苯乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE0苯-乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師日期前言本課程設(shè)計(jì)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(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容也是圍繞著精餾塔的工藝計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面來完成的。本課程設(shè)計(jì)總共分為6章：第1章為任務(wù)書，給出了本設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)及相關(guān)的設(shè)計(jì)條件；第2章為綜述，講述了一些關(guān)于精餾的相關(guān)知識(shí)，如精餾的原理，精餾的計(jì)算等等；第3章為工藝條件及流程的確定，對(duì)本設(shè)計(jì)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(jì)算，主要對(duì)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(dòng)性能校核等等進(jìn)行了細(xì)致的計(jì)算；第5章為精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)塔體本身及相關(guān)部件的尺寸、塔的相關(guān)載荷和應(yīng)力校核等等進(jìn)行了詳盡的計(jì)算；第6章為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，是本人對(duì)本設(shè)計(jì)所作的一些說明及從中獲得的一些心得體會(huì)。筆者經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)有所欠缺，難免在設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)些許錯(cuò)誤，望老師能夠見諒并幫我斧正，謝謝！編者2011年目錄TOC\o"1-3"\u第1章任務(wù)書 6設(shè)計(jì)題目 6設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 6塔板類型 6工作日 7廠址 7設(shè)計(jì)內(nèi)容 7第2章綜述 8精餾及精餾原理 8精餾操作的評(píng)價(jià)指標(biāo) 9精餾的計(jì)算 9精餾在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 10精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求 10常用板式塔的類型及本設(shè)計(jì)的選型 10篩板塔的特性 11第3章工藝條件及流程的確定 123.1工藝條件的確定及說明 12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 13流程的確定及說明 13設(shè)計(jì)方案綜述 14第4章精餾塔的工藝計(jì)算 15主要物性數(shù)據(jù) 15精餾塔的物料衡算 15操作線方程 16精餾段操作線方程 16提留段操作線方程 18塔板數(shù)的計(jì)算 18理論塔板數(shù)的計(jì)算 18實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算 19精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù) 20操作參數(shù)及物性參數(shù)的計(jì)算 20塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)匯總 26精餾塔的主要工藝尺寸計(jì)算 27塔徑 27塔高 29溢流裝置 29弓形降液管寬度Wd和截面Af 30降液管底隙高度 31塔板布置 31篩板的流體力學(xué)計(jì)算 324.8塔板流動(dòng)性能校核 34液面落差 34液沫夾帶 34漏液 35液泛 35塔板負(fù)荷性能圖 36漏液線 36霧沫夾帶線 37液相負(fù)荷下限線 37液相負(fù)荷上限線 38液泛線 38負(fù)荷性能圖 39工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總 39第5章精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41設(shè)計(jì)條件 41殼體厚度計(jì)算 41塔體設(shè)備質(zhì)量載荷計(jì)算 42筒體圓筒、封頭、裙座質(zhì)量 42塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量 42保溫層質(zhì)量 43平臺(tái)、扶梯質(zhì)量 43操作時(shí)物料質(zhì)量 435.3.6附件質(zhì)量 43充水質(zhì)量 44各種質(zhì)量載荷匯總 44風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩計(jì)算 44風(fēng)載荷計(jì)算 44風(fēng)彎矩計(jì)算 46地震彎矩的計(jì)算 47偏心彎矩計(jì)算 49各種載荷引起的軸向應(yīng)力 49計(jì)算壓力引起的軸向拉應(yīng)力 49操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力 49最大彎矩引起的軸向壓應(yīng)力 49塔體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核 51塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核 51塔體與裙座的穩(wěn)定校核 51各危險(xiǎn)截面強(qiáng)度與穩(wěn)定校核匯總 52塔體水壓試驗(yàn)和吊裝時(shí)的應(yīng)力校核 53水壓試驗(yàn)時(shí)各種載荷引起的應(yīng)力 53水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核 54基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì) 55基礎(chǔ)環(huán)尺寸 55基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核 55基礎(chǔ)環(huán)的厚度 55地腳螺栓計(jì)算 56地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力 56地腳螺栓的螺紋小徑 57第6章設(shè)計(jì)評(píng)價(jià) 58第1章任務(wù)書設(shè)計(jì)題目苯-乙苯連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件進(jìn)精餾塔的料液含乙苯40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其余為苯；塔頂?shù)囊冶胶坎坏酶哂?%；殘液中乙苯含量不得低于98%；生產(chǎn)能力為年產(chǎn)噸98%的乙苯產(chǎn)品；操作條件塔頂壓力4kPa（表壓）進(jìn)料熱狀態(tài)自選回流比自選加熱蒸氣壓力0.5MPa（表壓）單板壓降≤0.7kPa。塔板類型篩板塔。工作日每年工作日為300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。廠址廠址為武漢地區(qū)。1、設(shè)計(jì)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(jì)算；（4）精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；（5）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；（6）塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；（7）塔板負(fù)荷性能圖；（8）精餾塔接管尺寸計(jì)算；（9）對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。2、設(shè)計(jì)圖紙要求：繪制精餾塔裝配圖（A1號(hào)圖紙）。第2章綜述精餾及精餾原理把液體混合物進(jìn)行多次部分汽化，同時(shí)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(shí)又多次部分冷凝，就能分離為純或比較純的組分呢？對(duì)于一次汽化，冷凝來說，由于液體混合物中所含的組分的沸點(diǎn)不同，當(dāng)其在一定溫度下部分汽化時(shí)，因低沸點(diǎn)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(diǎn)物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當(dāng)對(duì)部分汽化所得蒸汽進(jìn)行部分冷凝時(shí)，因高沸點(diǎn)物易于冷凝，使冷凝液中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高，而為冷凝氣中低沸點(diǎn)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(diǎn)的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點(diǎn)的組分。由此可見，多次部分汽化和多次部分冷凝同時(shí)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。為了合理的利用熱量，我們可以把氣體冷凝時(shí)放出的熱量供給液體氣化時(shí)使用，也就是使氣液兩相直接接觸，在傳熱同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)。為了滿足這一要求，在實(shí)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(diǎn)組分）作逆向流動(dòng)。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(shí)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(shí)，因揮發(fā)能力的差異（低沸點(diǎn)物揮發(fā)能力強(qiáng)，高沸點(diǎn)物揮發(fā)能力差），低沸點(diǎn)物比高沸點(diǎn)物揮發(fā)多，結(jié)果表現(xiàn)為低沸點(diǎn)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?yàn)閾]發(fā)能力的差異，使高沸點(diǎn)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(gè)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。精餾操作的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)精餾操作的主要指標(biāo)是：①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，以及料液加入的位置和回流比等，對(duì)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。②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。③操作總費(fèi)用。主要包括再沸器的加熱費(fèi)用、冷凝器的冷卻費(fèi)用和精餾設(shè)備的折舊費(fèi)，操作時(shí)變動(dòng)回流比，直接影響前兩項(xiàng)費(fèi)用。此外，即使同樣的加熱量和冷卻量，加熱費(fèi)用和冷卻費(fèi)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(shí)，這兩項(xiàng)費(fèi)用將大大增加。選擇適當(dāng)?shù)牟僮鲏毫Γ袝r(shí)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u/view/85005.htm"真空的操作費(fèi)用。精餾的計(jì)算不論是板式塔或是填充塔，通常都按分級(jí)接觸傳質(zhì)的概念來計(jì)算理論板數(shù)。對(duì)于雙組分精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，通常給定的設(shè)計(jì)條件有:液體混合物(料液)的量F和濃度（以易揮發(fā)組分的u/view/44388.htm"摩爾分率表示），以及塔頂和塔底產(chǎn)品的濃度和。計(jì)算所需的理論板數(shù)和實(shí)際板數(shù)。計(jì)算前必須先確定合理的回流比。理論塔板數(shù)的計(jì)算方法有：逐板計(jì)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(rùn)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(duì)塔設(shè)備的要求精餾所進(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(shí)，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(dòng)時(shí)，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(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。（3）流體流動(dòng)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(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)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(jiǎn)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(shí)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)的選型板式塔為逐級(jí)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(dòng)舌形塔和浮動(dòng)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)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(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)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(jì)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(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。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(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易。為此，本次設(shè)計(jì)中采取飽和液體進(jìn)料，即泡點(diǎn)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(jì)采用水蒸汽加熱。當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，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，但蒸汽壓力的提高對(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)對(duì)于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對(duì)傳熱不利。2.加熱方式本設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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熱。本設(shè)計(jì)出口溫度設(shè)為353.1.4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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)槽。流程簡(jiǎn)圖如下：3.3設(shè)計(jì)方案綜述設(shè)計(jì)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(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。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(jì)算1、苯-乙苯的物理性質(zhì)項(xiàng)目分子式分子量沸點(diǎn)℃臨界溫度℃臨界壓強(qiáng)Pa苯AC6H6乙苯BC8H102、苯-乙苯的液相密度t/℃204060801001201403、苯、乙苯在某些溫度下的粘度t/℃0204060801001201404、苯、乙苯在某些溫度下的表面張力t/℃204060801001201405、不同塔徑的板間距塔徑D/m板間距HT/mm200-300250-350300-450350-600400-6004.2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(duì)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(duì)揮發(fā)度，本設(shè)計(jì)取塔頂、塔底平均溫度下的值。查化工手冊(cè)得苯和乙苯的t-x-y關(guān)系T/℃xy-11848892960.54110010410811512012513013500由t-x-y曲線可知：全塔平均溫度查得，在℃下，相對(duì)揮發(fā)度因?yàn)椴扇〉倪M(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：①4.3.2提留段操作線方程因?yàn)樵弦旱倪M(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：②4.4塔板數(shù)的計(jì)算4.4.1理論塔板數(shù)的計(jì)算采用逐板計(jì)算法計(jì)算理論塔板數(shù)，步驟如下：因?yàn)椋蕛刹僮骶€交點(diǎn)的液相組成為：下面進(jìn)行逐板計(jì)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(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算塔板效率是氣、液兩相的傳質(zhì)速率、混合和流動(dòng)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(jì)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(shí)際塔板上傳質(zhì)過程進(jìn)行的程度。O'Connell對(duì)幾十個(gè)工業(yè)塔及實(shí)驗(yàn)塔板效率進(jìn)行綜合歸納，認(rèn)為蒸餾塔可用相對(duì)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(jiǎn)單近似經(jīng)驗(yàn)式為：式中——相對(duì)揮發(fā)度；——液相黏度，mPa·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(cè)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）則有平均黏度故采用篩板塔時(shí)全塔板效率為：計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)精餾段提餾段故全塔實(shí)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(jì)算力塔頂壓力進(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（℃）83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83℃℃苯(mPas)乙苯(mPas)由公式計(jì)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公式進(jìn)行計(jì)算查資料得溫度下苯乙苯的表面張力表面張力溫度83℃℃苯(mN/m)21乙苯(mN/m)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.塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)匯總項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)平均壓強(qiáng)精餾段kPa108.1提餾段11全塔11平均溫度精餾段℃提餾段110全塔液相平均摩爾質(zhì)量精餾段kg/kmol8提餾段9全塔91.14氣相平均摩爾質(zhì)量精餾段kg/kmol提餾段全塔86.42液相平均密度精餾段Kg/m3806.0提餾段全塔氣相平均密度精餾段Kg/m32.89提餾段0全塔0液體平均黏度精餾段mPa·s提餾段全塔液體平均表面張力精餾段mN/m提餾段全塔氣相負(fù)荷精餾段m3/s提餾段液相負(fù)荷精餾段m3/s提餾段精餾塔的主要工藝尺寸計(jì)算塔徑塔徑的計(jì)算按照下式計(jì)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(jì)算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，乘以一定的安全系數(shù)，即因此，需先計(jì)算出最大允許氣速。式中umax——允許空塔氣速，m/s；ρV，ρL——分別為氣相和液相的密度，kg/m3；C——?dú)怏w負(fù)荷系數(shù)，m/s，對(duì)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(shí)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(jì)算由以上的計(jì)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/mm300~500500~800800~16001600~2400板間距HT/mm200~300250~350300~450350~600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，依式取安全系數(shù)為0.7，則調(diào)整塔徑為m;提餾段塔徑的計(jì)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調(diào)整塔徑為m，綜上，則取塔徑為m，空塔氣速為0.64m塔高塔有效高度精餾段提餾段總的有效高度為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(zhǎng)取堰長(zhǎng)為，則出口堰高由計(jì)算。選用平直堰，堰上液層高度式中──堰上液流高度，m；——堰長(zhǎng)，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(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。近似取E=1。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(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間，以檢驗(yàn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)一般)取降液管底隙處液體流速為/s，則精餾段提留段塔板布置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(jì)算開孔區(qū)面積按計(jì)算故3.篩孔計(jì)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(jì)算塔板上的篩孔數(shù)，即計(jì)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(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(jì)算式中塔板本身的干板阻力ΔPC板上充氣液層的靜壓力ΔPL液體的表面張力ΔPδ干板阻力hc計(jì)算干板阻力由如下公式計(jì)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(jì)算精餾段根據(jù)右圖查的β5提留段查的β'為0.6液體表面張力的阻力計(jì)算由公式 計(jì)算氣體通過每層塔板的壓降用公式計(jì)算單板壓強(qiáng)降符合設(shè)計(jì)要求。4.8塔板流動(dòng)性能校核液面落差對(duì)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(xiàn)象。液沫夾帶由下式計(jì)算,即式中精餾段提留段故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。漏液對(duì)于篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由式計(jì)算精餾段提留段篩板穩(wěn)定系數(shù)故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏夜。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(huì)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(shí)，降液管的截面便不足以使液體及時(shí)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，可由式計(jì)算，則精餾段提留段精餾段提留段因，其中故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。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。.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(gè)值，依上試計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表091360.26980.27800.29340.3100霧沫夾帶線當(dāng)氣相負(fù)荷超過此線時(shí)，霧沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對(duì)于精餾，一般控制eV≤液/kg氣。以ev=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(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表3091361.0684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(duì)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，則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直負(fù)荷下限線。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(shí)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(shí)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(shí)，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(yàn)算中通常對(duì)降液管液泛進(jìn)行驗(yàn)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?yàn)?，代入?shù)據(jù)整理，得：在操作范圍內(nèi)，任取同樣的值，依上試計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表309136844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：工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總序號(hào)項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)(精餾段/提餾段）1平均溫度℃2平均壓力PmkPam113氣相流量m3/s4液相流量m3/s5實(shí)際塔板數(shù)146有效高度Zm6.37塔徑Dm1.08板間距m59溢流形式（降液管）單溢流弓形10堰長(zhǎng)m0.611堰高m40812板上液層高度m9613堰上液層高度m19214底隙高度m1496115安定區(qū)高度m16邊緣區(qū)高度m17開孔區(qū)面積m20.0456618篩孔直徑m19篩孔數(shù)目N232520孔中心距tm21開孔率Φ10.0822空塔氣速m3/s0.6423篩孔氣速m3/s10.93/11.1324穩(wěn)定系數(shù)K2.08/2.3325單板壓降PmPa/6326停留時(shí)間S/27負(fù)荷上限m3/s液泛夾帶28負(fù)荷下限m3/s漏液控制29液沫夾帶kg液/kg氣0262830操作彈性j第5章精餾塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔體與裙座的機(jī)械設(shè)計(jì)條件如下：塔體內(nèi)徑,塔高近似取。計(jì)算壓力，設(shè)計(jì)溫度℃。設(shè)計(jì)地區(qū)：基本風(fēng)壓值，地震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地土類：B類，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為。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。沿塔設(shè)一個(gè)人孔，人孔數(shù)位2個(gè)，相應(yīng)在人孔處安裝半圓形平臺(tái)1個(gè)，平臺(tái)寬度為，高度為。塔外保溫層的厚度為，保溫材料密度為。塔體與封頭材料選用，其中。裙座材料選用。塔體與裙座間懸掛一臺(tái)再沸器，其操作質(zhì)量為塔體與裙座對(duì)接焊接，塔體焊接接頭系數(shù)。塔體與封頭厚度附加量，裙座厚度附加量。殼體厚度計(jì)算1.塔體厚度計(jì)算因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)）。塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量由表8-1查得篩板塔盤質(zhì)量為。保溫層質(zhì)量其中，為封頭保溫層質(zhì)量，kg。平臺(tái)、扶梯質(zhì)量說明：由表8-1查得，平臺(tái)質(zhì)量：；籠式扶梯質(zhì)量：；籠式扶梯總高：;平臺(tái)數(shù)量：。操作時(shí)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。附件質(zhì)量按經(jīng)驗(yàn)取附件質(zhì)量為充水質(zhì)量其中，。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(yàn)時(shí)最大質(zhì)量/kg5.4.1風(fēng)載荷計(jì)算以2—3段為例計(jì)算風(fēng)載荷：式中：——體系系數(shù)，對(duì)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(jì)算段長(zhǎng)度，——脈動(dòng)影響系數(shù)，由表8-7查得：——塔的基本自振周期，對(duì)等直徑、等厚度圓截面塔：——脈動(dòng)增大系數(shù)，根據(jù)自振周期，由表8-6查得：——振動(dòng)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(jì)算出各段風(fēng)載荷，列于下表中。各段塔風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果計(jì)算段平臺(tái)數(shù)150010018122100011018123250014072025324300017060024125300011016002412風(fēng)彎矩計(jì)算截面0—0截面1—1截面2—2取第一振型脈動(dòng)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(jí)）由表8-3查得計(jì)算截面距地面高度h：0—0截面：1—1截面：2—2截面：等直徑、等厚度的塔，，按下述方法計(jì)算地震彎矩。截面0—0截面1—1截面2—2計(jì)算壓力引起的軸向拉應(yīng)力其中，。操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力截面0—0令裙座厚度；有效厚度；。截面1—1其中，；為人孔截面的截面積，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得：。截面2—2其中，；。最大彎矩引起的軸向壓應(yīng)力截面0—0其中，截面1—1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2—2其中，塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核截面2—2塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力發(fā)生在正常操作時(shí)的2—2截面上。其中，；；；。滿足要求。塔體與裙座的穩(wěn)定校核截面2—2塔體2—2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1—1塔體1—1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0—0塔體0—0截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中，；；。各危險(xiǎn)截面強(qiáng)度與穩(wěn)定校核匯總項(xiàng)目計(jì)算危險(xiǎn)截面0—01—12—2塔體與裙座有效厚度444截面以上的操作質(zhì)量計(jì)算截面面積125605863012560計(jì)算截面的抗彎截面系數(shù)最大彎矩最大允許軸向拉應(yīng)力最大允許軸向壓應(yīng)力/()204計(jì)算壓力引起的軸向拉應(yīng)力00操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力最大彎矩引起的應(yīng)力最大組合軸向拉應(yīng)力最大組合軸向壓應(yīng)力強(qiáng)度與穩(wěn)定校核強(qiáng)度滿足要求穩(wěn)定性滿足要求滿足要求滿足要求水壓試驗(yàn)時(shí)各種載荷引起的應(yīng)力水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核滿足要求。滿足要求。滿足要求?；A(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)尺寸基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核其中，