化工原理課程設(shè)計(jì) --苯-甲苯分離過程板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 引言…………………………………………………………………………… 2</p><p>　　1.1 板式塔內(nèi)進(jìn)行的精餾程……………………………………………………… 2</p><p>　　1.2 板式塔的結(jié)構(gòu)與功能………………………………………………………… 2</

2、p><p>　　1.3 板式精餾塔的設(shè)計(jì)原則……………………………………………………… 3</p><p>　　1.4 常用板式塔類型和結(jié)構(gòu)……………………………………………………… 3</p><p>　　2 設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………… 4</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)方案的確定……………………………

3、………………………………… 4</p><p>　　2.2 精餾塔的物料衡算…………………………………………………………… 4</p><p>　　2.3 塔板數(shù)的確定………………………………………………………………… 5</p><p>　　2.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算………………………………… 6</p><p>　　2.

4、5 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算………………………………………………… 9</p><p>　　2.6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算…………………………………………………… 10</p><p>　　2.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算………………………………………………………… 12</p><p>　　2.8 塔板負(fù)荷性能圖……………………………………………………………… 14&l

5、t;/p><p>　　3.3 AutoCAD繪制設(shè)備圖………………………………………………………… 18</p><p>　　結(jié)論 ……………………………………………………………………………… 19</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 20</p><p><b>　　1 引言&

6、lt;/b></p><p>　　蒸餾是分離液體均相混合物或液態(tài)均相氣體混合物的操作。蒸餾操作是基于組成混合物的各組分具有不同的揮發(fā)度，即在相同溫度下各自的飽和蒸汽壓不同以實(shí)現(xiàn)分離的一種單元操作。該分離操作是通過加入熱量或移出熱量的方法，使混合物形成氣液兩相，氣液兩相在互相接觸中進(jìn)行熱量、質(zhì)量傳遞，使易揮發(fā)組分在氣相中增濃，難揮發(fā)組分在液相中增濃，從而實(shí)現(xiàn)互溶混合物的分離。其中應(yīng)用最廣泛的是精餾操作。<

7、;/p><p>　　1.1 板式塔內(nèi)進(jìn)行的精餾過程</p><p>　　原料液自塔中部的適當(dāng)位置加入塔內(nèi)，塔頂冷凝器將上升的蒸氣冷凝成液體，其中一部分作為塔頂產(chǎn)品（餾出液）采出，另一部分引入塔頂作為“回流液”，在塔板上建立液層。塔的底部裝有再沸器（塔釜），加熱液體產(chǎn)生蒸氣回到塔底，再沿塔上升。加料口將精餾塔分成兩段，上段為精餾段，加料口以下為提餾段。在精餾段的各層塔板上，氣相與液相密切接觸，

8、在溫度差和組成差的存在下（傳熱、傳質(zhì)推動(dòng)力），氣相進(jìn)行部分冷凝，使其中部分難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相；同時(shí)，氣相冷凝時(shí)釋放大的潛熱使液體部分汽化，部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入氣相中。經(jīng)過每層塔板后，凈的結(jié)果是氣相中易揮發(fā)組分的含量增高，液相中難揮發(fā)組分增濃。只要精餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔頂即可獲得指定純度的易揮發(fā)組分產(chǎn)品。同理，只要提餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔底可得到高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品。</p><p>　　1.2 板式塔

9、的結(jié)構(gòu)與功能</p><p>　　板式塔由一個(gè)通常呈圓柱形的殼體及其中按一定間距水平設(shè)置的若干塊塔板所組成。板式塔正常工作時(shí)，液體在重力作用下自上而下橫向通過各層塔板后由塔底排出；氣體在壓差推動(dòng)下，經(jīng)均布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板后由塔頂排出。在每塊塔板上皆貯有一定的液體，氣體穿過板上液層時(shí)，兩相進(jìn)行接觸傳質(zhì)。</p><p>　　為了有效地實(shí)現(xiàn)氣液兩相之間的傳質(zhì)，板式塔應(yīng)具有以下

10、功能：</p><p>　?。?）在每塊塔板上氣液兩相之間必須保持密切而充分的接觸，為傳質(zhì)過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面。</p><p>　?。?）在塔內(nèi)應(yīng)盡量使氣液兩相呈逆流流動(dòng)，以提供最大的傳質(zhì)推動(dòng)力。因?yàn)楫?dāng)氣液兩相進(jìn)、出塔的濃度一定時(shí)，兩相逆流接觸時(shí)的平均傳質(zhì)推動(dòng)力最大。</p><p>　　1.3 板式精餾塔的設(shè)計(jì)原則</p>&

11、lt;p>　　總的原則是盡可能多地采用先進(jìn)的技術(shù)，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點(diǎn)。 （1）滿足工藝和操作的要求    所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計(jì)的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進(jìn)行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。設(shè)置必需的儀表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來

12、觀測(cè)和控制生產(chǎn)過程。 （2） 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求     要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費(fèi)用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗。回流比對(duì)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。冷卻水的節(jié)省也對(duì)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用有影響，減少冷卻水用量，操作費(fèi)用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費(fèi)用增加。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全

13、面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。 （3） 保證生產(chǎn)安全   生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。塔體大都安裝在室外，為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強(qiáng)度。</p><p>　　1.4 常用板式塔類型和結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）篩孔塔板：篩孔塔板簡(jiǎn)稱篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔。根

14、據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板（孔徑為3~8mm）和大孔徑篩板（孔徑10~25mm）兩類。工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場(chǎng)合（如分離粘度大、易結(jié)焦的物系）。篩板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩板易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。</p><p>　?。?）浮閥塔板：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干個(gè)閥孔，每個(gè)閥孔裝有一個(gè)

15、可以上下浮動(dòng)的閥片。氣流從浮閥周邊水平地進(jìn)入塔板上液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)。浮閥塔板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，故塔板效率高。其缺點(diǎn)是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時(shí)，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。</p><p>&l

16、t;b>　　設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。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)后送人精餾塔內(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

17、流比取最小回流比的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。</p><p><b>　　精餾塔的物料衡算</b></p><p>　　2.2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率</p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量 =78.11kg/kmol</p><p>　　甲苯的摩爾質(zhì)量 =92.13

18、kg/kmol</p><p>　　原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量</p><p>　?。?.461×78.11＋﹙1－0.461﹚92.13＝85.67㎏/ mol</p><p>　?。?.987×78.11＋﹙1－0.987﹚92.13＝78.29㎏/ mol</p><p>　　＝0.012×78.

19、11＋﹙1－0.012﹚92.13＝91.96㎏/ mol</p><p>　　原料液處理量 </p><p>　　總物料衡算 426.53＝D＋W</p><p>　　苯物料衡算 26.53×0.461＝0.987D＋0.012W</p><p>　　聯(lián)立解得 D＝11.97</p&

20、gt;<p><b>　　W＝14.56</b></p><p><b>　　塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　2.3.1 理論塔板數(shù)NT的求取</p><p>　　苯—甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。</p><p>　?、儆墒謨?cè)查得苯—甲苯物系的器液平衡數(shù)據(jù)，繪

21、出x—y圖，見圖5-19.</p><p>　　②求最小回流比及操作回流比</p><p>　　采用作圖法求最小回流比。在對(duì)角線上，自點(diǎn)e﹙0.461,0.461﹚作垂線ef即為進(jìn)料線﹙q線﹚，該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為</p><p>　?。?.681 ＝0.461</p><p><b>　　故最小回流比為</b&g

22、t;</p><p><b>　　取操作回流比為</b></p><p>　　③求精餾塔的氣、液相負(fù)荷</p><p><b>　　④求操作線方程</b></p><p><b>　　精餾端操作線方程為</b></p><p><b>　　提留

23、段操作線方程</b></p><p>　?、輬D解法求理論板層數(shù)</p><p>　　由平衡方程、精餾段方程和提餾段方程依次循環(huán)計(jì)算可求得。求解結(jié)果為</p><p>　　總理論板層數(shù) ＝15.5﹙包括再沸器﹚</p><p>　　進(jìn)料板位置 ＝8</p><p><b>　　實(shí)際板

24、層數(shù)的求取</b></p><p>　　精餾段實(shí)際板層數(shù) </p><p>　　提留段實(shí)際板層數(shù) </p><p>　　精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　操作壓力計(jì)算</b></p>&l

25、t;p>　　塔頂操作壓力 </p><p>　　每層塔板壓降 </p><p>　　進(jìn)料板壓力 </p><p>　　精餾段平均壓力 </p><p><b>　　操作溫度計(jì)算</b></p><p>　　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

26、度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算過程略。計(jì)算結(jié)果如下：</p><p>　　塔頂溫度 =82.1℃</p><p>　　進(jìn)料板溫度 =99.5℃</p><p>　　精餾段平均溫度 =﹙82.1＋99.5﹚/2=90.8℃</p><p><b>　　平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</

27、b></p><p>　　塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p><b>　　由，由平衡方程，得</b></p><p>　　進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　逐板法和平衡方程求得</p><p><b>　　精餾段平均摩爾質(zhì)量</b></p>&

28、lt;p><b>　　平均密度計(jì)算</b></p><p><b>　　氣象平均密度計(jì)算</b></p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即</p><p><b>　　液相平均密度計(jì)算</b></p><p>　　液相平均密度依下式計(jì)算，即</p>&

29、lt;p>　　塔頂液相平均密度的計(jì)算</p><p>　　由=82.1℃，查手冊(cè)得</p><p>　　進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算</p><p>　　由=99.5℃，查手冊(cè)得，</p><p>　　進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率</p><p>　　精餾段液相平均密度為</p><p>　　液相平均

30、表面張力計(jì)算</p><p>　　液相平均表面張力依下式計(jì)算，即</p><p>　　塔頂液相平均表面張力的計(jì)算</p><p>　　由=82.1℃，查手冊(cè)得</p><p>　　進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算</p><p>　　由=99.5℃，查手冊(cè)得，</p><p>　　精餾段液相平均表面

31、張力的計(jì)算</p><p><b>　　液相平均粘度的計(jì)算</b></p><p>　　液相平均粘度依下式計(jì)算，即</p><p>　　塔頂液相平均粘度的計(jì)算 由tD＝82.1℃，查手冊(cè)得 解出進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算 由tF＝99℃，查手冊(cè)得 解出精餾段液相平均表面張力為 </p>&l

32、t;p>　　精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算</p><p><b>　　塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　精餾段的氣、液相體積流率為</p><p><b>　　由</b></p><p>　　式中C由式5-5計(jì)算，其中的C20由圖5-1查取，圖的橫坐標(biāo)為 </p><p&

33、gt;　　取板間距HT=0.40m，板上液層高度hL＝0.06m，</p><p>　　查圖5-1得C20=0.034</p><p>　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 </p><p>　　u = 0.7×umax＝0.7×1.192＝0.834 m/s</p><p>　　按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D＝0.8m </

34、p><p><b>　　塔截面積為 </b></p><p><b>　　實(shí)際空塔氣速為</b></p><p>　　精餾塔有效高度的計(jì)算</p><p><b>　　精餾段有效高度為 </b></p><p><b>　　提餾段有效高度為 <

35、;/b></p><p>　　在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m </p><p>　　故精餾塔的有效高度為 </p><p>　　塔板主要工藝尺寸的計(jì)算</p><p><b>　　溢流裝置計(jì)算</b></p><p>　　因塔徑D＝0.8m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各

36、項(xiàng)計(jì)算如下： （1）堰長(zhǎng)</p><p>　　?。?）溢流堰高度 由 選用平直堰，堰上液層高度hOW由式5-7計(jì)算，即 近似取E＝1,則 取板上清液層高度 hL＝60 mm 故（3）弓形降液管寬度和截面積 由</p><p><b>　　查圖5-7，得 </b></p><p><b>　　故</

37、b></p><p>　　依式5-19驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即 故降液管設(shè)計(jì)合理。 （4）降液管底隙高度</p><p>　　故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤，深度。</p><p><b>　　塔板布置</b></p><p><b>　?。?）塔板的分塊</b>&l

38、t;/p><p>　　因D≥800mm，故塔板采用分塊式。查表5-3得，塔極分為3塊。 （2）邊緣區(qū)寬度確定 取。（3）開孔區(qū)面積計(jì)算 開孔區(qū)面積按式5-12計(jì)算，即 其中 故（4）篩孔計(jì)算及其排列 本例所處理的物系無腐蝕性，可選用δ＝3 mm碳鋼板，取篩孔直徑d0＝5 mm。 篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為 t＝3d0＝3 × 5＝15mm 篩孔數(shù)目n為 開孔率為

39、氣體通過篩孔的氣速為 </p><p><b>　　篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算</b></p><p>　　2.7.1 塔板壓降 （1）干板阻力hc計(jì)算 干板阻力hc由式5-19 計(jì)算，即 由d0/δ＝5/3＝1.67，查圖5-10得，C0＝0.772故（2）氣體通過液層的阻力hl計(jì)算 氣體通過液層的阻力hl由式5-20計(jì)算，即 查圖5-11，得β=

40、0.62。 故（3）液體表面張力的阻力hσ計(jì)算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hσ由式5-23計(jì)算，即 氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算，即 氣體通過每層塔板的壓降為 (設(shè)計(jì)允許值)</p><p>　　2.7.2 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。 </p><p>　　2.7.3 液沫夾帶 液沫夾帶量由

41、式3-36計(jì)算，即 </p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量ev在允許范圍內(nèi)。 </p><p><b>　　漏液 </b></p><p>　　對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速u0,umax可由式5-25計(jì)算， 實(shí)際孔速u0＝9.18 m/s＞u0,min 穩(wěn)定系數(shù)為</p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。 &l

42、t;/p><p><b>　　液泛 </b></p><p>　　為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從式5-32的關(guān)系，即 苯一甲苯物系屬一般物系，取φ＝0.5，則 而板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由式5-30計(jì)算，即 </p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。</p><p><b>　　塔

43、板負(fù)荷性能圖</b></p><p>　　2.8.1 漏液線 由</p><p><b>　　得</b></p><p>　　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)果列于表1。 </p><p><b>　　表1</b></p><p&g

44、t;　　由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。</p><p><b>　　液沫夾帶線 </b></p><p>　　以 ev＝0.1kg液/kg氣為限，求 Vs-Ls關(guān)系如下： 由</p><p>　　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)果列于表3。 表

45、2</p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。 2.8.3 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)。由式5-7 得</p><p><b>　　取 E=1，則</b></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>

46、<p><b>　　液相負(fù)荷上限線 </b></p><p>　　以θ＝4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由式5-9得</p><p>　　故據(jù)此可作出與氣體流量元關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。</p><p>　　液泛線 令由聯(lián)立得忽略hσ，將hOW與Ls，hd與Ls，hc與Vs的關(guān)系式代人上式，并整理得 故將有關(guān)的

47、數(shù)據(jù)代入整理，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)果列于表3。 </p><p><b>　　表3</b></p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖所示。</p><p>　　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

48、泛控制，下限為漏液控制。由圖查得 </p><p><b>　　故操作彈性為 </b></p><p>　　表5-4 篩板塔的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果</p><p>　　3 AutoCAD繪制設(shè)備圖(見附圖)</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p&g

49、t;<p>　　通過這次設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們需要學(xué)會(huì)在不斷地演算中發(fā)現(xiàn)問題，需要耐心地計(jì)算好每一步。要能夠善于前后聯(lián)系，整體上把握設(shè)計(jì)方向。要想設(shè)計(jì)更好的，更適合工業(yè)化生產(chǎn)的精餾塔，那還需要大量查閱資料，不斷積累經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)知識(shí)。在計(jì)算過程中既要根據(jù)理論知識(shí)又要依托現(xiàn)實(shí)的狀況選擇合適的生產(chǎn)設(shè)備。通過這兩周的化工原理課程設(shè)計(jì)我真正了解了知識(shí)的作用，而不僅僅是死的東西，把學(xué)習(xí)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，用實(shí)踐去鞏固檢驗(yàn)所學(xué)的內(nèi)容，非常充實(shí)。

50、</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1 周國(guó)慶,蔣宇等. 化工機(jī)器和設(shè)備安裝.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1997</p><p>　　2 劉道德等. 化工設(shè)備的選擇與工藝設(shè)計(jì). 湖南:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1992</p><p>　　3 賈紹義,柴誠(chéng)敬. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津: