1、化工原理課程設(shè)計(jì)說明書苯一甲苯板式精儲(chǔ)塔的工藝設(shè)計(jì)工藝計(jì)算審精微段部分學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)專業(yè)設(shè)計(jì)者：楊錢生班級(jí)：2007級(jí)07班學(xué)號(hào)：2007104407372018年7月1日設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一座苯-甲苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為苯1.9xi04t,塔頂儲(chǔ)出液中含甲苯不得高于中含甲苯 38%以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）操作條件1. 塔頂壓力2. 進(jìn)料熱狀態(tài)3. 回流比4. 塔底加熱蒸汽壓力5. 單板壓降塔板類型99.1%的甲2%，原料液4kPag壓）。自選。自選。0.5MPa表壓）。w0.7kPa篩板 工作日每年 300天，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。廠址天津地區(qū)設(shè)計(jì)類容1 . 精餾塔的物料衡算

2、；2 . 塔板數(shù)的確定；3 . 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算。4 . 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；5 . 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；6 .塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；7 .塔板負(fù)荷性能圖；8 .精儲(chǔ)塔接管尺寸計(jì)算；9 .繪制生產(chǎn)工藝流程圖；10 .繪制精儲(chǔ)塔設(shè)計(jì)條件圖；11 .繪制塔板施工圖 選作）；12 .對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。（七）設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表1-1苯（A-甲苯（B飽和蒸氣壓 總壓1.013 x105Pa）溫度/ C859095100105PA*/105Pa1.1691.33511.5571.7922.042PB*/105Pa0.4600.5400.6330.7430.860苯-

3、甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)表1-2x00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.8301y00.1280.3040.4530.5960.7200.8300.9431表1-3苯-甲苯部分溫度下的密度溫度/C81.091.4815.9803.5IT808.88798.6設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用 連續(xù)精儲(chǔ)流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至 泡點(diǎn)后送入精儲(chǔ)塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡 點(diǎn)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(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比去最小

4、回流 比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。1 .精儲(chǔ)塔的物料衡算a）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量Ma =78.11kg/kmol甲苯的摩爾質(zhì)量MB=92.13kg/kmolb)原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.658 x 78.11+(1-0.658>92.13=82.90kg/kmolMf=0.983X 78.11+(1-0.983>92.13=78.59kg/kmolMf=0.012X 78.11+(1-0.012>92.13=91.96kg/kmolc)物料衡算原料處理量總物料衡算31.83=D+W苯物料衡算31.83

5、X 0.658 =0.983D+0.011W聯(lián)立解得D=21.19kmol/hW=10.64kmol/h2 .塔板數(shù)的確定a理論板層數(shù)Nt的求取苯-甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。i. 由手冊(cè)查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)表1-2,繪出x-y圖，如圖1-1x圖圖解法求理論板層數(shù)ii. 求最小回流比及操作回流比。采用作圖法求最小回流比。在圖1-1中對(duì)角線上，自e(0.658,0.658乍垂線ef即為進(jìn)料線(q線,該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為5=0.658yq=0.828故最小回流比為26 / 23取操作回流比為R=2Rmin=2X0.91 = 1.82iii. 求精儲(chǔ)塔的氣、液相負(fù)荷L=R

6、D= 1.82X21.19=38.57kmol/hV=(R+1>D= (1.82+1>21.19=59.76kmol/hL'=L+F= 38.57+31.83=70.40kmol/hV'=V= 59.76kmol/hiv.求操作線方程精微段操作線方程為提儲(chǔ)段操作線方程為v. 圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論塔板層數(shù)，如圖1-1所示。求解結(jié)果為總理論板層數(shù)進(jìn)料板位置b）實(shí)際塔板數(shù)的求取精儲(chǔ)段實(shí)際板層數(shù)提儲(chǔ)段實(shí)際板層數(shù)Nt=14(包括再沸器>Nf=6N 精=5/0.52=9.6=10N 提=9/0.52=17.3 183 . 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算

7、以徑流段為例進(jìn)行計(jì)算a) 操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力PD=101.3+4=105.3kPa每層塔板壓降 P =0.7kPa進(jìn)料板壓力Pf=105.3+0.7X 10=112.3kPa精餾段平均壓力Pm=(105.3+112.3>/2=108.8kPab) 操作溫度計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其 中苯甲苯的飽和蒸氣壓由安東尼方程計(jì)算，計(jì)算過程略。計(jì) 算結(jié)果如下：塔頂溫度進(jìn)料板溫度tD=81.0tF=91.4精餾段平均溫度tm=(81.0+91.4>/2=86.2c)平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由XD=yi=0.983，查平衡曲線 <見圖1-1),得

8、x1=0.955MvDm =0.983 x 78.11+(1-0.983>92.13=78.34kg/kmolMLDm =0.955 x 78.11+(1-0.955>92.13=78.74kg/kmol進(jìn)料平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板<見圖 1-1)，得yF=0.808查平衡曲線 <見圖1-1),得Xf=0.630MvFm=0.808X 78.11+(1-0.808>92.13=80.80kg/kmolMLFm=0.630X78.11+(1-0.630>92.13=83.30kg/kmol精微段平均摩爾質(zhì)量Mvm=<78.34+80.80) /2=7

9、9.57kg/kmolMLm =<78.74+83.30) /2=81.02kg/kmold)平均密度計(jì)算i. 氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即ii. 液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算，即塔頂液相平均密度的計(jì)算由tD=81.0 C,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)有機(jī)卷1” P305得進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由tF=91.4C,查手冊(cè)得進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率精儲(chǔ)段液相平均密度為e）三液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即ri塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由tD=81OC,查手冊(cè)得進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算由tF=91.4C,查手冊(cè)得精儲(chǔ)段液相平均表面張力為f）液體平均粘度

10、計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即1 1 塔頂液相平均粘度的計(jì)算由tD=81OC ,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)有機(jī)卷1” P303進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由tF=91.4C,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)有機(jī)卷1” P303精儲(chǔ)段液相平均粘度為4 .精儲(chǔ)塔的塔體工藝尺寸計(jì)算a）塔徑的計(jì)算精微段的氣、液相體積流率為由式中X | 計(jì)算，其中的C20由“史密斯關(guān)聯(lián)圖”查取,圖的橫坐標(biāo)為取板間距HT=0.40m,板上液層高度hL=0.04m,則HT-hL=0.40-0.04=0.36m查“史密斯關(guān)聯(lián)圖”得C20=O.O73取安全系數(shù)為0. 6,則空塔氣速為u=0.6umax=0.6x 1.235=0.887m/s

11、按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D=1.0m塔截面積為實(shí)際空塔氣速為b)精微塔有效高度的計(jì)算精微段有效高度為Z精=(N 精-1>Ht=(10-1>x 0.40=3.6m提儲(chǔ)段有效高度為Z提=(N 中i-1>Ht=(18-1>x 0.40=6.8m在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為 0.8m故精儲(chǔ)塔的有效高度為Z=Z 精 +Z 提+0.8=11.2m5 .塔板主要工藝尺寸的計(jì)算a）溢流裝置計(jì)算因塔徑D=1m,可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：i. 堰長(zhǎng)lw取lw=0.66D=0.66X 1.0=0.66mii. 溢流堰高度hw由hw=h_-how選用平直堰，堰上液層高度

12、近彳以取E= 1,貝U取板上清液層高度hL=40mm故 hw=0.04-0.0094=0.031miii. 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 I查“弓形降液管的參數(shù)圖”，得KI 3故Af=0.0722AT=0.0722 X 0.503=0.0363m2W=0.124D=0.124X 1.0=0.124m依式即驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間,故降液管設(shè)計(jì)合理。iv. 降液管底隙高度取 u0=0.08m/s則Ihw-ho=0.051 -0.031=0.0097m>0.006m故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度hw=50mm。b）塔板布置i. 塔板的分塊因D>800mm故塔板采用

13、分塊式。查“塔板分塊數(shù)表”得, 塔板分為3塊。ii. 邊緣區(qū)寬度的確定取 W4=W's=0.065m, WC=0.035m。iii. 開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積I其中 j故 n v -iv. 篩孔計(jì)算及其排列本題所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑d°=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距 t為 t=3d o=3X 5=15mm篩孔數(shù)目n為開孔率為6 .塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算a）塔板壓降i. 干板阻力hc計(jì)算干板阻力hc由式x 計(jì)算, 由 I X ,查“干篩孔的流量系數(shù)圖”得，Co=0.772ii. 氣體通過液層的阻力hi計(jì)算氣體通過液層的阻力hi由式計(jì)算查“充氣系數(shù)關(guān)

14、聯(lián)圖”，得0.57故iii. 液體表面張力的阻力 時(shí)計(jì)算表面張力所產(chǎn)生的阻力回由式 區(qū)計(jì)算氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算氣體通過每層塔板的壓降為b）液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。c）液沫夾帶液沫夾帶量由式計(jì)算d）漏液故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量ev在允許范圍內(nèi)。對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速U0,min可如下計(jì)算實(shí)際孔速 u0=8.52m/s>u0,min穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。e）液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)有苯-甲苯物系屬一般物系，取 二J ,則板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由式計(jì)算，即Hd=0.047+0.40+0.

15、001=0.088m 液柱故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象O7 .塔板負(fù)荷性能圖a）漏液線整理得J在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果 列于下表。Ls, m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs, m3/s0.2800.2910.3050.317由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。b）液沫夾帶線以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下:LEJ故_l三I整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果 列于下表。Ls,m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s1.4461.3841.3041.236由上表數(shù)據(jù)

16、即可作出液沫夾帶線 2c）液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度how=0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，則|=0.006取E=1,則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3d）液相負(fù)荷上限線以山作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，則KI據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上線線4e）液泛線令由聯(lián)立得I忽略回，將國與Ls,日與Ls,目與Vs的關(guān)系式帶入上式，并整理得目將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得目在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果 列于下表。Ls, m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs, m3/s1.2261.1871.1201.040由上表數(shù)據(jù)即

17、可作出液泛線5在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn) 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。并可查得3 .Vs,max=1.163m /sVs,min=0.282m3/s故操作彈性為所設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于下表。序號(hào)工程數(shù)值1平均溫度t m, c86.22平均壓力Pn,kPa108.83氣相流量VS,(m3/s>2.854液相流量Ls,(m3/s>808.65實(shí)際塔板數(shù)286后效段局度Z,m11.27塔彳至D, m1.08板間距HT, m0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長(zhǎng)l嗎m0.6612堰局hw, m0.03113板上液層高度m0

18、.0414堰上液層高度hOvym0.009415降液管底隙高度ho, m0.02116安定區(qū)寬度W, m0.06517邊緣區(qū)寬度W, m0.03518開孔區(qū)卸積a, m0.53219篩孔直徑do, m0.00520篩71數(shù)目n273121孔中心距t, m0.01522開孔率小,%10.123空塔氣速u, m/s0.58324篩71氣速uo, m/s8.5225穩(wěn)定系數(shù)K1.6026每層塔板壓降/ Pp, Pa37127負(fù)荷上限液泛控制28負(fù)荷上限漏液控制29液沫夾帶ev, <kg液/kg氣）0.002730氣相負(fù)荷上限，m/s1.16331氣相負(fù)荷卜限，m/s0.28232操作彈性4.1248.精儲(chǔ)塔接管尺寸計(jì)算1 .塔頂蒸汽出口管徑依據(jù)流速選取，但塔頂蒸汽出