苯-乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計

1、 苯-乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 日 期 前 言本課程設(shè)計是綜合了化工原理和化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)兩門課的課程設(shè)計，設(shè)計的主要內(nèi)容也是圍繞著精餾塔的工藝計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個方面來完成的。本課程設(shè)計總共分為6章：第1章為任務(wù)書，給出了本設(shè)計需要完成的任務(wù)及相關(guān)的設(shè)計條件；第2章為綜述，講述了一些關(guān)于精餾的相關(guān)知識，如精餾的原理，精餾的計算等等；第3章為工藝條件及流程的確定，對本設(shè)計的工藝條件及工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)的說明；第4章為精餾塔的工藝計算，主要對物性參數(shù)、操作線方程、精餾塔的主要工藝尺寸及塔板流動性能校核等等進(jìn)行了細(xì)致的計算；第5章為精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，對塔體本身及相關(guān)部件的

2、尺寸、塔的相關(guān)載荷和應(yīng)力校核等等進(jìn)行了詳盡的計算；第6章為設(shè)計評價，是本人對本設(shè)計所作的一些說明及從中獲得的一些心得體會。 筆者經(jīng)驗及理論知識有所欠缺，難免在設(shè)計中會出現(xiàn)些許錯誤，望老師能夠見諒并幫我斧正，謝謝！編 者2011年4月28日目 錄第1章 任務(wù)書61.1設(shè)計題目61.2設(shè)計任務(wù)及操作條件61.3塔板類型61.4工作日71.5廠址71.6設(shè)計內(nèi)容7第2章 綜 述82.1精餾及精餾原理82.2精餾操作的評價指標(biāo)92.3精餾的計算92.4精餾在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用102.5精餾操作對塔設(shè)備的要求102.6常用板式塔的類型及本設(shè)計的選型102.7篩板塔的特性11第3章 工藝條件及流程的確定12

3、3.1 工藝條件的確定及說明123.1.1進(jìn)料狀況123.1.2 確定加熱劑及加熱方式123.1.3 確定冷卻劑及其進(jìn)、出口溫度123.1.4 回流比133.2流程的確定及說明133.3設(shè)計方案綜述14第4章 精餾塔的工藝計算154.1主要物性數(shù)據(jù)154.2精餾塔的物料衡算154.3操作線方程164.3.1精餾段操作線方程164.3.2提留段操作線方程184.4塔板數(shù)的計算184.4.1理論塔板數(shù)的計算184.4.2實際塔板數(shù)的計算194.5精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)204.5.1操作參數(shù)及物性參數(shù)的計算204.5.2塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)匯總264.6精餾塔的主要工藝尺寸計算274.6.1塔

4、徑274.6.2塔高294.6.3溢流裝置294.6.4弓形降液管寬度Wd和截面Af304.6.5降液管底隙高度314.6.6塔板布置314.7篩板的流體力學(xué)計算324.8 塔板流動性能校核344.8.1液面落差344.8.2液沫夾帶344.8.3漏液354.8.4液泛354.9塔板負(fù)荷性能圖364.9.1漏液線364.9.2霧沫夾帶線374.9.3液相負(fù)荷下限線374.9.4液相負(fù)荷上限線384.9.5液泛線384.9.6負(fù)荷性能圖394.10工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總39第5章 精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計415.1設(shè)計條件415.2殼體厚度計算415.3塔體設(shè)備質(zhì)量載荷計算425.3.1筒體圓筒、封頭、裙座

5、質(zhì)量425.3.2塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量425.3.3保溫層質(zhì)量435.3.4平臺、扶梯質(zhì)量435.3.5操作時物料質(zhì)量435.3.6附件質(zhì)量435.3.7充水質(zhì)量445.3.8各種質(zhì)量載荷匯總445.4風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩計算445.4.1風(fēng)載荷計算445.4.2風(fēng)彎矩計算465.5地震彎矩的計算475.6偏心彎矩計算495.7各種載荷引起的軸向應(yīng)力495.7.1計算壓力引起的軸向拉應(yīng)力495.7.2操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力495.7.3最大彎矩引起的軸向壓應(yīng)力495.8塔體和裙座危險截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核515.8.1塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核515.8.2塔體與裙座的穩(wěn)定校核515.8.3各危險截面強(qiáng)度

6、與穩(wěn)定校核匯總525.9塔體水壓試驗和吊裝時的應(yīng)力校核535.9.1水壓試驗時各種載荷引起的應(yīng)力535.9.2水壓試驗時應(yīng)力校核545.10基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計555.10.1基礎(chǔ)環(huán)尺寸555.10.2基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核555.10.3基礎(chǔ)環(huán)的厚度555.11地腳螺栓計算565.11.1地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力565.11.2地腳螺栓的螺紋小徑57第6章 設(shè)計評價58第1章 任務(wù)書1.1設(shè)計題目苯-乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計1.2設(shè)計任務(wù)及操作條件1) 進(jìn)精餾塔的料液含乙苯40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為苯；2) 塔頂?shù)囊冶胶坎坏酶哂?%；3) 殘液中乙苯含量不得低于98%；4) 生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 1.5萬 噸

7、98%的乙苯產(chǎn)品；5) 操作條件a) 塔頂壓力 4kPa（表壓）b) 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選c) 回流比 自選d) 加熱蒸氣壓力 0.5MPa（表壓）e) 單板壓降 0.7kPa。 1.3塔板類型篩板塔。1.4工作日每年工作日為300天，每天24小時連續(xù)運行。1.5廠址廠址為武漢地區(qū)。1.6設(shè)計內(nèi)容1、設(shè)計說明書的內(nèi)容（1）精餾塔的物料衡算；（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)的計算；（4）精餾塔的塔體工藝尺寸計算；（5）塔板主要工藝尺寸的計算；（6）塔板的流體力學(xué)驗算；（7）塔板負(fù)荷性能圖；（8）精餾塔接管尺寸計算；（9）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。2、設(shè)計圖紙要求：繪制

8、精餾塔裝配圖（A1號圖紙）。第2章 綜 述2.1精餾及精餾原理把液體混合物進(jìn)行多次部分汽化，同時又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分離為所要求組分的操作過程稱為精餾，是一種利用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法。精餾操作按不同方法進(jìn)行分類。根據(jù)操作方式，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾；根據(jù)混合物的組分?jǐn)?shù)，可分為二元精餾和多元精餾；根據(jù)是否在混合物中加入影響汽液平衡的添加劑，可分為普通精餾和特殊精餾（包括萃取精餾、恒沸精餾和加鹽精餾）。若精餾過程伴有化學(xué)反應(yīng)，則稱為反應(yīng)精餾。為什么把液體混合物進(jìn)行多次部分汽化同時又多次部分冷凝，就能分離為純或比較純的組分呢？對于一次汽化，冷凝來說，由于液體混合

9、物中所含的組分的沸點不同，當(dāng)其在一定溫度下部分汽化時，因低沸點物易于氣化，故它在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當(dāng)對部分汽化所得蒸汽進(jìn)行部分冷凝時，因高沸點物易于冷凝，使冷凝液中高沸點物的濃度較氣相高，而為冷凝氣中低沸點物的濃度比冷凝液中要高。這樣經(jīng)過一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次的這樣進(jìn)行下去，將最終在液相中留下的基本上是高沸點的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點的組分。由此可見，多次部分汽化和多次部分冷凝同時進(jìn)行，就可以將混合物分離為純或比較純的組分。液體氣化要吸收熱量，氣體冷凝要放出熱量。為了合

10、理的利用熱量，我們可以把氣體冷凝時放出的熱量供給液體氣化時使用，也就是使氣液兩相直接接觸，在傳熱同時進(jìn)行傳質(zhì)。為了滿足這一要求，在實踐中，這種多次部分汽化伴隨多次部分冷凝的過程是逆流作用的板式設(shè)備中進(jìn)行的。所謂逆流，就是因液體受熱而產(chǎn)生的溫度較高的氣體，自下而上地同塔頂因冷凝而產(chǎn)生的溫度較低的回流液體（富含低沸點組分）作逆向流動。塔內(nèi)所發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程如下1）氣液兩相進(jìn)行熱的交換，利用部分汽化所得氣體混合物中的熱來加熱部分冷凝所得的液體混合物；2）氣液兩相在熱交換的同時進(jìn)行質(zhì)的交換。溫度較低的液體混合物被溫度較高的氣體混合物加熱二部分汽化。此時，因揮發(fā)能力的差異（低沸點物揮發(fā)能力強(qiáng)，高沸點物

11、揮發(fā)能力差），低沸點物比高沸點物揮發(fā)多，結(jié)果表現(xiàn)為低沸點組分從液相轉(zhuǎn)為氣相，氣相中易揮發(fā)組分增濃；同理，溫度較高的氣相混合物，因加熱了溫度較低的液體混合物，而使自己部分冷凝，同樣因為揮發(fā)能力的差異，使高沸點組分從氣相轉(zhuǎn)為液相，液相中難揮發(fā)組分增濃。精餾塔是由若干塔板組成的，塔的最上部稱為塔頂，塔的最下部稱為塔釜。塔內(nèi)的一塊塔盤只進(jìn)行一次部分汽化和部分冷凝，塔盤數(shù)愈多，部分汽化和部分冷凝的次數(shù)愈多，分離效果愈好。通過整個精餾過程，最終由塔頂?shù)玫礁呒兌鹊囊讚]發(fā)組分，塔底得到的基本上是難揮發(fā)的組分。2.2精餾操作的評價指標(biāo)評價精餾操作的主要指標(biāo)是：產(chǎn)品的純度。板式塔中的塔板數(shù)或填充塔中填料層高度，以

12、及料液加入的位置和回流比等，對產(chǎn)品純度均有一定影響。調(diào)節(jié)回流比是精餾塔操作中用來控制產(chǎn)品純度的主要手段。組分回收率。這是產(chǎn)品中組分含量與料液中組分含量之比。操作總費用。主要包括再沸器的加熱費用、冷凝器的冷卻費用和精餾設(shè)備的折舊費，操作時變動回流比，直接影響前兩項費用。此外，即使同樣的加熱量和冷卻量，加熱費用和冷卻費用還隨著沸騰溫度和冷凝溫度而變化，特別當(dāng)不使用水蒸氣作為加熱劑或者不能用空氣或冷卻水作為冷卻劑時，這兩項費用將大大增加。選擇適當(dāng)?shù)牟僮鲏毫?，有時可避免使用高溫加熱劑或低溫冷卻劑（或冷凍劑），但卻增添加壓或抽真空的操作費用。2.3精餾的計算不論是板式塔或是填充塔，通常都按分級接觸傳質(zhì)的

13、概念來計算理論板數(shù)。對于雙組分精餾塔的設(shè)計計算，通常給定的設(shè)計條件有:液體混合物(料液)的量F和濃度（以易揮發(fā)組分的摩爾分率表示），以及塔頂和塔底產(chǎn)品的濃度和。計算所需的理論板數(shù)和實際板數(shù)。計算前必須先確定合理的回流比。理論塔板數(shù)的計算方法有：逐板計算法、x-y圖解法和捷算法。2.4精餾在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用精餾是工業(yè)上應(yīng)用最廣的液體混合物分離操作，廣泛用于石油、化工、輕工、食品、冶金等部門。如從發(fā)酵料液中提煉飲用酒，石油煉制中切割出汽油、柴油、煤油、潤滑油等系列油品，合成材料工業(yè)中從反應(yīng)后的混合物中分離出高純度單體（如苯乙烯、氯乙烯等），從有機(jī)廢氣的吸收液中回收溶劑等。2.5精餾操作對塔設(shè)備的要

14、求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求：（1）氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。（2）操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。（3） 流體流動的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)

15、無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。（4）結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。（6）塔內(nèi)的滯留量要小實際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。2.6常用板式塔的類型及本設(shè)計的選型板式塔為逐級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)

16、五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。本設(shè)計板式塔的類型為篩板塔。2.7篩板塔的特性篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點有：（1）結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的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1015。（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。篩板塔的缺點是：（1）塔板安裝的水平度要求較高

17、，否則氣液接觸不勻。（2）操作彈性較小(約23)。（3）小孔篩板容易堵塞。第3章 工藝條件及流程的確定3.1 工藝條件的確定及說明3.1.1進(jìn)料狀況雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易。為此，本次設(shè)計中采取飽和液體進(jìn)料，即泡點進(jìn)料q=1.0。3.1.2 確定加熱劑及加熱方式1. 加熱劑 由于水來源易得，所以本設(shè)計采用水蒸汽加熱。當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的

18、提高對鍋爐提出了更高的要求。同時對于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對傳熱不利。2. 加熱方式 本設(shè)計采用水蒸汽間接加熱的方式加熱3.1.3 確定冷卻劑及其進(jìn)、出口溫度1.冷卻劑 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。本設(shè)計用水作冷卻劑。 2.冷卻劑進(jìn)、出口溫度水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳

19、熱。本設(shè)計出口溫度設(shè)為35。3.1.4 回流比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2倍。3.2流程的確定及說明 精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自釜底輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分汽化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定流程時應(yīng)考慮余熱的利用，注意節(jié)能。塔頂冷凝器裝置根據(jù)生產(chǎn)情況決定采用分凝器或全凝器。一般塔頂分別對上升蒸汽雖有一定增濃作用，但是在石油等工業(yè)中獲得液相產(chǎn)品時往往采用全凝器，以便于準(zhǔn)確的確定回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則以用分離器。苯-乙苯混

20、合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到指定溫度后送入精餾塔的進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的回流液混合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每層板上，回流液體與上升的蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳熱過程。操作時，連續(xù)的從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分液體汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中被冷凝，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液，其余部分經(jīng)冷凝器冷凝后送出作為塔頂產(chǎn)品，經(jīng)冷凝器冷卻后送入儲槽。塔釜采用間接蒸汽給再沸器供熱。塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入儲槽。流程簡圖如下：3.3設(shè)計方案綜述設(shè)計中采用飽和液體進(jìn)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(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品

21、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)冷卻后送至儲罐。塔型采用篩板塔，加料方式采用直接流入塔內(nèi)。第4章 精餾塔的工藝計算4.1主要物性數(shù)據(jù)1、苯-乙苯的物理性質(zhì)項目分子式分子量沸點臨界溫度臨界壓強(qiáng)Pa苯AC6H678.1180.1288.56833.4乙苯BC8H10106.16136.2348.574307.72、苯-乙苯的液相密度t/20406080100120140877.4857.3836.6815.0792.5768.9744.1867.7849.8931.8913.6795.2776.2756.73

22、、苯、乙苯在某些溫度下的粘度t/0204060801001201400.7420.6380.4850.3810.3080.2550.2150.1840.8740.6660.5250.4260.3540.3000.2590.2264、苯、乙苯在某些溫度下的表面張力t/2040608010012014028.826.2523.7421.2718.8516.4914.1729.327.1425.0122.9220.8518.8116.825、不同塔徑的板間距塔徑D/m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0板間距HT/mm200-300250-350300-450350

23、-600400-6004.2精餾塔的物料衡算原料液流率為，塔頂產(chǎn)品流率為,塔底產(chǎn)品流率為，對精餾塔做全塔物料衡算，則有：，苯的摩爾質(zhì)量：乙苯的摩爾質(zhì)量：原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量：分別為原料、塔頂、產(chǎn)品中的苯的摩爾分?jǐn)?shù)則可知產(chǎn)物的產(chǎn)量 4.3操作線方程4.3.1精餾段操作線方程已知二元物系的相平衡方程為：其中為苯-乙苯的相對揮發(fā)度，本設(shè)計取塔頂、塔底平均溫度下的值。 查化工手冊得苯和乙苯的t-x-y關(guān)系T/xy-11840.860.974880.740.939920.6350.906960.5410.8641000.4850.8161040.40.81080.3180.7110.60

24、.2780.6541150.2170.5711200.1560.4631250.1030.3441300.0550.2051350.010.042136.200由t-x-y曲線可知：全塔平均溫度查得，在106.25下，相對揮發(fā)度因為采取的進(jìn)料狀態(tài)是飽和液體進(jìn)料，線方程為，與平衡線的交的橫坐標(biāo)為，將代入相平衡方程，得： 則最小回流比為取回流比 則精餾段氣液負(fù)荷為： 則精餾段操作線方程為： 4.3.2提留段操作線方程因為原料液的進(jìn)料狀態(tài)為飽和液體，則提留段氣液負(fù)荷為： 則提留段操作線方程為： 4.4塔板數(shù)的計算4.4.1理論塔板數(shù)的計算 采用逐板計算法計算理論塔板數(shù)，步驟如下： 因為，故兩操作線交

25、點的液相組成為：下面進(jìn)行逐板計算：精餾段 所以精餾段理論塔板數(shù)為3塊提留段 所以提留段理論塔板數(shù)為4塊因此，精餾塔的理論塔板數(shù)為，進(jìn)料板位置為第4塊板。4.4.2實際塔板數(shù)的計算塔板效率是氣、液兩相的傳質(zhì)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(jié)果。板效率為設(shè)計的重要數(shù)據(jù)。板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實際塔板上傳質(zhì)過程進(jìn)行的程度。O'Connell對幾十個工業(yè)塔及實驗塔板效率進(jìn)行綜合歸納，認(rèn)為蒸餾塔可用相對揮發(fā)度與液相黏度的乘積作為參數(shù)來關(guān)聯(lián)全塔效率，其簡單近似經(jīng)驗式為：式中相對揮發(fā)度；液相黏度，mPa·

26、;s。上式中、的數(shù)據(jù)均取塔頂、塔底平均溫度下的值。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（mPa·s）0.230.29則有平均黏度查化工原理第三版下冊表11-3，得知篩板塔的總板效率的相對值為1.1 故采用篩板塔時全塔板效率為： 計算實際塔板數(shù)精餾段提餾段故全塔實際所需塔板數(shù)塊加料板位置在第7塊。4.5精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)4.5.1操作參數(shù)及物性參數(shù)的計算 1.操作壓力塔頂壓力進(jìn)料板壓力塔底壓力精餾段平均操作壓力提餾段平均操作壓力全塔平均操作壓力2.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:3.平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)量 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量

27、塔底平均摩爾質(zhì)量 精餾段平均摩爾質(zhì)量提餾段平均摩爾質(zhì)量全塔平均摩爾質(zhì)量4.平均密度氣相密度精餾段提餾段全塔液相密度式中為質(zhì)量分率查的在下苯、乙苯的密度為溫度（）83809.79810.2390.5801.47803.31129.5758.24767.31塔頂平均密度 進(jìn)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5.液體平均黏度查的在溫度下各組成的黏度 黏度 溫度83129.590.5苯(mPas)0.3010.2810.201乙苯(mPas)0.3500.3270.242由公式計算平均黏度進(jìn)料板塔頂塔釜精餾段平均黏度提餾段平均黏度全塔平均黏度6.液體平均表面張力由

28、公式進(jìn)行計算查資料得溫度下苯乙苯的表面張力 表面張力 溫度8390.5129.5苯(mN/m)2120.0815.33乙苯(mN/m)22.6721.8917.83進(jìn)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7.氣液相負(fù)荷精餾段提餾段4.5.2塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)匯總項目符號單位計算數(shù)據(jù)平均壓強(qiáng)精餾段kPa108.1提餾段113.0全塔110.2平均溫度精餾段86.75提餾段110全塔106.25液相平均摩爾質(zhì)量精餾段kg/kmol84.72提餾段92.88全塔91.14氣相平均摩爾質(zhì)量精餾段kg/kmol79.95提餾段92.88全

29、塔86.42液相平均密度精餾段Kg/m3806.0提餾段784.7全塔795.4氣相平均密度精餾段Kg/m32.89提餾段3.30全塔3.10液體平均黏度精餾段mPa·s0.299提餾段0.269全塔0.284液體平均表面張力精餾段mN/m20.86提餾段19.22全塔20.04氣相負(fù)荷精餾段m3/s0.499提餾段0.508液相負(fù)荷精餾段m3/s0.000716提餾段0.002934.6精餾塔的主要工藝尺寸計算4.6.1塔徑塔徑的計算按照下式計算：式中 D 塔徑m；Vs 塔內(nèi)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(jù)設(shè)計經(jīng)驗，

30、乘以一定的安全系數(shù)，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(fù)荷系數(shù)，m/s，對于氣體負(fù)荷系數(shù)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(fù)荷系數(shù)C應(yīng)按下式校正： 精餾段塔徑的計算由以上的計算結(jié)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(guān)系 塔徑D/mm300500500800800160016002400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(guān)聯(lián)圖，得，依

31、式校正到物系表面張力為20.86mN/m時的C取安全系數(shù)為0.7，則調(diào)整塔徑為1.0m;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(guān)聯(lián)圖，得，依式校正到物系表面張力為19.22mN/m時的C調(diào)整塔徑為1.0m，綜上，則取塔徑為1.0m，空塔氣速為0.64m/s.4.6.2塔高塔有效高度精餾段提餾段總的有效高度為4.6.3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(shè)進(jìn)口堰。溢流堰長取堰長為，則出口堰高由計算。 選用平直堰，堰上液層高度式中 堰上液流高度，m； 堰長，m;塔內(nèi)平均液流量，m3/h； 液流收縮系數(shù)。如右圖一般情況下可取E=1，對計算結(jié)果影響不大。近似

32、取E=1。精餾段提餾段4.6.4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。4.6.5降液管底隙高度 式中 降液管底隙處液體流速，m/s；(根據(jù)經(jīng)驗一般)取降液管底隙處液體流速為0.08m/s，則精餾段提留段4.6.6塔板布置1. 邊緣區(qū)寬度確定?。ò捕▍^(qū)寬度） （無效區(qū)寬度）2. 開孔區(qū)（鼓泡區(qū)）面積計算開孔區(qū)面積按計算故3. 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(shù)，即計算塔板上開孔區(qū)開孔率氣體通過篩孔的氣速精餾段提留段4.7篩板的流體力學(xué)計算氣體通過塔板的壓力降直接影響到塔低的操作

33、壓力，故此壓力降數(shù)據(jù)是決定蒸餾塔塔底溫度的主要依據(jù)。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(shù)圖得 精餾段提留段氣體通過液層的阻力計算精餾段根據(jù)右圖查的為0.65提留段查的'為0.6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(qiáng)降符合設(shè)計要求。4.8 塔板流動性能校核4.8.1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。4.8.2液沫夾帶是指板上液體被上升氣流帶入上一層塔板的現(xiàn)象。液沫夾

34、帶由下式計算,即式中精餾段提留段故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)，設(shè)計合理。4.8.3漏液對于篩板塔，漏液點氣速可由式計算精餾段提留段篩板穩(wěn)定系數(shù)故在本設(shè)計中無明顯漏夜。4.8.4液泛汽液量相中之一的流量增大到某一數(shù)值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內(nèi)的液體不能暢順地下流。當(dāng)降液管內(nèi)的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫到上層塔板上去，這種現(xiàn)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(dāng)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(nèi)液面即行升高。為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高，應(yīng)服從式，而由于板上不設(shè)進(jìn)口堰

35、，可由式計算，則精餾段提留段精餾段提留段因，其中故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。4.9塔板負(fù)荷性能圖塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，該塔板在不同的氣液負(fù)荷內(nèi)有一穩(wěn)定的操作范圍。越出穩(wěn)定區(qū)，塔的效率顯著下降，甚至不能正常操作。將出現(xiàn)各種不正常的流體力學(xué)的界限用曲線表示出來，便為操作負(fù)荷性能圖。它由氣相負(fù)荷下限線（又稱漏液線）、過量霧沫夾帶線、液相負(fù)荷下限線、液相負(fù)荷上限線和液泛線五條線組成。4.9.1漏液線漏液線，又稱氣相負(fù)荷下限線。氣相負(fù)荷低于此線將發(fā)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。由 得整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上試計算出值，計算結(jié)果列于下表0.00030.00090.001

36、0.0030.0060.26980.27700.27800.29340.31004.9.2霧沫夾帶線當(dāng)氣相負(fù)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eV0.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg氣為限,求Vs-Ls關(guān)系如下:故 整理得在操作范圍內(nèi)，任取同樣的值，依上試計算出值，計算結(jié)果列于下表0.00030.00090.0010.0030.0061.36451.31431.30731.15921.06844.9.3液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導(dǎo)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(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，由下式得:,取，則

37、據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直負(fù)荷下限線。4.9.4液相負(fù)荷上限線該線又稱降液管超負(fù)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(nèi)停留時間過短，進(jìn)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，由式得：據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直負(fù)荷上限線。4.9.5液泛線若操作的氣液負(fù)荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)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(xué)驗算中通常對降液管液泛進(jìn)行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度。 令，即因為，代入數(shù)據(jù)整理

38、，得： 在操作范圍內(nèi)，任取同樣的值，依上試計算出值，計算結(jié)果列于下表0.00030.00090.0010.0030.0061.02670.99700.98440.76710.28824.9.6負(fù)荷性能圖綜合以上所求的漏液線、霧沫夾帶線、液相負(fù)荷上限線、液相負(fù)荷下限線以及液泛線，作出塔的負(fù)荷性能圖如下：4.10工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總序號項目符號單位計算數(shù)據(jù)(精餾段/提餾段）1平均溫度106.252平均壓力PmkPam110.23氣相流量m3 /s0.499/0.5084液相流量m3 /s0.000716/0.002935實際塔板數(shù)-146有效高度Zm6.37塔徑Dm1.08板間距m0.459溢流形

39、式（降液管）-單溢流弓形10堰長m0.611堰高m0.0525/0.040812板上液層高度m0.039/0.03613堰上液層高度m0.0075/0.019214底隙高度m0.0149/0.06115安定區(qū)高度m0.06516邊緣區(qū)高度m0.03517開孔區(qū)面積m20.0456618篩孔直徑m0.00519篩孔數(shù)目N-232520孔中心距tm0.01521開孔率-10.0822空塔氣速m3 /s0.6423篩孔氣速m3 /s10.93/11.1324穩(wěn)定系數(shù)K-2.08/2.3325單板壓降PmPa656.3/635.826停留時間S53.42/13.0527負(fù)荷上限-m3 /s液泛夾帶28

40、負(fù)荷下限-m3 /s漏液控制29液沫夾帶kg液/kg氣0.0026/0.002830操作彈性j-3.15/3.86第5章 精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1設(shè)計條件塔體與裙座的機(jī)械設(shè)計條件如下：（1） 塔體內(nèi)徑,塔高近似取。（2） 計算壓力，設(shè)計溫度。（3） 設(shè)計地區(qū)：基本風(fēng)壓值，地震設(shè)防烈度為8度，場地土類：B類，設(shè)計地震分組：第二組，設(shè)計基本地震加速度為。（4） 塔內(nèi)裝有層篩板塔盤，每塊塔盤上存留介質(zhì)層高度為，介質(zhì)密度為。（5） 沿塔設(shè)一個人孔，人孔數(shù)位2個，相應(yīng)在人孔處安裝半圓形平臺1個，平臺寬度為，高度為。（6） 塔外保溫層的厚度為，保溫材料密度為。（7） 塔體與封頭材料選用，其中。（8） 裙座材料

41、選用。（9） 塔體與裙座間懸掛一臺再沸器，其操作質(zhì)量為（10） 塔體與裙座對接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)。（11） 塔體與封頭厚度附加量，裙座厚度附加量。5.2殼體厚度計算1.塔體厚度計算 因為本設(shè)計所選的鋼材為，其最小厚度不得小于4mm，所以取，則名義厚度為：，有效厚度2.封頭厚度計算采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，形狀系數(shù)，則其厚度為： 由于鋼板的最小厚度為4mm，所以取封頭的厚度為，考慮厚度附加量C=2mm經(jīng)圓整后，名義厚度，有效厚度。5.3塔體設(shè)備質(zhì)量載荷計算5.3.1筒體圓筒、封頭、裙座質(zhì)量圓筒質(zhì)量：封頭質(zhì)量：裙座質(zhì)量： 說明：（1）塔體圓筒總高度為； （2）查得，厚度的圓筒質(zhì)量為； （3）查得，厚

42、度的橢圓形封頭質(zhì)量為（封頭曲面深度，直邊高度）； （3）裙座高度（厚度按計）。5.3.2塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量由表8-1查得篩板塔盤質(zhì)量為。5.3.3保溫層質(zhì)量 其中，為封頭保溫層質(zhì)量，kg。5.3.4平臺、扶梯質(zhì)量 說明：由表8-1查得，平臺質(zhì)量：；籠式扶梯質(zhì)量：；籠式扶梯總高：;平臺數(shù)量：。5.3.5操作時物料質(zhì)量說明：物料密度；封頭容積；塔釜圓筒部分深度；塔板層數(shù)；塔板上液層高度。5.3.6附件質(zhì)量按經(jīng)驗取附件質(zhì)量為5.3.7充水質(zhì)量其中，。5.3.8各種質(zhì)量載荷匯總?cè)僮髻|(zhì)量/kg全塔最小質(zhì)量/kg水壓試驗時最大質(zhì)量/kg5.4風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩計算5.4.1風(fēng)載荷計算以23段為例計算風(fēng)載荷：式中

43、：體系系數(shù)，對圓筒形容器，4m高處基本風(fēng)壓值，風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表8-5得：計算段長度，脈動影響系數(shù)，由表8-7查得：塔的基本自振周期，對等直徑、等厚度圓截面塔： 脈動增大系數(shù)，根據(jù)自振周期，由表8-6查得：振動系數(shù)，由表8-8查得：風(fēng)振系數(shù) 塔有效直徑。設(shè)籠式扶梯與塔頂管線成90°，取以下a，b式中較大者 a. b. ，取400mm， a. b.取 以上述方法計算出各段風(fēng)載荷，列于下表中。各段塔風(fēng)載荷計算結(jié)果計算段平臺數(shù)15000.71.0110.5001812160.14210000.71.0511.5101812332.96325000.71.2614072025321395

44、.8430000.71.6717060024122114.7530000.72.13110160024122694.75.4.2風(fēng)彎矩計算截面00 截面11 截面22 5.5地震彎矩的計算取第一振型脈動增大系數(shù)為則衰減指數(shù)塔的總高度全塔操作質(zhì)量重力加速度地震影響系數(shù)由表8-2查得（設(shè)防烈度為8級）由表8-3查得計算截面距地面高度h：00截面：11截面：22截面：等直徑、等厚度的塔，按下述方法計算地震彎矩。截面00 截面11 截面225.6偏心彎矩計算5.7各種載荷引起的軸向應(yīng)力5.7.1計算壓力引起的軸向拉應(yīng)力其中，。5.7.2操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力截面00令裙座厚度；有效厚度；。截面11其

45、中，；為人孔截面的截面積，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得：。截面22其中，；。5.7.3最大彎矩引起的軸向壓應(yīng)力截面00 其中， 截面11其中， 為人孔截面的抗彎截面系數(shù)，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得：。截面22其中， 5.8塔體和裙座危險截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核5.8.1塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核截面22塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力發(fā)生在正常操作時的22截面上。其中，；。滿足要求。5.8.2塔體與裙座的穩(wěn)定校核截面22塔體22截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中，查圖5-9得（16MnR，200），。截面11塔體11截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中， 查圖5-8得（Q235-AR，200），。截面00塔體00截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中，；。5.8.3各危險截面強(qiáng)度與穩(wěn)定校核匯總項目計算危險截面001122塔體與裙座有效厚度444截面以上的操作質(zhì)量7151.587014.726939.14計算截面面積125605863012560計算截面的抗彎截面系數(shù)最大彎矩最大允許軸向拉應(yīng)力173.4-最大允