化工原理課程設計乙苯苯乙烯板式精餾塔的工藝設計

1、化工原理課程設計題 目 乙苯-苯乙烯板式精餾塔的工藝設計年 級 專 業(yè) 學 號 學生姓名 2009年 12月 21日目錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc76259613 第一節(jié) 化工原理課程設計（精餾裝置）.4 HYPERLINK l _Toc76259614 設計題目 PAGEREF _Toc76259614 h 4 HYPERLINK l _Toc76259615 操作條件4 HYPERLINK l _Toc76259618 設計內容4 HYPERLINK l _Toc76259618 1.4基礎數(shù)據4第二節(jié) 設計方案的確定及工藝流程的說明 HYPERLINK

2、 l _Toc76259648 5 HYPERLINK l _Toc76259648 2.1 設計方案的確定及工藝流程的說明5 HYPERLINK l _Toc76259648 2.2 流程圖6 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc76259619 第三節(jié) 精餾塔（精餾段）計算6 HYPERLINK l _Toc76259620 3.1塔的工藝計算.6 HYPERLINK l _Toc76259621 3全塔物料衡算7 HYPERLINK l _Toc76259622 3.1.2 塔板數(shù)的確定7 HYPERLINK l _Toc76259623 3操作工藝條件及相關物性

3、數(shù)據計算9 HYPERLINK l _Toc76259624 3汽液負荷計算11 HYPERLINK l _Toc76259626 3.2塔與塔板工藝結構計算12 HYPERLINK l _Toc76259623 3.2.1塔徑確定12 HYPERLINK l _Toc76259623 3.2.2塔板工藝結構尺寸設計計算12 HYPERLINK l _Toc76259626 3.3塔板上流體力學及性能計算143.3.1氣體通過篩板壓降和的驗算 143.3.2 霧沫夾帶量的驗算 .163.3.3漏液的驗算 .163.3.4液泛的驗算 .16塔板負荷性能圖 .173.5精餾塔精餾段的設計計算結果匯

4、總一覽表.21 HYPERLINK l _Toc76259627 第四節(jié) 精餾塔（提餾段）計算22 HYPERLINK l _Toc76259628 4.1 提餾段的物性及狀態(tài)參數(shù).22 HYPERLINK l _Toc76259628 4.2 提餾段的汽液負荷計算.23 HYPERLINK l _Toc76259628 4.3塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算.24 HYPERLINK l _Toc76259628 4.4 塔板上的流體力學驗算.26 HYPERLINK l _Toc76259628 4.5塔的負荷性能圖.28 HYPERLINK l _Toc76259628 4.6精餾塔提餾段

5、的設計計算結果匯總一覽表.32 HYPERLINK l _Toc76259647 第五節(jié) 精餾塔的設計計算結果匯總一覽.33 HYPERLINK l _Toc76259647 第六節(jié) 精餾裝置的附屬設備34 HYPERLINK l _Toc76259648 塔高.34 HYPERLINK l _Toc76259649 裙座的相關尺寸計算.34 HYPERLINK l _Toc76259652 6.3 精餾塔的管口直徑.34 HYPERLINK l _Toc76259653 塔頂全凝器 35 HYPERLINK l _Toc76259654 塔釜再沸器 .40 附圖 .46 參考文獻 .47第一

6、節(jié) 化工原理課程設計（精餾裝置）的內容 設計題目課程設計題目乙苯-苯乙烯板式精餾塔的工藝設計：設計一座乙苯-苯乙烯連續(xù)精餾塔，要求年處理原料液（40%乙苯）30000t/a，塔底餾出液中含乙苯不高于2%。塔頂餾出液中含乙苯為98%（以上均為質量%）。操作條件1.塔頂壓強4kPa（表壓）；2.進料熱狀況，自選；3.回流比，自選；4.塔釜加熱蒸汽壓力506kPa；5.單板壓降不大于0.7kPa；6.年工作日300天，每天24小時連續(xù)運行。設計內容1.設計方案的確定及工藝流程的說明；2.塔的工藝計算；3.塔和塔板主要工藝結構的設計計算；4.塔內流體力學性能的設計計算；5.塔板負荷性能圖的繪制；6.塔

7、的工藝計算結果匯總一覽表；7.輔助設備的選型與計算；8.生產工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制；9.對本設計的評述或對有關問題的分析與討論。基礎數(shù)據 1. 安托因方程P=A+B/（C+t） 安托因方程常數(shù)ABC 溫度范圍/ 乙苯31-187苯乙烯26-163表1 2.組分的液相粘度(mpa.s)溫度/80100120140160乙苯苯乙烯表2（kg/m3）溫度/100120140160乙苯苯乙烯838820801781表3（mN/m）溫度，（）100120140160乙苯苯乙烯表4 雙組分混合液體的表面張力可按下式計算：（為A、B組分的摩爾分率）第二節(jié) 設計方案的確定及工藝流程的說明設計方案的

8、確定及工藝流程的說明原料液經臥式列管式預熱器預熱至泡點后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用強制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產品經冷卻后送至貯罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜產品經臥式列管式冷卻器冷至貯罐流程圖第三節(jié) 精餾塔（精餾段）計算塔的工藝計算3.1.1 全塔物料衡算（一）料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率乙苯和苯乙烯的相對摩爾質量分別為106.168和104 .152kg/kmol。 （二）平均摩爾質量 106.168 + (1-0.395) 104.152 =104.79 kg/kmol 106.168 + (1-0.9796) 104.152

9、 =104 kg/kmol 106.168 + (1-0.0196) （三）料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，有：，全塔物料衡算： 3.1.2 塔板數(shù)的確定（一）理論塔板數(shù)的求取乙苯-苯乙烯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法（MT法）求取，步驟如下：P=A+B/（C+t）求取想平衡數(shù)據，利用泡點和露點方程求取乙苯-苯乙烯相平衡數(shù)據溫度/P乙苯KpaP苯乙烯xy1113713813914014114214314414500R將上表中數(shù)據作圖得曲線及曲線。在圖上，因，查得，而，。故有：由于R =（1.22），取實際操作的回流比為最小回流比的2倍，即：精餾段操作

10、線：提餾段操作線為過和兩點的直線 乙苯-苯乙烯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解 乙苯-苯乙烯物系的溫度組成圖圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第24塊為加料板位置。（二）實際塔板數(shù) （近似取兩段效率相同）精餾段：塊，取塊提餾段：塊，取塊總塔板數(shù)塊。3.1.3 操作工藝條件及相關物性數(shù)據計算（一）平均壓強取每層塔板壓降為0.7kPa計算。塔頂：加料板：平均壓強（二）平均溫度。（三）平均分子量塔頂： ，（查相平衡圖）加料板：，（查相平衡圖）精餾段：（四）平均密度由基礎數(shù)據表3知：塔頂： 2）進料板： （141.5）精餾段：（五）液體的平均表面張力塔頂：；）進料板：；）精餾段：（六）液體的平

11、均粘度下有：加料板：精餾段：3.1.4 汽液負荷計算汽相摩爾流率汽相體積流量汽相體積流量液相回流摩爾流率液相體積流量液相體積流量 塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算及板上液層高度，則：（即泛點氣速）查Smith通用關聯(lián)圖得負荷因子泛點氣速：m/s取圓整取，此時的操作氣速。由液負荷與流形關系知：采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。（1）溢流堰長（出口堰長）取堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。（2）出口堰高對平直堰 由Francis式有：由及，查化工原理圖11-11得，于是：（滿足要求）（3）降液管的寬度和降液管的面積由，查化原下P137圖11-16得，即：

12、，。液體在降液管內的停留時間（滿足要求）（4）降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：（不宜小于0.020.025m，本結果滿足要求）（1）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度：一般為5075mm，D 2m時，可達100mm。安定區(qū)寬度：規(guī)定m時mm；m時mm；本設計取mm，mm。（2）開孔區(qū)面積式中：和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速塔板上的流體力學性能設計及計算氣體通過篩板壓降和的驗算式中孔

13、流系數(shù)由查圖11-10得出，。式中充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：動能因子查化原圖11-12得 （一般可近似?。?。4.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（不滿足工藝要求，需重新調整參數(shù)）。現(xiàn)對塔板結構參數(shù)作重新調整如下：取mm，mm。開孔區(qū)面積式中：開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速氣體通過篩板壓降和的重新驗算氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（滿足工藝要求）霧沫夾帶量的驗算式中：，驗算結果表明不會產生過量的霧沫夾帶。

14、漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產生過量液漏）液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度式中：成立，故不會產生液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。塔板負荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1） （1）式中：將已知數(shù)據代入式（1） （1-1）在操作范圍內，任取幾個值，依式（1-1）算出對應的值列于下表：0943依據表中數(shù)據作出霧沫夾帶線（1）（二）液泛線（2） （2） （2-2）在操作范圍內，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：0943454.183319依據表中數(shù)據作出液泛線（2）（三）液

15、相負荷上限線（3） （3-3）（四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）漏液點氣速，整理得： （4-4）在操作范圍內，任取幾個值，依式（4-4）算出對應的值列于下表：0943依據表中數(shù)據作出漏液線（4）（五）液相負荷下限線（5）取平堰堰上液層高度m，。 （5-5）操作氣液比 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最小負荷之比，即：操作彈性=精餾塔精餾段的設計計算結果匯總一覽表精餾段計算結果匯總一覽表項 目符 號單 位計算結果精餾段平均壓強kPa11平均溫度平均流量氣相Vm3/s2.349液相Lm3/s06實際塔板數(shù)39板間距V塔段的有效高度L2塔徑D1.7空塔氣速U35塔板液流型

16、式單流型溢溢流管型式弓形流堰長m1.19裝堰高m9置溢流堰寬度m38底隙高度m1板上清液層高度孔徑5孔間距孔數(shù)n9894開孔面積5篩孔氣速12塔板壓降n965液體在降液管中的停留時間11.55降液管內清液層高度3霧沫夾帶614負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷4.5氣相最小負荷操作彈性第四節(jié) 精餾塔（提餾段）計算提餾段的物性及狀態(tài)參數(shù)（一）平均壓強取每層塔板壓降為0.7kPa計算。進料板：塔底：平均壓強（二）平均溫度。（三）平均分子量加料板：，（查相平衡圖）塔底： ，。（查相平衡圖）提餾段：（四）平均密度進料板： （141.5）塔底： 9）提餾段：（五）液體的平均表面張力進料板：

17、；）塔底：；）提餾段：（六）液體的平均粘度加料板：塔 底：提餾段：提餾段的汽液負荷計算汽相摩爾流率汽相體積流量汽相體積流量液相摩爾流率液相體積流量液相體積流量塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算（一）塔徑及板上液層高度，則：（即泛點氣速）查Smith通用關聯(lián)圖得負荷因子泛點氣速：m/s取為加工方便，圓整取，由于，不穩(wěn)定，取等徑塔（取大的），故，此時提餾段的操作氣速。（二）塔板工藝結構尺寸的設計與計算采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。（1）溢流堰長（出口堰長）取堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。（2）出口堰高對平直堰由及，查化工原理圖11-11得，于是：（

18、滿足要求）（3）降液管的寬度和降液管的面積由，查化原下P147圖11-16得，即：，。液體在降液管內的停留時間（滿足要求）（4）降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：（不宜小于0.020.025m，本結果滿足要求）（1）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度與精餾段同，即mm，mm。開孔區(qū)面積與精餾段同，即和開孔率亦與精餾段同，即孔每層塔板的開孔率（應在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速塔板上的流體力學驗算（一）氣體通過篩板壓降和的驗算式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。式中充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣

19、速，對單流型塔板有：動能因子查化原圖11-12得（一般可近似?。?.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（滿足工藝要求）（二）霧沫夾帶量的驗算式中：，驗算結果表明不會產生過量的霧沫夾帶。（三）漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產生過量液漏）（四）液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度成立，故不會產生液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。塔板負荷性能圖（一）霧沫夾帶線（1） （1）式中：將已知數(shù)據代入式（1） （1-1）在操作范圍內，任取幾個值，依式（1-1）算出對應的值列于下表：依據表中數(shù)據作

20、出霧沫夾帶線（1）（二）液泛線（2） （2） （2-2）在操作范圍內，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：依據表中數(shù)據作出液泛線（2）（三）液相負荷上限線（3） （3-3）（四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）漏液點氣速，整理得： （4-4）在操作范圍內，任取幾個值，依式（4-4）算出對應的值列于下表：依據表中數(shù)據作出漏液線（4）（五）液相負荷下限線（5）取平堰堰上液層高度m，。 （5-5）操作氣液比 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最小負荷之比，即：操作彈性=精餾塔提餾段的設計計算結果匯總一覽表提餾段計算結果匯總一覽表項 目符 號單 位計 算 結 果提餾段

21、平均壓強kPa14平均溫度平均流量氣相Vm3/s液相Lm3/s18實際塔板數(shù)塊33板間距m塔段的有效高度m2塔徑Dm17空塔氣速Um/s0.7626塔板液流型式單流型溢溢流管型式弓形流堰長m1.19裝堰高m8置溢流堰寬度m38底隙高度m4板上清液層高度m孔徑mm5孔間距mm孔數(shù)n個9894開孔面積m20.1935篩孔氣速m/s塔板壓降kPa0.5643液體在降液管中的停留時間s10.37降液管內清液層高度m34霧沫夾帶kg液/kg氣195負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷m3/s氣相最小負荷m3/s5操作彈性4.16第五節(jié) 精餾塔的設計計算結果匯總一覽表精餾塔的設計計算結果匯總一

22、覽表項 目符 號單 位計 算 結 果精餾段提餾段平均壓強kPa11平均溫度平均流量氣相Vm3/s液相Lm3/s實際塔板數(shù)塊3933板間距m塔段的有效高度m2塔徑Dm1.7空塔氣速Um/s35塔板液流型式單流型單流型溢流裝置溢流管型式弓形弓形堰長1.19堰高9溢流堰寬度38底隙高度1板上清液層高度m孔徑mm55孔間距mm孔數(shù)n個98949894開孔面積m25篩孔氣速m/s12塔板壓降kPa965液體在降液管中的停留時間s11.55降液管內清液層高度m3霧沫夾帶kg液/kg氣614負荷上限霧沫夾帶控制霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制漏液控制氣相最大負荷m3/s4.5氣相最小負荷m3/s操作彈性第六節(jié)

23、精餾塔的附屬設備與接管尺寸的計算塔高板式塔的塔體總高度（不包括裙座）由下式決定： 式中 HD塔頂空間，m； HB塔底空間，m；HT塔板間距，m；HT開有人孔的塔板間距，m； HF進料段高度，m； Np實際塔板數(shù)；S人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）塔頂空間指塔內最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距，通常取HD2.0）HT。故取HD=2HT=0.9m。塔底空間取HB =1.6m。全塔共72塊，考慮清理及維修需要選擇全塔人孔數(shù)為10個。取HF= HT，在進料版上方開一人孔，人孔直徑選為450mm。又HT450,故可以在任意板間開人孔。裙座的相關尺寸計

24、算=D+(160400)=D-(160400)其中D=1700mm，取基礎環(huán)的內外徑與裙座截面積內徑差為200mm=D+200=1900=D-200=1500精餾塔的管口直徑依據流速選取，但塔頂蒸汽出口流速與塔內操作壓力有關，常壓可取1220m/s。取u=15m/s，根據工藝標準，將其圓整為回流量前已算出，回流液的流速范圍為0.20.5m/s；若用泵輸送回流液，流速可取12.5 m/s。取u=2m/s, 根據工藝標準，將其圓整為料液由高位槽自流，流速可取0.40.8 m/s；泵送時流速可取1.52.5m/s。取u=2m/s根據工藝標準，將其圓整為塔釜液出塔的流速可取0.51.0m/s。取u=0

25、.8m/s，根據工藝標準，將其圓整為蒸汽流速：295kPa：2040 m/s；2950 kPa：80 m/s。取u=20m/s, 根據工藝標準，將其圓整為塔頂全凝器塔頂蒸汽立式管殼式冷凝器的設計（標準系列）一、設計任務1.處理能力：105t/a蒸汽2.設備形式：立式列管式冷凝器。二、操作條件，冷凝液于飽和溫度下離開冷凝器；2.冷卻介質：水，入口溫度30，出口溫度1003.允許壓降：不大于105Pa；4.每天按300天，每天按24小時連續(xù)運行。三、設計要求選擇適宜的列管式換熱器并進行核算。塔頂蒸汽立式管殼式冷凝器的設計工藝計算書（標準系列）本設計的工藝計算如下：此為一側流體為恒溫的列管式換熱器的

26、設計。冷卻水走管程，塔頂蒸汽走殼程，有利于蒸汽的散熱和冷凝。2.計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據）下的物性數(shù)據 水的定性溫度為其中入口溫度為，出口溫度為根據熱量衡算有：所以冷卻水的用量式中兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據如下物性流體溫度密度kg/m3粘度mPas比熱容kJ/(kgK)導熱系數(shù)W/(mK)蒸汽水65逆流溫差根據管程走水，殼程走蒸汽，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。立式固定管板式換熱器的規(guī)格如下：材料：鋼管公稱直徑D：900mm2管程數(shù)Np：2管數(shù)n：588管子直徑：.管子排列方式：正三角形換熱器的實際換熱面積該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)（1）計算管程對流傳熱系數(shù) （過渡范圍）故利用化工原理上

27、P165公式（5-63）和P166公式（5-67）得（2）計算殼程對流傳熱系數(shù)因為立式管殼式換熱器，殼程為苯的飽和蒸汽冷凝為飽和液體后離開換熱器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的計算公式計算現(xiàn)假設管外壁溫，則冷凝液膜的平均溫度為下的數(shù)據，在層流下：（3）確定污垢熱阻（4）總傳熱系數(shù)-1. 所選換熱器的安全系數(shù)為表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。（5）核算壁溫與冷凝液流型核算壁溫時，一般忽略管壁熱阻，按以下近似計算公式計算式中，這與假設相差不大，符合要求。核算流型冷凝負荷（符合層流假設）（1）計算管程壓降（Ft結垢校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則，而，于是由化工原

28、理上 公式1-55知對的管子有（滿足）（2）計算殼程壓力降工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下：（Fs為結垢校正系數(shù)，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數(shù)）V=A=（）（）=0.144= =流體流經管束的阻力F為管子排列方式對壓強降的校正系數(shù)，正三角形排列F. 為殼程流體的摩擦系數(shù):當為橫過管束中心線的管數(shù)，管子按正三角形排列：=30。折流板間距，折流板數(shù)流體流經折流板缺口的阻力由此可知，所選換熱器是合適的。塔釜再沸器（不計塔的熱損失） 苯乙烯熱虹吸式再沸器的設計工藝計算書（一）、設計任務1.處理能力：的乙苯與苯乙烯混合物（由于乙苯含量為0.0196,可以看成純苯乙烯.）2.設備形式：熱虹吸式再沸器。（二）、操作條件1.苯乙烯：，取145，蒸汽于飽和溫度下離開再沸器；2.冷卻介質：為水蒸氣，入口溫度180，出口溫度為180；3.允許壓降：不大于105Pa；4.每年按300天，每天按24小時連續(xù)運行。（三）、本設計工藝計算如下殼程走水蒸氣，管程走苯乙烯苯乙烯在145下ms1=Q = =根據熱量衡算有：可