化工原理課程設(shè)計(jì) 苯-甲苯精餾塔設(shè)計(jì).doc

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苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì) ------------苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)年級(jí) ： 08級(jí)化學(xué)工程與工藝 姓 名 ： 孫 可（0804040118） 指導(dǎo)老師 ： 陳明燕 2011年 7 月 目錄 一 序 言 3 二 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)五 4 三 設(shè)計(jì)計(jì)算 5 1.1 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 5 1.2 精餾塔的物料衡算 7 1.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 12 1.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 16 1.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 18 1.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 20 1.7 塔板負(fù)荷性能圖 23 四 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 29 五 板式塔得結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備 30 5.1附件的計(jì)算 30 5.1.1接管 30 5.1.2冷凝器 32 5.1.3 再沸器 32 5.2 板式塔結(jié)構(gòu) 33 六 參考書(shū)目 35 七 設(shè)計(jì)心得體會(huì) 35 八 附錄 36 一 序 言 ? 化工原理課程設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用《化工原理》課程和有關(guān)先修課程（《物理化學(xué)》，《化工制圖》等）所學(xué)知識(shí)，完成一個(gè)單元設(shè)備設(shè)計(jì)為主的一次性實(shí)踐教學(xué)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，在整個(gè)教學(xué)中起著培養(yǎng)學(xué)生能力的重要作用。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，要求更加熟悉工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工單元操作設(shè)計(jì)的主要程序及方法，鍛煉和提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和技能的能力，問(wèn)題分析能力，思考問(wèn)題能力，計(jì)算能力等。 精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有時(shí)加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分離。本設(shè)計(jì)的題目是苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái)分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計(jì)一板式塔將其分離。 二 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)五 一、設(shè)計(jì)題目 苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)。 二、設(shè)計(jì)任務(wù) (1)原料液中苯含量：質(zhì)量分率＝75％(質(zhì)量)，其余為甲苯。 (2)塔頂產(chǎn)品中苯含量不得低于98％(質(zhì)量)。 (3)殘液中苯含量不得高于8.5％(質(zhì)量)。 (4)生產(chǎn)能力：90000 t/y苯產(chǎn)品，年開(kāi)工310天。 三、操作條件 (1)精餾塔頂壓強(qiáng)：4.0kPa(表壓) (2)進(jìn)料熱狀態(tài)：自選 (3)回流比：自選。 (4)單板壓降壓：≯0.7kPa 四、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 (1)設(shè)計(jì)方案的確定及流程說(shuō)明 (2)塔的工藝計(jì)算 (3)塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì) 塔高、塔徑以及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定；塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；塔板的負(fù)荷性能圖。 (4)編制設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表 (5)輔助設(shè)備選型與計(jì)算 (6)繪制塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖：采用繪圖紙徒手繪制 五、時(shí)間及地點(diǎn)安排 (1)時(shí)間：2011.6.20～2011.7.3(第18周～第19周) (2)地點(diǎn)：明德樓A318（1）教室 六、參考書(shū)目 [1]譚天恩?化工原理(第二版)下冊(cè)?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998 [2]何潮洪,馮霄?化工原理?北京：科學(xué)出版社，2001 [3]柴誠(chéng)敬,劉國(guó)維?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1994 [4]賈紹義,柴敬誠(chéng)?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津大學(xué)出版社，2002 三 設(shè)計(jì)計(jì)算 1.1 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。由于對(duì)物料沒(méi)有特殊的要求，可以在常壓下操作。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(guò)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，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。其中由于蒸餾過(guò)程的原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)把其熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。 塔板的類(lèi)型為篩板塔精餾，篩板塔塔板上開(kāi)有許多均布的篩孔，孔徑一般為3～8mm，篩孔在塔板上作正三角形排列。篩板塔也是傳質(zhì)過(guò)程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： (１) 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60％，為浮閥塔的80％左右。 (２) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加10～15％。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。 (４) 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30％左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： (１) 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 (２) 操作彈性較小(約2～3)。 (３) 小孔篩板容易堵塞。 下圖是板式塔的簡(jiǎn)略圖： 表1 苯和甲苯的物理性質(zhì) 項(xiàng)目 分子式 分子量M 沸點(diǎn)（℃） 臨界溫度tC（℃） 臨界壓強(qiáng)PC（kPa） 苯A C6H6 78.11 80.1 288.5 6833.4 甲苯B C6H5—CH3 92.13 110.6 318.57 4107.7 表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓 溫度 80.1 85 90 95 100 105 110.6 ,kPa 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0 ，kPa 40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0 表3 常溫下苯—甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)（[2]：例1—1附表2） 溫度 80.1 85 90 95 100 105 液相中苯的摩爾分率 1.000 0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 汽相中苯的摩爾分率 1.000 0.900 0.777 0.630 0.456 0.262 表4 純組分的表面張力([1]：附錄圖7) 溫度 80 90 100 110 120 苯，mN/m 甲苯，Mn/m 21.2 21.7 20 20.6 18.8 19.5 17.5 18.4 16.2 17.3 表5 組分的液相密度([1]：附錄圖8) 溫度(℃) 80 90 100 110 120 苯,kg/ 814 805 791 778 763 甲苯,kg/ 809 801 791 780 768 表6 液體粘度μ（[1]：） 溫度(℃) 80 90 100 110 120 苯（mP.s） 0.308 0.279 0.255 0.233 0.215 甲苯（mP.s） 0.311 0.286 0.264 0.254 0.228 表7常壓下苯——甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù) 溫度t ℃ 液相中苯的摩爾分率 x 氣相中苯的摩爾分率 y 110.56 0.00 0.00 109.91 1.00 2.50 108.79 3.00 7.11 107.61 5.00 11.2 105.05 10.0 20.8 102.79 15.0 29.4 100.75 20.0 37.2 98.84 25.0 44.2 97.13 30.0 50.7 95.58 35.0 56.6 94.09 40.0 61.9 92.69 45.0 66.7 91.40 50.0 71.3 90.11 55.0 75.5 80.80 60.0 79.1 87.63 65.0 82.5 86.52 70.0 85.7 85.44 75.0 88.5 84.40 80.0 91.2 83.33 85.0 93.6 82.25 90.0 95.9 81.11 95.0 98.0 80.66 97.0 98.8 80.21 99.0 99.61 80.01 100.0 100.0 1.2 精餾塔的物料衡算 (1) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 （2）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 （3）物料衡算 原料處理量 總物料衡算 苯物料衡算 聯(lián)立解得 式中 F------原料液流量 D------塔頂產(chǎn)品量 W------塔底產(chǎn)品量 3 塔板數(shù)的確定 （1）理論板層數(shù)NT的求取 苯一甲苯屬理想物系，可采逐板計(jì)算求理論板層數(shù)。 ①求最小回流比及操作回流比。 采用恩特伍德方程求最小回流比。 解得，最小回流比 取操作回流比為 ②求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 (泡點(diǎn)進(jìn)料：q=1) ③求操作線方程 精餾段操作線方程為 提餾段操作線方程為 （2）逐板法求理論板 又根據(jù) 可解得 =2.47 相平衡方程 解得 變形得 用精餾段操作線和相平衡方程進(jìn)行逐板計(jì)算 = 0.983 ， =0.959 ， ， ， ， ， 因?yàn)? 故精餾段理論板 n=5，用提留段操作線和相平衡方程繼續(xù)逐板計(jì)算 ， ， ， ， ， 因?yàn)椋? 所以提留段理論板 n=5（不包括塔釜） （3） 全塔效率的計(jì)算 查溫度組成圖得到，塔頂溫度TD=80.94℃，塔釜溫度TW=105℃，全塔平均溫度Tm =92.97℃。 分別查得苯、甲苯在平均溫度下的粘度 ， 平均粘度由公式，得 全塔效率ET （4） 求實(shí)際板數(shù) 精餾段實(shí)際板層數(shù) 提餾段實(shí)際板層數(shù) 進(jìn)料板在第11塊板。 1.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 （1）操作壓力計(jì)算 塔頂操作壓力P＝4+101.3 kPa 每層塔板壓降 △P＝0.7 kPa 進(jìn)料板壓力＝105.3+0.7×10＝112.2 kPa 塔底操作壓力=119.3 kPa 精餾段平均壓力 P m1 ＝（105.3+112.3）／2＝108.8 kPa 提餾段平均壓力P m2 =（112.3+119.3）/2 =115.8 kPa （2）操作溫度計(jì)算 依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸氣壓由 安托尼方程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。計(jì)算結(jié)果如下： 塔頂溫度℃ 進(jìn)料板溫度＝85.53℃ 塔底溫度=105.0℃ 精餾段平均溫度=（ 80.9.+85.53）/2 = 83.24℃ 提餾段平均溫度=（85.53+105.0）/2 =95.27℃ （3）平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由xD=y1=0.957,代入相平衡方程得x1=0.959 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由上面理論板的算法，得＝0.877， ＝0.742 塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由xw=0.077,由相平衡方程，得yw=0.171 精餾段平均摩爾質(zhì)量 提餾段平均摩爾質(zhì)量 （4） 平均密度計(jì)算 ①氣相平均密度計(jì)算 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，精餾段的平均氣相密度即 提餾段的平均氣相密度 ②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＝80.94℃，查手冊(cè)得 塔頂液相的質(zhì)量分率 進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算 由tF＝85.53℃，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 塔底液相平均密度的計(jì)算 由tw＝105.0℃，查手冊(cè)得 塔底液相的質(zhì)量分率 精餾段液相平均密度為 提餾段液相平均密度為 (5) 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 塔頂液相平均表面張力的計(jì)算 由 tD＝80.94℃，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算 由tF＝85.53℃，查手冊(cè)得 塔底液相平均表面張力的計(jì)算 由 tW＝105.0℃，查手冊(cè)得 精餾段液相平均表面張力為 提餾段液相平均表面張力為 (6) 液體平均粘度計(jì)算 液相平均粘度依下式計(jì)算，即 μLm=Σxiμi 塔頂液相平均粘度的計(jì)算 由 tD＝80.94℃，查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算 由tF＝85.53℃，查手冊(cè)得 塔底液相平均粘度的計(jì)算 由tw＝105.0℃，查手冊(cè)得 精餾段液相平均粘度為 提餾段液相平均粘度為 （7）氣液負(fù)荷計(jì)算 精餾段： 提餾段： 1.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 (1) 塔徑的計(jì)算 塔板間距HT的選定很重要，它與塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、塔的操作彈性，以及塔的安裝、檢修等都有關(guān)?？蓞⒄障卤硭窘?jīng)驗(yàn)關(guān)系選取。 表7 板間距與塔徑關(guān)系 塔徑DT，m 0.3～0.5 0.5～0.8 0.8～1.6 1.6～2.4 2.4～4.0 板間距HT，mm 200～300 250～350 300～450 350～600 400～600 對(duì)精餾段： 初選板間距，取板上液層高度， 故； 查史密斯關(guān)聯(lián)圖 得C20=0.070；依式 校正物系表面張力為時(shí)0.0707 可取安全系數(shù)為0.7，則（安全系數(shù)0.6—0.8）， 故 按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為2.0m,則空塔氣速0.66m/s。 對(duì)提餾段： 初選板間距，取板上液層高度， 故；0.0717 查[2]：圖3—8得C20=0.068；依式=0.069 校正物系表面張力為時(shí) 按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為2.0m,則空塔氣速1.56m/s。 將精餾段和提溜段相比較可以知道二者的塔徑不一致，根據(jù)塔徑的選擇規(guī)定，對(duì)于相差不大的二塔徑取二者中較大的，因此在設(shè)計(jì)塔的時(shí)候塔徑取2.0m。 1.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 (1) 溢流裝置計(jì)算 精餾段 因塔徑D＝2.0m，可選用單溢流弓形降液管，采用平行受液盤(pán)。對(duì)精餾段各項(xiàng)計(jì)算如下： a)溢流堰長(zhǎng)：?jiǎn)我缌魅W=（0.6～0.8）D，取堰長(zhǎng)為0.60D=0.60×2.0=1.20m b)出口堰高： 故 c)降液管的寬度與降液管的面積： 由查（[2]：圖3—13）得， 故 ， 利用([2]：式3—10)計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積， 即（大于5s，符合要求） d)降液管底隙高度：取液體通過(guò)降液管底隙的流速（0.07---0.25） 依([2]：式3—11)：符合（） e)受液盤(pán) 采用平行形受液盤(pán)，不設(shè)進(jìn)堰口，深度為60mm 同理可以算出提溜段相關(guān)數(shù)據(jù)如下： a)溢流堰長(zhǎng)：?jiǎn)我缌魅W=（0.6～0.8）D，取堰長(zhǎng)為0.66D=0.8×1.6=1.056m b)出口堰高： 由 查知E=1.04,依式 可得 故 c)降液管的寬度與降液管的面積： 由 查圖得， 故 計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積， 即15.16（大于5s，符合要求） d)降液管底隙高度：取液體通過(guò)降液管底隙的流速0.1m/s（0.07---0.25） 0.036（m）符合（） (2) 塔板布置 精餾段 ①塔板的分塊 因D≥800mm，故塔板采用分塊式。塔極分為4塊。對(duì)精餾段： a) 取邊緣區(qū)寬度 安定區(qū)寬度 b)計(jì)算開(kāi)空區(qū)面積 ， 解得， c)篩孔數(shù)與開(kāi)孔率：取篩空的孔徑為，正三角形排列，一般碳的板厚為,取3.5， 故孔中心距5×5=17.5mm 篩孔數(shù) 則每層板上的開(kāi)孔面積為 氣體通過(guò)篩孔的氣速為 1.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 塔板的流體力學(xué)計(jì)算，目的在于驗(yàn)算預(yù)選的塔板參數(shù)是否能維持塔的正常操作，以便決定對(duì)有關(guān)塔板參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，最后還要作出塔板負(fù)荷性能圖。 (1) 氣體通過(guò)篩板壓強(qiáng)相當(dāng)?shù)囊褐叨扔?jì)算 精餾段： a) 干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋阂?，查《干篩孔的流量系數(shù)》圖得，C0=0.84由式 b)氣體穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋? ， 由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)=0.66，依式 c)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋? 依式 ， 故 則單板壓強(qiáng)： (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。 (3) 霧沫夾帶 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量霧沫夾帶。 (4) 漏液 由式 篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量漏液。 （5) 液泛 為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度 依式， 而 取，則 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。 根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)液體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。 同精餾段公式計(jì)算，提溜段各參數(shù)計(jì)算如下： (1) 氣體通過(guò)篩板壓強(qiáng)相當(dāng)?shù)囊褐叨扔?jì)算 a) 干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋? b)氣體穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋? ， 由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)=0.65，依式 c)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋? ， 故 則單板壓降： （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。 (3) 液沫夾帶 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量霧沫夾帶。 (4) 漏液 查得： 篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量漏液。 (5) 液泛 為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度 依式， 而 取，則 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。 根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)液體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為提餾段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。 1.7 塔板負(fù)荷性能圖 精餾段： (1) 霧沫夾帶線 霧沫夾帶量 取，前面求得， 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3-19。 表8 Ls /(m3/s) 0.003 0.004 0.005 0.006 Vs /(m3/s) 4.506 4.378 4.261 4.151 由上表數(shù)據(jù)即可作出霧沫夾帶線。 (2) 液泛線 由E=1.04,lW=1.2得： 已算出， ，， 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3-20。 表10 Ls /(m3/s) 0.003 0.004 0.005 0.006 Vs /(m3/s) 4.067 3.984 3.902 3.821 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線2。 (3) 液相負(fù)荷上限線 以θ＝4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限， 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線0.0163（m3/s）。 (4) 漏液線 由和， 代入得： 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3-21。 表11 Ls /(m3/s) 0.003 0.004 0.005 0.006 Vs /(m3/s) 1.192 1.211 1.229 1.245 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線4。 (5) 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)。E=1.04 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線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。 圖1 精餾段篩板負(fù)荷性能圖 在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)P，連接OP，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。 同精餾段，得出提餾段的各曲線為： (1) 霧沫夾帶線 整理得： (2) 液泛線 已知E=1.06 lw=1.2，同理精餾段得： 由此可作出精餾段液泛線2。 (3) 漏液線 整理得： 據(jù)此可作出漏液線3。 (4) 液相負(fù)荷上限線 以θ＝5s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限， 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0.013。 (5) 液相負(fù)荷下限線 以how＝5s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限， 整理得： 由此可作出液相負(fù)荷下限線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。 四 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算數(shù)據(jù) 精餾段 提留段 各段平均壓強(qiáng) Pm kPa 108.8 115.8 各段平均溫度 tm ℃ 83.24 95.27 平均流量 氣相 VS m3/s 2.08 2.02 液相 LS m3/s 0.0043 0.0092 實(shí)際塔板數(shù) N 塊 10 10 板間距 HT m 0.40 0.40 塔的有效高度 Z m 3.6 3.6 塔徑 D m 2 2 空塔氣速 u m/s 0.66 0.643 塔板液流形式 單流型 單流型 溢流管型式 弓形 弓形 堰長(zhǎng) lw m 1.2 1.2 堰高 hw m 0.044 0.044 溢流堰寬度 Wd m 0.2 0.2 管底與受業(yè)盤(pán)距離 ho m 0.036 0.0767 板上清液層高度 hL m 0.06 0.06 孔徑 do mm 5.0 5.0 孔間距 t mm 17.5 17.5 孔數(shù) n 個(gè) 9660 9660 開(kāi)孔面積 m2 0.185 0.185 篩孔氣速 uo m/s 11.26 10.92 塔板壓降 hP kPa 0.591 0.591 液體在降液管中停留時(shí)間 τ s 7.09 7.09 降液管內(nèi)清液層高度 Hd m 0.121 0.121 霧沫夾帶 eV kg液/kg氣 0.00732 0.00657 負(fù)荷上限 霧沫夾帶控制 霧沫夾帶控制 負(fù)荷下限 漏液控制 漏液控制 氣相最大負(fù)荷 VS·max m3/s 3.6 氣相最小負(fù)荷 VS·min m3/s 1.2 操作彈性 3.1 五 板式塔得結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備 5.1附件的計(jì)算 5.1.1接管 (1)進(jìn)料管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T形進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。F=149Kg/h , =807.9Kg/ 則體積流量 管內(nèi)流速 則管徑 取進(jìn)料管規(guī)格Φ95×2.5 則管內(nèi)徑d=90mm 進(jìn)料管實(shí)際流速 (2)回流管 采用直管回流管，回流管的回流量 塔頂液相平均摩爾質(zhì)量,平均密度 則液體流量 取管內(nèi)流速 則回流管直徑 可取回流管規(guī)格Φ65×2.5 則管內(nèi)直徑d=60mm 回流管內(nèi)實(shí)際流速 (3)塔頂蒸汽接管 則整齊體積流量 取管內(nèi)蒸汽流速 則 可取回流管規(guī)格Φ430×12 則實(shí)際管徑d=416mm 塔頂蒸汽接管實(shí)際流速 (4)釜液排出管 塔底w=30kmol/h 平均密度 平均摩爾質(zhì)量 體積流量： 取管內(nèi)流速 則 可取回流管規(guī)格Φ54×2.5 則實(shí)際管徑d=49mm 塔頂蒸汽接管實(shí)際流速 (5)塔頂產(chǎn)品出口管徑 D=119koml/h 相平均摩爾質(zhì)量 溜出產(chǎn)品密度 則塔頂液體體積流量： 取管內(nèi)蒸汽流速 則 可取回流管規(guī)格Φ58×2.5 則實(shí)際管徑d=53mm 塔頂蒸汽接管實(shí)際流速 5.1.2冷凝器 塔頂溫度tD=80.94℃ 冷凝水t1=20℃ t2=30℃ 則 由tD=80.49℃ 查液體比汽化熱共線圖得 又氣體流量Vh=2.134m3/s 塔頂被冷凝量 冷凝的熱量 取傳熱系數(shù)K=600W/m2k， 則傳熱面積 冷凝水流量 5.1.3 再沸器 塔底溫度tw=105.0℃ 用t0=135℃的蒸汽，釜液出口溫度t1=112℃ 則 由tw=105.0℃ 查液體比汽化熱共線圖得 又氣體流量Vh=2.374m3/h 密度 則 取傳熱系數(shù)K=600W/m2k， 則傳熱面積 加熱蒸汽的質(zhì)量流量 5.2 板式塔結(jié)構(gòu) 板式塔內(nèi)部裝有塔板、降液管、各物流的進(jìn)出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附屬裝置。除一般塔板按設(shè)計(jì)板間距安裝外，其他處根據(jù)需要決定其間距。 （1） 塔頂空間 塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂?shù)拈g距。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，此段遠(yuǎn)高于板間距（甚至高出一倍以上），本塔塔頂空間取 （2） 塔底空間 塔底空間指塔內(nèi)最下層塔底間距。其值由如下兩個(gè)因素決定。 ①塔底駐液空間依貯存液量停留3~5min或更長(zhǎng)時(shí)間（易結(jié)焦物料可縮短停留時(shí)間）而定。②塔底液面至最下層塔板之間要有1~2m的間距，大塔可大于此值。本塔取 （3） 人孔 一般每隔6~8層塔板設(shè)一人孔。設(shè)人孔處的板間距等于或大于600mm，人孔直徑一般為450~500mm，其伸出塔體得筒體長(zhǎng)為200~250mm，人孔中心距操作平臺(tái)約800~1200mm。本塔設(shè)計(jì)每7塊板設(shè)一個(gè)人孔，共兩個(gè)，即 （4） 塔高 故全塔高為11.3m，另外由于使用的是虹吸式再沸器，可以在較低位置安置，所以裙板取了較小的1.5m。六 參考書(shū)目 [1]張新戰(zhàn)，化工單元過(guò)程及操作?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998 [2]何潮洪,馮霄?化工原理?北京：科學(xué)出版社，2001 [3]柴誠(chéng)敬,劉國(guó)維?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1994 [4]賈紹義,柴敬誠(chéng)?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津大學(xué)出版社，2002 [5]陳均志，李雷?化工原理實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 [6]馬江權(quán)，冷一欣?化工原理課程設(shè)計(jì)?北京：中國(guó)石化出版社，2009 七 設(shè)計(jì)心得體會(huì) 本次課程設(shè)計(jì)通過(guò)給定的生產(chǎn)操作工藝條件自行設(shè)計(jì)一套苯－甲苯物系的分離的塔板式連續(xù)精餾塔設(shè)備。通過(guò)近兩周的團(tuán)隊(duì)努力，反經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算和優(yōu)化，我們?nèi)私M終于設(shè)計(jì)出一套較為完善的塔板式連續(xù)精餾塔設(shè)備。其各項(xiàng)操作性能指標(biāo)均能符合工藝生產(chǎn)技術(shù)要求，而且操作彈性大，生產(chǎn)能力強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期的目的。? ?? ?? ?? ?? ?? ??? 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我經(jīng)歷并學(xué)到了很多知識(shí)，熟悉了大量課程內(nèi)容，懂得了許多做事方法，可謂是我從中受益匪淺，我想這也許就是這門(mén)課程的最初本意。從接到課題并完成分組的那一刻起我們就立志要盡最大努力把它做全做好。首先，我們?nèi)D書(shū)館借閱了大量有關(guān)書(shū)籍，并從設(shè)計(jì)書(shū)上了解熟悉了設(shè)計(jì)的流程和方法。通過(guò)查閱資料我們從對(duì)設(shè)計(jì)一無(wú)所知變得初曉門(mén)路，而進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和討論使我們使我們具備了完成設(shè)計(jì)的知識(shí)和方法，這使我們對(duì)設(shè)計(jì)有了極大的信心，我們確定了設(shè)計(jì)方案和具體流程及設(shè)計(jì)時(shí)間表，然后就進(jìn)入了正是的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。 ?? ?? ?? ?? ??? 萬(wàn)事開(kāi)頭難，出了最小回流我們從最簡(jiǎn)單的物料衡算開(kāi)始，把設(shè)計(jì)題目中的操作條件轉(zhuǎn)化為化工原理課程物料衡算相關(guān)的變量最終把物料衡算正確的計(jì)算出來(lái)。然后是回流比的確定，我們應(yīng)用分離工程中的計(jì)算式出了最小回流比，然后通過(guò)分析確定了放大倍數(shù)求出了實(shí)際回流比。同樣理論塔板數(shù)的計(jì)算也是通過(guò)復(fù)雜但有序的計(jì)算得出。 接下來(lái)塔的工藝尺寸計(jì)算，篩板流體力學(xué)驗(yàn)算，塔板負(fù)荷性能圖計(jì)算等一個(gè)接一個(gè)的被我們拿下，當(dāng)然這一路下來(lái)并不是一帆風(fēng)順的。在驗(yàn)算漏液時(shí)我們發(fā)現(xiàn)得出的驗(yàn)算值小于規(guī)定值，這一下打亂了我們的行進(jìn)步驟。通過(guò)討論分析，我們整理出可能幾條導(dǎo)致這一問(wèn)題原因，在對(duì)這幾個(gè)因素逐一分析后我們把目標(biāo)轉(zhuǎn)向了最大的“疑犯”篩板孔心距。原來(lái)是我們把孔心距取值取得偏小了，因?yàn)槲覀冞@個(gè)塔的生產(chǎn)能力比較大，太小的孔心距會(huì)導(dǎo)致板上液層壓力大于板下氣流產(chǎn)生的壓力就會(huì)導(dǎo)致漏液的產(chǎn)生。在重新取了一個(gè)稍大的孔心距后通過(guò)驗(yàn)算漏液?jiǎn)栴}得到順利解決。 塔的設(shè)計(jì)工作按計(jì)劃完成后我們開(kāi)始整理草稿并裝訂成本，為下一步的文檔編輯做好準(zhǔn)備。文檔的編輯我們是分工完成的，我負(fù)責(zé)論文主體部分的前半部的編輯工作，這個(gè)工作雖然不是很費(fèi)神但也不能小視，因?yàn)槔锩嫔婕暗酱罅抗胶秃瘮?shù)的輸入，為此我專(zhuān)門(mén)下載了公式編輯器配合我的編輯工作。最后我們?nèi)撕侠硗瓿闪宋谋镜木庉嫛? 這次歷時(shí)近兩周的的課程設(shè)計(jì)使我們把平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，使我們對(duì)書(shū)本上所學(xué)理論知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，也使我們自主學(xué)習(xí)了新的知識(shí)并在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用。此次課程設(shè)計(jì)也給我們提供了很大的發(fā)揮空間，我們積極發(fā)揮主觀能動(dòng)性獨(dú)立地去通過(guò)書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)等各種途徑查閱資料、查找數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，確定設(shè)計(jì)方案。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)提高了我們的認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。更重要的是，該課程設(shè)計(jì)需要我們充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，組員之間緊密協(xié)作，相互配合的能力，才可能在有限的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出合理的設(shè)計(jì)方案?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)不僅鍛煉了我們應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)分析解決問(wèn)題的能力，也提高了我們自學(xué)，檢索資料和協(xié)作的技能。 最后，我們還要感謝陳老師在這次課程設(shè)計(jì)中給予我們的敦促和指導(dǎo)工作。對(duì)于設(shè)計(jì)中我們問(wèn)題遇到的問(wèn)題她給予了我們認(rèn)真明確耐心的指導(dǎo)，這極大的鼓勵(lì)了我們完成設(shè)計(jì)的決心，因此，我們要再次感謝陳明燕老師和班級(jí)同學(xué)給予的幫助。 八 附錄 【1】苯----甲苯連續(xù)精餾過(guò)程板式精餾塔示意圖 37