苯甲苯二元混合液連續(xù)精餾裝置的設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì)

1、目 錄目 錄1前 言2設(shè)計(jì)任務(wù)3一. 設(shè)計(jì)項(xiàng)目3二. 設(shè)計(jì)條件3三. 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求3設(shè)計(jì)計(jì)算4一. 精餾塔的物料衡算41.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)41.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量41.3 物料衡算原料處理量4二. 理論塔板的計(jì)算52.1. 理論塔板數(shù)的的求取5三. 精餾段的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的衡算63.1 操作壓力計(jì)算63.2 操作溫度計(jì)算73.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算73.4 平均密度計(jì)算83.5 液相平均表面張力計(jì)算93.6 混合物的平均粘度10四精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算114.1 塔徑的計(jì)算114.2有效高度計(jì)算13五塔板主要工藝尺寸的計(jì)算135.1 溢流裝置

2、的計(jì)算135.2. 塔板分布15六. 篩板的流體力學(xué)計(jì)算166.1 塔板的壓降166.2 液面落差176.3 液沫夾帶186.4 漏液186.5 液泛19七. 塔板負(fù)荷性能圖207.1 漏液線207.2 液沫夾帶線217.4 液相負(fù)荷下限線227.5 液相負(fù)荷上限線237.6 液泛線23八.篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果25九.塔附件的設(shè)計(jì)279.1 接管279.1.1 進(jìn)料管279.1.2 回流管279.1.3 塔底出料管289.1.4 塔頂蒸汽出料管289.1.5 塔底進(jìn)氣管289.2 筒體與封頭299.2.1 筒體299.2.2 封頭299.3 除沫器299.4 裙座299.5 人孔30十.塔總體高

3、度的設(shè)計(jì)3010.1 塔的頂部空間高度3010.2 塔的底部空間高度3010.3 塔總體高度30結(jié)論31參考文獻(xiàn)31塔設(shè)備總裝配圖或工藝條件圖32前 言塔是具有一定形狀（截面大多是圓形）、一定容積、內(nèi)外裝置一定附件的容器。 用以使氣體與液體、氣體與固體、液體與液體或液體與固體密切接觸，并促進(jìn)其相互作用，以完成化學(xué)工業(yè)中熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程。 根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。塔設(shè)備中常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻和回收氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕和減濕等。塔設(shè)備應(yīng)滿足的條件：氣液兩相能充分接觸、生產(chǎn)能力及彈

4、性大、操作穩(wěn)定、流體流動(dòng)阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量少、制造和安裝容易、耐腐蝕和不易阻塞、調(diào)節(jié)及檢修方便。板式塔處理量大、效率高、清洗檢修方便且造價(jià)低，故工業(yè)上多采用板式塔。因而本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)板式塔。設(shè)計(jì)任務(wù)一. 設(shè)計(jì)項(xiàng)目苯-甲苯二元混合液連續(xù)精餾裝置的設(shè)計(jì)二. 設(shè)計(jì)條件1.原料液處理量：45000噸/年（每年按天生產(chǎn)日計(jì)算）2.進(jìn)料液苯含量：(質(zhì)量分率)3.進(jìn)料狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料 即4.塔頂餾出液中苯含量：（質(zhì)量分率）5.塔底苯含量：（質(zhì)量分率）6.回流方式：泡點(diǎn)回流7.操作壓力：常壓8.塔板類型：篩板塔板9.全塔效率：0.52三. 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.繪制工藝流程圖2.繪制塔設(shè)備總裝配圖或工藝條

5、件圖3.編制工藝設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)計(jì)算一. 精餾塔的物料衡算1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)苯的摩爾質(zhì)量甲苯的摩爾質(zhì)量1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量=1.3 物料衡算原料處理量總物料衡算： 苯物料衡算： 聯(lián)立解得 二. 理論塔板的計(jì)算2.1. 理論塔板數(shù)的的求取苯-甲苯屬理想物系，可采用逐板法求出理論塔板數(shù)。 求最小回流比及操作回流比，故最小回流比：取操作回流比： 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷本設(shè)計(jì)為泡點(diǎn)進(jìn)料，故:求操作線方程精餾段操作線方程為：提餾段操作線方程為：逐板法求理論塔板數(shù)采用逐板法求理論塔板數(shù)，求解結(jié)果如下：表1：x0.919422y0.9660.8503030.933

6、9650.7587340.8867570.6531440.8242150.5492270.7520970.4617370.6811220.3530130.5760210.238580.4382670.1428540.2932810.0770.1719960.0375560.0885580.0158610.038583總理論塔板數(shù)：(包括再沸器)進(jìn)料板位置：2.2 實(shí)際塔板數(shù)的求取已知全塔效率為0.52精餾段實(shí)際板層數(shù)提餾段實(shí)際板層數(shù)：三. 精餾段的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的衡算3.1 操作壓力計(jì)算 塔頂操作壓力 p每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 塔底操作壓力 精餾段平均壓力 提餾段平均壓力 3.2 操

7、作溫度計(jì)算 由安托尼方程可計(jì)算出進(jìn)料溫度 80.7 90.9： 108.9精餾段平均溫度為 提餾段平均溫度為 3.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由,查表1得塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，得進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由表可得， ,查表1得精餾段平均摩爾質(zhì)量提餾段平均摩爾質(zhì)量3.4 平均密度計(jì)算氣相平均密度計(jì)算精餾段：提餾段：液相平均密度計(jì)算液相平均密度計(jì)算公式：塔頂液相平均密度的計(jì)算由，可根據(jù)計(jì)算公式：計(jì)算出塔底液相平均密度計(jì)算由，可由上式計(jì)算出進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由，可計(jì)算出進(jìn)料板液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算：精餾段液相平均密度：精餾段液相平均密度：3.5 液相平均表面張力計(jì)算液相的平均表面張力依下式

8、計(jì)算 塔頂液相平均表面張力計(jì)算由，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算：計(jì)算得 塔底液相平均表面張力計(jì)算由,根據(jù)上式可計(jì)算出 進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算由，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算，可得 精餾段平均表面張力為：提餾段平均表面張力為：3.6 混合物的平均粘度液相平均粘度依下式計(jì)算：塔頂液相平均粘度的計(jì)算由，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算：計(jì)算出 塔底液相平均粘度的計(jì)算由,根據(jù)上式可計(jì)算出 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算，可得 精餾段液相平均表面粘度為：提餾段液相平均表面粘度為：四精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算4.1 塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為：因?yàn)?，其中需查表圖的橫坐標(biāo)為取板間距為，板上液層高度，則查史密斯關(guān)聯(lián)圖，得令

9、安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為0.7按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整，則精餾段塔徑為：。精餾段塔的截面積：實(shí)際空塔氣速為 ： 提餾段的氣、液相體積流率為：因?yàn)?，其中需查表圖的橫坐標(biāo)為取板間距為，板上液層高度，則查史密斯關(guān)聯(lián)圖，得令安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為=0.7按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整，則提餾段塔徑為：。提餾段塔的截面積：實(shí)際空塔氣速為 ： 4.2有效高度計(jì)算精餾段有效高度為： 提餾段有效高度為： 在進(jìn)料板上方開一個(gè)人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為：五塔板主要工藝尺寸的計(jì)算因塔徑小于1米，可選用單溢流弓形降液管，凹形受液盤。5.1 溢流裝置的計(jì)算 堰長(zhǎng)取溢流堰高度精餾段溢流高度計(jì)算由,采用平直堰，堰上液

10、高度按下式計(jì)算： （近似取）又，取，所以提餾段溢流高度計(jì)算由,采用平直堰，堰上液高度按下式計(jì)算：（近似取）又，取，所以弓形降液管寬度和截面積精餾段和提餾段：由,查弓形降液管參數(shù)圖，得 ，故： 驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間，可用公式 精餾段液提在降液管中的停留時(shí)間為：停留時(shí)間，故降液管設(shè)計(jì)合理。提餾段液提在降液管中的停留時(shí)間為：停留時(shí)間，故降液管設(shè)計(jì)合理。降液管底隙高度取降液管底隙的流速，則精餾段降液管底隙高度為：提餾段降液管底隙高度為：則符合要求，選用凹形受液盤，深度5.2. 塔板分布塔板的分塊因，故采用塔板分塊式，經(jīng)查表（塔板分塊數(shù)表）得，塔板分為三塊邊緣區(qū)寬度確定取開孔區(qū)面積計(jì)算 開孔區(qū)面

11、積計(jì)算式其中 故 m2篩孔計(jì)算及其排列選用碳鋼板，取篩孔直徑篩板按正三角形排列，取空中心距 篩孔數(shù)目 開孔率 精餾段氣體通過篩孔的氣速 提餾段氣體通過篩孔的氣速 六. 篩板的流體力學(xué)計(jì)算 6.1 塔板的壓降干板阻力計(jì)算干板阻力計(jì)算式：由，查表可知故精餾段 提餾段氣體通過液層的阻力計(jì)算 氣體通過液層的阻力計(jì)算式：精餾段：查圖可知：故 提餾段：查圖可知：故 液體表面張力的阻力計(jì)算精餾段液體表面張力所產(chǎn)生的阻力計(jì)算：氣體通過每層塔板的液柱高度其體通過每層塔板的壓降為（設(shè)計(jì)允許值）提餾段液體表面張力所產(chǎn)生的阻力計(jì)算：氣體通過每層塔板的液柱高度其體通過每層塔板的壓降為（設(shè)計(jì)允許值）6.2 液面落差對(duì)于篩

12、板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。6.3 液沫夾帶液沫夾帶量由式計(jì)算：精餾段：所以液沫夾帶量符合要求。，所以液沫夾帶量符合要求。提餾段：所以液沫夾帶量符合要求。，所以液沫夾帶量符合要求。6.4 漏液 精餾段：對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速實(shí)際孔速 ， 穩(wěn)定系數(shù)k為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液 提餾段：對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速實(shí)際孔速 穩(wěn)定系數(shù)k為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液 6.5 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，要求降液管內(nèi)液層高由于苯-甲苯物系屬一般物系，取，則：精餾段： 而 板上不設(shè)進(jìn)堰口，則所以 0.2234m 可見，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。提餾段： 而 板上不設(shè)進(jìn)堰口，則所以

13、 0.2234m 可見，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。七. 塔板負(fù)荷性能圖 7.1 漏液線 精餾段：由 得： 得： 整理得 ： 在操作范圍內(nèi)，任取若干ls值，算出相應(yīng)的vs值。計(jì)算如表所示：ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00150.4740.00300.49 0.00450.5040.00600.516 由此表數(shù)據(jù)即可作出精餾段漏液線1提餾段：由 得： 得： 整理得 ： 在操作范圍內(nèi)，任取若干ls值，算出相應(yīng)的vs值。計(jì)算如表所示：ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00150.4350.00300.451 0.00450.

14、4650.00600.476 由此表數(shù)據(jù)即可作出提餾段漏液線17.2 液沫夾帶線 精餾段：以為限，求vs-ls關(guān)系： 整理得： ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00151.6980.00301.599 0.00451.5160.0060 1.44由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2 提餾段：以為限，求vs-ls關(guān)系： 整理得： ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00151.8030.00301.7060.00451.6240.0060 1.551由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線27.4 液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小

15、液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。精餾段和提餾段：則： 取，則： 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37.5 液相負(fù)荷上限線 以作為液體在降液管中停留的時(shí)間：精餾段和提餾段： 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4。7.6 液泛線令 聯(lián)立得： 忽略,將與,與,與的關(guān)系代入上式得： 精餾段： 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得：即： 在操作范圍內(nèi)，任取若干ls值，算出相應(yīng)的vs值。計(jì)算如表所示：ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00151.6450.00301.5690.00451.4850.00601.387根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下：在負(fù)荷性能圖上，作出

16、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。由圖可得： 故操作彈性為： 提餾段： 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得：即： 在操作范圍內(nèi)，任取若干ls值，算出相應(yīng)的vs值。計(jì)算如表所示：ls/m3s-1vs/m3s-1ls/m3s-1vs/m3s-10.00151.6770.00301.5200.00451.4850.00600.895根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下：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。由圖可得： 故操作彈性為： 八.篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值精餾段 提

17、餾段1平均溫度85.5 94.82平均壓力108.8 116.53氣相流量0.863 0.8794液相流量0.0022 0.00455實(shí)際塔板數(shù)226有效段高度8.87塔徑，m1.28板間距，m0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長(zhǎng)0.79212堰高0.0468 0.038813板上液層高度，m0.0614堰上液層高度，m0.0132 0.021215降液管底隙高度,m0.0111 0.022716安定區(qū)高度,m0.06517邊緣區(qū)高度,m0.03518開孔區(qū)面積,cm0.79819篩孔直徑,m0.00520篩孔數(shù)目409621孔中心距,m0.01522開孔率,%10.1%23空塔氣

18、速m/s0.763 0.77724篩孔氣速m/s10.707 10.90625穩(wěn)定系數(shù)1.789 1.88826每層塔板壓降,kpa0.5846 0.601427負(fù)荷上限液泛控制28負(fù)荷下限液泛控制29液沫夾帶0.0124 0.014130液相負(fù)荷上限,m/s0.00816631液相負(fù)荷下限,m0.00067632操作彈性3.25 2.81九.塔附件的設(shè)計(jì)9.1 接管9.1.1 進(jìn)料管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、t型進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。管徑計(jì)算如下： 取 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取9.1.2 回流管采用直流回流管 取 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取9.1.3 塔底出料管取 ，查標(biāo)準(zhǔn)系列選取

19、9.1.4 塔頂蒸汽出料管直管出氣 取出口氣速查標(biāo)準(zhǔn)系列選取9.1.5 塔底進(jìn)氣管采用直管 取氣速查標(biāo)準(zhǔn)系列選取9.2 筒體與封頭9.2.1 筒體由d=1200mm,焊縫系數(shù)取得壁厚選6mm，所用材質(zhì)為鋼板。9.2.2 封頭封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭，由公稱直徑d=1200mm，查得曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積。選用封頭n7006,jb/t4746-2002。9.3 除沫器 當(dāng)空塔氣速較大，塔頂帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過程中不許出塔氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、絲網(wǎng)除沫器

20、以及程流除沫器。本設(shè)計(jì)采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比表面積大、重量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)氣速選?。?系數(shù) 除沫器直徑： 選取不銹鋼絲網(wǎng)除沫器， 類型：標(biāo)準(zhǔn)型；規(guī)格：40-100；材料：不銹鋼絲網(wǎng)（1cr18ni9ti）；絲網(wǎng)尺寸：圓絲9.4 裙座塔底采用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。選取裙座壁厚為16mm?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)外徑： 圓整：，；基本環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，所以本設(shè)計(jì)選擇裙座高度為2m，地腳螺栓直徑取m309.5 人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入任何一層塔板，由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難于達(dá)到要求，一般每隔68塊塔板才設(shè)一個(gè)人孔，本塔中共23塊板，需設(shè)置3個(gè)人孔，每個(gè)孔直徑為600mm，在設(shè)置人孔處，板間距為1000mm，裙座和塔頂上應(yīng)開1個(gè)人孔，直徑為600mm,人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓。 十.塔總體高度的設(shè)計(jì)10.1 塔的頂部空間高度 塔的頂部空間高度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的直線距離