課程設(shè)計---篩板式精餾塔設(shè)計

1、<p><b>　　化工原理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p><b>　　篩板式精餾塔設(shè)計</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一部分 概述4</p>

2、<p><b>　　一、設(shè)計目標(biāo)4</b></p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)4</b></p><p><b>　　三、設(shè)計條件4</b></p><p><b>　　四、設(shè)計內(nèi)容4</b></p><p><b>

3、　　五、工藝流程圖5</b></p><p>　　第二部分 工藝設(shè)計計算6</p><p>　　一、設(shè)計方案的確定6</p><p>　　二、精餾塔的物料衡算6</p><p>　　1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)6</p><p>　　2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)6

4、</p><p>　　3.物料衡算原料處理量6</p><p>　　三、塔板數(shù)的確定7</p><p>　　1.理論板層數(shù)的求取7</p><p><b>　　2.全塔效率8</b></p><p>　　3.實際板層數(shù)的求取8</p><p>　　四、精餾塔的工藝

5、條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算8</p><p>　　1.操作壓強(qiáng)計算9</p><p>　　2.操作溫度計算9</p><p>　　3.平均摩爾質(zhì)量計算9</p><p>　　4.平均密度計算9</p><p>　　5.液相平均表面張力計算10</p><p>　　6.液相平均粘度計算

6、11</p><p>　　五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算11</p><p>　　1.塔徑的計算11</p><p>　　2.精餾塔的有效高度的計算12</p><p>　　六、塔板主要工藝尺寸的計算13</p><p>　　1.溢流裝置計算13</p><p><b>　　2

7、.塔板布置14</b></p><p>　　3.篩孔數(shù)與開孔率15</p><p>　　七、篩板的流體力學(xué)驗算15</p><p>　　1.氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?5</p><p>　　2.霧沫夾帶量的驗算16</p><p>　　3.漏液的驗算17</p><p&

8、gt;<b>　　4.液泛驗算17</b></p><p>　　八、塔板負(fù)荷性能圖17</p><p><b>　　1.漏液線17</b></p><p>　　2.霧沫夾帶線18</p><p>　　3.液相負(fù)荷下限線19</p><p>　　4.液相負(fù)荷上限線1

9、9</p><p><b>　　5.液泛線20</b></p><p><b>　　6. 操作線21</b></p><p>　　九、設(shè)計一覽表22</p><p>　　十、操作方案的說明：23</p><p><b>　　附表24</b>&l

10、t;/p><p><b>　　總結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　第一部分 概述</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目標(biāo)</b></p><p>　　分離苯—甲

11、苯混合液的篩板式精餾塔設(shè)計</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　試設(shè)計分離苯-甲苯混合物的篩板精餾塔。已知原料液的處理量為9000kg/h，組成為0.49（苯的摩爾分?jǐn)?shù)），要求塔頂餾出液的組成為0.93，塔底釜液的組成為0.02。</p><p><b>　　三、設(shè)計條件</b></

12、p><p><b>　　四、設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　編制一份設(shè)計說明書，主要內(nèi)容包括：</p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　2、流程的確定和說明</p><p>　　3、生產(chǎn)條件的確定和說明</p><p>　　

13、4、精餾塔的設(shè)計計算：</p><p>　?。?）工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算</p><p>　?。?）精餾塔塔體工藝尺寸的計算</p><p>　?。?）塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>　?。?）塔板的流體力學(xué)驗算</p><p>　?。?）塔板負(fù)荷性能圖（精餾段）（選作）</p><p

14、><b>　　5、設(shè)計結(jié)果列表</b></p><p>　　6、設(shè)計結(jié)果的討論和說明</p><p><b>　　7、主要參考資料</b></p><p><b>　　8、結(jié)束語</b></p><p><b>　　五、工藝流程圖</b></p

15、><p>　　精餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，再沸器，冷凝器。釜液冷卻器和產(chǎn)品冷凝器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分汽化與與部分冷凝器進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定流程裝置時應(yīng)考慮余熱的利用，注意節(jié)能。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波動的影響。</p><p>

16、;　　原料液由高位槽經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔內(nèi)。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進(jìn)入貯槽再經(jīng)過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)過冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進(jìn)行，流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵,有時還要設(shè)置高位槽。且在適當(dāng)位置設(shè)置必要的儀表（流

17、量計、溫度計和壓力表）。以測量物流的各項參數(shù)。</p><p>　　塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)狀況以決定采用全凝器，以便于準(zhǔn)確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用全分凝器?？偠灾_定流程時要較全面，合理的兼顧設(shè)備，操作費(fèi)用操作控制及安全因素。</p><p><b>　　連續(xù)精餾操作流程圖</b></p><p>　　第二部分 工藝設(shè)計計

18、算</p><p><b>　　一、設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　本設(shè)計任務(wù)書為分離苯-甲苯混合物。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(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(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2倍。</p><p>　　

19、二、精餾塔的物料衡算</p><p>　　1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量 =78.11kg/mol</p><p>　　甲苯的摩爾質(zhì)量 =92.13kg/mol</p><p>　　2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)</p><p>　　=0.4978

20、.11+ (1-0.49)92.14=85.26kg/mol</p><p>　　=0.9378.11+ (1-0.93)92.14=79.09kg/mol</p><p>　　=0.0278.11+ (1-0.02)92.14=91.85kg/mol</p><p>　　3.物料衡算原料處理量 </p

21、><p>　　總物料衡算 D＇+W＇＝9000</p><p>　　苯物料衡算 0.92Ｄ＇+ 0.02Ｗ＇＝0.459000</p><p>　　聯(lián)立解得 D＇= 4300 kｇ/h，W＇= 4700 kｇ/h，Ｆ＇＝ 9000kg/h</p><p>　　F=9000/85.26= 105.56 kmol/h, D=4300/

22、79.09= 54.39 kmol/h,W=4700/91.85= 51.17kmol/h </p><p><b>　　三、塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　1.理論板層數(shù)的求取</p><p>　　苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。</p><p>　　①由附表查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出

23、x-y圖及t-x-y圖</p><p>　?、谇笞钚』亓鞅燃安僮骰亓鞅?lt;/p><p>　　采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上，自點e（0.49, 0.49）做垂線，ef即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點F坐標(biāo)為：</p><p>　　=0.70 =0.49</p><p>　　故最小回流比為：= ==1.095</p>

24、<p>　　取操作回流比為： </p><p><b>　?、芮蟛僮骶€方程</b></p><p>　　精餾段操作線方程： </p><p>　?、輬D解法求理論板層數(shù)</p><p>　　采用圖解法求理論板層數(shù)，由圖可知求解結(jié)果為：</p><p>　　總理論板層數(shù)層，精餾段4層

25、，提餾段6層。進(jìn)料板是第五塊板</p><p><b>　　2.全塔效率</b></p><p>　　0.17-0.616，度</p><p>　　根據(jù)塔頂、塔底液相組成查圖，求得平均溫度為86.5度，該溫度下進(jìn)料液相平均黏度為 </p><p><b>　　故 </b

26、></p><p>　　3.實際板層數(shù)的求取</p><p><b>　　精餾段實際板層數(shù)：</b></p><p>　　提餾段實際板層數(shù)： </p><p>　　四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算</p><p>　　以精餾段為例進(jìn)行計算。</p><p>&

27、lt;b>　　1.操作壓強(qiáng)計算</b></p><p>　　塔頂操作壓強(qiáng) kPa</p><p>　　每層塔板壓降 kPa</p><p>　　進(jìn)料板壓強(qiáng) kPa</p><p>　　提餾段平均壓強(qiáng) kPa</p><p><b>　　2.操作溫度計算</b>&l

28、t;/p><p>　　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、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下:</p><p>　　塔頂溫度TD=81.5 ℃ 進(jìn)料板溫度TF=91.5℃</p><p><b>　　平均溫度 ℃</b></p><p>　　3.平均摩爾質(zhì)量計算</p

29、><p>　?、潘斈栙|(zhì)量計算：由 查表得：X1=O.83</p><p>　　⑵進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計算</p><p>　　由圖解理論板，得 查平衡曲線，得</p><p>　　⑶精餾段平均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　4.平均密度計算</b></p><

30、p><b>　?、艢庀嗥骄芏扔嬎?lt;/b></p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計算，即</p><p><b>　?、埔合嗥骄芏扔嬎?lt;/b></p><p>　　液相平均密度依下式計算：</p><p>　?、偎斠合嗥骄芏扔嬎悖?lt;/p><p>　　由TD=8

31、1.5℃，查附表得 </p><p>　　②進(jìn)料板液相平均密度計算</p><p>　　由TF=91.5℃，查附表得 </p><p>　　進(jìn)料板液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算</p><p>　?、劬s段液相平均密度為</p><p>　　5.液相平均表面張力計算</p><p>　　液相平

32、均表面張力依下式計算，即</p><p>　?、潘斠合嗥骄砻鎻埩τ嬎?lt;/p><p>　　由TD=81.5 ℃，查附表得 </p><p>　?、七M(jìn)料板液相平均表面張力計算</p><p>　　由TF=91.5℃，查附表得 </p><p>　　精餾段液相平均表面張力為：</p>

33、<p>　　6.液相平均粘度計算</p><p>　　液相平均粘度依下式計算：</p><p>　?、潘斠合嗥骄扯扔嬎?lt;/p><p>　　由TD=81.5 ℃，查附表得 </p><p>　?、七M(jìn)料板液相平均粘度計算</p><p>　　由TF=91.5℃，查附表得 </p>

34、;<p>　　精餾段液相平均粘度為 </p><p>　　③求精餾塔的氣、液相負(fù)荷</p><p>　　五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算</p><p><b>　　1.塔徑的計算</b></p><p>　　取板間距，取板上液層高度， 則</p><p>　　查smith圖得=0.

35、072,依式校正到物系表面張力為20.46mN/m時的</p><p>　　取安全系數(shù)為0.70，則空塔氣速為： </p><p>　　按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 </p><p>　　2.精餾塔的有效高度的計算</p><p>　　精餾段有效高度為 </p><p>　　提餾段有效高度為 </p>

36、<p>　　在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.64m，故精餾塔的有效高度為</p><p>　　六、塔板主要工藝尺寸的計算</p><p><b>　　1.溢流裝置計算</b></p><p>　　篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結(jié)構(gòu)對塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合其他影響因素，當(dāng)因D=1.0m

37、,可選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下：</p><p><b>　?、乓缌餮唛L</b></p><p>　　取堰長為0.66D 即</p><p>　?、埔缌餮吒叨?計算如下：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　

38、由， 査下圖知E=1.03 </p><p><b>　　依式 </b></p><p><b>　　得 </b></p><p><b>　　取板上清液層高度 </b></p><p>　?、枪谓狄汗軐挾群徒狄汗苊娣e</p><p

39、><b>　　由，査下圖得，</b></p><p>　　故 </p><p>　　驗算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即</p><p>　　(>5s,符合要求)</p><p><b>　　故降液管設(shè)計合理。</b></p><p&g

40、t;　　⑷降液管底隙高度 取液體通過降液管底隙的流速 計算降液管底隙高度 即：</p><p><b>　　2.塔板布置</b></p><p>　　取邊緣區(qū)寬度，安定區(qū)寬度</p><p><b>　　⑶開孔區(qū)面積計算</b></p><p><b>　　開孔區(qū)面積計算，得&l

41、t;/b></p><p><b>　　3.篩孔數(shù)與開孔率</b></p><p>　　本例所處理的物系無腐蝕性，取篩孔孔徑，正三角形排列，可選用碳鋼板，取，故</p><p><b>　　孔中心距</b></p><p>　　依式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率，即</p><p

42、>　　每層塔板上的開孔面積為</p><p>　　氣體通過篩孔的氣速為 </p><p>　　七、篩板的流體力學(xué)驗算</p><p>　　1.氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依式 </b></p><p>　?、鸥砂鍓航迪喈?dāng)?shù)囊褐叨?，計算如?lt;/p>

43、;<p><b>　　依，査圖得</b></p><p>　?、茪怏w通過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，計算如下?lt;/p><p>　　由圖查取板上液層充氣系數(shù)</p><p>　　⑶克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?lt;/p><p><b>　　依式 </b></p>

44、;<p>　　氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算：</p><p>　　氣體通過每層塔板的壓降為： （設(shè)計允許值） </p><p>　　2.霧沫夾帶量的驗算</p><p>　　故在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。</p><p><b>　　3.漏液的驗算</b></p>

45、<p>　　對篩板塔，漏液點氣速可由式（5-25）計算：</p><p><b>　　穩(wěn)定系數(shù)為 </b></p><p>　　故在本設(shè)計中無明顯漏液。</p><p><b>　　4.液泛驗算</b></p><p>　　為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從如下關(guān)系：</p

46、><p><b>　　依式計算，即</b></p><p>　　苯-甲苯物系屬一般物系，取，則</p><p>　　故，在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生泛液。</p><p>　　根據(jù)以上塔板的各項流體力學(xué)的驗算，可認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。 </p><p><b>　　八、塔板負(fù)荷性能圖

47、</b></p><p><b>　　1.漏液線</b></p><p>　　漏液線，又稱氣相負(fù)荷下限線。氣相負(fù)荷低于此線將發(fā)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。</p><p><b>　　代入原式得 </b></p><p><b>　　已算出，代入

48、整理得</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表。</p><p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 </p><p><b>　　2.霧沫夾帶線</b></p><p>　　當(dāng)氣相負(fù)荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精餾，一般控制ev≤0.1

49、kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關(guān)系如下:</p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　近似取，，</b></p><p>　　取霧沫夾帶極限值，已知，，代入原式得：</p><p>　　整理得 </p><p

50、>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表。</p><p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。</p><p><b>　　3.液相負(fù)荷下限線</b></p><p>　　液相負(fù)荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導(dǎo)致塔板效率下降。 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式（5-7）得<

51、;/p><p>　　取E=1，則 </p><p>　　整理上式得 </p><p>　　據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。</p><p><b>　　4.液相負(fù)荷上限線</b></p><p>　　該線又稱降液管超負(fù)荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在

52、降液管內(nèi)停留時間過短，進(jìn)入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。</p><p>　　以作為液體在漿液管中停留時間的下限，由式（5-9）得</p><p>　　據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。</p><p><b>　　5.液泛線</b></p><p>　　若操作的

53、氣液負(fù)荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學(xué)驗算中通常對降液管液泛進(jìn)行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度Hd</p><p>　　聯(lián)立式得 </p><p><b>　　近似取，，由式</b></p><p>

54、;　　故 </p><p><b>　　（已算出）</b></p><p>　　故 </p><p>　　將、、以及以上式代入得：</p><p><b>　　整理得下式：</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾

55、個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表：</p><p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5</p><p><b>　　操作線</b></p><p>　　由，，及與之間的關(guān)系可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖：</p><p>　　在負(fù)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，該篩板上限為液泛控制，下限為漏液控

56、制。由圖查得</p><p>　　故操作彈性為 </p><p><b>　　九、設(shè)計一覽表</b></p><p>　　將設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于下表：</p><p>　　十、操作方案的說明：</p><p>　　本設(shè)計任務(wù)為分離苯—甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程

57、。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，降原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡點下一部分回流到塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲罐。該物系屬于易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比去最小回流比的兩倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻送到儲罐。</p><p><b>　　附表 </b></p><p>　　表 1 苯和甲苯的物

58、理性質(zhì)</p><p>　　表 2 常壓下苯-甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　表3 Antoine 常數(shù)值</p><p>　　表4 苯與甲苯的液相密度</p><p>　　表5 液體表面張力</p><p>　　表6 液體粘度</p><p>　　表 7 液體汽

59、化熱</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生多方位、綜合地分析考察工程問題并獨立解決工程實際問題的能力，要科學(xué)、合理、有創(chuàng)新地完成一項工程設(shè)計，往往需要各種數(shù)據(jù)和相關(guān)資料。</p><p>　　因此，資料、文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)的查找、收集是工程設(shè)計必不可少的基礎(chǔ)工作。工程的設(shè)計計算能力和綜合評價的能力。為

60、了使設(shè)計合理要進(jìn)行大量的工藝計算和設(shè)備設(shè)計計算。本設(shè)計包括塔板結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)計算。工程設(shè)計表達(dá)能力。工程設(shè)計完成后，往往要交付他人實施或與他人交流。</p><p>　　因此，在工程設(shè)計和完成過程中，都必須將設(shè)計理念、理想、設(shè)計過程和結(jié)果用文字、圖紙和表格的形式表達(dá)出來。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　

61、[1]王國勝. 化工原理課程設(shè)計[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.</p><p>　　[2]大連理工大學(xué).化工原理[下].大連:高等教育出版社，2009.</p><p>　　[3]陳敏恒.化工原理[下]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[4]楊同舟.食品工程原理.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001.</p><

62、p>　　[5]匡國柱，史啟才. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6] 賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計[M]. 大連：天津大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[7]《化工原理課程設(shè)計》，化工原理教研室</p><p>　　[8]姚玉英主編，《化工原理》（上冊），新版.天津：天津大學(xué)出版社，199