篩板精餾塔課程設(shè)計.doc
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化工原理課程設(shè)計說明書篩板式精餾塔設(shè)計系 別:化學(xué)工程系班 級:水凈化1001學(xué) 號:0903100108姓 名:張 澤 于指導(dǎo)老師;黃 秋 穎目錄第一部分 概述4一、設(shè)計目標(biāo)4二、設(shè)計任務(wù)4三、設(shè)計條件4四、設(shè)計內(nèi)容4五、工藝流程圖5第二部分 工藝設(shè)計計算6一、設(shè)計方案的確定6二、精餾塔的物料衡算61.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)62.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)63.物料衡算原料處理量6三、塔板數(shù)的確定71.理論板層數(shù)的求取72.全塔效率83.實際板層數(shù)的求取8四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算81.操作壓強(qiáng)計算92.操作溫度計算93.平均摩爾質(zhì)量計算94.平均密度計算95.液相平均表面張力計算106.液相平均粘度計算11五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算111.塔徑的計算112.精餾塔的有效高度的計算12六、塔板主要工藝尺寸的計算131.溢流裝置計算132.塔板布置143.篩孔數(shù)與開孔率15七、篩板的流體力學(xué)驗算151.氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?52.霧沫夾帶量的驗算163.漏液的驗算174.液泛驗算17八、塔板負(fù)荷性能圖171.漏液線172.霧沫夾帶線183.液相負(fù)荷下限線194.液相負(fù)荷上限線195.液泛線206. 操作線21九、設(shè)計一覽表22十、操作方案的說明:23附表24總結(jié)26參考文獻(xiàn)26第一部分 概述一、設(shè)計目標(biāo)分離苯甲苯混合液的篩板式精餾塔設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)試設(shè)計分離苯-甲苯混合物的篩板精餾塔。已知原料液的處理量為9000kg/h,組成為0.49(苯的摩爾分?jǐn)?shù)),要求塔頂餾出液的組成為0.93,塔底釜液的組成為0.02。三、設(shè)計條件操作壓力進(jìn)料熱狀況回流比與最小回流比比值單板壓降全塔效率4kPa(塔頂表壓)泡點20.7kPa四、設(shè)計內(nèi)容編制一份設(shè)計說明書,主要內(nèi)容包括:1、前言2、流程的確定和說明3、生產(chǎn)條件的確定和說明4、精餾塔的設(shè)計計算:(1)工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算(2)精餾塔塔體工藝尺寸的計算(3)塔板主要工藝尺寸的計算(4)塔板的流體力學(xué)驗算(5)塔板負(fù)荷性能圖(精餾段)(選作)5、設(shè)計結(jié)果列表6、設(shè)計結(jié)果的討論和說明7、主要參考資料8、結(jié)束語五、工藝流程圖精餾裝置包括精餾塔,原料預(yù)熱器,再沸器,冷凝器。釜液冷卻器和產(chǎn)品冷凝器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入,物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分汽化與與部分冷凝器進(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,在確定流程裝置時應(yīng)考慮余熱的利用,注意節(jié)能。另外,為保持塔的操作穩(wěn)定性,流程中除用泵直接送入塔原料外,也可以采用高位槽送料以免受泵操作波動的影響。原料液由高位槽經(jīng)過預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔內(nèi)。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品(釜殘液)再沸器中原料液部分汽化,產(chǎn)生上升蒸汽,依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后進(jìn)入貯槽再經(jīng)過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體,其余部分經(jīng)過冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進(jìn)行,流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵,有時還要設(shè)置高位槽。且在適當(dāng)位置設(shè)置必要的儀表(流量計、溫度計和壓力表)。以測量物流的各項參數(shù)。塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)狀況以決定采用全凝器,以便于準(zhǔn)確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料,則宜用全分凝器。總而言之確定流程時要較全面,合理的兼顧設(shè)備,操作費用操作控制及安全因素。連續(xù)精餾操作流程圖第二部分 工藝設(shè)計計算一、設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)書為分離苯-甲苯混合物。對于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料,將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品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。二、精餾塔的物料衡算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 =78.11kg/mol 甲苯的摩爾質(zhì)量 =92.13kg/mol2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)=0.4978.11+ (1-0.49)92.14=85.26kg/mol =0.9378.11+ (1-0.93)92.14=79.09kg/mol =0.0278.11+ (1-0.02)92.14=91.85kg/mol 3.物料衡算原料處理量 總物料衡算 D+W9000 苯物料衡算 0.92+ 0.020.459000 聯(lián)立解得 D= 4300 k/h,W= 4700 k/h, 9000kg/hF=9000/85.26= 105.56 kmol/h, D=4300/79.09= 54.39 kmol/h,W=4700/91.85= 51.17kmol/h 三、塔板數(shù)的確定 1.理論板層數(shù)的求取 苯-甲苯屬理論物系,可采用圖解法求理論板層數(shù)。 由附表查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù),繪出x-y圖及t-x-y圖求最小回流比及操作回流比 采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上,自點e(0.49, 0.49)做垂線,ef即為進(jìn)料線(q線),該線與平衡線的交點F坐標(biāo)為: =0.70 =0.49 故最小回流比為:= =1.095 取操作回流比為: 求操作線方程 精餾段操作線方程: 圖解法求理論板層數(shù) 采用圖解法求理論板層數(shù),由圖可知求解結(jié)果為: 總理論板層數(shù)層,精餾段4層,提餾段6層。進(jìn)料板是第五塊板2.全塔效率 0.17-0.616,度根據(jù)塔頂、塔底液相組成查圖,求得平均溫度為86.5度,該溫度下進(jìn)料液相平均黏度為 故 3.實際板層數(shù)的求取 精餾段實際板層數(shù): 提餾段實際板層數(shù): 四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 以精餾段為例進(jìn)行計算。1.操作壓強(qiáng)計算塔頂操作壓強(qiáng) kPa每層塔板壓降 kPa進(jìn)料板壓強(qiáng) kPa提餾段平均壓強(qiáng) kPa2.操作溫度計算依據(jù)操作壓力,由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度,其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算,計算過程略。計算結(jié)果如下: 塔頂溫度TD=81.5 進(jìn)料板溫度TF=91.5平均溫度 3.平均摩爾質(zhì)量計算 塔頂摩爾質(zhì)量計算:由 查表得:X1=O.83 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計算 由圖解理論板,得 查平衡曲線,得 精餾段平均摩爾質(zhì)量 4.平均密度計算氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算,即液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算: 塔頂液相平均密度計算: 由TD=81.5,查附表得 進(jìn)料板液相平均密度計算 由TF=91.5,查附表得 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算 精餾段液相平均密度為 5.液相平均表面張力計算 液相平均表面張力依下式計算,即 塔頂液相平均表面張力計算 由TD=81.5 ,查附表得 進(jìn)料板液相平均表面張力計算 由TF=91.5,查附表得 精餾段液相平均表面張力為: 6.液相平均粘度計算 液相平均粘度依下式計算: 塔頂液相平均粘度計算 由TD=81.5 ,查附表得 進(jìn)料板液相平均粘度計算 由TF=91.5,查附表得 精餾段液相平均粘度為 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算1.塔徑的計算取板間距,取板上液層高度, 則 查smith圖得=0.072,依式校正到物系表面張力為20.46mN/m時的 取安全系數(shù)為0.70,則空塔氣速為: 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 2.精餾塔的有效高度的計算 精餾段有效高度為 提餾段有效高度為 在進(jìn)料板上方開一人孔,其高度為0.64m,故精餾塔的有效高度為 六、塔板主要工藝尺寸的計算 1.溢流裝置計算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰,降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結(jié)構(gòu)對塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合其他影響因素,當(dāng)因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管,不設(shè)進(jìn)口堰,采用凹形受液盤。各項計算如下:溢流堰長 取堰長為0.66D 即 溢流堰高度 計算如下:, 由, 査下圖知E=1.03 依式 得 取板上清液層高度 弓形降液管寬度和降液管面積 由,査下圖得, 故 驗算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積,即 (5s,符合要求) 故降液管設(shè)計合理。降液管底隙高度 取液體通過降液管底隙的流速 計算降液管底隙高度 即: 2.塔板布置 取邊緣區(qū)寬度,安定區(qū)寬度 開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積計算,得 3.篩孔數(shù)與開孔率 本例所處理的物系無腐蝕性,取篩孔孔徑,正三角形排列,可選用碳鋼板,取,故 孔中心距 依式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率,即 每層塔板上的開孔面積為 氣體通過篩孔的氣速為 七、篩板的流體力學(xué)驗算1.氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫朗?干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,計算如?依,査圖得 氣體通過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,計算如下?由圖查取板上液層充氣系數(shù) 克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?依式 氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算: 氣體通過每層塔板的壓降為: (設(shè)計允許值) 2.霧沫夾帶量的驗算 故在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。3.漏液的驗算 對篩板塔,漏液點氣速可由式(5-25)計算: 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設(shè)計中無明顯漏液。4.液泛驗算 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從如下關(guān)系: 依式計算,即 苯-甲苯物系屬一般物系,取,則 故,在設(shè)計負(fù)荷下不會發(fā)生泛液。 根據(jù)以上塔板的各項流體力學(xué)的驗算,可認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。 八、塔板負(fù)荷性能圖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。 代入原式得 已算出,代入整理得 在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出值,計算結(jié)果列于下表。0.00060.790.00150.850.00300.860.00450.88 由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 2.霧沫夾帶線當(dāng)氣相負(fù)荷超過此線時,液沫夾帶量過大,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為限,求Vs-Ls關(guān)系如下: 由 近似取, 取霧沫夾帶極限值,已知,代入原式得: 整理得 在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出值,計算結(jié)果列于下表。0.00060.150.00150.150.00300.140.00450.13 由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。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,取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式(5-7)得 取E=1,則 整理上式得 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。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。以作為液體在漿液管中停留時間的下限,由式(5-9)得 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。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Hd聯(lián)立式得 近似取,由式 故 (已算出) 故 將、以及以上式代入得: 整理得下式: 在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出值,計算結(jié)果列于下表:0.00062.850.00152.770.00302.680.00452.59 由此表數(shù)據(jù)即可作出液泛線56. 操作線 由,及與之間的關(guān)系可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖: 在負(fù)荷性能圖上,作出操作點A,連接OA,即作出操作線。由圖可看出,該篩板上限為液泛控制,下限為漏液控制。由圖查得 故操作彈性為 九、設(shè)計一覽表將設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于下表:序號 項目數(shù)值 序號項目數(shù)值 1 平均溫度86.517邊緣區(qū)寬度,m0.0352平均壓力108.118開孔區(qū)面積0.323氣相流量1.3319篩孔直徑,m0.0054液相流量0.003220篩孔數(shù)目n8655實際塔板數(shù)1021孔中心距t,m0.0186有效段高度Z,m7.8422開孔率,%10.17塔徑D,m1.423空塔氣速u,m/s0.848板間距,m0.424篩孔氣速,m/s3.369溢流形式單溢流25穩(wěn)定系數(shù)2.8410降液管形式弓形26每層塔板壓降,kPa0.711堰長,m0.92427負(fù)荷上限液泛控制12堰高,m0.050428負(fù)荷下限漏液控制13板上液層高度,m0.0629液沫夾帶,(kg液/kg氣)0.016814堰上液層高度,m0.01130氣相負(fù)荷上限,0.0036315降液管底隙高度0.043331氣相負(fù)荷下限,0.00045316安定區(qū)寬度,m0.06532操作彈性8.776 十、操作方案的說明:本設(shè)計任務(wù)為分離苯甲苯混合物。對于二元混合物的分離,應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料,降原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡點下一部分回流到塔內(nèi),其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲罐。該物系屬于易分離物系,最小回流比較小,故操作回流比去最小回流比的兩倍。塔釜采用間接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品冷卻送到儲罐。附表 表 1 苯和甲苯的物理性質(zhì)項目分子式相對分子質(zhì)量Mr沸點/臨界溫度tc/臨界壓強(qiáng)pc/kPa苯C6H678.1180.1288.56833.4甲苯C6H5-CH392.13110.6318.574107.7表 2 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?jǐn)?shù)/x氣相中苯的摩爾分?jǐn)?shù)/y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.1表3 Antoine 常數(shù)值組分ABC苯6.0231206.35220.24甲苯60.781343.94219.58表4 苯與甲苯的液相密度溫度t/8090100110120L,苯/(kg/m3)815803.9792.5780.3768.9L,甲苯/(kg/m3)810800.2790.3780.3770.9 表5 液體表面張力溫度t/8090100110120,苯/(mN/m)21.2720.0618.8517.6616.49,甲苯/(mN/m)21.6920.5919.9418.4117.31表6 液體粘度溫度t/8090100110120L苯/(mPas)0.3080.2790.2550.2330.215L甲苯/(mPas)0.3110.2860.2640.2540.228表 7 液體汽化熱溫度t/8090100110120苯/(kJ/kg)394.1386.9379.3371.5363.2苯/(kJ/kg)379.9373.8367.6361.2354.6總結(jié)通過本次課程設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生多方位、綜合地分析考察工程問題并獨立解決工程實際問題的能力,要科學(xué)、合理、有創(chuàng)新地完成一項工程設(shè)計,往往需要各種數(shù)據(jù)和相關(guān)資料。因此,資料、文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)的查找、收集是工程設(shè)計必不可少的基礎(chǔ)工作。工程的設(shè)計計算能力和綜合評價的能力。為了使設(shè)計合理要進(jìn)行大量的工藝計算和設(shè)備設(shè)計計算。本設(shè)計包括塔板結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)計算。工程設(shè)計表達(dá)能力。工程設(shè)計完成后,往往要交付他人實施或與他人交流。因此,在工程設(shè)計和完成過程中,都必須將設(shè)計理念、理想、設(shè)計過程和結(jié)果用文字、圖紙和表格的形式表達(dá)出來。參考文獻(xiàn)1王國勝. 化工原理課程設(shè)計M. 大連:大連理工大學(xué)出版社,2005.2大連理工大學(xué).化工原理下.大連:高等教育出版社,2009.3陳敏恒.化工原理下. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.4楊同舟.食品工程原理.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2001.5匡國柱,史啟才. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20056 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計M. 大連:天津大學(xué)出版社,20057化工原理課程設(shè)計,化工原理教研室8姚玉英主編,化工原理(上冊),新版.天津:天津大學(xué)出版社,1999.89化工設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ),上??茖W(xué)技術(shù)出版社10化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ),編寫組編,1987年6月版11塔設(shè)備,工設(shè)備設(shè)計全書編輯委員會,上??茖W(xué)技術(shù)出版社化,1988.- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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