正戊烷-正己烷混合液的常壓連續(xù)篩板蒸餾塔設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：正戊烷設(shè)計(jì)題目：正戊烷- -正己烷混合液的常壓連續(xù)正己烷混合液的常壓連續(xù)篩板篩板蒸餾塔設(shè)計(jì)蒸餾塔設(shè)計(jì) 學(xué)院：學(xué)院： 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 班級(jí)：班級(jí)：化學(xué)工程與工藝化學(xué)工程與工藝 101101姓名：姓名： 張成海張成海 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 201011034119201011034119 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 周新華周新華 胡福田胡福田日期：日期：20122012 年年 1111 月月 9 9 日日 化工原理課程設(shè)計(jì)1 目目 錄錄第一章第一章 綜述綜述 .3 31.11.1 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地

2、位塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位 .31.21.2 塔設(shè)備的分類及一般構(gòu)造塔設(shè)備的分類及一般構(gòu)造 .31.31.3 對塔設(shè)備的要求對塔設(shè)備的要求 .41.41.4 塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀 .41.51.5 塔設(shè)備的用材塔設(shè)備的用材 .41.61.6 板式塔的常用塔型及其選用板式塔的常用塔型及其選用 .51.6.11.6.1 泡罩塔泡罩塔 .51.6.21.6.2 篩板塔篩板塔.51.6.31.6.3 浮閥塔浮閥塔.51.71.7 塔型選擇一般原則塔型選擇一般原則 .61.7.11.7.1 與物性有關(guān)的因素與物性有關(guān)的因素.71.7.21.7.2 與操作條件有關(guān)的因素與操作條件有關(guān)

3、的因素.71.7.31.7.3 其他因素其他因素.71.81.8 板式塔的強(qiáng)化板式塔的強(qiáng)化 .8第二章第二章 塔板計(jì)算塔板計(jì)算 .8 82.12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和條件設(shè)計(jì)任務(wù)和條件 .82.22.2 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算 .92.2.12.2.1 設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)方案的確定.92.2.22.2.2 精餾塔的物料衡算精餾塔的物料衡算.92.2.32.2.3 塔板數(shù)的確定塔板數(shù)的確定.10第三章第三章 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 .12123.13.1 操作壓力操作壓力 .133.23.2 操作溫度操作溫度 .133.33.3 平均摩爾質(zhì)量平均摩爾質(zhì)量 .

4、133.43.4 平均密度平均密度 .133.53.5 液相平均表面張力液相平均表面張力 .153.63.6 液相平均黏度液相平均黏度 .15第四章第四章 精餾塔的塔體工藝尺寸精餾塔的塔體工藝尺寸 .16164.14.1 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算.164.24.2 精餾塔高度計(jì)算精餾塔高度計(jì)算.184.34.3 溢流裝置計(jì)算溢流裝置計(jì)算 .184.44.4 塔板布置塔板布置 .20第五章第五章 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 .21215.15.1 塔板壓降塔板壓降 .21化工原理課程設(shè)計(jì)第 2 頁共 29 頁5.25.2 液面落差液面落差 .225.35.3 液沫夾帶液沫夾帶 .225.5

5、5.5 液泛液泛 .22第六章第六章 塔板負(fù)荷性能圖塔板負(fù)荷性能圖 .23236.16.1 漏液線漏液線.236.26.2 液沫夾帶線液沫夾帶線 .236.36.3 液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷下限線 .246.46.4 液相負(fù)荷上限線液相負(fù)荷上限線 .246.56.5 液泛線液泛線 .246.66.6 塔板負(fù)荷性能圖塔板負(fù)荷性能圖 .256.76.7 計(jì)算結(jié)果匯總表計(jì)算結(jié)果匯總表.25 結(jié)束語結(jié)束語 .2727 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .2727化工原理課程設(shè)計(jì)第 3 頁共 29 頁【摘要摘要】化工生產(chǎn)常需進(jìn)行液體混合物的分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的，精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助

6、于多次部分汽化和部分冷凝達(dá)到輕重組分分離的方法。精餾操作在化工、石油化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關(guān)系，熟悉各種塔型的操作特性，對選擇、設(shè)計(jì)和分析分離過程中的各種參數(shù)是非常重要的。塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備類型之一。本次設(shè)計(jì)的篩板塔是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。此設(shè)計(jì)苯-甲苯物系的精餾問題進(jìn)行分析、選取、計(jì)算、核算、繪圖等，是較完整的精餾設(shè)計(jì)過程，該設(shè)計(jì)方法被工程技術(shù)人員廣泛的采用。精餾過程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度。即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而達(dá)到分離的

7、目的。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。精餾設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)方案的選取，主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，輔助設(shè)備的選型，工藝流程圖，主要設(shè)備的工藝條件圖等內(nèi)容。通過對精餾塔的運(yùn)算，可以得出精餾塔的各種設(shè)計(jì)如塔的工藝流程、生產(chǎn)操作條件及物性參數(shù)是合理的，換熱器和泵及各種接管尺寸是合理的，以保證精餾過程的順利進(jìn)行并使效率盡可能的提高?！娟P(guān)鍵詞】 正戊烷 正己烷 精餾段 提餾段第一章第一章 綜述綜述1.11.1 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是石油、化工生產(chǎn)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備，

8、在石油、化工、輕工等生產(chǎn)過程中，塔設(shè)備主要用于氣、液兩相直接接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的過程，如精餾、吸收、萃取、解吸等，這些過程大多是在塔設(shè)備中進(jìn)行的。塔設(shè)備可以為傳質(zhì)過程創(chuàng)造適宜的外界條件，除了維持一定的壓強(qiáng)、溫度、規(guī)定的氣、液流量等工藝條件外，還可以從結(jié)構(gòu)上保證氣、液有充分的接觸時(shí)間、接觸空間和接觸面積，以達(dá)到相際之間比較理想的傳質(zhì)和傳熱效果。1.21.2 塔設(shè)備的分類及一般構(gòu)造塔設(shè)備的分類及一般構(gòu)造隨著時(shí)代的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣型式的塔，而且不斷有新的塔型出現(xiàn)。雖然塔型眾多，但根據(jù)塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通常將塔分為板式塔和填料塔兩大類。一、板式塔板式塔是在塔內(nèi)裝有多層塔板（盤），傳熱傳質(zhì)過程基本上在每層塔

9、板上進(jìn)行，塔板形狀、塔板結(jié)構(gòu)或塔板上氣液兩相得表現(xiàn)，就成了命名這些塔的依據(jù)，諸如篩板塔、柵板塔、舌形板塔、斜孔板塔、泡罩塔、浮閥塔等。下面簡單介紹一下幾種常用的板式塔性能。（1）篩板塔篩板塔是一種有降液管、板形結(jié)構(gòu)最簡單的板式塔，孔徑一般為 4 8mm，制造方便，處理量較大，清洗、更換、修理均較容易，但操作范圍較小，適用于清潔的物料，以免堵塞?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)第 4 頁共 29 頁（2）浮閥塔生產(chǎn)能力大，操作彈性大，分離效率高，霧沫夾帶少，液面梯度較小，結(jié)構(gòu)簡單，是新發(fā)展的一種塔。（3）泡罩塔泡罩塔是工業(yè)上使用最早的一種板式塔，氣-液接觸由充分的保證，操作彈性大，但其分離效率不高，金屬消耗量大

10、且加工較復(fù)雜，應(yīng)用逐漸減少。二、填料塔填料塔是一個(gè)圓筒柱體，塔內(nèi)裝載一層或多層填料，氣相由下而上、液相由上而下接觸，傳熱和傳質(zhì)主要在填料表面上進(jìn)行，因此，填料的選擇是填料塔的關(guān)鍵。填料的種類很多，填料塔的命名也以填料的名稱為依據(jù)，如常用的金屬鮑爾填料塔、波網(wǎng)填料塔。填料塔制造方便，結(jié)構(gòu)簡單，便于采用耐腐蝕材料，特別適用于塔徑較小的情況，使用金屬材料省，一次投料較少，塔高相對較低。1.31.3 對塔設(shè)備的要求對塔設(shè)備的要求在設(shè)計(jì)中選擇塔型，必須綜合考慮各種因素，并遵循以下基本原則。要滿足工藝要求，分離效率高；生產(chǎn)能力大，有足夠的操作彈性；運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高，操作、維修方便，少出故障；結(jié)構(gòu)簡單，加工方便

11、，造價(jià)較低；塔壓降小。1.41.4 塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀在化工、煉油和石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中,塔設(shè)備作為分離過程工藝設(shè)備,在蒸餾、精餾、萃取、吸收和解吸等傳質(zhì)單元操作中有著重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì) L,在整個(gè)化工工藝設(shè)備總投資中塔設(shè)備所占的比重,在化肥廠中約為 21%,石油煉廠中約為 20 一 25%,石油化工廠中約占 10。若就單元裝置而論,塔設(shè)備所占比重往往更大,例如在成套苯蒸餾裝置中,塔設(shè)備所占比重竟高達(dá) 75.7%。此外,蒸餾用塔的能量耗費(fèi)巨大,也是眾所周知的。故塔設(shè)備對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本乃至能源消耗都有著至關(guān)重要的影響。因而強(qiáng)化塔設(shè)備來強(qiáng)化生產(chǎn)操作是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的課

12、題。1.51.5 塔設(shè)備的用材塔設(shè)備的用材（1）塔體：鋼材，有色金屬或非金屬耐腐蝕材料，鋼殼襯砌襯、涂非金屬材料。化工原理課程設(shè)計(jì)第 5 頁共 29 頁（2）塔板：鋼為主，陶瓷、鑄鐵為輔。（3）填料：瓷、鋼、鋁、石墨、尼龍、聚丙烯塑料。（4）裙座：一般為炭鋼。1.61.6 板式塔的常用塔型及其選用板式塔的常用塔型及其選用板式塔是分級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類繁多。根據(jù)目前國內(nèi)外實(shí)際使用的情況，主要塔型是篩板塔、浮閥塔及泡罩塔。1.6.11.6.1 泡罩塔泡罩塔泡罩塔盤是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔盤之一，在塔盤板上開許多圓孔，每個(gè)孔上焊接一個(gè)短管，稱為升氣管，管上再罩一個(gè)“帽子“，稱為泡罩，泡罩周圍開有許

13、多條形空孔。工作時(shí)，液體由上層塔盤經(jīng)降液管流入下層塔盤，然后橫向流過塔盤板、流入再下一層塔盤；氣體從下一層塔盤上升進(jìn)入升氣管，通過環(huán)行通道再經(jīng)泡罩的條形孔流散到液體中。泡罩塔盤具有如下特點(diǎn)：（1）氣、液兩相接觸充分，傳質(zhì)面積大，因此塔盤效率高。（2）操作彈性大，在負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)，仍能保持較高的效率。（3）具有較高的生產(chǎn)能力，適用于大型生產(chǎn)。（4）不易堵塞，介質(zhì)適用范圍廣。（5）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，安裝維護(hù)麻煩；氣相壓降較大，但若在?；蚣訅合虏僮?，這并不是主要問題。1.6.21.6.2 篩板塔篩板塔篩板塔是在塔盤板上開許多小孔，操作時(shí)液體從上層塔盤的降液管流入，橫向流過篩板后，越過溢流堰經(jīng)降液管導(dǎo)

14、入下層塔盤；氣體則自下而上穿過篩孔，分散成氣泡通過液層，在此過程中進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。由于通過篩孔的氣體有動(dòng)能，故一般情況下液體不會(huì)從篩孔大量泄漏。篩板塔盤的小孔直徑是一個(gè)重要參數(shù)，小則氣流分布較均勻，操作較穩(wěn)定，但加工困難，容易堵塞。目前工業(yè)篩板塔常用孔徑為 38mm。篩板開孔的面積總和與開孔區(qū)面積之比稱為開孔率，是另一個(gè)重要參數(shù)。在同樣的空塔速度下，開孔率大則孔速小，易產(chǎn)生漏液，降低效率，但霧沫夾帶也減少；開孔率過小，塔盤阻力大，易造成大的霧沫夾帶和液泛，限制塔的生產(chǎn)能力。通常開孔率在 515%。篩孔一般按正三角形排列，孔間距與孔徑之比通常為 2.55。篩板塔具有如下的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，制

15、造方便，便于檢修，成本低。（2）塔盤壓降小。（3）處理量大，可比泡罩塔提高2040%。（4）塔盤效率比泡罩塔提高 15%，但比浮閥塔盤稍低。（5）彈性較小，篩孔容易堵塞。1.6.31.6.3 浮閥塔浮閥塔浮閥塔是在塔盤板上開許多圓孔，每一個(gè)孔上裝一個(gè)帶三條腿可上下浮動(dòng)的閥。浮閥是保證氣液接觸的元件，浮閥的形式主要有 F-1 型、V-4 型、A 型和十字架型等，最?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)第 6 頁共 29 頁用的是 F-1 型。 F-1 型浮閥有輕重兩種，輕閥厚 1.5mm、重 25g，閥輕慣性小，振動(dòng)頻率高，關(guān)閥時(shí)滯后嚴(yán)重，在低氣速下有嚴(yán)重漏液，宜用在處理量大并要求壓降?。ㄈ鐪p壓蒸餾）的場合。重閥厚

16、 2mm、重 33g，關(guān)閉迅速，需較高氣速才能吹開，故可以減少漏液、增加效率，但壓降稍大些，一般采用重閥。操作時(shí)氣流自下而上吹起浮閥，從浮閥周邊水平地吹入塔盤上的液層；液體由上層塔盤經(jīng)降液管流入下層塔盤，再橫流過塔盤與氣相接觸傳質(zhì)后，經(jīng)溢流堰入降液管，流入下一層塔盤。綜上所述，盤式浮閥塔盤具有如下特點(diǎn)：（1）處理量較大，比泡罩塔提高 2040%，這是因?yàn)闅饬魉絿姵?，減少了霧沫夾帶，以及浮閥塔盤可以具有較大的開孔率的緣故。（2）操作彈性比泡罩塔要大。（3）分離效率較高，比泡罩塔高 15%左右。因?yàn)樗P上沒有復(fù)雜的障礙物，所以液面落差小，塔盤上的氣流比較均勻。（4）壓降較低，因?yàn)闅怏w通道比泡罩塔

17、簡單得多，因此可用于減壓蒸餾。（5）塔盤的結(jié)構(gòu)較簡單，易于制造。（6）浮閥塔不宜用于易結(jié)垢、結(jié)焦的介質(zhì)系統(tǒng)，因垢和焦會(huì)妨礙浮閥起落的靈活性。表 1 各類塔板性能比較浮閥塔泡罩塔指標(biāo)F 形浮閥十字架形浮閥條形浮閥篩板塔圓形泡罩條形泡罩S 形泡罩液體和氣體負(fù)荷低高45454542231333操作彈性5553434壓力降2333000霧沫夾帶量3343112分離效率5544434單位設(shè)備體積的處理量4444213制造費(fèi)用3344213材料消耗4444223安裝與拆修4344113化工原理課程設(shè)計(jì)第 7 頁共 29 頁維修3333213污垢物料對操作的影響2321100注：0不好；1尚好；2合適；3較

18、滿意；4很好；5最好。1.71.7 塔型選擇一般原則塔型選擇一般原則塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素有：物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備的性能，以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等。1.7.11.7.1 與物性有關(guān)的因素與物性有關(guān)的因素（1） 易起泡的物系，如處理量不大時(shí)，以選用填料塔為宜。因?yàn)樘盍夏苁古菽屏眩诎迨剿袆t易引起液泛。（2） 具有腐蝕性的介質(zhì)，可選用填料塔。如必須用板式塔，宜選用結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜的篩板塔盤、穿流式塔盤或舌形塔盤，以便及時(shí)更換。（3）具有熱敏性的物料須減壓操作，以防過熱引起分解或聚合，故應(yīng)選用壓力降較小的塔型。如可采用裝填規(guī)整填料的散堆填

19、料等，當(dāng)要求真空度較低時(shí)，也可用篩板塔和浮閥塔。（4）黏性較大的物系，可以選用大尺寸填料。板式塔的傳質(zhì)效率較差。（5）含有懸浮物的物料，應(yīng)選擇液流通道較大的塔型，以板式塔為宜?？蛇x用泡罩塔、浮閥塔、柵板塔、舌形塔和孔徑較大的篩板塔等。不宜使用填料。（6）操作過程中有熱效應(yīng)的系統(tǒng)，用板式塔為宜。因塔盤上積有液層，可在其中安放換熱管，進(jìn)行有效的加熱或冷卻。1.7.21.7.2 與操作條件有關(guān)的因素與操作條件有關(guān)的因素（1） 若氣相傳質(zhì)阻力大（即氣相控制系統(tǒng)，如低黏度液體的蒸餾，空氣增濕等） ，宜采用填料塔，因填料層中氣相呈湍流，液相為膜狀流。反之，受液相控制的系統(tǒng)（如水洗二氧化碳） ，宜采用板式塔

20、，因?yàn)榘迨剿幸合喑释牧鳎脷怏w在液層中鼓泡。（2） 大的液體負(fù)荷，可選用填料塔，若用板式塔時(shí)，宜選用氣液并流的塔型（如噴射型塔盤）或選用板上液流阻力較小的塔型（如篩板和浮閥） 。此外，導(dǎo)向篩板塔盤和多降液管篩板塔盤都能承受較大的液體負(fù)荷。（3） 低的液體負(fù)荷，一般不宜采用填料塔。因?yàn)樘盍纤笠欢康膰娏苊芏?，但網(wǎng)體填料能用于低液體負(fù)荷的場合。（4） 液氣比波動(dòng)的適應(yīng)性，板式塔優(yōu)于填料塔，故當(dāng)液氣比波動(dòng)較大時(shí)宜用板式塔。1.7.31.7.3 其他因素其他因素化工原理課程設(shè)計(jì)第 8 頁共 29 頁（1） 對于多數(shù)情況，塔徑小于 800mm 時(shí)，不宜采用板式塔，宜用填料塔。對于大塔徑，對加壓或常

21、壓操作過程，應(yīng)優(yōu)先選用板式塔；對減壓操作過程，宜采用新型填料。（2） 一般填料塔比板式塔重。（3） 大塔以板式塔造價(jià)較廉。因填料價(jià)格約與塔體的容積成正比，板式塔按單位面積計(jì)算的價(jià)格，隨塔徑增大而減小。1.81.8 板式塔的強(qiáng)化板式塔的強(qiáng)化板式塔產(chǎn)生、發(fā)展的過程，實(shí)際上就體現(xiàn)了塔設(shè)備的強(qiáng)化途徑?？蓪迨剿陌l(fā)展劃分為三個(gè)時(shí)期，由于當(dāng)時(shí)的主觀要求和客觀條件所決定，各個(gè)時(shí)期的發(fā)展有所側(cè)重。（1）從板式塔的產(chǎn)生到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束 這階段的板式塔主要用來煉油，典型設(shè)備是泡罩塔。由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)于操作的水平不高，人們希望板式塔有較大的操作彈性，且操作方便，而這正是泡罩塔的特點(diǎn)。篩板塔雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低

22、、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，但因缺乏設(shè)計(jì)資料和難于操作管理而較少采用。（2）從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至 20 世紀(jì) 50 年代末 在煉油工業(yè)繼續(xù)發(fā)展的同時(shí)，以三大合成為中心的化學(xué)工業(yè)開始有了較大的發(fā)展。這一階段由于處理量的擴(kuò)大和多方面的要求，泡罩塔已不甚適應(yīng)。篩板塔則逐漸為人們所接受，技術(shù)上有較大的進(jìn)展。同時(shí)，為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的要求，對原有的板式塔提出了造價(jià)低、處理能力大、能保持高的效率和大的操作彈性等方面的要求，因而相繼出現(xiàn)了 S 形塔盤、條形泡罩塔盤等泡罩型新塔盤，結(jié)合泡罩、篩板的優(yōu)點(diǎn)而創(chuàng)制的各種浮閥塔盤，以及一些噴射型、穿流型的塔盤。這些塔型與泡罩塔相比，都有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜、處理能力較大的優(yōu)點(diǎn)。

23、（3）20 世紀(jì) 60 年代至今 從 60 年代起，開始出現(xiàn)生產(chǎn)裝置的大型化，所以也要求塔設(shè)備向大型化方向發(fā)展。與此同時(shí)，塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用，又提出了高壓、真空、大的液體負(fù)荷、高彈性比等許多特殊要求，迫使板式塔以強(qiáng)化設(shè)備的生產(chǎn)能力為中心，向高效率、大通量方向發(fā)展，因而各種新型塔板不斷出現(xiàn)。常用塔型如篩板、浮閥、泡罩塔盤的設(shè)計(jì)方法也日趨完善，建立了系列、標(biāo)準(zhǔn)，并采用電子計(jì)算技術(shù)，使設(shè)計(jì)快速化和最優(yōu)化。還應(yīng)指出，節(jié)約能源也日益成為板式塔發(fā)展中必須考慮的問題。板式塔強(qiáng)化的具體途徑是改進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)因素，以提高設(shè)備的通過能力和改善相間的接觸狀況，同時(shí)又充分利用氣液兩相之間的熱力學(xué)因素，以提高設(shè)備的傳質(zhì)速率

24、與分離效率。從塔盤的流體力學(xué)來看，隨著氣速的增大，氣液兩相接觸時(shí)的操作狀態(tài)是：鼓泡-泡沫-噴射，依次過渡。一定的操作狀態(tài)都要求相應(yīng)的塔盤結(jié)構(gòu)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的改變又為解決化工原理課程設(shè)計(jì)第 9 頁共 29 頁生產(chǎn)能力與分離效率之間的矛盾創(chuàng)造了有利條件。例如噴射型塔盤的生產(chǎn)能力一般都比泡罩塔盤、浮閥塔盤為大，且壓力降也低。事實(shí)上每種塔盤結(jié)構(gòu)都可以歷經(jīng)從鼓泡到噴射的過渡，問題在于什么是最好的操作狀態(tài)，由設(shè)計(jì)操作參數(shù)所決定的。第二章第二章 塔板計(jì)算塔板計(jì)算2.12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和條件設(shè)計(jì)任務(wù)和條件（1）設(shè)計(jì)規(guī)模：正戊烷-正己烷混合液處理量_3 萬 t/a（2）生產(chǎn)制度：年開工 300 天，每天三班 8

25、小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)（3）原料組成：正戊烷 32%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同） 、正己烷 68%。（4）進(jìn)料狀況：泡點(diǎn)進(jìn)料（5）分離要求：塔頂回正戊烷收率不低于_95_%，殘液中正己烷的回收率為 98%（6）建廠地區(qū)：大氣壓為 760mmHg、自冷公用工程為循環(huán)水（2030） ，熱公用工程為飽和水蒸汽，環(huán)境溫度為 20。2.22.2 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.12.2.1 設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離正戊烷和正己烷混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用常壓下的連續(xù)精餾裝置。本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料夜通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其

26、余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，操作回流比取最小回流比的 1.5 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。2.2.22.2.2 精餾塔的物料衡算精餾塔的物料衡算1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)正戊烷的摩爾質(zhì)量 MA=72kg/kmol正己烷的摩爾質(zhì)量 MB=86kg/kmol 360. 086/68. 072/32. 072/32. 0Fx 95. 0FDFxDx 98. 0)1 (1FWxFxW FWD FWDFxWxDx聯(lián)合式，得化工原理課程設(shè)計(jì)第 10 頁共 29 頁964. 0Dx028. 0Wx26.18D20.33W2原料液及塔頂

27、、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.3672+0.6486=80.963MD=0.96472+0.03686=72.504MW=0.02872+0.97286=85.6082.2.32.2.3 塔板數(shù)的確定塔板數(shù)的確定1理論板層數(shù) NT的確定 正戊烷正己烷屬理想體系，可采用圖解法求理論板層數(shù)（1）由正戊烷正己烷物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出 x-y 圖，見圖 1 表 2 各組分的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系溫度 T/正戊烷（Pa）正己烷（Pa）總壓（pa）xy60214100763501013300.1813 0.3832 58191695672081013300.2741 0.5185 561860946

28、49221013300.3005 0.5518 54179092620651013300.3355 0.5930 52170340584941013300.3830 0.6438 50159400540301013300.4489 0.7061 48141255471571013300.5757 0.8025 46136718454391013300.6123 0.8262 44131048432911013300.6614 0.8553 42123960406061013300.7285 0.8912 40115100372501013300.8231 0.9350 355755018625

29、1013301.0410 1.0126 化工原理課程設(shè)計(jì)第 11 頁共 29 頁圖 1理論塔板數(shù)的確定（2）求最小回流比及操作回流比采用作圖法球最小回流比。在圖 1 中對角線上，自點(diǎn) e（0.36,0.36）作垂線 ef 即為 q 線，該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 yq=0.624,xq=0.360。故最小回流比為=qqqDxyyxRmin29. 1360. 0624. 0624. 0964. 0取操作回流比為R=1.5Rmin=1.51.29=1.94 （3）求精餾塔的氣、液相負(fù)荷hkmolDRL/42.3526.1894. 1 hkmolDRV/68.5326.18) 194. 1 (1hkm

30、olFLL/88.8646.5142.35hkmolVV/68.53（4）操作線方程精餾段操作線方程為 =0.660 x+0.328DxRxRRy111化工原理課程設(shè)計(jì)第 12 頁共 29 頁提留段操作線方程為 =1.62x-0.0173WxWLWxWLLy（5）圖解法求理論板層數(shù) 采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖 1 所示。求解結(jié)果為：NT=12 （包括再沸器） ，其中精餾段 NT=6，提餾段 NT=6，進(jìn)料板位置 NF=6。2實(shí)際板層數(shù)的求取 利用表 1 中數(shù)據(jù)由插值法可求得 tF、tD、tW。 tF：tF=52.73830. 0360. 052t4489. 0-3830. 050-52F t

31、D：tD=36.770410. 1964. 030t8231. 0-0410. 140-30D tW：tW=64.230028. 065t1813. 0-060-65W 故 塔頂與塔底平均溫度 T=50.50內(nèi)插關(guān)系式： )(10下下上下tt 表 3 各組分的粘度與溫度的關(guān)系溫度 T/正戊烷（mPas）正己烷（mPas）400.1990.255600.1720.217查表 3 并根據(jù)內(nèi)插關(guān)系計(jì)算塔頂與塔底平均溫度下的液相黏度 L58855. 0)4050.50(10199. 0172. 0199. 0)(10下下上下ttA7506. 0)4050.50(10255. 0217. 0255. 0

32、)(10下下上下ttB故 BAAAxxlg)1 (lglg=7506. 0lg)5511. 01 (5885. 0lg4489. 0=-0.1720化工原理課程設(shè)計(jì)第 13 頁共 29 頁得 L=0.6730 mPas表 4 各組分的相對揮發(fā)度與溫度的關(guān)系溫度 T/正戊烷(Pa)正己烷(Pa)相對揮發(fā)度平均揮發(fā)度36.7798565310953.117864.232826001054002.681212.9000所以 塔效率 ET=0.49(L)-0.245 =(2.9000 0.6730)-0.24549. 0 =0.4160精餾段實(shí)際板層數(shù) NP（精）=5/0.416012提留段實(shí)際板層數(shù)

33、 NP（提）=6/0.416014總實(shí)際板層數(shù) NP= NP（精）+ NP（提）=12+14=26第三章第三章 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.13.1 操作壓力操作壓力塔頂操作壓力 kPapppD3.310543.3101表當(dāng)?shù)孛繉铀鍓航?kPap7 . 0進(jìn)料板壓降 aFkPp73.113127 . 033.105塔底壓降 akPp53.123267 . 033.105w精餾段平均壓降 =(105.33+113.73)/2=109.53 kPamp提餾段平均壓降 amkPp63.1182/ )53.12373.113(3.23.2 操作溫度操作

34、溫度已知以下溫度：塔頂溫度：36.77加料板溫度：52.70塔釜溫度：64.23精餾段溫度：44.74提餾段溫度：58.473.33.3 平均摩爾質(zhì)量平均摩爾質(zhì)量塔頂氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量：由 xD=y1=0.964 和相平衡方程，yyx) 1(化工原理課程設(shè)計(jì)第 14 頁共 29 頁得x1=0.912MVDm=0.96472+0.03686=72.50 kg/kmolMLDm=0.91272+0.09886=74.09kg/kmol進(jìn)料板氣、液混合物平衡摩爾質(zhì)量:由圖解理論板（見圖 1） ，得 yF=0.586，根據(jù)相平衡方程，得 xF=0.328yyx) 1(MVFm=0.58672+0

35、.41286=77.62 kg/kmolMLFm=0.32872+0.67286=81.41 kg/kmol精餾段氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量：MVm=(72.50+77.62)/2=75.06 kg/kmolMLm=(74.09+81.41)/2=77.75 kg/kmol3.43.4 平均密度平均密度（1）氣相平均密度 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即Vm=kg/m3mVmmRTMp09. 315.27374.44314. 806.7583.108（2）液相平均密度 液相平均密度計(jì)算公式：iimW1表 5 各組分的液相密度與溫度的關(guān)系溫度（）正戊烷（kg/m3）正己烷（kg/m3）0645.9675

36、.110636.2666.220626.2657.230616648.140605.5638.950594.8629.560583.762070572.2610.280560.3600.290547.9589.9100535579.3內(nèi)插關(guān)系式：)(10下下上下tt 化工原理課程設(shè)計(jì)第 15 頁共 29 頁液相混合物密度： BBAAaa1 塔頂液相平均密度d塔頂溫度36.77Dt看表 5，由內(nèi)插關(guān)系式可得： 3/892.608mkgdA3/872.641mkgdB3,/020.610872.641036. 0892.608964. 01mkgDmL進(jìn)料板液相平均密度F進(jìn)料板溫度：tF=52.7

37、0看表 4，由內(nèi)插關(guān)系式得： 3/803.591mkgFA3/935.626mkgFB 3,/kg817.613935.62664. 0803.59136. 01mFmL3.53.5 液相平均表面張力液相平均表面張力液相平均表面張力計(jì)算公式： Lm=iix表 6 各組分的表面張力與溫度的關(guān)系溫度（）正戊烷（10-3）mN /正己烷（10-3）mN /018.220.11017.119.06201618.023014.92174013.8515.995012.814.996011.76147010.7313.02809.71912908.72611.111007.75210.18塔頂液相平均表面

38、張力：塔頂溫度：77.36Dt化工原理課程設(shè)計(jì)第 16 頁共 29 頁看表 6，由內(nèi)插關(guān)系式可得：= 14.18（ ） =16.32（）AmN /10-3BmN /10-3=0.96414.18+0.03616.32=14.28（）DmL,mN /10-3進(jìn)料板液相平均表面張力：進(jìn)料板溫度：70.52Ft =12.52（） =14.72（）AmN /10-3BmN /10-3=0.3612.52+0.6414.72=13.93（）FmL,mN /10-3精餾段液相平均表面張力為=（14.28+13.93）/2=14.11（）LmmN /10-33.63.6 液相平均黏度液相平均黏度液相平均黏度

39、計(jì)算公式：iiLmxlglg表 7 各組分的粘度與溫度的關(guān)系溫度（）正戊烷 /mPas正己烷 / mPas400.1990.255500.1840.235600.1720.217700.1610.202800.1510.189900.1270.1771000.1170.166塔頂液相平均黏度：塔頂溫度：77.36Dt看表 7，由內(nèi)插關(guān)系式可得： ， smPaA204. 0smPaB261. 0-0.6870.261lg)036. 01 ( 204. 0lg964. 0lg)1 (lglgBAAAxx得smPaDmL206. 0,進(jìn)料板液相平衡黏度：進(jìn)料板溫度：7 .52Ft看表 7，由內(nèi)插關(guān)系

40、式可得：化工原理課程設(shè)計(jì)第 17 頁共 29 頁 smPaA181. 0smPaB230. 0-0.67570.230lg)36. 01 (0.181 lg36. 0lg)1 (lglgBAAAxx得smPaFmL209. 0,精餾段液相平均黏度為smPaLm209. 02/211. 0206. 0第四章第四章 精餾塔的塔體工藝尺寸精餾塔的塔體工藝尺寸4.14.1 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算最大空塔氣速和空塔氣速 最大空塔氣速VVLCmaxu空塔氣速 max)8 . 06 . 0(uu 精餾段的氣、液相體積流率為sVMVVmVm/m 0.36209. 3360006.7568.5336003ssLM

41、LLmLm/0.00125m919.611360075.7742.3536003sC 由公式求取，其中的 C20由附圖 2 查取，圖中橫坐標(biāo)為2 . 02002. 0CC0486. 009. 3919.6113600362. 0360000125. 0V2/12/1hhVLL取板間距 HT=0.45m，板上液層高度 hL=0.05m，則HT-hL=0.45-0.05=0.4m化工原理課程設(shè)計(jì)第 18 頁共 29 頁圖 2 史密斯關(guān)聯(lián)圖查圖 8 得 C20=0.085 精餾段負(fù)荷系數(shù) C（精）0793. 02011.14085. 002. 02 . 02 . 020LmCCsmCVVL/113.

42、 109. 309. 3919.6110793. 0umax取安全系數(shù)為 0.6，則空塔氣速為u=0.6umax=0.61.113=0.668m/s (2)塔徑精餾段：muVD831. 0668. 0362. 04s4按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后后為D=1m塔截面積為 222T785. 0144AmD實(shí)際空塔氣速為 smAVT/461. 0785. 0362. 0su4.24.2 精餾塔高度計(jì)算精餾塔高度計(jì)算精餾段：m95. 445. 0) 112(1-THNZ）（精精化工原理課程設(shè)計(jì)第 19 頁共 29 頁提餾段：m85. 545. 01-141-）（）（提提THNZ有效高度：Z=4.95+5.85=1

43、0.80m4.34.3 溢流裝置計(jì)算溢流裝置計(jì)算因塔徑 D=1 m，可選取單溢流弓形降液管，采用凹型受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：（1）堰長 Wl取堰長系數(shù) E=0.7，則 =ED=0.71=0.7mWl（2）溢流堰高度 Wh溢流堰高度計(jì)算公式：WLWhhh0選用平直堰，堰上液層高度 h0w依下式計(jì)算，即 32s0100084. 2WWlLEh近似取 E=1，則mlLEhWW0098. 07 . 0360000125. 01100084. 2100084. 23232s0取板上液層高度，故mhL05. 0mhhhWLW0402. 00098. 005. 00（3）弓形降液管寬度及截面積 dWfA化工原

44、理課程設(shè)計(jì)第 20 頁共 29 頁圖 3 和值與 LW/D 的關(guān)系DWd/TfAA / 精餾段 由，查圖 3 得： ，7 . 0DlW094. 0TfAA152. 0DWd故：20738. 0785. 0094. 0094. 0mAATfmDWd152. 01152. 0152. 0依式驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間，即s3600LHATfssLHATf557.26360000125. 045. 00738. 036003600s故降液管設(shè)計(jì)合理。（4）降液管底隙高度 0h計(jì)算公式：0s03600ulLhW取，則smu/08. 00mulLhW0223. 008. 07 . 0360000125

45、. 0360036000s0mmhhW0139. 00179. 00223. 00402. 00故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。4.44.4 塔板布置塔板布置 化工原理課程設(shè)計(jì)第 21 頁共 29 頁圖 4 塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù) (1)塔板的分塊 因 D 在 800-1000mm 之間,故塔板采用分塊式.應(yīng)將塔盤分塊，保持有一塊通道板，兩塊弓形板， 其余為矩形板，分塊情況如下：表 8 塔徑與分塊數(shù)的關(guān)系塔徑（mm）800-12001400-16001800-20002000-2400分塊數(shù)3456 因此，塔板分為 3 塊. (2)邊緣區(qū)寬度確定取 WS=WS=0.065 m,WC=0.035 m (3)開

46、孔區(qū)面積計(jì)算 對于單溢流型塔板，開孔區(qū)面積可用下式計(jì)算 Aa=2(x+arcsin)22xr 180r2rx其中 x=D/2-(Wd+Ws)=1.0/2-(0.152+0.065)=0.283mr=D/2-WC=1.0/2-0.035=0.465 故 Aa=2 (0.283+arcsin)22283. 0465. 0180465. 02465. 0283. 0=0.492m2（4）篩孔計(jì)算及其排列 因?yàn)樗幚淼奈锵禑o腐蝕性,可選用=3mm 的碳鋼板,取篩孔直徑 d0=5mm,篩孔按三 角形排列,取孔中心距 t=3d0=3 5=15mm化工原理課程設(shè)計(jì)第 22 頁共 29 頁 篩孔數(shù)目 n=25

47、262at155. 1A2015. 0492. 0155. 1開孔率為 =0.907()=0.907()2=10.1%td0015. 0005. 0氣體通過閥孔的氣速為 U0=7.28m/s0AVS492. 0101. 0362. 0第五章第五章 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算5.15.1 塔板壓降塔板壓降 (1)干板阻力 hc hc=0.051（）2()00uCLV 由 d0/=5/3=1.67，查圖得 C0=0.772 故 hc=0.051()2()=0.0229 m 液柱 772. 028. 7919.61109. 3(2)氣體通過液層的阻力 hL hL=hLua=0.509m/s

48、fAAVTS0738. 0785. 0362. 0F0=0.509=895kg1/2（s m1/2）09. 3查圖得=0.67故 hL=hL=（hw+how）=0.67 （0.0402+0.0098）=0.0335m 液柱 (3) 液體表面張力的阻力 精餾段 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h=0.0019m 液柱0gd4LL005. 081. 9919.6111011.1443 氣體通過每層塔板的液柱高度 hp=hc+hl+h=0.0229+0.0335+0.0019=0.0.05831m 液柱 氣體通過每層塔板的壓降為 Pp=hpg=0.0583 611.919 9.81=349.971Pa0.7

49、kPa(設(shè)計(jì)允許值)L 5.25.2 液面落差液面落差化工原理課程設(shè)計(jì)第 23 頁共 29 頁 對于篩板塔，液面落差較小，且本題的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響.5.35.3 液沫夾帶液沫夾帶 液沫夾帶量 ev=()3.2L6107 . 5fahuTH hf=2.5hL=2.5 0.05=0.125m 故 ev=()3.2=0.00170kg 液/kg 氣u0，min 穩(wěn)定系數(shù)為 K=1.511.5min00uu，828. 428. 7 故在本設(shè)計(jì)中精餾段無明顯漏液5.55.5 液泛液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 Hd應(yīng)服從 Hd（HT+hw） 正戊烷-正己烷物系屬一般物

50、系，取=0.5，則 （HT+hw）=0.5 （0.45+0.0402）=0.245m 而 Hd=hp+hL+hd 板上不設(shè)進(jìn)口堰，則hd=0.153（u0）2=0.153 0.082=0.001m 液柱 Hd=0.0583+0.05+0.001=0.109m 液柱 Hd（HT+hw） 故在本設(shè)計(jì)中精餾段不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。 第六章第六章 塔板負(fù)荷性能圖塔板負(fù)荷性能圖6.16.1 漏液線漏液線 u0，min=4.4C0VLL/hh13. 00056. 0）（ u0，min=， hL=hw+how，h0w=2.8410-3E（）2/30minsAV，whlL化工原理課程設(shè)計(jì)第 24 頁共 29 頁

51、得 Vs，min= 4.4C0A0V2/3lLh10002.84W/h-)E(h13. 00.0056 WL = 4.40.7720.1010.690 /3.09919.611 0.0019-10402.013. 0 0.00563/27 . 03600100084. 2s）（L 整理得：Vs，min=2.3753/2s110. 000839. 0L 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè) Ls 值，依上式計(jì)算相應(yīng)的 Vs，計(jì)算結(jié)果列于下表：表 9 計(jì)算結(jié)果Ls，m3/s0.00060.00150.0030.0045Vs，m3/s0.2340.2420.2510.259 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線 16.26.

52、2 液沫夾帶線液沫夾帶線 以 eV=0.1kg 液/kg 氣為限，求 Vs-Ls 關(guān)系如下： ev=()3.2L6107 . 5fhaTHU 由 ua=1.406VsfsAAVT0738. 0785. 0SVhf=2.5hL=2.5(hw+how) =2.5 （0.0402+0.85Ls ）=0.101+2.1 Ls3232H -h0.349-2.1 LsTf32 所以 ev=()3.2=0.1361011.14107 . 53/2s1 . 23549. 0406. 1LVS 整理得：Vs=1.39-8.361LS2/3 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè) Ls 值，依上式計(jì)算相應(yīng)的 Vs，計(jì)算結(jié)果列于下

53、表：表 10 計(jì)算結(jié)果Ls，m3/s0.00060.00150.0030.0045Vs，m3/s1.3311.2801.2161.162由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線 26.36.3 液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度 how=0.006m 作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn) h0w=2.8410-3E（）2/3=0.006wl3600Ls 取 E=1，則化工原理課程設(shè)計(jì)第 25 頁共 29 頁 Ls，min=（）3/2=0.00060m3/s84. 21000006. 036007 . 0 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 36.46.4 液相負(fù)荷上限線液相負(fù)荷上限線 以 4s 作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 =4， Ls，min=0.00830m3/sSTLHAfSTLHAf445. 00783. 0 故可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線 46.56.5 液泛線液泛線 令 Hd=（HT+hW） ，Hd=hp+hl+hd，hp=hc+hl+h，hl=hL ， hL=hw+how 聯(lián)立得 HT+()hw=()how+hc+hd+h11 忽略 h，將 how與 Ls，hd與 Ls，hc 與 Vs 的關(guān)系式代入上式，并整理得 aVs2=b-cLs2-dLs2/3 式中 a=() ，b=HT+