化工原理課程設(shè)計 苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計.doc

苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計大連民族學(xué)院化工原理課程設(shè)計-苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計院系：環(huán)境與資源學(xué)院 姓名： 班級：環(huán)境工程092班 學(xué)號： 教師評閱： 指導(dǎo)老師：目錄一 化工原理課程設(shè)計的目的與要求3二 化工原理課程設(shè)計的內(nèi)容4三 安排與要求4四 設(shè)計步驟5（一） 收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)5（二） 設(shè)計方案的選定6（三） 工藝設(shè)計計算71 物料衡算與操作線方程72 理論塔板數(shù)的求算與實際塔板數(shù)的確定83 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算13（四） 塔和塔板主要尺寸的設(shè)計171 塔高172 塔徑183 溢流裝置與液體流型194 塔板設(shè)計205 篩板的流體力學(xué)驗算216 塔板負荷性能圖23（五） 板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備261 塔體結(jié)構(gòu)262精餾塔的附屬設(shè)備27（六） 設(shè)計結(jié)果一覽表31五 參考文獻32六 附錄32七 設(shè)計任務(wù)書34一 、 化工原理課程設(shè)計的目的與要求通過理論課的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了不少理論知識和生產(chǎn)實際知識，對于一個未來的工程技術(shù)人員來說，如何運用所學(xué)的知識去分析和解決實際問題是至關(guān)重要的，本課程設(shè)計的目的也是如此。 化工原理是研究化工單元操作基本原理的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，化工原理課程設(shè)計是化工原理課程之后的一個實際教學(xué)環(huán)節(jié)，通過本次課程設(shè)計，使學(xué)生初步掌握化工單元操作設(shè)計的基本程序和方法，提高度查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標(biāo)準的能力，能夠正確的選用公式進行計算和設(shè)計，強化工程意識，進一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識以及解決實際問題的能力。 化工原理課程設(shè)計是化工以及其他理工科專業(yè)的學(xué)生在校期間第一次進行的設(shè)計，要求每個同學(xué)獨立完成一個實際裝置（本次設(shè)計為精餾塔裝置）的設(shè)計，設(shè)計中應(yīng)應(yīng)對精餾原理、操作、流程及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造、安裝、檢修進行全面的考慮，最終以簡潔的文字、表格及圖紙把設(shè)計表達出來。本次設(shè)計是在老師的指導(dǎo)下，由學(xué)生獨立進行的設(shè)計。因此，對學(xué)生的獨立工作能力和實際工作能力是一次很好的鍛煉機會，是培養(yǎng)化工技術(shù)人員的一個重要環(huán)節(jié)。通過設(shè)計，學(xué)生應(yīng)培養(yǎng)和掌握：1、 正確的設(shè)計思想和認真負責(zé)的設(shè)計態(tài)度。 設(shè)計應(yīng)結(jié)合實際進行，力求經(jīng)濟、實用、可靠和先進。 設(shè)計應(yīng)對生產(chǎn)負責(zé)。設(shè)計中的每一數(shù)據(jù)，每一筆一劃都要準確可靠，負責(zé)到底。2、 獨立的工作能力及靈活運用所學(xué)知識和分析問題解決問題的能力。 設(shè)計由學(xué)生獨立完成，教師只起到指導(dǎo)作用，學(xué)生在設(shè)計中碰到問題和教師進行討論。教師只是做提示和啟發(fā)，由學(xué)生自己去解決問題，指導(dǎo)教師在原則上不負責(zé)檢查結(jié)果的準確性，學(xué)生應(yīng)自己負責(zé)計算結(jié)果的準確性，可靠性。 學(xué)生可以在設(shè)計中可以相互討論，但不能照抄，為了更好的了解和檢查學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，設(shè)計的最后階段安排有答辯環(huán)節(jié)，若答辯不通過，則設(shè)計不能通過。3、 精餾裝置設(shè)計的一般辦法和步驟。4、 正確運用各種參考資料。合理選用各種經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)。 由于所用的資料不同，各種經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)可能會有一些差別。設(shè)計者應(yīng)盡可能了解這些公式、數(shù)據(jù)的來歷、實用范圍，并能正確的運用。 設(shè)計前，同學(xué)應(yīng)該詳細閱讀設(shè)計指導(dǎo)書、任務(wù)書，明確設(shè)計目的、任務(wù)及內(nèi)容。設(shè)計中安排好自己的工作，提高工作效率。二 化工原理課程設(shè)計的內(nèi)容1、選擇流程，畫流程圖。2、做物料衡算，列出物料衡算表。3、確定操作條件（壓力、溫度）。4、選擇合適回流比，計算理論板數(shù)。5、做熱量衡算，列出熱量衡算表。6、選擇換熱器，計算冷卻介質(zhì)及加熱介質(zhì)用量。7、完成塔板設(shè)計。8、編寫設(shè)計計算說明書。設(shè)計結(jié)束時，學(xué)生應(yīng)交的作用有：工藝流程圖一張，塔板結(jié)構(gòu)圖一張，設(shè)計說明書一份。三 安排與要求設(shè)計進行一周，大致可以分為以下幾個階段：1、 準備（一天）教師介紹有關(guān)課程設(shè)計的情況，下達設(shè)計任務(wù)書。學(xué)生應(yīng)詳細閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計目的、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計步驟。安排好今后兩周的工作。2、 設(shè)計計算階段（四五天）按設(shè)計任務(wù)及內(nèi)容進行設(shè)計計算，有時甚至需要對幾個不同的方案進行設(shè)計計算，并對設(shè)計結(jié)果進行分析比較，從中選擇較好的方案。計算結(jié)束后編寫出設(shè)計計算說明書。設(shè)計計算說明書應(yīng)包含：目錄、設(shè)計任務(wù)書、流程圖、設(shè)計計算、計算結(jié)果及所引用的資料目錄等。設(shè)計計算說明書除了有數(shù)字計算之外還應(yīng)有分析，只有數(shù)字計算，而無論述分析，這樣的設(shè)計是不完整的，也是不能通過的。設(shè)計部分應(yīng)列出計算式，代入數(shù)值，計算結(jié)果。計算結(jié)果應(yīng)有單位。說明書一律用A4紙寫，文字部分要簡練，書寫要清楚。說明書要標(biāo)上頁碼，加上封面，裝訂成冊。3、 答辯（一天）答辯安排在最后一天進行。答辯前學(xué)生應(yīng)將設(shè)計計算說明書裝訂成冊，連同計算機輔助計算一起交給教師。答辯時學(xué)生先簡要匯報一下自己的設(shè)計工作，然后回答教師提出的問題。四 設(shè)計步驟（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集表1 苯和甲苯的物理性質(zhì)項目分子式分子量M沸點（）臨界溫度tC（）臨界壓強PC（kPa）苯AC6H678.1180.1288.56833.4甲苯BC6H5CH392.13110.6318.574107.7表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓溫度80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0，kPa40.046.054.063.374.386.0表3 常溫下苯甲苯氣液平衡數(shù)據(jù) 溫度80.1859095100105液相中苯的摩爾分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130汽相中苯的摩爾分率1.0000.9000.7770.6300.4560.262表4 純組分的表面張力 溫度8090100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表5 組分的液相密度 溫度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表6 液體粘度 溫度()8090100110120苯（mP.s）0.3080.2790.2550.2330.215甲苯（mP.s）0.3110.2860.2640.2540.228表7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Y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0（二）設(shè)計方案的選定本設(shè)計任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，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1.5倍。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。其中由于蒸餾過程的原理是多次進行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計中設(shè)計把其熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。塔板的類型為篩板塔精餾，篩板塔塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為38mm，篩孔在塔板上作正三角形排列。篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點有： () 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。 篩板塔的缺點是： () 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 () 操作彈性較小(約23)。() 小孔篩板容易堵塞。（三）工藝設(shè)計計算1、精餾塔的物料衡算與操作線方程(1) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 282.011.78/25.013.92/75.011.78/25.0xF=+=966.011.78/96.013.92/03.0.78/96.0xD=+=11058.013.92/950.011.78/050.011.78/050.0xW=+=（2）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 )/(kg2.12883.192)282.01(11.78282.0kmolMF=-+=)/(kg978.53.192)966.01(11.78966.0kmolMD=-+=)/91.32(kg3.192)058.01(11.78058.0kmolMW=-+=（3）物料衡算 原料處理量 9總物料衡算 聯(lián)立解得 式中 F-原料液流量 D-塔頂產(chǎn)品量 W-塔底產(chǎn)品量2、理論板數(shù)的求算與實際板數(shù)的確定 （1）理論板層數(shù)的求取 相對揮發(fā)度的計算：氣液相平衡數(shù)據(jù)t/80.1859095100105110.6101.33116.9135.5 155.7179.2204.2240.040.046.054.0 63.374.386.0101.33x/摩爾分數(shù)1.0000.7800.5810.4120.2580.1300錯誤！未找到圖形項目表。y/摩爾分數(shù)1.0000.9000.7770.6330.4560.2620因此根據(jù)上圖可知：塔頂：即當(dāng) 已知該圖的曲線方程為： 所以有： 所以查表可知： 塔底; 同理得 所以查表可知 即 平均相對揮發(fā)度：進料溫度（泡點溫度）：由上表內(nèi)差法可知其壓力 平衡線方程的求算 氣液相平衡方程 q線方程 進料狀態(tài)由五種，即過冷液體進料（),飽和液體進料（），氣液混合進料()和過熱蒸汽進料()，本設(shè)計選用的為泡點進料，故。則可知。 最小回流比 由以上兩式可得 回流比的確定 因為 所以確定回流比為 （2） 逐板法求理論板 精餾段操作線方程精餾段液相質(zhì)量流量：精餾段氣相質(zhì)量流量： 精餾段操作方程： 即得： .式提餾段操作線方程 提餾段氣相質(zhì)量流程：提餾段液相質(zhì)量流程：提餾段操作線方程： 即得： .式相平衡方程 通過上述計算已知相平衡方程為： .式 逐板計算利用精餾段的操作方程、提餾段操作方程以及相平衡方程，可自上而下逐板計算所需的理論板數(shù)。因塔頂為全凝器，則。由式求得第一塊下降液體組成 利用精餾段操作線，即式計算第二塊板上升蒸汽組成為： 交替使用 和式 則計算過程如下： 當(dāng)計算到時，即可得,故改用提餾段操作線方程，即式， 當(dāng)計算到時，即可得出,所以計算停止?？芍碚撍鍞?shù)為17塊。（3） 求實際板數(shù)有給定的條件可知全塔效率（）為52%且 所以可知精餾段：提餾段：故綜上所述 理論塔板數(shù)為17塊，實際塔板數(shù)為34塊，其中15塊為進料板，精餾段14塊板，提餾段為20塊板。3、 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算（1）操作壓力計算 塔頂操作壓力P4+101.3 105.3kPa每層塔板壓降 P0.7 kPa進料板壓力105.3+0.714115.1 kPa塔底操作壓力精餾段平均壓力提餾段平均壓力（2）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、甲苯的飽和蒸氣壓由 安托尼方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下： 塔頂溫度進料板溫度塔底溫度精餾段平均溫度提餾段平均溫度（3）平均摩爾質(zhì)量計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算 由,代入相平衡方程得進料板平均摩爾質(zhì)量計算 已知0.282，由上面理論板的算法，得0.437塔底平均摩爾質(zhì)量計算由,由相平衡方程，得精餾段平均摩爾質(zhì)量 提餾段平均摩爾質(zhì)量（4） 平均密度計算 表5 組分的液相密度(1：附錄圖8)溫度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算精餾段的平均氣相密度即 提餾段的平均氣相密度 液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即 塔頂液相平均密度的計算 由，根據(jù)內(nèi)差法查手冊得 塔頂液相的質(zhì)量分率 進料板液相平均密度的計算 由，查手冊得 進料板液相的質(zhì)量分率 塔底液相平均密度的計算 由，查手冊得 塔底液相的質(zhì)量分率 精餾段液相平均密度為 提餾段液相平均密度為 (5) 液體平均表面張力計算 依下式計算表4 純組分的表面張力(1：附錄圖7)溫度8090100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3（1） 對于塔頂： 故查上表可知 （2） 對于進料板： 故查上表可知 （3） 對于塔底： 故查上表可知 （4）精餾段平均表面張力： 提餾段平均表面張力： （四） 塔和塔板主要尺寸的設(shè)計 1 塔徑的計算（1）精餾段的氣液體積流率為 （由式）由史密斯關(guān)聯(lián)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 HT -hL=0.4 -0.06=0.34m查得史密斯關(guān)聯(lián)圖到 取安全系數(shù)為0.7，則空塔速度為 塔徑 按標(biāo)準塔徑圓整為 （2）提餾段氣液相體積流率計算 其中的查史密斯關(guān)聯(lián)圖，圖的橫坐標(biāo)為取板間距HT=0.4m 板上液層高度hL=0.06m HT -hL=0.4 -0.06=0.34m查史密斯關(guān)聯(lián)圖得到取安全系數(shù)為0.7，則空塔速度為塔徑 按標(biāo)準塔徑圓整為 根據(jù)上述精餾段和提留段塔徑的計算，可知全塔塔徑為截面積 實際空塔氣速 2精餾塔有效高度的計算 在進料板上方開一個小孔，氣高度為0.8m故精餾塔的有效高度為 3溢流裝置計算 因，可采用單溢流弓型降液管，采用凹形受液盤，不設(shè)進口堰，各項計算如下：（1） 溢流堰長 (2) 溢流堰高度 選平直堰，堰上液高度為，近似取E=1， 取板上清液層高度 故 (3)弓形降液管的寬度與降液管的面積由 查弓型降液管圖 得 Wd/D=0.148，Af/AT=0.085故 計算液體在降液管中停留時間 故降液管設(shè)計合理。（4）降液管底隙高度h0取液體通過降液管底隙的流速，依下式計算降液管底隙高度h0 故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤 深度4塔板設(shè)計塔板布置 （1）塔板的分塊因，故塔板采用分塊式。由文獻查表得，塔板分為4塊。（2）邊緣區(qū)寬度確定 取。（3）開孔區(qū)面積計算 其中：故 （4）篩孔數(shù) n 與開孔率 本設(shè)計所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取 孔中心距為 取篩孔的孔徑 d0=5mm塔板上篩孔數(shù)目為 塔板開孔區(qū)的開孔率 開孔率在5-15%范圍內(nèi)，符合要求。氣體通過篩孔的氣速 5、篩板的流體力學(xué)驗算 （1）塔板壓降a)干板阻力計算：干板阻力，由查文獻圖得 液柱b)氣流穿過板上液層的阻力hl計算查文獻（1）中5-11，得。 故 液柱c）液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 液柱氣體通過每層塔板的液柱高度 氣體通過每層塔板的壓降為（設(shè)計允許值）d）液面落差 對于篩板塔液面落差很小，但本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略。（2）液沫夾帶量ev的驗算塔板上鼓泡層的高度液kg氣0.1 kg液/kg氣ev在本設(shè)計中在允許范圍內(nèi)，精餾段在設(shè)計負荷下不會發(fā)生過量液沫夾帶。（3）漏液的驗算對篩板塔，漏夜點氣速為 實際孔速 篩板的穩(wěn)定性系數(shù) 該值大于1.5，符合設(shè)計要求。故本設(shè)計中精餾段在設(shè)計負荷下無明顯漏液。（4）液泛驗算為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度苯-甲苯物系屬一般物系，取，則而 板上不設(shè)進口堰，則液柱0.198m故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。6、 塔板負荷性能圖 精餾段：(1) 霧沫夾帶線 霧沫夾帶量取，前面求得，代入，整理得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-19。 表8Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)4.5064.3784.2614.151由上表數(shù)據(jù)即可作出霧沫夾帶線。 (2) 液泛線 由E=1.04,lW=1.2得：S232S20S20V10555.755.80200.30.18584.0V051.0V051.0051.0-=LvLvocccuhrrrr已算出，代入，整理得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-20。 表10Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)4.0673.9843.9023.821由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線2。 (3) 液相上限線 以4s作為液體在降液管中停留時間的下限， 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線0.0163（m3/s）。 (4) 漏液線 由和，代入得：整理得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3-21。 表11Ls /(m3/s) 0.0030.0040.0050.006Vs /(m3/s)1.1921.2111.2291.245由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線4。 (5) 液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度hOW0.006m作為最小液體負荷標(biāo)準。E=1.04據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖所示。 圖1 精餾段篩板負荷性能圖 在負荷性能圖上，作出操作點P，連接OP，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。（五） 板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備1、 塔體結(jié)構(gòu) 板式塔內(nèi)部裝有塔板、降液管、各物流的進出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附屬裝置。除一般塔板按設(shè)計板間距安裝外，其他處根據(jù)需要決定其間距。(1)塔頂空間 塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂?shù)拈g距。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，此段遠高于板間距（甚至高出一倍以上），本塔塔頂空間取 (2)塔底空間 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔底間距。其值由如下兩個因素決定。 塔底駐液空間依貯存液量停留35min或更長時間（易結(jié)焦物料可縮短停留時間）而定。塔底液面至最下層塔板之間要有12m的間距，大塔可大于此值。本塔取 (3)人孔 一般每隔68層塔板設(shè)一人孔。設(shè)人孔處的板間距等于或大于600mm，人孔直徑一般為450500mm，其伸出塔體得筒體長為200250mm，人孔中心距操作平臺約8001200mm。本塔設(shè)計每17塊板設(shè)一個人孔，共兩個，即 (4)塔高 故全塔高為11.3m，另外由于使用的是虹吸式再沸器，可以在較低位置安置，所以裙板取了較小的1.5m。2、精餾塔的附屬設(shè)備（1）再沸器塔底溫度tw=105.0 用t0=135的蒸汽，釜液出口溫度t1=112則 由tw=105.0 查液體比汽化熱共線圖得又氣體流量Vh=2.374m3/h 密度則取傳熱系數(shù)K=600W/m2k，則傳熱面積加熱蒸汽的質(zhì)量流量（2）塔頂回流冷凝器塔頂溫度tD=80.94 冷凝水t1=20 t2=30 則由tD=80.49 查液體比汽化熱共線圖得又氣體流量Vh=2.134m3/s塔頂被冷凝量 冷凝的熱量取傳熱系數(shù)K=600W/m2k，則傳熱面積冷凝水流量（3）塔主要接管尺寸計算1)進料管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T形進料管。本設(shè)計采用直管進料管。F=149Kg/h , =807.9Kg/ 則體積流量 管內(nèi)流速則管徑取進料管規(guī)格952.5 則管內(nèi)徑d=90mm進料管實際流速2)回流管采用直管回流管，回流管的回流量塔頂液相平均摩爾質(zhì)量,平均密度則液體流量取管內(nèi)流速則回流管直徑可取回流管規(guī)格652.5 則管內(nèi)直徑d=60mm回流管內(nèi)實際流速3)塔頂蒸汽接管則整齊體積流量取管內(nèi)蒸汽流速則可取回流管規(guī)格430