1、新疆工業高等專科學校課程設計說明書題目名稱： 苯和乙苯篩板精餾塔設計系 部： 化學工程系 專業班級： 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 2011/7/7 新疆工業高等專科學校課程設計評定意見設計題目：苯和乙苯篩板精餾塔設計 學生姓名： 評定意見：評定成績： 指導教師（簽名）： 年 月 日新疆工業高等專科學校課程設計任務書 2010學年1 學期2011年7月7日專業班級課程名稱精餾塔設計設計題目苯乙苯分離過程篩板精餾塔設計指導教師起止時間周數設計地點設計目的：1加深學生對所學化工原理理論知識的運用、理解和掌握。2達到引導學生思考，培養學生靈活運用知識去解決問題的能力，及查閱資料、處理數據的能力

2、。設計任務或主要技術指標：生產能力5000kg/h，原料中苯含量為50%（摩爾分數），分離要求為塔頂苯含量為不低于90%，塔底苯含量不高于5%，常壓下操作，塔頂采用全凝器，飽和液體進料的篩板精餾塔。設計進度與要求：1擬訂題目和課程設計指導書（包括課程設計目的、內容、要求、進度、成績評定等），制定具體考核形式（一般應采用平常情況和答辯相結合方式）并于課程設計開始時向學生公布。2完整的課程設計應由設計草稿書和任務書組成。草稿書不上交指導老師，是備指導老師檢查及防止學生間抄襲之用。任務書應上交按照指定格式編排好的電子版及打印版。7月6日前上交指導老師。主要參考書及參考資料：1路秀林，王者相. 化工設

3、備設計全書塔設備M. 北京：化學工業出版社，2004.2王志魁. 化工原理第三版M. 北京：化學工業出版社，2005.3 王國勝. 化工原理課程設計M. 大連：大連理工大學出版社，2005.4 馬沛生. 化工數據. 北京：中國石化出版社，2003.5 賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設計M. 大連：天津大學出版社，2005.教研室主任（簽名） 系（部）主任（簽名） 年 月 日摘要塔設備的化工生產中的作用和地位 塔設備可使氣（或汽）液或液液兩相進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。可在塔設備中完成的常見操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。本設計任務為分離苯乙苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連

4、續精餾。精餾過程的流程設計如下：設計中采用泡點進料，塔頂上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產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倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。如圖所示。原料液由高位槽經過預熱器預熱后進入精餾塔內。操作時連續的從再沸器中取出部分液體作為塔底產品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經過冷凝器后被送出作為塔頂產品。目錄 TOC o

5、 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc297843329 1、符號說明 PAGEREF _Toc297843329 h 2 HYPERLINK l _Toc297843330 2.主要物性數據 PAGEREF _Toc297843330 h 4 HYPERLINK l _Toc297843331 苯、乙苯的物理性質 PAGEREF _Toc297843331 h 4 HYPERLINK l _Toc297843332 2.2苯、乙苯在某些溫度下的表面張力 PAGEREF _Toc297843332 h 4 HYPERLINK l _Toc297843333 苯、乙苯在某些溫度下

6、的粘度 PAGEREF _Toc297843333 h 4 HYPERLINK l _Toc297843334 苯、乙苯的液相密度 PAGEREF _Toc297843334 h 4 HYPERLINK l _Toc297843335 不同塔徑的板間距 PAGEREF _Toc297843335 h 4 HYPERLINK l _Toc297843336 3.工藝計算 PAGEREF _Toc297843336 h 5 HYPERLINK l _Toc297843337 精餾塔的物料衡算 PAGEREF _Toc297843337 h 5 HYPERLINK l _Toc297843338 塔

7、板數的確定 PAGEREF _Toc297843338 h 5 HYPERLINK l _Toc297843339 實際塔板數的求取 PAGEREF _Toc297843339 h 6 HYPERLINK l _Toc297843340 相關物性參數的計算 PAGEREF _Toc297843340 h 7 HYPERLINK l _Toc297843341 操作壓強 PAGEREF _Toc297843341 h 7 HYPERLINK l _Toc297843342 平均溫度 PAGEREF _Toc297843342 h 8 HYPERLINK l _Toc297843343 平均摩爾質

8、量 PAGEREF _Toc297843343 h 8 HYPERLINK l _Toc297843344 平均密度 PAGEREF _Toc297843344 h 9 HYPERLINK l _Toc297843345 液體平均表面張力 PAGEREF _Toc297843345 h 11 HYPERLINK l _Toc297843346 氣液相負荷 PAGEREF _Toc297843346 h 11 HYPERLINK l _Toc297843347 塔和塔板的主要工藝尺寸計算 PAGEREF _Toc297843347 h 13 HYPERLINK l _Toc297843348 塔

9、徑 PAGEREF _Toc297843348 h 13 HYPERLINK l _Toc297843349 溢流裝置 PAGEREF _Toc297843349 h 16 HYPERLINK l _Toc297843350 弓形降液管寬度Wd和截面Af PAGEREF _Toc297843350 h 16 HYPERLINK l _Toc297843351 降液管底隙高度 PAGEREF _Toc297843351 h 17 HYPERLINK l _Toc297843352 塔板布置 PAGEREF _Toc297843352 h 17 HYPERLINK l _Toc297843353

10、篩孔計算及其排列 PAGEREF _Toc297843353 h 18 HYPERLINK l _Toc297843354 篩板的流體力學計算 PAGEREF _Toc297843354 h 18 HYPERLINK l _Toc297843355 液面落差 PAGEREF _Toc297843355 h 20 HYPERLINK l _Toc297843356 液沫夾帶 PAGEREF _Toc297843356 h 20 HYPERLINK l _Toc297843357 漏液 PAGEREF _Toc297843357 h 20 HYPERLINK l _Toc297843358 液泛

11、PAGEREF _Toc297843358 h 21 HYPERLINK l _Toc297843359 塔板負荷性能圖 PAGEREF _Toc297843359 h 21 HYPERLINK l _Toc297843360 漏液線 PAGEREF _Toc297843360 h 21 HYPERLINK l _Toc297843361 霧沫夾帶線 PAGEREF _Toc297843361 h 22 HYPERLINK l _Toc297843362 液相負荷下限線 PAGEREF _Toc297843362 h 22 HYPERLINK l _Toc297843363 液相負荷上限線 P

12、AGEREF _Toc297843363 h 23 HYPERLINK l _Toc297843364 液泛線 PAGEREF _Toc297843364 h 23 HYPERLINK l _Toc297843365 6.參考文獻 PAGEREF _Toc297843365 h 271、符號說明 P氣體通過每層篩板的壓降，kPaAT塔的截面積，m2 C負荷因子，無因次 t篩孔的中心距，mC20表面張力為20mN/m的 u空塔氣速，m/sdo篩孔直徑，m Aa塔板開孔區面積，m2 n篩孔數目Af降液管截面積，m2 P操作壓力，kPaAo篩孔區面積，m2 uomin漏液點氣速，m/sD塔徑，m u

13、o液體通過降液體系的速度，m/sev液沫夾帶量，kg液/kg氣 Vn氣體體積流量，m/sR回流比 Vs氣體體積流量，m/sRmin最小回流比 Wc邊緣無效區寬度，mM平均摩爾質量，kg/kmol Wd弓形降液管高度，mTm平均溫度， Ws破沫區寬度，mg重力加速度，m/s2 Z板式塔有效高度，mFo篩孔氣相動觸因子 hl出口堰與沉降管距離，m hc與平板壓強相當的液柱高度，m 液體在降液管內停留時 hd與液體流過降液管壓強降相當的液柱高度，m hf板上清液高度，m how堰上液層高度，m Hw出口堰高度，mHw進口堰高度，m h與克服表面張力壓強降相當的液柱高度，m L液相 H板式塔高度，m

14、V氣相Hd降液管內清夜層高度，m Ls液體體積流量，m3/hHF進料處塔板間距，m HP人孔處塔板間距，mT理論板層數篩板厚度，m粘度，mPas密度，kg/m3質量分率，無因次開孔率，無因次 ho降液管的底隙高度，m 表面張力，mN/mmax最大min最小2.主要物性數據苯、乙苯的物理性質項目分子式分子量沸點臨界溫度臨界壓強Pa苯AC6H6乙苯BC8H10苯、乙苯在某些溫度下的表面張力t/20406080100120140苯、乙苯在某些溫度下的粘度t/020406080100120140苯、乙苯的液相密度t/20406080100120140不同塔徑的板間距塔徑D/m板間距HT/mm200-3

15、00250-350300-450350-600400-6003.工藝計算精餾塔的物料衡算苯的摩爾質量： 乙苯的摩爾質量： 原料液及塔頂，塔底產品的平均摩爾質量：因為分別為原料、塔頂、產品中的苯的摩爾分數所以：塔板數的確定查化工手冊得苯和乙苯的t-x-y關系T/xy-11848892961000.48510410811512012513013500由上圖可得q線與平衡線的交點坐標為（0.5，0.82）則最小回流比為：取回流比：則精餾塔的氣液負荷：精餾段：提餾段：求取操作線方程精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：由x-y圖，畫梯級可得理論板數為7（不包含塔釜），進料板為第4塊板。實際塔板數的求取塔

16、板效率是氣、液兩相的傳質速率、混合和流動狀況，以及板間反混（液沫夾帶、氣泡夾帶和漏液所致）的綜合結果。板效率為設計的重要數據。板效率與塔板結構、操作條件、物質的物理性質及流體力學性質有關，它反映了實際塔板上傳質過程進行的程度。OConnell對幾十個工業塔及實驗塔板效率進行綜合歸納，認為蒸餾塔可用相對揮發度與液相黏度的乘積作為參數來關聯全塔效率，其經驗式為：式中相對揮發度；液相黏度，mPas。上式中、的數據均取塔頂、塔底平均溫度下的值。此經驗式的圖解見下圖用于多元系統時，取關鍵組分間的相對揮發度；取液相的平均黏度。可按下式計算式中進料中各組分的摩爾分數； i組分的液態黏度，mPas。由t-x-

17、y曲線可知：全塔平均溫度：查手冊得平均溫度下的液相中各組分的黏度組分苯A乙苯B黏度（mPas）則有： 同理：,平均黏度:查手冊得，在下，相對揮發度: 則全塔效率計算實際塔板數精餾段：提餾段: 故全塔實際所需塔板數塊加料板位置在第9塊相關物性參數的計算操作壓強塔頂壓強：進料板壓強: 塔釜壓強: 精餾段平均操作壓強提餾段平均操作壓強全塔平均操作壓強平均溫度由前精餾段平均溫度: 提餾段平均溫度: 全塔平均溫度: 平均摩爾質量由苯乙苯圖解理論板及t-x-y圖查知xy(圖解理論板)x（平衡曲線）進料板平均摩爾質量氣相: 液相: 塔頂平均摩爾質量氣相: 液相: 塔底平均摩爾質量氣相: 液相: 則精餾段平均

18、摩爾質量氣相: 液相: 提餾段平均摩爾質量氣相:液相: 全塔平均摩爾質量氣相: 液相: 平均密度氣相密度:精餾段: 提餾段: 全塔: 液相密度:,式中為質量分率查的在下苯乙苯的密度為溫度（）84898132塔頂平均密度: ， 進料板平均密度: ，塔釜平均密度:， 精餾段平均密度:提餾段平均密度:全塔液相平均密度：液體平均黏度：查的在溫度下各組成的黏度 黏度 溫度8413298苯s)9乙苯(s)由公式計算平均黏度進料板：塔頂：塔：精餾段平均黏度：提餾段平均黏度：全塔平均黏度：液體平均表面張力由公式進行計算查資料得溫度下苯乙苯的表面張力 表面張力 溫度8498132苯(mN/m)乙苯(mN/m)2

19、251進料板表面張力：塔頂表面張力： 塔底表面張力： 精餾段液體平均表面張力：提餾段液體平均表面張力：全塔液體平均表面張力氣液相負荷精餾段:提餾段:塔的工藝條件及物性數據統計匯總如下項目符號單位計算數據平均壓強精餾段kPa提餾段全塔平均溫度精餾段91提餾段115全塔108液相平均摩爾質量精餾段kg/kmol提餾段全塔氣相平均摩爾質量精餾段kg/kmol提餾段全塔液相平均密度精餾段Kg/m3提餾段全塔氣相平均密度精餾段Kg/m3提餾段全塔液體平均黏度精餾段mPas提餾段全塔液體平均表面張力精餾段提餾段全塔氣相負荷精餾段m3/s提餾段液相負荷精餾段m3/h提餾段塔和塔板的主要工藝尺寸計算塔徑塔徑的

20、計算按照下式計算： 式中 D 塔徑m；Vs 塔內氣體流量m3/s；u 空塔氣速m/s。空塔氣速u的計算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據設計經驗，乘以一定的安全系數，即 因此，需先計算出最大允許氣速。式中 umax允許空塔氣速，m/s；V，L分別為氣相和液相的密度，kg/m3 ； C氣體負荷系數，m/s，對于氣體負荷系數C可用下圖確定；而下圖是按液體的表面張力為=0.02N/m時繪制的，故氣體負荷系數C應按下式校正： 精餾段塔徑的計算由以上的計算結果可以知道：精餾段的氣，液相體積流率為： 精餾段的汽，液相平均密度為： 板間距與塔徑的關系 塔徑D/mm30050050080080016

21、0016002400板間距HT/mm200300250350300450350600那么分離空間，初選板間距，取板上液層高度。查上圖smith關聯圖，得，依式取安全系數為0.7，則調整塔徑為;提餾段塔徑的計算提餾段的汽，液相平均密度為：查上圖smith關聯圖，得，依式校正到物系表面張力調整塔徑為，綜上，則取塔徑為，空塔氣速為/s溢流裝置采用單溢流，弓形降液管，平行受液盤及平行溢流堰，不設進口堰。溢流堰長lw取堰長為0.6D，則出口堰高由,選用平直堰,堰上液層高度式中 how堰上液流高度，m； ls塔內平均液流量，m3/h； lw 堰長，m； E 液流收縮系數。如右圖一般情況下可取E=1，對計算

22、結果影響不大。近似取E=1,則精餾段提餾段弓形降液管寬度Wd和截面Af由查右圖得：、則有計算液體在降液管中停留時間，以檢驗降液管面積故符合要求。降液管底隙高度 式中 降液管底隙處液體流速，m/s；(根據經驗一般)取降液管底隙處液體流速為/s，則塔板布置.1邊緣區寬度確定取（安定區寬度） （無效區寬度）.2開孔區（鼓泡區）面積計算開孔區面積按計算故篩孔計算及其排列選用碳鋼板,取篩孔直徑,篩孔按正三角形排列,取孔中心距計算塔板上的篩孔數，即計算塔板上開孔區開孔率氣體通過篩孔的氣速塔有效高度精餾段提餾段總的有效高度為篩板的流體力學計算氣體通過塔板的壓力降直接影響到塔低的操作壓力，故此壓力降數據是決定

23、蒸餾塔塔底溫度的主要依據。氣體通過每層塔板的壓降為上式中液柱高度可按下式計算式中塔板本身的干板阻力PC 板上充氣液層的靜壓力PL 液體的表面張力P干板阻力hc計算干板阻力由如下公式計算： 由查干篩孔的流量系數圖得 氣體通過液層的阻力計算根據右圖查的8查的為0.65液體表面張力的阻力計算由公式計算氣體通過每層塔板的壓降用公式計算單板壓強降符合設計要求。液面落差對于篩板塔液面落差很小,塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。液沫夾帶是指板上液體被上升氣流帶入上一層塔板的現象。液沫夾帶由下式計算,即式中故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內，設計合理。漏液對于篩板塔，漏液點氣速 可由式計算篩板穩定系

24、數故在本設計中無明顯漏夜。液泛汽液量相中之一的流量增大到某一數值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內的液體不能暢順地下流。當降液管內的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫但上層塔板上去，這種現象，稱為液泛（淹塔）如氣速過大，便有大量液滴從泡沫層中噴出，被氣體帶到上一層塔板，或有大量泡沫生成。如當液體流量過大時，降液管的截面便不足以使液體及時通過，于是管內液面即行升高。為防止塔內發生液泛，降液管內液層高Hd應服從式而由于板上不設進口堰，可由式 計算因故在本設計中不發生液泛現象塔板負荷性能圖塔板結構參數確定后，該塔板在不同的氣液負荷內有一穩定的操作范圍。越出穩定區，塔的效率顯著下降，甚至不

25、能正常操作。將出現各種不正常的流體力學的界限用曲線表示出來，便為操作負荷性能圖。它由氣相負荷下限線（又稱漏液線）、過量霧沫夾帶線、液相負荷下限線、液相負荷上限線和液泛線五條線組成。以精餾段為例。漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發生嚴重的漏液現象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。由 得在操作范圍內，任取幾個值，依上試計算出值，計算結果列于下表LsVs0.2550.2550.2550.25520.2552霧沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，霧沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精餾，一般控制eV液/kg氣。以ev=液/kg氣為限,求Vs-Ls關系如下:故 整理得LsVs334

26、535499792液相負荷下限線液相負荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導致塔板效率下降。對于平直堰,取上液層高度作為最小液體負荷標準由下式得取E=1,則據此可作出與氣體流量無關的垂直負荷下限線。液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在降液管內停留時間過短，進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。以t=5s作為液體在降液管中停留時間的下限,由式5-9得所以，據此可作出與氣體流量無關的垂直負荷上限線。液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內將發生液泛現象，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驗算中通常對降液管