化工原理课程设计-苯-甲苯精馏塔设计

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资料
前言
化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节,通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法;学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧;掌握各种结果的校核,能画出工艺流程、塔板结构等图形。

在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性,还要考虑生产上的安全性、经济合理性。

化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的,精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。

塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。

前者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔。

筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点:生产能力大于10.5%,板效率提高产量15%左右;而压降可降低30%左右;另外筛板塔结构简单,消耗金属少,塔板的造价可减少40%左右;安装容易,也便于清理检修。

本次课程设计为年处理含苯质量分数36%的苯-甲苯混合液4万吨的筛板精馏塔设计,塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。

它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质及传热的目的。

在设计过程中应考虑到设计的精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求,另外还要有一定的潜力。

节省能源,综合利用余热。

经济合理,冷却水进出口温度的高低,一方面影响到冷却水用量。

另一方面影响到所需传热面积的大小。

即对操作费用和设备费用均有影响,因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。

目录
第一章绪论 (1)
1.1 精馏条件的确定 (1)
1.1.1 精馏的加热方式 (1)
1.1.2 精馏的进料状态 (1)
1.1.3 精馏的操作压力 (1)
1.2 确定设计方案 (1)
1.2.1 工艺和操作的要求 (2)
1.2.2 满足经济上的要求 (2)
1.2.3 保证安全生产 (2)
第二章设计计算 (3)
2.1 设计方案的确定 (3)
2.2 精馏塔的物料衡算 (3)
2.2.1 原料液进料量、塔顶、塔底摩尔分率 (3)
2.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (3)
2.2.3 物料衡算 (3)
2.3 塔板计算 (4)
2.3.1 理论板数NT的求取 (4)
2.3.2 全塔效率的计算 (6)
2.3.3 求实际板数 (7)
2.3.4 有效塔高的计算 (7)
2.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (8)
2.4.1 操作压力的计算 (8)
2.4.2 操作温度的计算 (8)
2.4.3 平均摩尔质量的计算 (8)
2.4.4 平均密度的计算 (10)
2.4.5 液体平均表面张力的计算 (11)
2.4.6 液体平均黏度的计算 (12)
2.4.7 气液负荷计算 (13)
2.5 塔径的计算 (13)
2.6 塔板主要工艺尺寸的计算 (15)
2.6.1 溢流装置计算 (15)
2.6.2 塔板布置 (18)
2.7 筛板的流体力学验算塔板压降 (19)
2.7.1 精馏段筛板的流体力学验算塔板压降 (19)
2.7.2 提馏段筛板的流体力学验算塔板压降 (21)
2.8 塔板负荷性能图 (23)
2.81 精馏段塔板负荷性能图 (23)
2.82 提馏段塔板负荷性能图 (26)
第三章设计结果一览表 (30)
第四章板式塔结构 (31)
4.1 塔顶空间 (31)
4.2 塔底空间 (31)
4.3 人孔 (31)
4.4 塔高 (31)
第五章致谢 (34)
参考文献 (35)
第一章绪论
1.1 精馏条件的确定
本精馏方案适用于工业生产中苯-甲苯溶液二元物系中进行苯的提纯。

精馏塔苯塔的产品要求纯度很高,而且要求塔顶、塔底产品同时合格,普通的精馏温度控制远远达不到这个要求。

故在实际生产过程控制中只有采用灵敏板控制才能达到要求。

故苯塔采用温差控制。

1.1.1 精馏的加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热,设置再沸器。

有时也可采用直接蒸汽加热。

然而,直接蒸汽加热,由于蒸汽的不断通入,对塔底溶液起了稀释作用,在塔底易挥发物损失量相同的情况下,塔底残液中易挥发组分的浓度应较低,因而塔板数稍有增加。

采用直接蒸汽加热时,加热蒸汽的压力要高于釜中的压力,以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。

1.1.2 精馏的进料状态
进料状态直接影响到进料线(q线)、操作线和平衡关系的相对位置,对整个塔的热量衡算也有很大的影响。

和泡点进料相比:若采用冷进料,在分离要求一定的条件下所需理论板数少,不需预热器,但塔釜热负荷(一般需采用直接蒸汽加热)从总热量看基本平衡,但进料温度波动较大,操作不易控制;若采用露点进料,则在分离要求一定的条件下,所需理论板数多,进料前预热器负荷大,能耗大,同时精馏段与提馏段上升蒸汽量变化较大,操作不易控制,受外界条件影响大。

泡点进料介于二者之间,最大的优点在于受外界干扰小,塔内精馏段、提馏段上升蒸汽量变化较小,便于设计、制造和操作控制。

故此设计采用泡点进料。

1.1.3 精馏的操作压力
精馏操作在常压下进行,因为苯沸点低,适合于在常压下操作而不需要进行减压操作或加压操作。

同时苯物系在高温下不易发生分解、聚合等变质反应且为液体(不是混合气体)。

所以,不必要用加压或减压精馏。

另一方面,加压或减压精馏能量消耗大,在常压下能操作的物系一般不用加压或减压精馏。

1.2 确定设计方案
确定设计方案总的原则是在可能的条件下,尽量采用科学技术上的最新成就,使生
产达到技术上最先进、经济上最合理的要求,符合优质、高产、安全、低消耗的原则。

为此,必须具体考虑如下几点:
1.2.1 工艺和操作的要求
所设计出来的流程和设备,首先必须保证产品达到任务规定的要求,而且质量要稳定,这就要求各流体流量和压头稳定,入塔料液的温度和状态稳定,从而需要采取相应的措施。

其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性,各处流量应能在一定范围内进行调节,必要时传热量也可进行调整。

因此,在必要的位置上要装置调节阀门,在管路中安装备用支线。

计算传热面积和选取操作指标时,也应考虑到生产上的可能波动。

再其次,要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计,流量计等)及其装置的位置,以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常,从而帮助找出不正常的原因,以便采取相应措施。

1.2.2 满足经济上的要求
要节省热能和电能的消耗,减少设备及基建费用。

如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热,就能节约很多生蒸汽和冷却水,也能减少电能消耗。

又如冷却水出口温度的高低,一方面影响到冷却水用量,另方面也影响到所需传热面积的大小,即对操作费和设备费都有影响。

同样,回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。

1.2.3 保证安全生产
例如苯属有毒物料,不能让其蒸汽弥漫车间。

又如,塔是指定在常压下操作的,塔内压力过大或塔骤冷而产生真空,都会使塔受到破坏,因而需要安全装置。

以上三项原则在生产中都是同样重要的。

但在化工原理课程设计中,对第一个原则应作较多的考虑,对第二个原则只作定性的考虑,而对第三个原则只要求作一般的考虑。

第二章 设计计算
2.1 设计方案的确定
本设计采用连续精馏流程,饱和液体进料。

塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。

该物系属于易分离物系,最小回流比比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。

塔釜采用饱和蒸汽间接加热,塔底产品冷却后送至储罐。

2.2 精馏塔的物料衡算
2.2.1 原料液进料量、塔顶、塔底摩尔分率
(生产能力)进料量:F=85000t/年
苯的摩尔质量 M A =78.11Kg/mol
甲苯的摩尔质量 M B =92.13Kg/mol
44.013
.92/6.011.78/4.011.78/4.0=+=F X 839.013
.92/02.011.78/89.011.78/89.0=+=D X 420.013
.92/89.011.78/20.011.78/20.0=+=W X 2.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
()kmol Kg M F /5.9612813.92)44.01(11.7844.0=⨯-+⨯=
()kmol Kg M D /78.4013.92)983.01(11.78983.0=⨯-+⨯=
()kmol Kg M W /79.9113.92)420.01(11.78420.0=⨯-+⨯=
2.2.3 物料衡算
原料处理量 ()h kmol F /1037.17200
5.96128850000002⨯=⨯=
总物料衡算 F=D+W =137kmol/h
苯物料衡算 W D F 024.0983.044.0+= 联立解得:
D=59.43Kmol/h W=77.57Kmol/h
2.3 塔板计算
2.3.1 理论板数NT 的求取
(1)相对挥发度的求取
查 温度-组成 图得t d =80℃ t w=92.6℃(由表2)
当取t d =80℃时
kp P A 33.101=︒ kp P B 40=︒
53.2001==B A P P α 当取 t d =92.6℃时
kp P A 004.146=︒ ,kp P B 94.58=︒
48.22==︒︒B A P P α 5.248.253.221=⨯==ααα
(2)最小回流比的求取
由于是饱和液体进料,有q=1,q 线为一垂直线,故44.0==F P x x ,根据相平衡方程有
x
x x y P P P 5.11x 5.2)1(1+=-+=αα 最小回流比为 ()44.11111min =⎥⎦
⎤⎢⎣⎡----=F D F D X X X X R αα 对于平衡曲线不正常情况下,取回流比R=(1.1-2)R min
R=1.5R min =2.16
(3)精馏塔的气、液相负荷
()h Kmol RD L /37.12843.596.12=⨯==
()h Kmol D R V /80.18743.59)6.121()1(=⨯+=+= ()
h Kmol qF RD L /37.265113743.5916.2'=⨯+⨯=+=
()()()()()h Kmol F F q D R V /80.1871143.59116.211'=--⨯+=--+=
(4)操作线方程
精馏段操作线方程
311.0684.016
.3983.0116.216.2111+=++=+++=+x x R x x R R y n D n n 提馏段操作线方程 010.0413.11-='
-''=+m w m m x V Wx x V L y (5)逐板法求理论板数计算过程如下
相平衡方程 ()x
x y 11-+=αα 即 x x y 5.115.2+= 变形得: y
y x 5.15.2-= 精馏段操作线方程
311.0684.01+=+x y n
提馏段操作线方程
010.0413.11-=+m m x y
用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算:
983.01==D x y ()
959.011111=-+=y y y x α 967.0311.0684.012=+=x y 921.05.15.22
22=-=y y x 941.0311.0684.023=+=x y 864.05.15.23
33=-=y y x 787.0311.0684.034=+=x y 787.05.15.24
44=-=y y x 902.0311.0684.035=+=x y 69.05.15.25
55=-=y y x 902.0311.0684.035=+=x y 69.05.15.2555=-=
y y x
783.0311.0684.036=+=x y 591.05.15.25
56=-=y y x 715.0311.0684.037=+=x y 501.05.15.25
57=-=y y x 654.0311.0684.038=+=x y 43.05.15.2558=-=
y y x 44.043.08=<=F x x
故精馏段理论板数n=7
用提馏段操作线和相平衡方程继续逐板计算: 60.001.0413.189=-=x y 375.05.15.29
99=-=y y x 52.001.0413.1910=-=x y 30.05.15.210
1010=-=y y x 42.001.0413.11011=-=x y 22.05.15.211
1111=-=y y x 15.001.0413.11112=-=x y 15.05.15.212
1212=-=y y x 09.001.0413.11213=-=x y 09.05.15.213
1313=-=y y x 12.001.0413.11314=-=x y 05.05.15.214
1414=-=y y x 06.001.0413.11415=-=x y 026.05.15.215
1515=-=y y x 026.001.0413.11516=-=x y 010.05.15.2161616=-=
y y x 04.0010.016=<=W x x
故提馏段理论板数n=8(不包括再沸器)
2.3.2 全塔效率的计算
由 td=80℃ tw=92.6℃
计算出 tm=93.5℃ 根据表6分别查得苯、甲苯在平均温度下的粘度 内差法计算出 ()S mPa A ⋅=271.0μ,()S mPa B ⋅=278.0μ 平均粘度由公式,得
()S mPa L ⋅=⨯+⨯=275.0278.056.0271.044.0μ 根据奥康奈尔(O`connell )公式计算全塔效率T E ()()
537.0275.05.249.049.0245
.0245
.0=⨯⨯==--L T E αμ
2.3.3 求实际板数
精馏段实际板层数
(块)
精13537
.07
≈=
N 提馏段实际板层数
(块)
提15537
.08
≈=
N 全塔共有塔板28块,进料板在第14块板。

2.3.4 有效塔高的计算
精馏段有效塔高
()m Z 8.44.01131=⨯-= 提馏段有效塔高
()m Z 6.54.01152=⨯-=
在精馏段和提馏段各设人孔一个,高度为600mm, 故有效塔高m Z 6.1126.06.58.4=⨯++=
2.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
2.4.1 操作压力的计算
塔顶操作压力P =101.3 kPa 每层塔板压降 △P =0.7 kPa
进料板压力F P =101.3+0.7×13=110.4kPa 塔底操作压力w P =101.3+0.7×15=111.8kPa
精馏段平均压力1
m P =(101.3+110.4)/2=105.85 kPa
提馏段平均压力
2
m P =(110.4+111.8)/2 =111.1kPa
2.4.2 操作温度的计算
=D t 塔顶温度80℃
6.92=F t 进料板温度℃ 107=W t 塔底温度℃
精馏段平均温度1m t =( 80+92.6)/2 = 86.3℃
提馏段平均温度2m t =(92.6+107)/2 =99.8℃ 2.4.3 平均摩尔质量的计算
塔顶平均摩尔质量计算
由带入相平衡方程由983.01==y X D ,得x 1=0.959
()()kmol kg M m D L /69.7813.92959.0111.78959.0,=⨯-+⨯=
()()kmol kg M m D V /35.7813.92983.0111.78983.0,=⨯-+⨯=
进料板平均摩尔质量计算
由上面理论板的算法,得F y =0.654, F x =0.43
()()kmol kg M m F V /96.8213.92654.0111.78654.0,=⨯-+⨯= ()()kmol kg M m F L /10.8613.9243.0111.7843.0,=⨯-+⨯=
塔底平均摩尔质量计算
由W x =0.01,由相平衡方程,得W y =0.026
)/(77.9113.92)026.01(11.78026.0,kmol kg M m W V =⨯-+⨯=
)/(99.9113.92)01.01(11.7801.0,kmol kg M m W l =⨯-+⨯= 精馏段平均摩尔质量
)/(655.802
96
.8235.78kmol kg M m V =+=
)/(40.822
10
.8669.78kmol kg M m L =+=
提馏段平均摩尔质量
)/(37.872
77
.9196.82kmol kg M m V =+=
)/(05.892
99
.9110.86kmol kg M m L =+=
2.4.4 平均密度的计算
①气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算,精馏段的平均气相密度即
())/(86.215.2733.86314.866
.8085.1053m kg RT PM M VM V m
=+⨯⨯==ρ
提馏段的平均气相密度
())/(13.315.2738.99314.837
.871.1113,m kg RT PM M VM V m
=+⨯⨯==
ρ
②液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算,即 LB B
LA
A
L
a a m
ρρρ+=1
由t D =80℃,查手册得
3/815m kg A =ρ 3/810m kg B =ρ
塔顶液相的质量分率 求得 98.0=A α
810
02
.081498.01
,+
=
m
D
L ρ 得 3,/9.814m kg m D L =ρ 由t f =92.06℃,查共线图得
3/9.800m kg A =ρ 3/63.797m kg B =ρ
塔顶液相的质量分率 求得()39.013
.9243.0111.7843.011
.7843.0=⨯-+⨯⨯=
A α
63
.79761
.009.80039.01
,+
=
m
F
L ρ 得 3,/800m kg m F L =ρ
c.塔底液相平均密度的计算 由t w =107℃,
3/96.783m kg A =ρ 3/3.783m kg B =ρ
塔顶液相的质量分率 ()085.013
.9201.0111.7801.011
.7801.0=⨯-+⨯⨯=
A α
3
.783085
.0196.783085.01
,-+
=
m
W
L ρ 得 3,/730m kg m W L =ρ 精馏段液相平均密度为 ()
3/45.8072
800
9.814m kg Lm =+=
ρ 提馏段液相平均密度为
()
3/7652
730
800m kg Lm =+=
ρ 2.4.5 液体平均表面张力的计算
由公式:∑==n
L L L Lm x 1
σσ
a.塔顶液相平均表面张力的计算
由 t D =80℃,查手册 )/(27.21m mN A =σ )/(69.21m mN B =σ
)/(28.2169.21017.027.21983.0,m mN Dm L =⨯+⨯=σ b.进料板液相平均表面张力的计算 由t F =92.06℃,查共线图得
)/(75.19m mN A =σ )/(42.20m mN B =σ
)/(13.2042.2057.075.1943.0,m mN Fm L =⨯+⨯=σ
c.塔底液相平均表面张力的计算 由t w =107℃,查共线图得
)/(02.18m mN A =σ )/(87.18m mN B =σ
)/(86.1887.1899.002.1801.0,m mN Wm L =⨯+⨯=σ
精馏段液相平均表面张力为 )/(21.202
13
.2028.21m mN Lm =+=
σ
提馏段液相平均表面张力为
)/(50.192
86
.1813.20,m mN Lm =+=
σ
2.4.6 液体平均黏度的计算
由公式:及查手册得 塔顶液相平均黏度的计算 由 t D =80℃,查共线图得
)(308.0s mPa A ⋅=μ )(311.0s mPa B ⋅=μ
)(308.0311.0017.0308.0983.0,s mPa Dm L ⋅=⨯+⨯=μ
a. 进料板液相平均黏度的计算 由t F =92.06℃,查共线图得
)(273.0s mPa A ⋅=μ )(286.0s mPa B ⋅=μ )(28.0286.057.043.0273.0,s mPa Fm L ⋅=⨯+⨯=μ b. 塔底液相平均黏度的计算 由t w =107℃,查共线图得
)(257.0s mPa A ⋅=μ )(26.0s mPa B ⋅=μ
)(26.0257.099.024.001.0,s mPa Wm L ⋅=⨯+⨯=μ 精馏段液相平均黏度为 )(294.02280
.0308.0s mPa Lm ⋅=+=
μ
提馏段液相平均黏度为
)(27.02
26
.0280.0,s mPa Lm ⋅=+=
μ
2.4.7 气液负荷计算
精馏段:
h kmol D R V /80.18743.59)116.2()1(=⨯+=+=
s m VM Vs Vm Vm /47.186
.2360066
.808.18736003=⨯⨯==
ρ
h kmol RD L /37.12843.5916.2=⨯==
s m VM Ls Lm Lm /0036.045
.80736004
.8237.12836003=⨯⨯==
ρ
提馏段:
h kmol F q D R V /8.18743.59)116.2()1()1(=⨯+=-++=
s m VM Vs Vm Vm /46.113
.3360037
.878.18736003=⨯⨯==
ρ
h kmol qF RD L /37.265137143.5916.2=⨯+⨯=+=
s m VM Ls Lm Lm /0086.0765
360005
.8937.26536003=⨯⨯==
ρ
2.5 塔径的计算
塔板间距H T 的选定很重要,它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性,以及塔的安装、检修等都有关。

可参照下表所示经验关系选取。

对精馏段:
初选板间距m H T 40.0=,取板上液层高度m h L 06.0=,
0.400.060.34T L H h m
-=-=;
041
.086.245.80747.10036.05
.05
.0=⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛V L S
S V L ρρ
查史密斯关联图 得C 20=0.070;依式
2
.02020⎪
⎭⎫
⎝⎛=σC C 校正物系表面张力为
时m mN /99.20=σ
073
.02021.20074.0202
.02
.020=⎪


⎝⎛⨯=⎪


⎝⎛=σC C
s m C
u V V L /224.186
.286
.245.807073.0max =-⨯=-=ρρρ 可取安全系数为0.7,则(安全系数0.6—0.8),
m u Vs D 478.1857
.014.347.144=⨯⨯==
π s m u u /857.0224.17.07.0max =⨯==
按标准塔径圆整为1.6m,则空塔气速0.73m/s 。

对提馏段:
初选板间距m H T 40.0=,取板上液层高度m h L 06.0=, 故m h H T L 034.0=-;
092
.013.376546.10086.05
.05
.0=⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛V
L S
S
V L ρρ
查史密斯关联图 得C 20=0.065;依式
2
.02020⎪
⎭⎫
⎝⎛=σC C
校正物系表面张力为时m mN /58.19=σ
065
.02050.19068.0202
.02
.020=⎪


⎝⎛⨯=⎪


⎝⎛=σC C
s m C
u V V L /01.113
.313
.3765067.0max =-⨯=-=ρρρ 可取安全系数为0.7,则(安全系数0.6—0.8),故
s m u u /707.001.17.07.0max =⨯== m u Vs D 62.1707
.014.346
.144=⨯⨯==
π 按标准,塔径圆整为2.0m,则空塔气速0.46m/s 。

将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致,根据塔径的选择规定,对于相差不大的二塔径取二者中较大的,因此在设计塔的时候塔径取2m 。

2.6 塔板主要工艺尺寸的计算
2.6.1 溢流装置计算
精馏段
因塔径D =2m ,可选用单溢流弓形降液管,采用平行受液盘。

对精馏段各项计算如下:a)溢流堰长w l :单溢流区w l =(0.6~0.8)D ,取堰长为w l =0.60D=0.60×2.0=1.2m
b)出口堰高w h :
OW L W h h h -= 60.0/=D l w ,
81.92.13600
0036.05
.25.2=⨯=
w
h l L
查液流收缩系数计算图可以
图2.1液流收缩系数计算图
查得E=1.04,则
m l L E h w h OW
014.02.136000036.004.1100084.2100084.23
/23
/2=⎪⎭

⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭

⎝⎛=
故 m h h h OW L w 046.0014.006.0=-=-= c)降液管的宽度d W 与降液管的面积f A : 由06.0/=D l w 查弓形降液管的宽度与面积图
图2.2弓形降液管的宽度与面积
124
.0/=D W d ,
056
.0/=T f A A m D W d 198.02.1124.0124.0=⨯==,
222113.06.1414
.3072.04
072.0m D A f =⨯⨯
=⨯=π
利用h
T
f L H A 3600=
θ计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,
即S L H A h
T
f 56.123600==
θ(大于5s ,符合要求)
d)降液管底隙高度0h :
取液体通过降液管底隙的流速s m u o /08.0='(0.07---0.25m/s ) 依式
m u l L h o w h o 0375.02.108.036003600
0036.03600,
=⨯⨯⨯=⨯=
m m h h o w 006.00085.00375.0046.0≥=-=- 满足条件,故降液管底隙高度设计合理 e)受液盘
采用平行形受液盘,不设进堰口,深度为60mm 提馏段
因塔径D =2m ,可选用单溢流弓形降液管,采用平行受液盘。

对精馏段各项计算如下: a)溢流堰长w l :单溢流区l W =(0.6~0.8)D ,取堰长w l 为0.60D=0.60×2.0=1.2m
b)出口堰高W h :OW L W h h h -= 60.0/=D l w ,
81.92
.13600
0036.05
.25.2=⨯=
w
h l L 查液流收缩系数计算图可以得到液流收缩系数E 。

查得E=1.04,则
m l L E h w h OW
014.02.136000036.004.1100084.2100084.23
/23
/2=⎪⎭

⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭

⎝⎛=
故 m h h h OW L w 046.0014.006.0=-=-= c)降液管的宽度d W 与降液管的面积f A :由
60.0/=D l w 查弓形降液管的宽度与面积图可得
124
.0/=D W d ,
056
.0/=T f A A
m D W d 198.02.1124.0124.0=⨯== ,
22
2113.02414.3056.04
056.0m D A f =⨯⨯
=⨯=π
利用h
T
f L H A 3600=
θ计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,
)s 5(26.53600
0086.040
.0113.036003600符合要求大于s L H A h
T
f =⨯⨯⨯=
=
θ
d)降液管底隙高度0h :
取液体通过降液管底隙的流速s m /01.00=μ(0.07---0.25m/s )
09.036000
='⨯=
μw s
o l L h
满足条件,故降液管底隙高度设计合理 e)受液盘
采用平行形受液盘,不设进堰口,深度为60mm 2.6.2 塔板布置
a)塔板的分块
因D≥1200mm ,故塔板采用分块式。

塔极分为4块。

对精馏段:
取边缘区宽度
由于小塔边缘区宽度取30—50mm 所以这里取m W c 04.0= 安定区宽度
由于D=1.2m<1.5m 故
所以取mm W s 75~60= m W s 07.0= b)开孔区面积
⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-R x R x R x A a 122
2sin 1802π 计算开孔区面积
m W D R c 96.004.0222=-=-=
,()()m W W D
x s d 73.007.0198.012=--=+-=
25.2m A a =解得 筛孔数n 与开孔率ϕ:
本例所处理是物系无腐蚀性,可选用mm 3=δ碳钢板,取筛板直径mm d 50=,筛孔按正三角形排列取孔中心距t 为mm t 2054=⨯=
个筛孔数72195.2201011551011552
3
23=⨯⨯=⨯⨯=Aa t n
()()%7.55/20/907.0//907.0/2
2
0====d t A A a o ϕ开孔率
则每层板上的开孔面积0A 为 20142.05.2%7.5m A A a =⨯==ϕ
气体通过筛孔的气速为:
s m A V u s /35.10142.047.100===
2.7 筛板的流体力学验算塔板压降
2.7.1 精馏段筛板的流体力学验算塔板压降 (1) 干板阻力g h 计算。

干板阻力由下式计算: 由67.1350==δd ,查筛板塔汽液负荷因子曲线图
图2.3
得84.00=C
m C u g h L
V
c 027.084.035.1045.80786.281.921212
2
00=⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅⋅
=ρρ故液柱 (2) 气体通过液层的阻力l h 计算。

气体通过液层的阻力L h 由下式计算,即 L h h β=1
()s
m A A V u f T s a /7.014
.3056.0147
.1=⨯-=-'=
)]/([305.186.27.01210m s kg u F Vm a ⋅=⨯==ρ
查充气系数关联图得62.0=β。

故液柱m h h L 0372.006.058.01=⨯==β。

(3) 液体表面张力的阻力计算。

液体表面张力所产生的阻力σh 由下式计算,即:
液柱
m gd h L L 00203.0005.081.945.8071021.20443
0=⨯⨯⨯⨯==-ρσσ
气体通过每层塔板的液柱高度p h 按下式计算:
液柱m h h h h l c p 066.00203.00372.0027.0=++=++=σ
气体通过每层塔板的压降为:
Kpa Pa g h p L p p 7.06.52481.945.807066.0<=⨯⨯==∆ρ
(2) 液面落差
对于筛板塔,液面落差很小,且本设计的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响。

(3) 溢流液泛
为防止塔内发生液泛,降液管内液层高d H 应服从下式所表示的关系,即:
)(w T d h H H +≤φ
d L p d h h h H ++=而
塔板不设进口堰 则
m h l l h w s d 001.00375.02.10036.0153.0.153.02
2
0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
m
H 127.0001.006.0066.0=++=
苯—甲苯物系属一般物系,取5.0=Φ,则:
d w T H m h H >=+⨯=+液柱222.0)044.04.0(5.0)(φ
所以设计中不会发生液泛现象 (4) 雾沫夹带
雾沫夹带按下式计算:

液气
液Kg Kg Kg Kg h H u L T a L V /1.0/0104.015.04.077.01011.20107.55.2107.52
.3332
.33<=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛
-⨯=---σρ
故液沫夹带量v ρ在允许的范围内。

(5) 漏液
对筛板塔,漏液点气速可由以下公式计算:
()s
m h h C u V
L L /02.5/13.00056.04.40min .0=-+=ρρδ
min .00/35.10u s m u >= 稳定系数为
5.17.18.05/35.10min .00>===u u K 故在本设计中无明显漏液。

2.7.2 提馏段筛板的流体力学验算塔板压降
(1)干板阻力计算。

干板阻力由下式计算:
67.1350==δd 由,查筛板塔汽液负荷因子曲线图得
84.00=C 故
m C u g h L
V
c 031.084.028.1076513.381.921212
2
00=⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅='ρρ
(2) 气体通过液层的阻力计算。

L h h β=1
()
s m A A V u f T s a /48.0113.014.346
.1=-=-'=
)]/([85.013.348.01210m s kg u F Vm a ⋅=⨯==ρ 查充气系数关联图得68.0=β。

故液柱m h h L 04.006.068.01=⨯==β。

(3) 液体表面张力的阻力σh 计算。

液体表面张力所产生的阻力σh 由下式计算,即:
液柱m gd h L L 00104.0005.081.97651050.19443
0=⨯⨯⨯⨯=='-ρσσ
气体通过每层塔板的液柱高度p h 按下式计算:
液柱m h h h h l c p 072.00104.004.0031.0=++=++='σ 气体通过每层塔板的压降为:
Kpa Pa g h p L p p 7.008.54081.9765072.0<=⨯⨯==∆ρ
(2) 液面落差
对于筛板塔,液面落差很小,且本设计的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响。

(3) 溢流液泛
为防止塔内发生液泛,降液管内液层高应服从下式所表示的关系,即:
)(w T d h H H +≤φ
d
L p d h h h H ++=
塔板不设进口堰 则
m h l l h w s d 0097.0096.02.10086.0153.0.153.02
2
0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
m
H 13.00097.006.0072.0=++=
苯—甲苯物系属一般物系,取5.0=Φ,则:
d w T H m h H >=+⨯=+液柱223.0)046.04.0(5.0)(φ
所以设计中不会发生液泛现象 (4) 雾沫夹带
雾沫夹带按下式计算:

液气
液Kg Kg Kg Kg h H u L T
a L V /1.0/0024.015.04.048.01050.19107.55.2107.52
.3332
.33<=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛
-⨯=---σρ
故液沫夹带量v ρ在允许的范围内。

(5) 漏液
对筛板塔,漏液点气速可由以下公式计算:
()s
m h h C u V
L L /22.4/13.00056.04.40min .0=-+=ρρδ
min .00/35.10u s m u >= 稳定系数为
5.144.222.4/35.10min .00>===u K 故在本设计中无明显漏液。

2.8 塔板负荷性能图
2.81 精馏段塔板负荷性能图 (1)漏液线
V
L ow w h h h u ρρσ/])(13.00056.0[.4C 40min .0-++=
0min min 0/A V s '=μ, ow w L h h h +=, a A A .0ϕ=
3
2100084
.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=w h ow l L E h
得:
[]{}3
2323
20
0min
.0535.227.2684.086
.245
.810
00203.0614.0046.013.00056.084.04.4/100084.213.00056.04.4S
s
V L w h w s L L h l L E h C A V +=⨯-+⨯+⨯
⨯=⎪⎭

⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+
+=ρρσ
整理得:
3
/2535.227.2684.0s
s L V +⨯=
在操作范围内,任取几个s
L '值,依上式计算出S V '值,计算结果列于下表 表2.2 漏液线计算结果
)//(3s m L s 0.003 0.004 0.005 0.006 0.01 )//(3s m V s 1.22 1.24 1.254 1.27 1.32 由上表数据即可作出漏液线1 (2)雾沫夹带线
气液以kg /1.0kg v =ρ为限,关系如下求s
s L V '-': 3
/22
.33
/233/23/23/23
2
.36
96.2452.41.0)541.128.033.0(21.20107.554.112.0)(5.25.2614.0)2
.13600(4.11084.233.0113
.014.3)(
107.5s
s s s v s ow w L f s
s
ow s s f T s a f
T a
L
v L V L V L h h h h L L h V V A A V h H u '-='='-'⨯='+=+=='='⨯⨯⨯⨯='
=-'
=-'=
-⨯=---ρμσρ
在操作范围内,任取几个s
L '值,依上式计算出S V '值,计算结果列于下表 表2.3 雾沫夹带线计算结果
)//(3s m L s
' 0.003 0.004 0.005 0.006 0.01 )//(3s m V s ' 4.001 3.89 3.79 3.696 3.361
由上表数据即可作出液沫夹带线2 (3)液相负荷下限线
对于平直堰,取堰上液层高度m h ow 06.0=作为最小液体负荷标准:
006.0)2.13600(
04.11084.23/23='⨯⨯⨯⨯=-s
ow L h
s
m L s /000317.03min ,=
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3 (4)液相负荷上限线
以s 4.0=θ作为液体在降液管中停留时间的下限
4==
s
T
T L H A θ
s m H A L T
f s /113.044
.0113.04
.3max ,=⨯=
=
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。

(5)液泛线
由E=1.04,2.1=w l .得:
s w s w s ow L l L l L E h 323
23
2
614.0360004.1100084.23600100084.2=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=
2
2
2
2
0127.045.80786.284.0142.0051.0051.0051.0s s L V o o s L
V
o o C V V C A V C u h =⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρρρρ
()
3
/23/21380.0029.0614.0046.062.0)(s s OW W o L L h h h +=+⨯=+=ε
液柱已算出m h 31003.2-⨯=σ,
33/22110
03.2614.0029.00127.0-⨯+++=++=s s C P L V h h h h σ
2
2
2
6.750375.02.1153.0153.0s
s o W s d L L h l L h =⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛= m H T 4.0=,m h W 046.0=,5.0=Φ
代入
()d
ow w p w T h h h h h H +++=+Φ
整理得:
2
3/2259503.8058.11s s s L L V --=
在操作范围内,任取几个Ls 值,依上式计算出Vs 值,计算结果列于表2.4。

表2.4
图2.4 精馏段负荷性能图
2.82 提馏段塔板负荷性能图 (1)漏液线
V L ow w h h h u ρρσ/])(13.00056.0[.4C 40min .0-++=由
0min min 0/A V s '=μ, ow w L h h h +=, a A A .0ϕ=
Ls /(m3/s) 0.003 0.004 0.005 0.006
0.01 Vs /(m3/s)
9.74
9.46 9.13 8.81
7.18
3
2100084
.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=w h ow l L E h
[]{}3
2323
20
0min
.051.19576.2196.313
.3
765
00104.0614.0046.013.00056.084.04.4/100084.213.00056.04.4S
s
V L w h w s L L h l L E h C A V +=⨯-+⨯+⨯
⨯=⎪⎭

⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯++=ρρσ
整理得:
3
/2516.19576.2525.0s
s L V +⨯=
在操作范围内,任取几个s l '值,依上式计算出S V '值,计算结果列于下
表2.5 漏液线计算结果
)//(3s m L s 0.003 0.004 0.005 0.006 0.01
)//(3s m V s 0.92 0.92 0.93 0.94 0.80
由上表数据即可作出漏液线1 (2)雾沫夹带线
以气为限液以kg /1.0kg v =ρ,求的关系如下求s
s L V '-': 3/22
.33
/233/23/23/232
.36
53.22095.41.0)541.128.0336.0(50.19107.554.112.0)(5.25.2614.0)2
.13600(
4.11084.2336.0113
.014.3)(
107.5s
s s s v s ow w L f s
s
ow s s f T s a f
T a
L
v L V L V L h h h h L L h V V A A V h H u '-='='-'⨯='+=+=='='⨯⨯⨯⨯='
=-'
=-'=
-⨯=---ρμσρ
在操作范围内,任取几个s l '值,依上式计算出S V '值,计算结果列于下表
表2.6 液沫夹带线计算结果
)//(3s m L s
' 0.003 0.004 0.005 0.006 0.01
)//(3s m V s ' 3.626 3.527 3.436 3.357 3.04
由上表数据即可作出液沫夹带线2 (3)液相负荷下限线
对于平直堰,取堰上液层高度m h ow 06.0=作为最小液体负荷标准:
006.0)2.13600(
04.11084.23/23='⨯⨯⨯⨯=-s
ow L h
s
m L s /000317.03min ,=
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3 (4)液相负荷上限线
以s 5=θ作为液体在降液管中停留时间的下限
5==s
T
T L H A θ
s m H A L T
f s /0094.054
.0113.05
.3max ,=⨯=
=
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。

(5)液泛线
由E=1.04,w l =1.2得:
s w s w s ow L l L l L E h 323
23
2
614.0360004.1100084.23600100084.2=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=
2
2
2
2
0147.076513.384.0142.0051.0051.0051.0s s L V o o s L
V
o o C V V C A V C u h =⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ρρρρ
()
3
/23/21380.0029.0614.0046.062.0)(s
s OW W o L L h h h +=+⨯=+=ε
液柱已算出m h 31004.1-⨯=σ,
33/22110
04.138.0029.001467.0-⨯+++=++=s s C P L V h h h h σ
2
2
2
12.1309.02.1153.0153.0s
s o W s d L L h l L h =⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛=
m H T 4.0=,m h W 046.0=,5.0=Φ
代入
()d
ow w p w T h h h h h H +++=+Φ
整理得:
2
3/223.8949.2595.12s s s L L V --=
在操作范围内,任取几个Ls 值,依上式计算出Vs 值,计算结果列于表
表2.7
Ls/(m ³/s) 0.003 0.004 0.005 0.006 0.01 Vs /(m ³/s)
12.4
12.28
12.17
12.06
11.66
第三章设计结果一览表
第四章 板式塔结构
板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔(手孔)、基座、除沫器等附属装置。

除一般塔板按设计板间距安装外,其他处根据需要决定其间距。

4.1 塔顶空间
塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。

为利于出塔气体夹带的液滴沉降,此段远高于板间距(甚至高出一倍以上),本塔塔顶空间取
m H D 2.1=
4.2 塔底空间
塔底空间指塔内最下层塔底间距。

其值由如下两个因素决定。

①塔底驻液空间依贮存液量停留3~5min 或更长时间(易结焦物料可缩短停留时间)而定。

②塔底液面至最下层塔板之间要有1~2m 的间距,大塔可大于此值。

本塔取
)m (5.1=B H
4.3 人孔
一般每隔6~8层塔板设一人孔。

设人孔处的板间距等于或大于600mm ,人孔直径一般为450~500mm ,其伸出塔体得筒体长为200~250mm ,人孔中心距操作平台约800~1200mm 。

本塔设计每7块板设一个人孔,共两个,即
)(4个=p n
4.4 塔高
()B D P P F F T P F H H H n H n H n n n H ++++---=1
5.12.1
6.028.014.0)14128(++⨯+⨯+⨯---=
m 5.14=
故全塔高为14.5m ,另外由于使用的是虹吸式再沸器,可以在较低位置安置,所以裙座取了较小的1.5m 。

主要基础数据
表1 苯和甲苯的物理性质
项目 分子式 分子量M 沸点(℃)
临界温度t C (℃)
临界压强P C (kPa ) 苯A
C 6H 6
78.11 80.1 288.5 6833.4 甲苯B C 6H 5—CH 3
92.13
110.6
318.57
4107.7
表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压
温度C 0
80.1 85 90 95 100 105 105 0
A P ,kPa 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240 0
B P kPa
40.0
46.0
54.0
63.3
74.3
86.0
101、33
表3 常温下苯—甲苯气液平衡数据([2]:
8P 例1—1附表2)
温度C 0
80.1 85 90 95 100 105 液相中苯的摩尔分率 1.000 0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 汽相中苯的摩尔分率 1.000 0.900 0.777
0.630
0.456
0.262
表4 纯组分的表面张力([1]:
378P 附录图7)
温度 80 90 100 110 120 苯 m mN /
甲苯 m mN / 21.27
21.69
20.06 20.59
18.85 19.94 17.66 18.41
16.49 17.31
表5 组分的液相密度([1]:
382P 附录图8)
温度(℃) 80 90 100 110 120 苯,kg/3m 815 803.9 792.5 780.3 768.9 甲苯,kg/3m
810
800.2
790.3
780.3
770
表6 液体粘度µL ([1]:
365P )
温度(℃)
80 90 100 110 120 苯(mP a .s ) 0.308 0.279 0.255 0.233 0.215 甲苯(mP a .s ) 0.311
0.286
0.264
0.254
0.228
表7常压下苯——甲苯的气液平衡数据
第五章致谢
两个星期的课程设计终于完了,此次的课程设计让我感触很多,不仅仅是知识上的学习和掌握,同时也让我明白了很多做人的道理。

通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关化工原理方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

在开始阶段,老师让我们了解一些基本知识,当自己照着学习指导上的内容完成这次的设计。

在设计过程中,我认真的去学习和研究,也自己独立的完成一个项目,当看到自己做出的成果时心里真的很兴奋。

此次实验让我明白了一个很深刻的道理:团队精神固然很重要,担人往往还是要靠自己的努力,自己亲身去经历,这样自己的心里才会踏实,学到的东西才会更多。

通过这次课程设计我经历并学到了很多知识,熟悉了大量课程内容,懂得了许多做事方法,可谓是我从中受益匪浅,我想这也许就是这门课程的最初本意。

从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。

万事开头难,我从最简单的物料衡算开始,把设计题目中的操作条件转化为化工原理课程物料衡算相关的变量最终把物料衡算正确的计算出来。

然后是回流比的确定,我应用化工原理中的计算式出了最小回流比,然后通过分析确定了放大倍数求出了实际回流比。

同样理论塔板数的计算也是通过复杂但有序的计算得出。

回顾起此课程设计,至今我仍感慨颇多,从理论到实践,在这段日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,但可喜的是最终都得到了解决。

最后,我还要感谢赫老师对我们的教导与帮助,感谢同学们的相互支持,与他们一起对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路,也让我在课程设计时多了些轻松、愉快。

参考文献
1、夏清,陈常贵.化工原理下册.天津:天津大学出版社,2005
2、柴诚敬,刘国维等.化工原理课程设计[M].天津:天津科学技术出版社,1995.
3、陈均志,李雷.化工原理实验及课程设计.北京:化学工业出版社,2008
4、贾绍义,柴敬诚.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2002。

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