苯—甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)

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荊楚理工學(xué)院 課程設(shè)計(jì)成果 學(xué)院： 班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)（單位）： 教學(xué)樓A棟 設(shè)計(jì)題目： 苯——甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì) 完成日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)(五級(jí)記分制)： 教師簽名： 目錄 一 序言 3 二 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 4 三 設(shè)計(jì)計(jì)算 7 3.1 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 7 3.2 精餾塔的物料衡算 10 3.3 塔板數(shù)的確定 10 3.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 15 3.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 20 3.6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 22 3.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 25 3.8 塔板負(fù)荷性能圖 30 四 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 38 五 板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備 40 5.1 接管 40 5.2 冷凝器 42 5.3 再沸器 43 5.4 板式塔結(jié)構(gòu) 45 5.5 加料泵 46 5.6 高位槽 46 5.7 貯槽 47 六 參考書(shū)目 48 七 設(shè)計(jì)心得體會(huì) 49 八 附錄 50 附錄一 板式塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 51 附錄二 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 52 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。 工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求是：（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳熱、傳質(zhì)效率高；（3）氣流的摩擦阻力?。唬?）操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外，還要求不易堵塞、耐腐蝕等。 篩板是在塔板上鉆有均布的篩孔，呈正三角形排列。上升氣流經(jīng)篩孔分散、鼓泡通過(guò)板上液層，形成氣液密切接觸的泡沫層（或噴射的液滴群）。設(shè)計(jì)良好的篩板塔具有足夠的操作彈性，對(duì)易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故近年我國(guó)對(duì)篩板的應(yīng)用日益增多，所以在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)該種塔型。 二 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)題目：苯——甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 課程名稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 地 點(diǎn) 起止時(shí)間 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 完成精餾塔工藝設(shè)計(jì)，精餾設(shè)備設(shè)計(jì)，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選用，繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和塔板負(fù)荷性能圖，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 二、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.工藝設(shè)計(jì) （1）選擇工藝流程和工藝條件 a.加料方式 b.加料狀態(tài) c.塔頂蒸汽冷凝方式 d.塔釜加熱方式 e.塔頂塔底產(chǎn)品的出料狀態(tài) 塔頂產(chǎn)品由塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻至常溫。 （2）精餾工藝計(jì)算： a.物料衡算確定各物料流量和組成。 b.經(jīng)濟(jì)核算確定適宜的回流比 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)常費(fèi)和設(shè)備投資費(fèi)綜合核算最經(jīng)濟(jì)原則，確定適宜回流比。 c.精餾塔實(shí)際塔板數(shù) 確定全塔理論塔板數(shù)以及精餾段和提餾段各自的理論塔板數(shù)。然后根據(jù)全塔效率ET，求得全塔、精餾段、提餾段的實(shí)際塔板數(shù)，確定加料板位置。 2.精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì) (1)選擇塔型和板型 采用板式塔，板型為篩板塔。 (2)塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體力學(xué)計(jì)算 (3)繪制塔板負(fù)荷性能圖 畫(huà)出精餾段或提餾段某塊的負(fù)荷性能圖。 (4)有關(guān)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和塔體附件的選定 *接管規(guī)格： 根據(jù)流量和流體的性質(zhì)，選取經(jīng)驗(yàn)流速，選擇標(biāo)準(zhǔn)管道。 *全塔高度： 包括上、下封頭，裙座高度。 3.附屬設(shè)備設(shè)計(jì)和選用 (1)加料泵選型，加料管規(guī)格選型 加料泵以每天工作3小時(shí)計(jì)（每班打1小時(shí)）。 大致估計(jì)一下加料管路上的管件和閥門。 (2)高位槽、貯槽容量和位置 高位槽以一次加滿再加一定裕量來(lái)確定其容積。 貯槽容積按加滿一次可生產(chǎn)10天計(jì)算確定。 (3)換熱器選型 對(duì)原料預(yù)熱器，塔底再沸器，塔頂產(chǎn)品冷卻器等進(jìn)行選型。 (4)塔頂冷凝器設(shè)計(jì)選型 根據(jù)換熱量，回流管內(nèi)流速，冷凝器高度，對(duì)塔頂冷凝器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。 4.編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想闡明設(shè)計(jì)特點(diǎn)，列出設(shè)計(jì)主要技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)有關(guān)工藝流程和設(shè)備選型作出技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的論證和評(píng)價(jià)。應(yīng)按設(shè)計(jì)程序列出計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果；對(duì)所選用的物性數(shù)據(jù)和使用的經(jīng)驗(yàn)公式圖表應(yīng)注明來(lái)歷。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)附有帶控制點(diǎn)工藝流程圖，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 5.注意事項(xiàng): 寫(xiě)出詳細(xì)計(jì)算步驟,并注明選用數(shù)據(jù)的來(lái)源； 每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后,列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表； 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求字跡工整,裝訂成冊(cè)上交。 設(shè)計(jì) 參數(shù) 原始數(shù)據(jù)： 年處理量：70000噸 料液初溫：35℃ 料液濃度：50%（苯質(zhì)量分率） 塔頂產(chǎn)品濃度：98%（苯質(zhì)量分率） 塔底釜液含甲苯量不低于 98%(以質(zhì)量計(jì)) 每年實(shí)際生產(chǎn)天數(shù)：330天（一年中有一個(gè)月檢修） 精餾塔塔頂壓強(qiáng)：4 kpa（表壓） 冷卻水溫度：30℃ 飽和水蒸汽壓力：2.5kgf/cm2(表壓) 設(shè)備型式：篩板塔 進(jìn)度 要求 第一天：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)查閱相關(guān)資料。 第二天：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案。 第三天：確定塔徑、塔高等工藝尺寸。 第四天：進(jìn)行塔板設(shè)計(jì)。 第五天：進(jìn)行流體力學(xué)驗(yàn)算 第六天：繪制負(fù)荷性能圖，編寫(xiě)工藝計(jì)算結(jié)果。 第七天：進(jìn)行塔附件設(shè)計(jì) 第八天：進(jìn)行附屬設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 第九天：繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第十天：答辯 參考資料 [1]馬江權(quán)等.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009 [2]陳英南.常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，1993 [3]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 其它 說(shuō)明 本表應(yīng)在每次實(shí)施前一周由負(fù)責(zé)教師填寫(xiě)二份，教研室審批后交學(xué)院院備案，一份由負(fù)責(zé)教師留用。 若填寫(xiě)內(nèi)容較多可另紙附后。 一題多名學(xué)生共用的，在設(shè)計(jì)內(nèi)容、參數(shù)、要求等方面應(yīng)有所區(qū)別。 教研室主任： 指導(dǎo)教師： 2013年 11 月 18日 第 52 頁(yè) 共 52 頁(yè) 三 設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 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2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。 數(shù)據(jù)搜集： 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 苯和甲苯的液相密度 溫度(℃) 80 90 100 110 120 苯,kg/ 815 803.9 792.5 780.3 768.9 甲苯,kg/ 810 800.2 790.3 780.3 770.0 表4 液體表面張力 溫度 80 90 100 110 120 苯，mN/m 21.27 20.06 18.85 17.66 16.49 甲苯，mN/m 21.69 20.59 19.94 18.41 17.31 表5 液體粘度 溫度(℃) 80 90 100 110 120 苯（mPas） 0.308 0.279 0.255 0.233 0.215 甲苯（mPas） 0.311 0.286 0.264 0.254 0.228 表6 苯—甲苯物系在總壓101.3kPa下的關(guān)系 t/℃ 80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6 x 1 0.816 0.651 0.504 0.373 0.256 0.152 0.057 0 y 1 0.919 0.825 0.717 0.594 0.455 0.300 0.125 0 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 3.2 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 3.3 塔板數(shù)的確定 (1) 理論板層數(shù)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 查得苯—甲苯物系的氣、液平衡數(shù)據(jù)（表6），繪出圖， 采用作圖法求最小回流比。泡點(diǎn)進(jìn)料，在圖中對(duì)角線上，自點(diǎn)(0.541,0.541)作垂線即為進(jìn)料線(線)，該線于平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為：(0.541，0.7442)， 故最小回流比為： 故操作回流比為： 2　 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 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： 4　 逐板計(jì)算法求理論板層數(shù) 又根據(jù) ， 可解得 相平衡方程，即 ， 變形得， 精餾段用精餾段操作線方程和相平衡方程進(jìn)行逐板計(jì)算， ， ， ，， ，， ，， ，， ，， ，， 提餾段用提餾段操作線方程和相平衡方程進(jìn)行逐板計(jì)算， ， ， ， ， ，， ，， ，， ，， 因此，理論板數(shù)為（包括再沸器），進(jìn)料板位置為第七層板， (2) 實(shí)際板層數(shù)的求取 板效率可用奧康奈爾公式計(jì)算， 式中 ——塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度； ——塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度， 1　 平均溫度 利用表7中數(shù)據(jù)和，，，由拉格朗日插值可求得、、, ：， ：， ：， 精餾段平均溫度： 提餾段平均溫度： 2　 組成 精餾段： 液相組成：， 氣相組成：， 提餾段： 液相組成：， 氣相組成：， 3　 相對(duì)揮發(fā)度 精餾段揮發(fā)度：由，得， 所以 ， 提餾段揮發(fā)度：由，得， 所以 ， 4　 粘度 精餾段，，查手冊(cè)得， 苯： 甲苯： 故提餾段，，查手冊(cè)得， ， 故 5　 板效率 精餾段，， 提餾段，， 6　 實(shí)際板層數(shù) 精餾段實(shí)際板層數(shù) ， 提餾段實(shí)際板層數(shù) ， 故全塔所需實(shí)際塔板數(shù)：， 全塔效率：, 加料板位置為第13塊板。 3.4 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 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 (2) 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 1　 塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算： 由， 可得 2　 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 ： 由理論板計(jì)算，得，， 3　 塔釜平均摩爾質(zhì)量計(jì)算： 由理論板計(jì)算，得，， 4　 精餾段平均摩爾質(zhì)量 5　 提餾段平均摩爾質(zhì)量 (3) 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 提餾段 2　 液相平均密度計(jì)算 塔頂： ， 由，查手冊(cè)，得 ， ， 則， 進(jìn)料板： ， 由，查手冊(cè)，得 ， ， 則， 塔釜： ， 由，查手冊(cè)，得 ， ， 則， 精餾段 提餾段 (4) 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，查手冊(cè)，得 ， 進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算： 由，查手冊(cè)，得 ， 塔釜液相平均表面張力的計(jì)算： 由，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： (5) 液體平均粘度計(jì)算 液相平均黏度依下式計(jì)算，即： 塔頂液相平均粘度的計(jì)算： 由，查手冊(cè)，得 ，， ， 得， 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算： 由，查手冊(cè)，得 ，， ， 得， 塔釜液相平均粘度的計(jì)算： 由，查手冊(cè)，得 ，， ， 得， 精餾段液相平均粘度為： ， 提餾段液相平均粘度為： 3.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 (1) 塔徑的計(jì)算 對(duì)于精餾過(guò)程，由于精餾段和提提餾段的氣、液相符合及物性數(shù)據(jù)不同，故設(shè)計(jì)中兩段的塔徑應(yīng)分別計(jì)算。 （1） 精餾段 精餾段的氣、液相體積流率為： 由 式中由式計(jì)算，其中由史密斯關(guān)系圖查取，圖的橫坐標(biāo)為： 取板間距，板上液層高度，則： 查史密斯關(guān)系圖得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣數(shù)為： （2） 提餾段 提餾段的氣、液相體積流率為： 取板間距，板上液層高度，則： 史密斯關(guān)系圖橫坐標(biāo)為： 查史密斯關(guān)系圖得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣數(shù)為： 綜上，按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為， 塔截面積為： 精餾段空塔氣數(shù) 提餾段空塔氣數(shù) (2) 精餾塔有效高度的計(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(kāi)一人孔，其高度為，故精餾塔的有效高度為： 3.6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 （1） 精餾段 (1) 溢流裝置的計(jì)算 因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下： 1　 堰長(zhǎng)： 取。 2　 溢流堰高度： 由，選用平直堰，堰上液層高度由式 計(jì)算， 近似取，則 取板上清液層高度， 故。 3　 弓形降液管寬度和截面積： 由，查弓形降液管參數(shù)圖，得，， 則， 驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間： 故降液管設(shè)計(jì)合理。 4　 降液管底隙高度： 取降液管底隙高度，則 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤(pán)，深度 (2) 塔板布置 1　 塔板的分塊。因，故塔板采用分塊式。塔板分為4塊。 2　 邊緣區(qū)寬度確定： 取， 3　 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算。開(kāi)孔區(qū)面積按式 計(jì)算 其中 故 ④ 篩孔計(jì)算及其排列 由于苯和甲苯?jīng)]有腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距為： 篩孔數(shù)目為： 開(kāi)孔率為： 氣體通過(guò)篩孔的氣速為： （2） 提餾段 （1） 溢流裝置的計(jì)算 1　 堰長(zhǎng)：取。 2　 溢流堰高度： 取板上清液層高度， 故。 3　 弓形降液管寬度和截面積： 由，查弓形降液管參數(shù)圖，得，， 則， 驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間： 故降液管設(shè)計(jì)合理。 4　 降液管底隙高度： 取降液管底隙流速，則 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤(pán)，深度 (2) 塔板布置 塔板布置與精餾段相同， 氣體通過(guò)篩孔的氣速為： 3.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 （1） 精餾段 (1)塔板壓降 ① 干板阻力計(jì)算。干板阻力由計(jì)算： 由，查干篩孔的流量系數(shù)圖得 ， 故 ② 氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算 氣體通過(guò)液層的阻力由下式計(jì)算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得， 故 ③ 液體表面張力的阻力計(jì)算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)算，即： 氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度按下式計(jì)算： 氣體通過(guò)每層塔板的壓降為： (2) 液面落差 對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計(jì)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 液沫夾帶按下式計(jì)算： 故液沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。 (4) 漏液 對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由以下公式計(jì)算： 實(shí)際氣速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。 (5) 液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式的關(guān)系，即： 苯—甲苯物系屬一般物系，取，則： 而 塔板不設(shè)進(jìn)口堰，可由下式計(jì)算，即： ，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。 （2） 提餾段 (1)塔板壓降 ① 干板阻力計(jì)算。， ② 氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算 氣體通過(guò)液層的阻力由下式計(jì)算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得， 故 ③ 液體表面張力的阻力計(jì)算 (2) 液面落差 本設(shè)計(jì)可忽略液面落差的影響。 (3) 液沫夾帶 故液沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。 (4) 漏液 實(shí)際氣速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。 (5) 液泛 為防止液泛，降液管內(nèi)液層高 取，則： ，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。 3.8 塔板負(fù)荷性能圖 （1） 精餾段 (1) 漏液線 由 ， ， 得： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表 漏液線計(jì)算結(jié)果 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.882 0.898 0.913 0.921 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 (2)液沫夾帶線 以為限，求關(guān)系如下： 由 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表 液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 3.079 2.987 2.904 2.827 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。 (3) 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液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。 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3。 (4) 液相負(fù)荷上限線 以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限， 故 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。 (5) 液泛線 令 由 聯(lián)立解得 忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得： 其中： 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表， 液泛線計(jì)算結(jié)果 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 3.127 3.060 2.994 2.930 由上表即可作出液泛線5。 根據(jù)以上各線方程，可作出精餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖： 在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由上圖可看出，該篩板的操作上限為夜沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖查得： 故操作彈性為： （2） 提餾段 (1) 漏液線 漏液線計(jì)算結(jié)果 0.0055 0.0065 0.0075 0.0085 0.868 0.879 0.889 0.899 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 (2)液沫夾帶線 由 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表 液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果 0.0055 0.0065 0.0075 0.0085 2.803 2.745 2.689 2.636 由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。 (3) 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液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。 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3。 (4) 液相負(fù)荷上限線 以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限， 故說(shuō) 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。 (5) 液泛線 令 由 聯(lián)立解得 忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得： 其中： 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表 液泛線計(jì)算結(jié)果 0.0055 0.0065 0.0075 0.0085 2.956 2.898 2.838 2.775 由上表即可作出液泛線5。 根據(jù)以上各線方程，可作出提餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖： 在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由上圖可看出，該篩板的操作上限為夜沫夾帶控制，下限為漏液控制。由圖查得： 故操作彈性為： 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 平均溫度 85.36 99.74 平均壓力 109.5 117.55 平均流量 氣相 1.42 2.02 液相 0.0037 0.0072 實(shí)際塔板數(shù) 塊 12 11 板間距 0.40 0.40 塔徑 1.6 1.6 塔的有效高度 4.4 4.0 空塔氣速 0.706 0.682 塔板液流形式 單流型 降液管型式 弓形 堰長(zhǎng) 1.06 1.2 堰上液層高度 0.015 0.022 板上液層高度 0.06 0.06 堰高 0.045 0.038 降液管寬度 0.198 0.280 液體在降液管中停留時(shí)間 15.68 13.94 降液管底隙高度 0.034 0.030 安定區(qū)寬度 0.065 0.035 邊緣區(qū)寬度 0.065 0.035 開(kāi)孔區(qū)面積 1.50 1.50 孔徑 5.0 5.0 孔數(shù) 個(gè) 7700 7700 孔間距 15 15 開(kāi)孔面積 0.15 0.15 篩孔氣速 9.34 9.04 塔板壓降 0.531 0.521 降液管內(nèi)清液層高度 0.129 0.133 穩(wěn)定系數(shù) 1.56 1.61 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 霧沫夾帶 kg液/kg氣 0.0098 0.011 氣相負(fù)荷 2.664 2.505 氣相負(fù)荷 0.886 0.846 操作彈性 3.01 2.96 五 板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備 5.1 接管 (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形進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。 ，， 體積流量 管內(nèi)流速，則管徑查表取 (2) 回流管 采用直管回流管,回流管的回流量 ， 體積流量 管內(nèi)流速，則管徑查表取 (3) 塔釜出料管 ，， 體積流量 管內(nèi)流速，則管徑查表取 (4) 塔頂蒸汽出料管 ，， 體積流量 管內(nèi)氣速，則管徑查表取 (5) 塔釜進(jìn)氣管 ，， 體積流量 管內(nèi)氣速，則管徑查表取 5.2 冷凝器 (1) 熱負(fù)荷 塔頂溫度， 查該溫度下汽化潛熱 平均汽化潛熱為： (2) 冷卻水用量 已知冷凝水，取出口溫度， 水的比熱容 (3) 總傳熱系數(shù) 取傳熱系數(shù) (4) 泡點(diǎn)回流時(shí)的平均溫差 (5) 換熱面積 傳熱面積 (6) 冷凝器選型 查《化工原理上冊(cè)》書(shū)附錄十九選固定管板式換熱器的規(guī)格如下： 公稱直徑，公稱壓力，管程數(shù)， 管數(shù)，中心排管數(shù)，管程流通面積， 計(jì)算換熱面積，管長(zhǎng)， 管子排列方式：正三角形 5.3 再沸器 (1) 熱負(fù)荷 塔釜溫度， (2) 加熱蒸汽用量 選用(表壓)，即的飽和蒸汽加熱， 溫度為， 考慮的熱損失， (3) 平均溫差 (4) 總傳熱系數(shù) 取傳熱系數(shù) (5) 換熱面積 傳熱面積 考慮的熱損失， (6) 再沸器選型 查《化工原理上冊(cè)》書(shū)附錄十九選固定管板式換熱器的規(guī)格如下： 公稱直徑，公稱壓力，管程數(shù)， 管數(shù)，中心排管數(shù)，管程流通面積， 計(jì)算換熱面積，管長(zhǎng)， 管子排列方式：正三角形 5.4 板式塔結(jié)構(gòu) (1) 封頭 本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭，由公稱直徑，查得曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積。選用封頭，。 (2) 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，為了支座方便，一般采用圓筒形。由于裙座內(nèi)徑,故裙座壁厚取。 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 裙座高度 (3) 人孔 一般每隔層塔板設(shè)一人孔。本塔中共23塊板，設(shè)置3個(gè)人孔，塔頂和塔底一個(gè)，中部一個(gè)，人孔直徑為，人孔處的板間距為，人孔深入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓。 (4) 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。 (5) 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的間距，大塔可大于此值。本塔取。 (6) 塔高 5.5 加料泵 進(jìn)料口離水平面距離：m 加料泵以每天工作3小時(shí)計(jì)（每班打1小時(shí)）， 則體積流量： 功率：查《化工原理》附錄十七，選型離心泵，其參數(shù)為 流量,揚(yáng)程,效率，, 5.6 高位槽 高位槽以一次加滿再加一定裕量來(lái)確定其容積， 8小時(shí)原料處理量 故 5.7 貯槽 貯槽容積按加滿一次可生產(chǎn)10天計(jì)算確定： 10天原料處理量 故 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]譚天恩,竇梅?化工原理（第四版上下冊(cè)）?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013 [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)（第二版）?北京：中國(guó)石化出版社，2013 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)近兩周的努力，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算和優(yōu)化，我終于設(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，可謂是從中受益匪淺，我想這也許就是這門課程的最初本意。從接到課題并完成分組的那一刻起我就立志要盡最大努力把它做全做好。首先，我去圖書(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，我從對(duì)設(shè)計(jì)一無(wú)所知變得初曉門路，而進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和討論使我具備了完成設(shè)計(jì)的知識(shí)和方法，這使我對(duì)設(shè)計(jì)有了極大的信心，我確定了設(shè)計(jì)方案和具體流程及設(shè)計(jì)時(shí)間表，然后就進(jìn)入了正式的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。 這次歷時(shí)近兩周的課程設(shè)計(jì)使我把平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，使我對(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)也給我提供了很大的發(fā)揮空間，我積極發(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)提高了我們認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。 最后，我們還要感謝王洪林老師在這次課程設(shè)計(jì)中給予我的敦促和指導(dǎo)工作。對(duì)于設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題他給予了我認(rèn)真明確耐心的指導(dǎo)，這極大的鼓勵(lì)了我完成設(shè)計(jì)的決心。 由于能力以及實(shí)踐還有許多不足，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，難免有些不成熟和欠妥之處，希望老師能夠批評(píng)指正。 八 附錄 附錄一 板式塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 附錄二 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖