苯甲苯二元混合液連續(xù)精餾裝置的設計 化工原理課程設計

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1、 目 錄 目 錄 1 前 言 2 設計任務 3 一. 設計項目 3 二. 設計條件 3 三. 設計內容與要求 3 設計計算 4 一. 精餾塔的物料衡算 4 1.1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分數 4 1.2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量 4 1.3 物料衡算原料處理量 4 二. 理論塔板的計算 5 2.1. 理論塔板數的的求取 5 三. 精餾段的工藝條件及有關物性數據的衡算 6 3.1 操作壓力計算 6 3.2 操作溫度計算 7 3.3 平均摩爾質量計算 7 3.4 平均密度計算 8 3.5 液相平均

2、表面張力計算 9 3.6 混合物的平均粘度 10 四．精餾塔的塔體工藝尺寸計算 11 4.1 塔徑的計算 11 4.2有效高度計算 13 五．塔板主要工藝尺寸的計算 13 5.1 溢流裝置的計算 13 5.2. 塔板分布 15 六. 篩板的流體力學計算 16 6.1 塔板的壓降 16 6.2 液面落差 17 6.3 液沫夾帶 18 6.4 漏液 18 6.5 液泛 19 七. 塔板負荷性能圖 20 7.1 漏液線 20 7.2 液沫夾帶線 21 7.4 液相負荷下限線 22 7.5 液相負荷上限線 23 7.6 液泛線 23

3、 八.篩板塔設計計算結果 25 九.塔附件的設計 27 9.1 接管 27 9.1.1 進料管 27 9.1.2 回流管 27 9.1.3 塔底出料管 28 9.1.4 塔頂蒸汽出料管 28 9.1.5 塔底進氣管 28 9.2 筒體與封頭 29 9.2.1 筒體 29 9.2.2 封頭 29 9.3 除沫器 29 9.4 裙座 29 9.5 人孔 30 十.塔總體高度的設計 30 10.1 塔的頂部空間高度 30 10.2 塔的底部空間高度 30 10.3 塔總體高度 30 結論 31 參考文獻 31 塔設備總裝配圖或工藝

4、條件圖 32 前 言 塔是具有一定形狀（截面大多是圓形）、一定容積、內外裝置一定附件的容器。 　　用以使氣體與液體、氣體與固體、液體與液體或液體與固體密切接觸，并促進其相互作用，以完成化學工業(yè)中熱量傳遞和質量傳遞過程。 根據塔內氣液接觸構件的結構形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。 塔設備中常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻和回收氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕和減濕等。 塔設備應滿足的條件：氣液兩相能充分接觸、生產能力及彈性大、操作穩(wěn)定、流體流動阻力小、結構簡單、材料耗用量少、制造和安裝容易、耐腐蝕和不易阻塞、調

5、節(jié)及檢修方便。 板式塔處理量大、效率高、清洗檢修方便且造價低，故工業(yè)上多采用板式塔。因而本設計要求設計板式塔。 設計任務 一. 設計項目 苯-甲苯二元混合液連續(xù)精餾裝置的設計 二. 設計條件 1.原料液處理量：45000噸/年（每年按天生產日計算） 2.進料液苯含量：(質量分率) 3.進料狀態(tài)：泡點進料 即 4.塔頂餾出液中苯含量：（質量分率） 5.塔底苯含量：（質量分率） 6.回流方式：泡點回流 7.操作壓力：常壓 8.塔板類型：篩板塔板 9.全塔效率：0.52 三. 設計內容與要求 1.繪制工藝流程圖 2.繪制塔設備總裝配圖或工藝條件

6、圖 3.編制工藝設計說明書 設計計算 一. 精餾塔的物料衡算 1.1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分數 苯的摩爾質量 甲苯的摩爾質量 1.2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量 = = = 1.3 物料衡算原料處理量 總物料衡算： 苯物料衡算： 聯(lián)立解得 二. 理論塔板的計算 2.1. 理論塔板數的的求取 苯-甲苯屬理想物系，可采用逐板法求出理論塔板數。 求最小回流比及操作回流比 ， 故最小回流比： 取操

7、作回流比： 求精餾塔的氣、液相負荷 本設計為泡點進料，，故: 求操作線方程 精餾段操作線方程為： 提餾段操作線方程為： 逐板法求理論塔板數 采用逐板法求理論塔板數，求解結果如下： 表1： X 0.919422 Y 0.966 0.850303 0.933965 0.758734 0.886757 0.653144 0.824215 0.549227 0.752097 0.461737 0.681122 0.353013 0.576021 0.23858

8、0.438267 0.142854 0.293281 0.077 0.171996 0.037556 0.088558 0.015861 0.038583 總理論塔板數： (包括再沸器) 進料板位置： 2.2 實際塔板數的求取 已知全塔效率為0.52 精餾段實際板層數 提餾段實際板層數： 三. 精餾段的工藝條件及有關物性數據的衡算 3.1 操作壓力計算 塔頂操作壓力 P 每層塔板壓降 進料板壓力 塔底操作壓力 精餾段平均壓力

9、 提餾段平均壓力 3.2 操作溫度計算 由安托尼方程可計算出進料溫度 80.7 90.9 ： 108.9 精餾段平均溫度為 提餾段平均溫度為 3.3 平均摩爾質量計算 塔頂平均摩爾質量計算 由,查表1得 塔底平均摩爾質量計算 由，得 進料板平均摩爾質量計算 由表可得， ,查表1得 精餾段平均摩爾質量 提餾段平均摩爾質量 3.4 平均密度計算 氣相平均密度計算 精餾段： 提餾段： 液相平均密度計算 液相平均密度計算公式： 塔頂液相平均密度的計算 由，可根據計算公式：

10、 計算出 塔底液相平均密度計算 由，可由上式 計算出 進料板液相平均密度的計算 由，可計算出 進料板液相質量分數計算： 精餾段液相平均密度： 精餾段液相平均密度： 3.5 液相平均表面張力計算 液相的平均表面張力依下式計算 塔頂液相平均表面張力計算 由，根據計算公式計算： 計算得 塔底液相平均表面張力計算 由,根據上式可 計算出 進料板液相平均表面張力計算 由，根據計算公式計算，可得 精餾段平均表面張力為： 提餾段平均表面張力為：

11、 3.6 混合物的平均粘度 液相平均粘度依下式計算： 塔頂液相平均粘度的計算 由，根據計算公式計算： 計算出 塔底液相平均粘度的計算 由,根據上式可 計算出 進料板液相平均粘度的計算 由，根據計算公式計算，可得 精餾段液相平均表面粘度為： 提餾段液相平均表面粘度為： 四．精餾塔的塔體工藝尺寸計算 4.1 塔徑的計算 精餾段的氣、液相體積流率為： 因為，其中需查表 圖的橫坐標為 取板間距為，板上液層高度，則 查史密斯關聯(lián)圖，得

12、 令安全系數為0.7，則空塔氣速為 0.7 按標準塔徑圓整，則精餾段塔徑為： 。 精餾段塔的截面積： 實際空塔氣速為 ： 提餾段的氣、液相體積流率為： 因為，其中需查表 圖的橫坐標為 取板間距為，板上液層高度，則 查史密斯關聯(lián)圖，得 令安全系數為0.7，則空塔氣速為 =0.7 按標準塔徑圓整，則提餾段塔徑為： 。 提餾段塔的截面積： 實際空塔氣速為 ： 4.2有效高度計算 精餾段有效高度為： 提餾段有效高度為： 在進料板上方開一個人孔，其高度為0.8m，故精餾

13、塔的有效高度為： 五．塔板主要工藝尺寸的計算 因塔徑小于1米，可選用單溢流弓形降液管，凹形受液盤。 5.1 溢流裝置的計算 堰長 取 溢流堰高度 精餾段溢流高度計算 由,采用平直堰，堰上液高度按下式計算： （近似?。? 又，取，所以 提餾段溢流高度計算 由,采用平直堰，堰上液高度按下式計算： （近似取） 又，取，所以 弓形降液管寬度和截面積 精餾段和提餾段： 由,查弓形降液管參數圖，得 ， 故： 驗算液體在降液管中的停留時間，可用公式 精餾段液提在降液管中的停留時間為： 停留時間，故降液管

14、設計合理。 提餾段液提在降液管中的停留時間為： 停留時間，故降液管設計合理。 降液管底隙高度 取降液管底隙的流速， 則精餾段降液管底隙高度為： 提餾段降液管底隙高度為： 則符合要求，選用凹形受液盤，深度 5.2. 塔板分布 塔板的分塊 因，故采用塔板分塊式，經查表（塔板分塊數表）得，塔板分為三塊 邊緣區(qū)寬度確定 取 開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積計算式 其中 故 m2 篩孔計算及其排列 選用碳鋼板，取篩孔直徑 篩板按正三角形排列，取空中心距 篩孔數目 開孔率

15、 精餾段氣體通過篩孔的氣速 提餾段氣體通過篩孔的氣速 六. 篩板的流體力學計算 6.1 塔板的壓降 干板阻力計算 干板阻力計算式： 由，查表可知 故精餾段 提餾段 氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力計算式： 精餾段： 查圖可知： 故 提餾段： 查圖可知： 故 液體表面張力的阻力計算 精餾段液體表面張力所產生的阻力計算： 氣體通過每層塔板的液柱高度 其體通過每層塔板的壓降為 （設計允許值） 提餾段液體表面張力所產生的阻力計算： 氣體通

16、過每層塔板的液柱高度 其體通過每層塔板的壓降為 （設計允許值） 6.2 液面落差 對于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 6.3 液沫夾帶 液沫夾帶量由式計算： 精餾段： 所以液沫夾帶量符合要求。 ，所以液沫夾帶量符合要求。 提餾段： 所以液沫夾帶量符合要求。 ，所以液沫夾帶量符合要求。 6.4 漏液 精餾段： 對篩板塔，漏液點氣速 實際孔速 ， 穩(wěn)定系數K為 故在本設計中無明顯漏液 提餾段： 對篩板塔，漏液點氣速 實際孔速

17、穩(wěn)定系數K為 故在本設計中無明顯漏液 6.5 液泛 為防止塔內發(fā)生液泛，要求降液管內液層高 由于苯-甲苯物系屬一般物系，取，則： 精餾段： 而 板上不設進堰口，則 所以 <0.2234m 可見，故在本設計中不會發(fā)生液泛現象。 提餾段： 而 板上不設進堰口，則 所以 <0.2234m 可見，故在本設計中不會發(fā)生液泛現象。 七. 塔板負荷性能圖 7.1 漏液線 精餾段： 由 得： 得： 整理得 ：

18、 在操作范圍內，任取若干LS值，算出相應的VS值。計算如表所示： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 0.0015 0.474 0.0030 0.49 0.0045 0.504 0.0060 0.516 由此表數據即可作出精餾段漏液線1 提餾段： 由 得： 得： 整理得 ： 在操作范圍內，任取若干LS值，算出相應的VS值。計算如表所示： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 0.0015 0.435 0.0

19、030 0.451 0.0045 0.465 0.0060 0.476 由此表數據即可作出提餾段漏液線1 7.2 液沫夾帶線 精餾段： 以為限，求Vs-Ls關系： 整理得： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 0.0015 1.698 0.0030 1.599 0.0045 1.516 0.0060 1.44 由此表數據即可作出液沫夾帶線2 提餾段： 以為限，求Vs-Ls關系：

20、 整理得： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 0.0015 1.803 0.0030 1.706 0.0045 1.624 0.0060 1.551 由此表數據即可作出液沫夾帶線2 7.4 液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。 精餾段和提餾段： 則： 取，則： 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3 7.5 液相負荷上限線 以作為液體在降液管

21、中停留的時間： 精餾段和提餾段： 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。 7.6 液泛線 令 聯(lián)立得： 忽略,將與,與,與的關系代入上式得： 精餾段： 將有關數據代入，得： 即： 在操作范圍內，任取若干LS值，算出相應的VS值。計算如表所示： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/m3?s-1 VS/m3?s-1

22、0.0015 1.645 0.0030 1.569 0.0045 1.485 0.0060 1.387 根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如下： 在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，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。由圖可得： 故操作彈性為： 提餾段： 將有關數據代入，得： 即： 在操作范圍內，任取若干LS值，算出相應的VS值。計算如表所示： LS/m3?s-1 VS/m3?s-1 LS/

23、m3?s-1 VS/m3?s-1 0.0015 1.677 0.0030 1.520 0.0045 1.485 0.0060 0.895 根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如下： 在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，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。由圖可得： 故操作彈性為： 八.篩板塔設計計算結果 序號 項目 數值 精餾段 提餾段 1 平均溫度 85.5 94

24、.8 2 平均壓力 108.8 116.5 3 氣相流量 0.863 0.879 4 液相流量 0.0022 0.0045 5 實際塔板數 22 6 有效段高度 8.8 7 塔徑，m 1.2 8 板間距，m 0.4 9 溢流形式 單溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰長 0.792 12 堰高 0.0468 0.0388 13 板上液層高度，m 0.06 14 堰上液層高度，m 0.0132 0.0212 15 降液管底隙

25、高度,m 0.0111 0.0227 16 安定區(qū)高度,m 0.065 17 邊緣區(qū)高度,m 0.035 18 開孔區(qū)面積,cm 0.798 19 篩孔直徑,m 0.005 20 篩孔數目 4096 21 孔中心距,m 0.015 22 開孔率,% 10.1% 23 空塔氣速m/s 0.763 0.777 24 篩孔氣速m/s 10.707 10.906 25 穩(wěn)定系數 1.789 1.888 26 每層塔板壓降,kPa 0.5

26、846 0.6014 27 負荷上限 液泛控制 28 負荷下限 液泛控制 29 液沫夾帶 0.0124 0.0141 30 液相負荷上限,m/s 0.008166 31 液相負荷下限,m 0.000676 32 操作彈性 3.25 2.81 九.塔附件的設計 9.1 接管 9.1.1 進料管 進料管的結構類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設計采用直管進料管。管徑計算如下： 取 查標準系列選取 9.1.2 回流管 采用直

27、流回流管 取 查標準系列選取 9.1.3 塔底出料管 取 ， 查標準系列選取 9.1.4 塔頂蒸汽出料管 直管出氣 取出口氣速 查標準系列選取 9.1.5 塔底進氣管 采用直管 取氣速 查標準系列選取 9.2 筒體與封頭 9.2.1 筒體 由D=1200mm,焊縫系數取得 壁厚選6mm，所用材質為鋼板。 9.2.2 封頭 封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設計采用橢圓形封頭，由公稱直徑D=1200mm，查得曲面高度，直邊高度，內表面積，容積。選用封頭N7006,JB/T4746-2002。 9.3

28、 除沫器 當空塔氣速較大，塔頂帶液現象嚴重，以及工藝過程中不許出塔氣速夾帶霧滴的情況下，設置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、絲網除沫器以及程流除沫器。本設計采用絲網除沫器，其具有比表面積大、重量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點。 設計氣速選取： 系數 除沫器直徑： 選取不銹鋼絲網除沫器， 類型：標準型；規(guī)格：40-100；材料：不銹鋼絲網（1Cr18Ni9Ti）；絲網尺寸：圓絲 9.4 裙座 塔底采用裙座支撐，裙座的結構性能好，連接處產生的局部阻力小，所以它是塔設備的主要支座形

29、式，為了制作方便，一般采用圓筒形。選取裙座壁厚為16mm。 基礎環(huán)內徑： 基礎環(huán)外徑： 圓整：，，；基本環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，所以本設計選擇裙座高度為2m，地腳螺栓直徑取M30 9.5 人孔 人孔是安裝或檢修人員進出塔的唯一通道，人孔的設置應便于進入任何一層塔板，由于設置人孔處塔間距離大，且人孔設備過多會使制造時塔體的彎曲度難于達到要求，一般每隔6~8塊塔板才設一個人孔，本塔中共23塊板，需設置3個人孔，每個孔直徑為600mm，在設置人孔處，板間距為1000mm，裙座和塔頂上應開1個人孔，直徑為600mm,人孔伸入塔內部應與塔內壁修平，其邊緣需倒棱和磨

30、圓。 十.塔總體高度的設計 10.1 塔的頂部空間高度 塔的頂部空間高度是指塔頂第一層塔盤到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一塊板的距離為600mm，塔頂部空間高度為1200mm。 10.2 塔的底部空間高度 塔底液面至最下層塔板之間要留有1~2m的間距，則取塔底空間為1.5m。 10.3 塔總體高度 式中：H—塔高m； n—實際塔板數； nF—進料板數； HF—進料板處板間距，m； nP—手孔數；

31、 HP—設手孔處板間距，m； HD—塔頂空間，m； HB—塔底空間，m； H1—封頭高度，m； H2—裙座高度，m。 所以： 塔設備總裝配圖或工藝條件圖 精餾段： 提餾段： 結論 本次課程設計為《化工原理》設計，要求通過給定的操作條件自行設計一套苯-甲苯物系的篩板塔。 通過一段時間的努力，終于設計出了一套篩板塔設備。雖然過程不是很順利，但看到自己的成果，心里還是無比欣慰的。通

32、過這次設計，是我學到了很多，如何去學會找資料計算一些自己根本無從下手的東，如：用圖解法求理論塔板數、浮閥數的求取等等。以及如何制圖，如：精餾塔塔體的繪制、精餾流程圖的繪制等等。還有塔板負荷性能圖的繪制就需要利用excel。并且，設計的本身就是在精餾的過程上進行的，這就要求我們對課本的相關知識點有一定的掌握。 不過，本設計中對一些數值的選取均采用的是經驗值或參考值，這就使計算結果不夠精確，另外有些計算是為了方便計算或受實際情況的限制不能進行考察，忽略或省略了某些因素，這些對設計的結果都產生一定的影響。 不過，總的來說，利遠遠是大于弊的。我們要在學習當中不斷的摸索前進，勇于實踐，這樣才能了解更多，學習更多。 參考文獻 1.李德華.化學工程基礎[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.7 2.王國勝.化工原理課程設計[M].大連：大連理工大學出版社，2006.8 33