篩板精餾塔課程設計

1、化工原理課程設計說明書篩板式精儲塔設計系另I：化學工程系班級：水凈化1001學號：0903100108姓名：張澤于指導老師；黃秋穎目錄第一部分概述5一、設計目標5二、設計任務5三、設計條件5四、設計內容5五、工藝流程圖6第二部分工藝設計計算8一、設計方案的確定8二、精儲塔的物料衡算81 .原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)82 .原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質量和質量分數(shù)83 .物料衡算原料處理量9三、塔板數(shù)的確定91 .理論板層數(shù)Nt的求取92 .全塔效率日113 .實際板層數(shù)的求取11四、精儲塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算121 .操作壓強計算122 .操作溫度計算124 .平均密度計

2、算135 .液相平均表面張力計算146 .液相平均粘度計算14五、精儲塔的塔體工藝尺寸計算151 .塔徑的計算152 .精儲塔的有效高度的計算16六、塔板主要工藝尺寸的計算171 .溢流裝置計算172 .塔板布置183 .篩孔數(shù)門與開孔率19七、篩板的流體力學驗算201 .氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨萮p202 .霧沫夾帶量”的驗算213 .漏液的驗算214 .液泛驗算21八、塔板負荷性能圖221 .漏液線222 .霧沫夾帶線233 .液相負荷下限線244 .液相負荷上限線245 .液泛線25九、設計一覽表27十、操作方案的說明：29附表30總結32參考文獻32第一部分概述一、設計目標分離苯

3、一甲苯混合液的篩板式精儲塔設計二、設計任務試設計分離苯-甲苯混合物的篩板精儲塔。已知原料液的處理量為9000kg/h,組成為0.49（苯的摩爾分數(shù)），要求塔頂儲出液的組成為0.93,塔底釜液的組成為0.020三、設計條件操作壓力進料熱狀況回流比與最小回流比比值單板壓降全塔效率4kPa（塔頂表壓）泡點20.7kPaEt50%四、設計內容編制一'份設計說明書，主要內容包括：1、前言2、流程的確定和說明3、生產(chǎn)條件的確定和說明4、精儲塔的設計計算：（1）工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算(2)精儲塔塔體工藝尺寸的計算(3)塔板主要工藝尺寸的計算(4)塔板的流體力學驗算(5)塔板負荷性能圖(精微段)

4、(選作)5、設計結果列表6、設計結果的討論和說明7、主要參考資料8、結束語五、工藝流程圖精儲裝置包括精儲塔，原料預熱器，再沸器，冷凝器。釜液冷卻器和產(chǎn)品冷凝器等設備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內經(jīng)多次部分汽化與與部分冷凝器進行精微分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定流程裝置時應考慮余熱的利用，注意節(jié)能。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波動的影響。原料液由高位槽經(jīng)過預熱器預熱后進入精儲塔內。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品(釜殘液)再沸器中原料液部分汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過

5、各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經(jīng)過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)過冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精儲塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設置原料槽。產(chǎn)品槽和相應的泵，有時還要設置高位槽。且在適當位置設置必要的儀表（流量計、溫度計和壓力表）以測量物流的各項參數(shù)塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)狀況以決定采用全凝器，以便于準確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用全分凝器?？偠灾_定流程時要較全面，合JjO1個小*備，操作費用操作控制及安全因素連續(xù)精儲操作流程圖第二部分工藝設計計算一、設計方案的確定本設計任務書為分離苯-甲苯混合物。

6、對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精儲流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精儲塔內，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。二、精儲塔的物料衡算1 .原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)苯的摩爾質量MA=78.11kg/mol甲苯的摩爾質量MB=92.13kg/mol2 .原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質量和質量分數(shù)MF=0.4978.11+(1-0.49)92.14=85.26kg/molMd=0.9378.11+(1-0.93)92.14=79.09kg/molMW=0.0278.11+(1-0.02)92

7、.14=91.85kg/molWfXfMA0.4978.11八0.45XfMA(1Xf)Mb0.4978.11(10.49)92.13WDxDMAXdMA(1Xd)Mb0.9378.110.9378.11(10.93)92.130.92WWxWMaXWMA(1XW)MB0.0278.110.0278.11(10.02)92.130.023 .物料衡算原料處理量總物料衡算D，+W，=9000苯物料衡算0.92D，+0.02W7=0.459000聯(lián)立解得D，=4300kg/h,W，=4700kg/h,Fz=9000kg/hF=9000/85.26=105.56kmol/h,D=4300/79.09

8、=54.39kmol/h,W=4700/91.85=51.17kmol/h三、塔板數(shù)的確定1 .理論板層數(shù)Nt的求取苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。由附表查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖及t-x-y圖求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上，自點e(0.49,0.49)做垂線，ef即為進料線(q線)，該線與平衡線的交點F坐標為：yq=0.70Xq=0.49故最小回流比為：Rmin=0.90=1.095yq-Xq0.70-0.49取操作回流比為：R2Rmin21.0952.19求操作線方程精儲段操作線方程：y旦x旦2x理0.676X0.3R1R13

9、.093.09圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，由圖可知求解結果為：總理論板層數(shù)Nt(111)10層，精儲段4層，提儲段6層。進料板是第五塊板2 .全塔效率ETL,TT頂T進81.591.5+ET0.17-0.616lgm,T86.5度22根據(jù)塔頂、塔底液相組成查圖，求得平均溫度為86.5度，該溫度下進料液相平均黏度為m0.49苯(10.49)甲苯0.490.29350.510.29850.269(mPas)故ET0.170.616lg0.2960.4950.503.實際板層數(shù)的求取精儲段實際板層數(shù)：N精8(層)0.5提儲段實際板層數(shù)：N提412(H)四、精微塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)

10、的計算以精儲段為例進行計算1 .操作壓強計算塔頂操作壓強Pd101.34105.3kPa每層塔板壓降0.7kPa進料板壓強Pf105.30.78110.9kPa提儲段平均壓強(105.3110.9)/2108.1kPa2 .操作溫度計算依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結果如下：塔頂溫度Td=81.5C進料板溫度Tf=91.5C815915平均溫度T86.5C23 .平均摩爾質量計算塔頂摩爾質量計算：由Xdy0.93查表得：X1=O.83MVDmMd79.09kg/kmolMLDm0.8378.11(10.83)92.1

11、380.49kg/koml進料板平均摩爾質量計算由圖解理論板，得yF0.70查平衡曲線，得Xf0.49MVFm0.778.11(10.7)92.1382.316kg/kmol精微段平均摩爾質量MVmMVm79.0982.316280.4985.2680.7kg/kmol82.88kg/kmol4.平均密度計算氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算,PMm精mVRT108.180.78.314(86.5273.1)2.92kg/m3液相平均密度計算液相平均密度依下式計算:ai/iLm塔頂液相平均密度計算:由Td=81.5C,查附表得ia813.5C舊808.5CLmD0.92813.50.088

12、08.53813.1kg/m進料板液相平均密度計算由Tf=91.5C,查附表得A805cB802c進料板液相的質量分數(shù)計算0.4978.11aA0.4978.11(10.49)92.130.45LFmLmF0.458050.55802803.35kg/m0.4978.11(10.49)92.1385.26kg/kmol精儲段液相平均密度為Lm813.1803.352808.23kg/m35.液相平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即nLmxiii1塔頂液相平均表面張力計算由Td=81.5C,查附表得A21.24mN/mB21.42mN/mm頂0.9321.24(10.93)21.422

13、1.25mN/m進料板液相平均表面張力計算由Tf=91.5C,查附表得A18.9mN/mB20.4mN/mm進0.4918.9(10.49)20.419.67mN/m精儲段液相平均表面張力為:21.2519.6720.46mN/m6.液相平均粘度計算液相平均粘度依下式計算:nLmxiii1塔頂液相平均粘度計算由Td=81.5C,查附表得a0.303mPa?s0.305mPa?s0.930.303(10.93)0.3050.303mPa?s進料板液相平均粘度計算由Tf=91.5C,查附表得a0.274mPa?s0.28mPa?sL進0.490.274(10.49)0.280.277mPa?s精儲

14、段液相平均粘度為0.3030.2770.29mPa?s求精儲塔的氣、液相負荷(R1)D3.1954.39173.5kmol/hVMVm3600Vm173.580.736002.9231.33m/sRD2.0954.39113.68kmol/hLsLMLm3600Lm113.6882.883,0.0032m/s3600808.23Lh3600LS11.68m2/s五、精微塔的塔體工藝尺寸計算1 .塔徑的計算取板間距Ht0.30m,取板上液層高度hL0.06m,則HlhL0.30.060.24mL1(LS)()2Vsv1呼巫產(chǎn)/0.0411.292.92查smith圖得C20=0.072,依式校正

15、到物系表面張力為20.46mN/m時的C808.232.92C品.產(chǎn)。徵管產(chǎn)0.072Umax0.0722.921.2取安全系數(shù)為0.70,則空塔氣速為：u0.70Umax0.701.20.84m/s按標準塔徑圓整后為D1.4m2 .精儲塔的有效高度的計算精儲段有效高度為Z精(N精1)Ht(81)0.42.8m提儲段有效高度為Z儲(N儲1)Ht(121)0.44.4m在進料板上方開一人孔，其高度為0.64m,故精儲塔的有效高度為ZZ精Z儲0.642.84.40.647.84m六、塔板主要工藝尺寸的計算1.溢流裝置計算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結構對塔的性能有

16、著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗并結合其他影響因素，當因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管，不設進口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下：溢流堰長lw取堰長lw為0.66D即lw0.661.40.924m溢流堰高度hw計算如下:依式hwhLhow,lw0.924D1.40.66,Lhl2.5w11.680.9242.514.23m查下圖知E=1.032.841000e(F)lw.22.84Lh11000Jw0.060.010.05m_22.84/11.68八1.03()30.01m10000.924取板上清液層高度hl60mm,故hw弓形降液管寬度Wd和降液管面積Af由lw0.66,查下圖得竺0.124,上

17、0.0722DDAT故Wd0.124D0.1241.40.3472m23142ATD21.421.5386442Af0.0722AT0.1111m2驗算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即AfHt0.11110.3010.40（5s,符合要求）故降液管設計合理。0.0032LS降液管底隙高度hb取液體通過降液管底隙的流速U00.08m/s計算降液管底隙高度he即:heLslWUq0.00320.9420.080.0433m2.塔板布置取邊緣區(qū)寬度We0.035m,安定區(qū)寬度Ws0.065m開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積Aa計算，得Aa2xR2I而R2sin2220.2880.6650.2882

18、.10.2880.665sin1800.6650.38m2D2D萬WWs)0.7(0.34720.065)0.288mWC0.70.0350.665m3.篩孔數(shù)門與開孔率本例所處理的物系無腐蝕性，取篩孔孔徑d05mm,正三角形排列，可選用3mm碳鋼板，取t/d04.0,故孔中心距t4.05.020.0mm依式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率A。0.907100%2100%(td°)0.907丁100%5.67%3.0每層塔板上的開孔面積A0Aa0.1010.380.384m2氣體通過篩孔的氣速為U0VS1.29-3.36m/sA。0.384七、篩板的流體力學驗算1 .氣體通過篩板壓降相當?shù)囊?/p>

19、柱高度hP依式hphehi干板壓降相當?shù)囊褐叨葍?計算如下依d。/531.67,查圖得C00.78hc0.051（辱）21）eoL0.051（萼2（半0.84800.490.0277m氣體通過板上液層壓降相當?shù)囊褐叨?計算如下:ua*02490.91m/sAtAf0.2490.0213Fa外，v1.53由圖查取板上液層充氣系數(shù)00.61hi0hio（hwhow）0.0366克服液體表面張力壓降相當?shù)囊褐叨萮4420.46103依式h0.0021mLgd0808.239.810.005氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算：hP0.0550.03660.0020120.0658m氣體通

20、過每層塔板的壓降為:0.7kPaPPhpLg0.0658808.499.81521Pa(設計允許值)2 .霧沫夾帶量6V的驗算5.7106(Ua)3.2Hthf5.71060.9513.23()20.461030.42.50.150.0168kg液/kg氣0.1kg液/kg氣故在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶3.漏液的驗算對篩板塔，漏液點氣速UoW可由式(5-25)計算：Uow4.4C。(0.00560.13兒一|1一)二/二7.1m/s6U014.65穩(wěn)定系數(shù)為K01.57(1.5)Uow7.108故在本設計中無明顯漏液。4.液泛驗算為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高Hd應服從如下關系:Hd

21、(Hthw)依式計算，即HdhphLhdhd0.153(LSlw?ho、2一一)0.153(0.00320.9240.04332)0.00098mHdhPhLhd0.04680.060.000980.205m苯-甲苯物系屬一般物系，取0.5,則(HTHW)0.5(0.40.0504)0.2252m故Hd(HTHw),在設計負荷下不會發(fā)生泛液。根據(jù)以上塔板的各項流體力學的驗算，可認為精儲段塔徑及各工藝尺寸是合適的八、塔板負荷性能圖1.漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象,氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。Uow4.4Co.(0.00560.13hLh)l/vV

22、smin2Uow2，hLhwhow0.050.704Ls3A。VS,minA0代入原式得2808454.40.780.00560.13(0.05040.704Ls3)0.0020122.92已算出A0.135m2,代入整理得VS,mini0.77,129Ls3在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于下表。Ls/(m3/s)Vs/(m3/s)0.00060.790.00150.850.00300.860.00450.88由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。2 .霧沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精儲,般控制evC.1kg液/kg氣。以ev=0.

23、1kg液/kg為限，求Vs-Ls關系如下:5.7106,Ua、3.2ev(KhfUaVsATAf2.5(hwhow)近似取E1.0,hwVs1.53862.5Hw0.05m0.7Vs0.111132.8410E(1w0.924m3600LShf2.50.05042.84233600LS10(S)30.1250.92421.76Ls取霧沫夾帶極限值ev0.1kg液/kg氣，已知20.46103N/m,HT0.4m,代入原式得:整理得0.15.761063(20.46100.7Vs2)3.20.40.1251.76LS32Vs0.161.03LS3在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，

24、計算結果列于下表。Ls/(m3/s)Vs/(m3/s)0.00060.150.00150.150.00300.140.00450.13由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。3 .液相負荷下限線液相負荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導致塔板效率下降。對于平直堰，取堰上液層高度how0.006m作為最小液體負荷標準。由式（5-7）得整理上式得how也E(10003600Ls,min0.006(1000lw2.843600L2)3S,min0.924LS,min12.66104m3/s據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線34 .液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，

25、表明液體流量過大，液體在降液管內停留時間過短，進入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板,造成氣相返混，降低塔板效率。4s作為液體在漿液管中停留時間的下限，由式（5-9）得HtAf0.40.11113Lsmax0.01111m3/sS,max4據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線45 .液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學驗算中通常對降液管液泛進行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內須維持一定的液層高度Hd聯(lián)乂式得(HtHw)hphwhowhd近似取E1.0,lw

26、0.924m,由式2233600Ls33600Lsqhow2.84103E(s)32.84103(S)31w0.4052故hOw0.7032Ls3hPhCh1hU02vVs2vhC0.051()()0.051()C0lC0A0l0.01665Vs222h10(hwhow)0.6(0.05040.7032Ls3)0.030240.4219Ls'h0.002069m(已算出)22hP0.01665Vs0.030240.4219LS30.002069220.0320.01665Vs0.4219Ls3_LL2hd0.153()20.153(S)295058Lslwh00.9240.0433將H

27、t0.4m、hw0.0504m、0.5以及以上式代入得:22_20.5(0.40.0504)0.03220.01665VS0.4219LS30.05040.7032LS395.整理得下式：28.5868.17ls55740.51ls2Vs2在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于下表:3Ls/(m/s)3Vs/(m/s)0.00062.850.00152.770.00302.680.00452.59由此表數(shù)據(jù)即可作出液泛線56.操作線由1$加12.66104m3/s,Lsg0.01111m3/s,及Ls與Vs之間的關系可作出篩板塔的負荷性能圖:XLSm/s在負荷性能圖上，

28、作出操作點A,連接OA,即作出操作線。由圖可看出，該篩板上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得Vs,max0.01111八故操作彈性為8.776Vs,min0.001266九、設計一覽表將設計篩板的主要結果匯總于下表:廳P項目數(shù)值廳P項目數(shù)值1平均溫度tm,C86.517邊緣區(qū)寬度WC,m0.0352平均壓力Pm,kPa108.118開孔區(qū)間積AS,cm0.323氣相流量Vs,m3/s1.3319篩孔直徑do,m0.0054液相流量LS,m3/s0.003220篩孔數(shù)目n8655實際塔板數(shù)1021孔中心距t,m0.0186肩效段高度乙m7.8422開扎率，%10.17塔徑D,m1.423空塔

29、氣速u,m/s0.848板間距Ht,m0.424篩孔氣速uo,m/s3.369溢流形式單溢流25穩(wěn)定系數(shù)2.8410降液管形式弓形26每層塔板壓降pp,kPap0.711堰長hL,m0.92427負荷上限液泛控制12堰高hw,m0.050428負荷卜限漏液控制13板上液層局度hL,m0.0629液沫夾帶ev,（kg液/kg氣）0.016814堰上液層圖度how,m0.01130氣相負荷上限Vs,max,m3/s0.0036315降液管底隙高度h。，m0.043331氣相負荷卜限Vs,min,m3/s0.00045316安定區(qū)寬度Ws,m0.06532操作彈性8.776十、操作方案的說明:本設計

30、任務為分離苯一甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精儲流程。設計中采用泡點進料，降原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精儲塔內。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡點下一部分回流到塔內，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲罐。該物系屬于易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比去最小回流比的兩倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻送到儲罐。附表表1苯和甲苯的物理性質項目分子式相對分子質里Mr沸點/c臨界溫度tc/C臨界壓強pc/kPa苯GH78.1180.1288.56833.4甲苯GH5-CH92.13110.6318.574107.7表2常壓下苯-甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度t/C液相中策的摩爾

31、分數(shù)/x氣相中策的摩爾分數(shù)/y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.0