化工原理篩板塔課程設(shè)計(jì)

1、 PAGE 26化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)前言隨著合成纖維、合成樹(shù)脂、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料等工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)各種化工產(chǎn)品的需要量不斷增加。但是在化學(xué)回收過(guò)程所獲得的有機(jī)液體產(chǎn)品是一種復(fù)雜的混合物, 只有將其分離成較純組分, 才能在工業(yè)上獲得更合理和廣泛的應(yīng)用。 在分離加工過(guò)程中往往采用初次蒸餾及精餾操作,即根據(jù)組成該液體混合物的各組分的揮發(fā)度不同在蒸餾設(shè)備中經(jīng)多次的部分汽化和部分冷凝, 使液體混合物分離成較純組分而獲得各種產(chǎn)品。精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量計(jì)的驅(qū)動(dòng)下，使氣，液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各相分

2、揮發(fā)度的不同，使揮發(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)原料混合物中各組成分離該過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的過(guò)程。1 本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處理量的精餾塔，實(shí)現(xiàn)苯甲苯的分離。苯甲苯體系比較容易分離，待處理料液清潔。因此用篩板塔。本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是過(guò)程的物料衡算，熱量衡算，工藝計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc336008424 第一部分 概述 PAGEREF _Toc336008424 h 2 HYPERLINK l _Toc336008425 一、設(shè)計(jì)題目：篩板塔設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc336008425 h

3、2 HYPERLINK l _Toc336008426 二、設(shè)計(jì)任務(wù)：苯-甲苯精餾塔設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc336008426 h 2 HYPERLINK l _Toc336008427 三、設(shè)計(jì)條件： PAGEREF _Toc336008427 h 3 HYPERLINK l _Toc336008428 四、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求： PAGEREF _Toc336008428 h 3 HYPERLINK l _Toc336008429 五、工藝流程圖 PAGEREF _Toc336008429 h 3 HYPERLINK l _Toc336008430 第二部分 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF

4、_Toc336008430 h 4 HYPERLINK l _Toc336008431 一、設(shè)計(jì)方案的確定 PAGEREF _Toc336008431 h 4 HYPERLINK l _Toc336008432 二、精餾塔的物料衡算 PAGEREF _Toc336008432 h 5 HYPERLINK l _Toc336008433 三、塔板數(shù)的確定 PAGEREF _Toc336008433 h 5 HYPERLINK l _Toc336008434 四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 PAGEREF _Toc336008434 h 8 HYPERLINK l _Toc3360084

5、35 五、精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 PAGEREF _Toc336008435 h 10 HYPERLINK l _Toc336008436 六、塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 PAGEREF _Toc336008436 h 11 HYPERLINK l _Toc336008437 七、篩板的流體學(xué)驗(yàn)算 PAGEREF _Toc336008437 h 13 HYPERLINK l _Toc336008438 八、塔板負(fù)荷性能圖 PAGEREF _Toc336008438 h 15 HYPERLINK l _Toc336008439 九、設(shè)計(jì)一覽表 PAGEREF _Toc336008439 h 19

6、HYPERLINK l _Toc336008440 十、熱量衡算 PAGEREF _Toc336008440 h 19 HYPERLINK l _Toc336008445 十一、管選型 PAGEREF _Toc336008445 h 22第一部分 概述一、設(shè)計(jì)題目：篩板塔設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)：苯-甲苯精餾塔設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)條件：1、年處理含苯41%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的苯-甲苯混合液3萬(wàn)噸；2、產(chǎn)品苯含量不低于96%；3、殘液中苯含量不高于1%；4、操作條件：精餾塔的塔頂壓力：4kPa（表壓）進(jìn)料狀態(tài)：自選回流比：自選加熱蒸汽壓力：101.33kPa（表壓）單板壓降：不大于0.7kPa（表壓）全塔效率：

7、ET=52%5、設(shè)備型式：篩板塔6、設(shè)備工作日：300天/年，24h連續(xù)運(yùn)行四、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1工藝計(jì)算物料衡算、熱量衡算、理論塔板數(shù)等2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔高、塔徑、溢流裝置及塔板布置、接口管的尺寸等3流體力學(xué)驗(yàn)算塔板負(fù)荷性能圖4冷凝器的傳熱面積和冷卻介質(zhì)的用量計(jì)算5再沸器的傳熱面積和加熱介質(zhì)的用量計(jì)算6計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，繪制負(fù)荷性能圖7編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果、流程圖、參考資料等五、工藝流程圖原料液由高位槽經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔內(nèi)。操作時(shí)連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海┰俜衅髦性弦翰糠制?，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過(guò)各層塔板。

8、塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進(jìn)入貯槽再經(jīng)過(guò)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(guò)冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進(jìn)行，流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵,有時(shí)還要設(shè)置高位槽。且在適當(dāng)位置設(shè)置必要的儀表（流量計(jì)、溫度計(jì)和壓力表）。以測(cè)量物流的各項(xiàng)參數(shù)。 見(jiàn)附圖。第二部分 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)為分離苯-甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)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)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取

9、最小回流比的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。二、精餾塔的物料衡算1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù) 苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3.物料衡算原料處理量 總物料衡算 苯物料衡算 聯(lián)立解得 三、塔板數(shù)的確定 1.理論板層數(shù)的求取 苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。 由手冊(cè)查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖,見(jiàn)圖表1 常壓下苯甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度t液相中苯的摩爾分率x氣相中苯的摩爾分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.05

10、10.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0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

11、中對(duì)角線上，自點(diǎn)e（0.45，0.45）做垂線，ef即為 進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為： ， 故最小回流比為： 取操作回流比為：求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 求操作線方程 精餾段操作線方程 提餾段操作線方程圖解法求理論板層數(shù) 采用圖解法求理論板層數(shù)，求解結(jié)果為： 總理論板層數(shù)，進(jìn)料板位置實(shí)際板層數(shù)的求取 精餾段實(shí)際板層數(shù)： 提餾段實(shí)際板層數(shù)：四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算。 1.操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 精餾段平均壓力 提餾段平均壓力 Pn=(112.3+121.4)/2=116.85 KPa 2.操作溫度計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)

12、方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。計(jì)算結(jié)果如下: 塔頂溫度 進(jìn)料板溫度精餾段平均溫度同理，提餾段平均溫度 tn=（94.52+99.5）/2=97 3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 塔頂摩爾質(zhì)量計(jì)算：由 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由圖解理論板，得 查平衡曲線，得 提餾段平均摩爾質(zhì)量 4.平均密度計(jì)算氣相平均密度計(jì)算 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 液相平均密度計(jì)算 液相平均密度依下式計(jì)算： 塔頂液相平均密度計(jì)算： 由，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算 由，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算 精餾段液相平均密度為 5.液相平均表面張力計(jì)算 液相平均表面張力依下式計(jì)

13、算，即 塔頂液相平均表面張力計(jì)算 由，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算 由，查手冊(cè)得 精餾段液相平均表面張力為： 6.液相平均粘度計(jì)算 液相平均粘度依下式計(jì)算： 塔頂液相平均粘度計(jì)算 由，查手冊(cè)得 解得 進(jìn)料板液相平均粘度計(jì)算 由，查手冊(cè)得 解得 精餾段液相平均粘度為 五、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： 由，式中由式計(jì)算，其中的由斯密斯關(guān)聯(lián)圖查取，圖的橫坐標(biāo)為： 取板間距，則 查斯密斯關(guān)聯(lián)圖得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 塔截面積為 實(shí)際空塔氣速為 2.精餾塔的有效高度的計(jì)算 精餾段有效高度為 提餾段有效高度為 在進(jìn)料板上方開(kāi)

14、一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為 六、塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 1.溢流裝置計(jì)算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤(pán)等幾部分。其尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合其他影響因素，當(dāng)因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，采用凹形受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下：堰長(zhǎng) 取溢流堰高度 由，選用平直堰，堰上液層高度 近似取E=1，則取板上清液層高度，則 弓形降液管寬度和截面積 由 故 依式（5-9）驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即 故降液管設(shè)計(jì)合理。降液管底隙高度 取 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤(pán)，深度 2.塔板布置 塔板的分塊 因，故塔板采用分塊式。查表

15、5-3得，板塊分為3快。 邊緣區(qū)快讀確定 取 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算 開(kāi)孔區(qū)面積按式（5-12）計(jì)算，即 其中 故 篩孔計(jì)算及其排列 本例所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑 篩孔按正三角形排列，取孔中心距 篩孔數(shù)目 開(kāi)孔率為 氣體通過(guò)篩孔的氣速為 七、篩板的流體學(xué)驗(yàn)算 1.塔板壓降 干板阻力 干板阻力 由 故 氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算 氣體通過(guò)液層的阻力由式（5-20）計(jì)算： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得。故 液體表面張力的阻力計(jì)算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由式（5-23）計(jì)算： 氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度可按下式計(jì)算： 氣體通過(guò)每層塔板的壓降為： 2.液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑

16、和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 液沫夾帶 液模夾帶量由式計(jì)算： 故 在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。4.漏液 對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速的計(jì)算： 實(shí)際孔速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。5.液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 苯-甲苯物系屬一般物系，取，則 板上不設(shè)進(jìn)口堰，可由下式計(jì)算，即 故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。八、塔板負(fù)荷性能圖1液線漏液線，又稱(chēng)氣相負(fù)荷下限線。氣相負(fù)荷低于此線將發(fā)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表。0.00060.3090.00150.3190.00300.33

17、10.00450.341 由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 2液沫夾帶線當(dāng)氣相負(fù)荷超過(guò)此線時(shí)，液沫夾帶量過(guò)大，使塔板效率大為降低。對(duì)于精餾，一般控制eV0.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關(guān)系如下: 由 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表。0.00061.2180.00151.1580.00301.0810.00451.016 由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。 3液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導(dǎo)致塔板效率下降。 對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式（5-7）得 取E=1，則 據(jù)此可作出

18、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)荷上限線該線又稱(chēng)降液管超負(fù)荷線。液體流量超過(guò)此線，表明液體流量過(guò)大，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，進(jìn)入降液管的氣泡來(lái)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。以作為液體在漿液管中停留時(shí)間的下限，由式（5-9）得 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。 5液泛線若操作的氣液負(fù)荷超過(guò)此線時(shí)，塔內(nèi)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(xué)驗(yàn)算中通常對(duì)降液管液泛進(jìn)行驗(yàn)算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度Hd令聯(lián)立得 式中 將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入，

19、得： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表：0.00061.2750.00151.1900.00301.0680.00450.948 由此表數(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： 在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)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 故操作彈性為 九、設(shè)計(jì)一覽表將設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于下表：序號(hào) 項(xiàng)目數(shù)值 序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值 1 平均溫度90.817邊緣區(qū)寬度，m0.0352平均壓力108.818開(kāi)孔區(qū)面積0.5323氣相流量0.64919篩孔直徑，m0.0054液相流量0.0017720

20、篩孔數(shù)目n27315實(shí)際塔板數(shù)2521孔中心距t，m0.0156有效段高度Z，m10.022開(kāi)孔率，%10.17塔徑D，m1.023空塔氣速u(mài)，m/s0.8378板間距，m0.424篩孔氣速，m/s12.079溢流形式單溢流25穩(wěn)定系數(shù)2.0110降液管形式弓形26每層塔板壓降，kPa0.66811堰長(zhǎng)，m0.6627負(fù)荷上限液泛控制12堰高，m0.04728負(fù)荷下限漏液控制13板上液層高度，m0.0629液沫夾帶，（kg液/kg氣）0.01614堰上液層高度，m0.01330氣相負(fù)荷上限，1.07215降液管底隙高度0.03231氣相負(fù)荷下限，0.31216安定區(qū)寬度，m0.06532操作彈性3.436十、熱量衡算表苯甲苯的蒸發(fā)潛熱與臨界溫度物質(zhì)沸點(diǎn)0C蒸發(fā)潛熱KJ/Kg臨界溫度TC/K苯80.1394288.5甲苯110.63363318.571塔頂熱量其中 則: 時(shí)苯: 蒸發(fā)潛熱 甲苯: 蒸發(fā)潛熱 2塔底熱量其中 則: 苯: 蒸發(fā)潛熱 甲苯: 蒸發(fā)潛熱 3冷凝器塔頂溫度 冷凝水 則取傳熱系數(shù)則傳熱面積冷凝水流量4 再沸器 其中取140攝氏度的水蒸氣作為加熱劑，r=2148.7KJ/kg 加熱蒸汽用量 再沸器的換熱面積為： 取傳熱系數(shù) 又：； 十一、管選型1頂蒸汽出口管徑工業(yè)蒸汽的經(jīng)