFBHHNSHSHHH H=HD+HB+Z Z指全塔有效高度為6.6m(1)塔

25、頂空間，是指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離，通常取HD為（1.52.0）HT HD=2x0.4=0.8m(2) 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其因素有：塔底儲(chǔ)液量的停留時(shí)間 再沸器的安裝方式和安裝高度 塔底液面至最下層塔板之間要留有12m的間距。第五章 設(shè)計(jì)流程的冷熱公用工程的計(jì)算5.1傳熱面積的計(jì)算由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)稅走管程，對(duì)于易揮發(fā)組分的苯和甲苯混合氣走管程。選用 的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=0.5m/s19mm2.0mmm1212=/ ln50.8920 / ln 50.89/ 2033.08TTTTTrmp12q c10.540.96 78.11 0.

26、04 92.131.90 40.8964419.96kj/hQTT經(jīng)查表知總傳熱系數(shù)K=430w/m由Q=KA 得MT21.26mMQAK T考慮15%的面積裕度：s=1.261.15=1.45因此2mmpmq =1541.5kg/hcQT冷卻水的用量5.2列管式換熱器的主要工藝參數(shù)的計(jì)算 20p1192.0u=0.5m/s2n=4.865d u4=4.86md nl= m4.86=2l3=52=10VSLN管徑和管內(nèi)流速選用傳熱管 碳鋼 ，取管內(nèi)流速。管程數(shù)和傳熱管數(shù)的計(jì)算根按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度：L去傳熱管長(zhǎng)3傳熱管程數(shù)N根 管程傳熱管總根數(shù)根 3a=1.25da=1.25 19=

27、23.7524 mm=a/ n=1.05 241010.7=95.25 mm=mm4%h=110=27.5mm25mm N殼體內(nèi)徑的計(jì)算傳熱管采用正三角形排列 管心距 取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為：D 1.05圓整可取D 110折流板數(shù)的計(jì)算采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，則切去的圓缺高度為0.25，故可取。取折流板間距3000N =-1=-1=5950B傳熱管長(zhǎng)塊折流板間距 折流板圓缺面水平裝配。 113lm151u=m sy =0.96x =0.91=0.91 78.11+0.09 92.13=79.37kg/kmol =813.62kg/m410.54 79.3

28、7d =2=0.01907m3.14 1.5 3600 813.6219mm2DLMMVU接管內(nèi)徑的計(jì)算管程流體進(jìn)出口接管： 取接管內(nèi)餾出液流速為1.0 / ，由X，則塔頂：接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為管程流體進(jìn)出口接管2m/s4 1541.5d =0.01910m3.14 1.5 3600 996.95 取接管內(nèi)循環(huán)水流速為1.5接管內(nèi)徑為第六章 離心泵的確定33vl3=830.79kg/mu=mpas=25.07kpa6.2p24.24 85.96q =2.51m /s830.79AYm /h m r/min 6.1 =LVLM混合液的密度混合液的黏度0.363混合液的飽和蒸汽壓P離心泵型號(hào)的確定由流量來(lái)確定離心泵的型號(hào)：料液的物性數(shù)據(jù)計(jì)算：料液的物性溫度T由型離心油泵性能表查得所選60用泵的規(guī)格如下型號(hào) 流量揚(yáng)程轉(zhuǎn)速汽蝕余量/m% kw mm 效率/功率/口徑/ 軸功率 配帶功率 吸入 排出32AY40 3