甲苯~苯溶液 浮閥式間接加熱精餾設計.doc

目錄目錄 目錄目錄2 一 前言一 前言 2 1 1 概述2 1 2 設計任務及要求3 1 3 設計方案3 二 塔的工藝計算二 塔的工藝計算 4 2 1 物料衡算4 2 2 理論板數(shù)的確定4 2 3 塔徑及塔高的確定7 2 3 1操作參數(shù)及物性參數(shù)的確定7 1 壓強7 2 平均溫度8 3 平均分子量8 4 平均密度8 5 表面張力9 6 液體黏度10 7 氣液負荷計算10 2 3 2塔板工藝尺寸計算11 1 塔徑11 2 塔的有效高度12 3 溢流裝置計算12 4 塔板布置與浮閥數(shù)目及排列15 2 3 3塔板流體動力學驗算17 精餾段計算17 提留段計算17 2 3 4塔板的負荷性能圖20 1 霧沫夾帶線20 2 液泛線20 3 液體負荷上限線21 4 漏夜線21 5 液相負荷下限線22 三 設計結果一覽表三 設計結果一覽表24 四四 個人總結及對本設計的評述個人總結及對本設計的評述25 五五 參考文獻參考文獻26 一 前言一 前言 化工原理課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié) 是理論系 實際的橋梁 是使學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試 通過化工原理課程設計 要 求學生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識 進行融匯貫通的獨立思考 在規(guī)定的時 間內(nèi)完成指定的設計任務 從而得到以化工單元操作為主的化工設計的初步訓練 通過課 程設計 要求學生了解工程設計的基本內(nèi)容 掌握典型單元操作設計的主要程序和方法 培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力 同時 通過課程設計 還可以使學生樹立正確 的設計思想 培養(yǎng)實事求是 嚴肅認真 高度負責的工作作風 1 11 1 概述概述 塔設備是煉油 化工 石油化工等生產(chǎn)中廣泛應用的氣液傳質(zhì)設備 根據(jù)塔內(nèi)氣液接 觸部件的結構型式 可分為板式塔和填料塔 板式塔內(nèi)設置一定數(shù)目的塔板 氣體以鼓泡 或噴射形式穿過板上液層進行質(zhì)熱傳遞 氣液相組成呈階梯變化 屬逐級接觸逆流操作過 程 填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層 液體自塔頂沿填料表面下流 氣體逆流向上 也有 并流向下者 與液相接觸進行質(zhì)熱傳遞 氣液相組成沿塔高連續(xù)變化 屬微分接觸操作過 程 工業(yè)上對塔設備的主要要求是 1 生產(chǎn)能力大 2 傳熱 傳質(zhì)效率高 3 氣 流的摩擦阻力小 4 操作穩(wěn)定 適應性強 操作彈性大 5 結構簡單 材料耗用量 少 6 制造安裝容易 操作維修方便 此外 還要求不易堵塞 耐腐蝕等 板式塔大致可分為兩類 1 有降液管的塔板 如泡罩 浮閥 篩板 導向篩板 新 型垂直篩板 蛇形 S 型 多降液管塔板 2 無降液管的塔板 如穿流式篩板 柵板 穿流式波紋板等 工業(yè)應用較多的是有降液管的塔板 如浮閥 篩板 泡罩塔板等 浮閥塔廣泛用于精餾 吸收和解吸等過程 其主要特點是在塔板的開孔上裝有可浮動 的浮閥 氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進入塔板上液層進行兩相接觸 浮閥可根據(jù) 氣體流量的大小而上下浮動 自行調(diào)節(jié) 浮閥有盤式 條式等多種 國內(nèi)多用盤式浮閥 此型又分為 F 1 型 V 1 型 V 4 型 十字架型 和 A 型 其中 F 1 型浮閥結構較簡單 節(jié)省材料 制造方便 性能 良好 故在化工及煉油生產(chǎn)中普遍應用 已列入部頒標準 JB 1118 81 其閥孔直徑 為 39mm 重閥質(zhì)量為 33g 輕閥為 25g 一般多采用重閥 因其操作穩(wěn)定性好 浮閥塔的主要優(yōu)點是生產(chǎn)能力大 操作彈性較大 塔板效率高 氣體壓強降及液面落 差較小 塔的造價低 塔板結構較泡罩塔簡單 1 21 2 設計任務及要求設計任務及要求 設計題目 浮閥式間接加熱精餾設計 原料 甲苯 苯溶液 處理能力 6800kg h 甲苯含量 41 質(zhì)量分數(shù) 苯 59 質(zhì)量分數(shù) 設計要求 餾出液甲苯含量不小于 90 質(zhì)量分數(shù) 釜液甲苯含量不大于 3 質(zhì)量分數(shù) 操作壓力 自選 進料溫度 泡點 進料狀況 泡點 加熱方式 間接蒸汽加熱 1 31 3 設計方案設計方案 總的要求是在符合生產(chǎn)工藝條件下 盡可能多的使用新技術 節(jié)約能源和成本 少量 的污染 精餾塔對塔設備的要求大致如下 一 生產(chǎn)能力大 即單位塔截面大的氣液相流率 不會產(chǎn)生液泛等不正常流 動 二 效率高 氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸 具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率 三 流體阻力小 流體通過塔設備時阻力降小 可以節(jié)省動力費用 在減壓操作是時 易 于達到所要求的真空度 四 有一定的操作彈性 當氣液相流率有一定波動時 兩相均能維持正常的流動 而且不 會使效率發(fā)生較大的變化 五 結構簡單 造價低 安裝檢修方便 六 能滿足某些工藝的特性 腐蝕性 熱敏性 起泡性等 本次實驗我們根據(jù)所給條件設計出塔的各項參數(shù)及其附屬設備的參數(shù) 二 塔的工藝計算二 塔的工藝計算 2 12 1 物料衡算物料衡算 1 原料液及塔頂 塔底摩爾分率 苯 MA 78kg kmol 甲苯 MB 92 kg kmol 進料液中輕組分質(zhì)量分數(shù)為 41 的摩爾分率 XF 塔頂輕組分質(zhì)量分數(shù)為 90 的摩爾分率 XD 塔底輕組分質(zhì)量分數(shù)為 3 的摩爾分率 XW 2 原料液 塔頂 塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 原料液 MF xFMA 1 xF MB 0 45 78 1 0 45 92 85 70kg kmol 塔 頂 MD xDMA 1 xD MB 0 91 78 1 0 91 92 79 26kg kmol 塔 底 MW xWMA 1 xW MB 0 035 78 1 0 035 92 91 51kg kmol 3 物料衡算 原料液處理量 F 總物料衡算 F D W 輕組分物料衡算 FxF DxD Wxw 79 35 D W 79 35 0 45 0 91D 0 035W D 37 63kmol h W 41 72kmol h 2 22 2 理論板數(shù)的確定理論板數(shù)的確定 所謂理論板就是離開某塊塔板的氣液兩相互成平衡 且塔板上的液相組成也是均勻的 精餾塔的理論板數(shù)可通過 逐板計算法 或 圖解法 求得 最小回流比 最小回流比 由吉利蘭圖解 將優(yōu)化 如下圖 取拐點有 1 44 為最優(yōu)回流比在 1 2 2 之間 符合要求 3 逐板計算法求理論板數(shù) 精餾段操作線方程 相平衡方程 提餾段操作線方程 x1 0 80y1 Xd 0 91 x2 0 7y2 0 85 x3 0 6y3 0 79 x4 0 53y4 0 73 x5 0 47y5 0 68 x6 0 43y6 0 65 x7 0 387y7 0 609 x8 0 328y8 0 547 x9 0 257y9 0 461 x10 0 184y10 0 358 x11 0 118y11 0 248 x12 0 069y12 0 155 x13 0 036y13 0 085 x14 0 0153y14 0 037 由 x6 0 435s 故降液管尺寸可用 降液管底隙高度 可取降液管底隙處液體流速 取 則 合理 選用凹形受液盤 深度為 50mm 提留段計算提留段計算 堰長 lw 0 6 0 8 D 取堰長 lw 0 7D 0 7 1 0 7m 出口堰高 hw hl hw how故 hw hl how 采用平直堰 堰上液層高度高可按 近似取 E 1 02 則可由列線圖查出 how 0 022m hw 0 06 0 022 0 038 m 弓型降液管寬度 Wd和面積 Af 由弓型降液管的寬度與面積圖查得 則 Af 0 09 AT 0 071m2 Wd 0 15D 0 15m 按驗算降液管內(nèi)液體停留時間 停留時間 5s 故降液管尺寸可用 降液管底隙高度 可取降液管底隙處液體流速 取 則 合理 選用凹形受液盤 深度為 50mm 4 4 塔板布置與浮閥數(shù)目及排列塔板布置與浮閥數(shù)目及排列 選用 F1 型重閥 閥孔直徑 d0 39mm 底邊孔中心距 t 75mm 精餾段計算 取閥孔動能因子 F0 11 孔速 每層塔板上浮閥數(shù) 取邊緣區(qū)域?qū)挾?Wc 0 04m Ws 0 07m 塔板上的鼓泡面積 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排 取同一排的孔心距 t 75mm 0 075m 則估算排間距 考慮到塔的直徑較大 必須采用分塊式塔板 而各分塊版的支撐與銜接也要占去一部分鼓 泡區(qū)面積 因此排間距不宜采用 90mm 而應小于此值 故取 t 65mm 0 065m 按 t 75mm t 65mm 以等腰三角形叉排方式作圖 排得閥數(shù) 87 個 按 N 87 重新核算孔速及閥孔動能因數(shù) 閥孔動能因數(shù) F0變化不大 仍在 9 12 范圍內(nèi) 塔板開孔率 提留段計算提留段計算 取閥孔動能因子 F0 11 孔速 每層塔板上浮閥數(shù) 取邊緣區(qū)域?qū)挾?Wc 0 04m Ws 0 07m 塔板上的鼓泡面積 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排 取同一排的孔心距 t 75mm 0 075m 則估算排間距 考慮到塔的直徑較大 必須采用分塊式塔板 而各分塊版的支撐與銜接也要占去一部分鼓 泡區(qū)面積 因此排間距不宜采用 90mm 而應小于此值 故取 t 65mm 0 065m 按 t 75mm t 65mm 以等腰三角形叉排方式作圖 排得閥數(shù) 87 個 按 N 87 重新核算孔速及閥孔動能因數(shù) 閥孔動能因數(shù) F0變化不大 仍在 9 12 范圍內(nèi) 塔板開孔率 2 3 32 3 3 塔板流體動力學驗算塔板流體動力學驗算 精餾段計算精餾段計算 1 氣相通過浮閥塔板的壓強降 干板阻力 u0 6 428m s uoc 故 板上充氣液層阻力 取充氣系數(shù) 0 0 45 hI 0hL 0 45 0 06 0 027m 液柱 液體表面張力所造成的阻力 此阻力很小忽略不計 因此 與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強降所相當?shù)囊褐邽?hp 0 0413 0 027 0 0683m 液柱 則單板壓降 0 0683 798 528 9 81 535 03Pa 700Pa 故設計合理 提留段計算提留段計算 同理有 5 491 0 0417m hI 0 027m hp 0 0687m 0 0687 789 455 9 81 532 05Pa 700Pa 故設計合理 2 淹塔 精餾段計算精餾段計算 為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生 要求控制降液管中清液層高度 Hd HT hw Hd hp hl hd 氣體通過塔板的壓強降所相當?shù)囊后w高度 hp 前已算 hp 0 0683m 液體通過降液管的壓頭損失 因不設進口堰 故 板上液層高度 前已選定 hl 0 06m 則 Hd 0 0683 0 06 0 00159 0 130m 取 0 5 又已選定 HT 0 4m hw 0 048m 則 HT hw 0 5 0 4 0 048 0 224m 可見 Hd HT hw 符合防止淹塔的要求 提留段計算提留段計算 Hd HT hw Hd hp hl hd 氣體通過塔板的壓強降所相當?shù)囊后w高度 hp 前已算 hp 0 0687m 液體通過降液管的壓頭損失 因不設進口堰 故 板上液層高度 前已選定 hl 0 06m 則 Hd 0 0687 0 06 0 00611 0 1348m 取 0 5 又已選定 HT 0 4m hw 0 038m 則 HT hw 0 5 0 4 0 038 0 219m 可見 Hd HT hw 符合防止淹塔的要求 3 霧沫夾帶 精餾段計算精餾段計算 泛點率 板上液體流經(jīng)長度 ZL D 2Wd 1 2 0 15 0 7m 板上液體面積 Ab AT 2Af 0 785 2 0 0071 0 634m2 苯和甲苯按正常系統(tǒng)取物性系數(shù) K 1 0 由泛點負荷系數(shù)圖查得 CF 0 113 泛點率 0 61 0 8 泛點率均在 80 以下 故知霧沫夾帶量能滿足 ev 0 1 kg 液 kg 氣的要求 提留段計算提留段計算 泛點率 板上液體流經(jīng)長度 ZL D 2Wd 1 2 0 15 0 7m 板上液體面積 Ab AT 2Af 0 785 2 0 0071 0 634m2 苯和甲苯按正常系統(tǒng)取物性系數(shù) K 1 0 由泛點負荷系數(shù)圖查得 CF 0 113 泛點率 泛點率均在 80 以下 故知霧沫夾帶量能滿足 ev 0 1 kg 液 kg 氣的要求 4 漏液驗算 漏液驗算 精餾段計算精餾段計算 動能因數(shù) 相應的氣相最小負荷為 其中 0 3245m3 s 可見不會產(chǎn)生過量漏液 提留段計算提留段計算 動能因數(shù) 相應的氣相最小負荷為 0 9386m3 s 可見不會產(chǎn)生過量漏液 2 3 42 3 4 塔板的負荷性能圖塔板的負荷性能圖 精餾段計算精餾段計算 1 1 霧沫夾帶線霧沫夾帶線 依據(jù)泛點率 按泛點率 整理得 提留段計算提留段計算 依據(jù)泛點率 按泛點率 整理得 2 2 液泛線液泛線 精餾段計算精餾段計算 聯(lián)立 hp hc hI h Hd hp hL hd Hd HT hw 得 HT hw 由上式確定液泛線 忽略 h 項 液泛線方程為 其中 整理得 提留段計算提留段計算 液泛線方程為 其中 整理得 3 液體負荷上限線 液體負荷上限線 精餾段計算和提留段計算相同精餾段計算和提留段計算相同 液體的最大流量應保證在降液管中停留時間不低于 3 5s 液體在降液管內(nèi)停留時間 以 4s 作為液體在降液管中停留時間的下限 則 4 4 漏夜線漏夜線 精餾段計算精餾段計算 對于 F1 型重閥 依據(jù) 計算 則又知 式中 d0 N v 提均為已知數(shù) 故可由此式求出氣相負荷 Vs 的下限值 據(jù)此作出與液體 流量無關的水平漏夜線 以 F0 5 作為規(guī)定氣體最小負荷的標準 則 提留段計算提留段計算 同理有 5 5 液相負荷下限線液相負荷下限線 精餾段計算和提留段計算相同精餾段計算和提留段計算相同 取堰上液層上高度 how 0 006m 作為液相負荷下限條件 依計算出下限值 依此作出液相負荷下限線 該線為氣相流出無關 的豎直線 取 E 1 02 則 由上述 5 條線作圖 如下 精餾段精餾段 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 00650 0075 霧沫夾帶線 vs0 9601 0 9442 0 9363 0 9204 0 9125 0 8966 0 8887 0 8649 0 8490 液泛線 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 00650 0075 vs1 3949 1 3566 1 3383 1 3000 1 2796 1 2350 1 2106 1 1273 1 0616 液體負荷上限 線 ls0 00710 00710 00710 00710 00710 00710 00710 00710 0071 vs0 20 40 50 70 811 11 41 6 漏夜線 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 00650 0075 vs0 3040 3040 3040 3040 3040 3040 3040 3040 304 液相負荷下限 線 ls0 0003160 000320 0003160 000320 000320 000320 000320 000320 00032 vs0 20 40 50 70 811 11 41 6 oals00 001570 0032 vs00 7071 414 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 0060 00650 008 霧沫夾帶 線 vs0 961070 94520 93730 92140 913470 89760 88970 87380 86590 85 液泛線 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 0060 00650 008 vs1 224931 18831 17171 13881 122071 08711 06871 02951 00860 964 液體負荷 上限線 ls0 00710 00710 00710 00710 00710 00710 00710 00710 00710 007 vs0 20 40 50 70 811 11 31 41 6 漏夜線 ls0 00050 00150 0020 0030 00350 00450 0050 0060 00650 008 vs0 2880 2880 2880 2880 2880 2880 2880 2880 2880 288 液相負荷 下限線 ls0 000320 00030 00030 00030 000320 00030 00030 00030 00033E 04 vs0 20 40 50 70 811 11 31 41 6 oals00 00420 0084 vs00 6781 356 三 設計結果一覽表三 設計結果一覽表 計算結果 序號項目符號單位 精餾段提餾段 1 平均溫度 tm 89 68102 96 2 平均壓力 Pmkpa108 8117 55 3 氣相 Vsm3 s0 7070 678 4 平均流量 液相 Lsm3 s0 001570 00417 5 實際塔板數(shù) Np 塊 1015 6 塔的有效高度 Zm3 60 5 60 7 塔徑 Dm1 00 1 00 8 板間距 Hm0 40 4 9 塔板溢流形式單流型單流型 10 空塔氣速 um s0 8680 839 11 溢流管形式弓形弓形 12 溢流堰長度 Lwm0 70 7 13 溢流堰高度 hwm0 0480 038 14 板上液層高度 hLm0 060 06 15 溢流裝置 堰上液層高度 howm0 0120 022 16 安定區(qū)寬度 Wsm0 070 07 17 開孔區(qū)到塔壁距離 Wcm0 040 04 18 開孔區(qū)面積 Aam20 4810 481 19 閥孔直徑 dm0 0390 039 20 浮閥數(shù)個 n 個 8787 21 閥孔氣速 u0m s6 4286 087 22 閥孔動能因數(shù) F01111 23 開孔率 13 213 2 24 孔心距 tm0 0750 075 25 排間距 t m0 0650 065 26 塔板壓降 Pkpa0 5530 532 27 液體在降液管內(nèi)的停留時 間 ts18 26 8 28 底隙高度 hom0 0220 0298 30 泛點率 6163 31 液相負荷上限 Ls maxm3 s0 00710 0071 32 液相負荷下限 Ls minm3 s0 0003160 000316 33 氣相負荷下限 Vs minm3 s0 3040 288 34 操作彈性 3 2073 212 四四 個人總結及對本設計的評述個人總結及對