苯甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)

1、化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)者： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)： 食品科學(xué)與工程 班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015.6.6 目錄一、原始數(shù)據(jù).3二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù).33、 精餾塔的工藝計(jì)算.5 1.精餾流程.5 2.全塔物料衡算.5 3.塔板數(shù)的確定.6 4.塔的操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算（精餾段）.8 5.氣液負(fù)荷計(jì)算（精餾段）.10 6.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算.10 7.精餾段塔板流動(dòng)性能校核.13 8.塔板負(fù)荷性能.15 9.設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表.18四、板式塔結(jié)構(gòu).19 1.塔頂空間.19 2.塔底空間.19 3.人孔.19 4.裙座.20

2、5.塔高.20五、典型輔助設(shè)備計(jì)算.20 1. 冷凝器.20 2.回流泵.21六、參考文獻(xiàn).23 苯-甲苯混合液篩板精餾塔設(shè)計(jì)一、原始數(shù)據(jù) 年處理量：35000 t進(jìn)料組成：50%塔頂產(chǎn)品濃度：98%（苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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（24小時(shí)/天）冷卻水溫度：30飽和水蒸氣壓力：2.5kgf/cm2（表壓）泡點(diǎn)進(jìn)料，塔頂壓強(qiáng)為4kpa(表壓)，單板壓降<0.7kpa，塔頂全凝，泡點(diǎn)回流。 r /rmin =1.3rmin二、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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ac6h678.

3、1180.1288.56833.4甲苯bc6h5ch392.13110.6318.574107.7表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓溫度80.1859095100105110.6,kpa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0，kpa40.046.054.063.374.386.0表3 常溫下苯甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)溫度80.1859095100105液相中苯的摩爾分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130汽相中苯的摩爾分率1.0000.9000.7770.6300.4560.262表4 純組分的表面張力溫度8090100110120苯，mn/m甲苯，m

4、n/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表5 組分的液相密度溫度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表6 液體粘度µ溫度()8090100110120苯（mp.s）0.3080.2790.2550.2330.215甲苯（mp.s）0.3110.2860.2640.2540.228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y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.210

5、5.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.03、 精餾塔的工藝計(jì)算1.精餾流程：設(shè)計(jì)中采用

6、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。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。下圖是板式塔的簡(jiǎn)略圖：2.全塔物料衡算2.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含苯摩爾分?jǐn)?shù)苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 2.2平均相對(duì)分子質(zhì)量 2.3物料衡算原料處理量 f=35000 t/年=總物料衡算 苯物料衡算 聯(lián)立解得 3.塔板數(shù)的確定3.1理論板層數(shù)的求取 苯一甲苯屬理想物系，可采用m.t.圖解法求 根據(jù)苯、甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)做y-x圖及t-x-y圖。 圖2-1 苯-甲苯體系的x-y圖 圖2-

7、2 苯-甲苯氣液平衡的t-x-y相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2-1上對(duì)角線，自點(diǎn)e（0.54、0.54）做垂線即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 ， 求理論板層數(shù)精餾操作線為： 由 得相對(duì)揮發(fā)度：則相平衡方程：由圖解法可得總板數(shù)，精餾段為8層，提餾段為9層，進(jìn)料板3.2全塔效率依式 根據(jù)圖2-2，求得塔平均溫度為94.05，該溫度下進(jìn)料液相平均黏度為：故 3.3實(shí)際塔板數(shù)精餾段：,取16層提餾段：，取18層4.塔的操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算（精餾段）4.1操作壓強(qiáng)塔頂壓強(qiáng)：，取每層塔板壓降，進(jìn)料板壓強(qiáng)：精餾段平均操作壓強(qiáng) ：4.2溫度 依據(jù)操作壓力，

8、由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算操作溫度：計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度： 進(jìn)料板溫度：于是精餾段平均溫度：4.3平均相對(duì)分子質(zhì)量塔頂xd=y1=0.983,代入相平衡方程得x1=0.958，則 進(jìn)料板：=0.72， =0.54 則精餾段平均相對(duì)分子質(zhì)量：4.4平均密度液相平均密度計(jì)算：(式中、分別表示苯和甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù))塔頂 ： 進(jìn)料板： =0.54 精餾段液相平均密度為: 氣相平均密度計(jì)算： 4.5液體平均表面張力 則精餾段平均表面張力為： 4.6液體平均粘度 則精餾段平均粘度為： 5.氣液負(fù)荷計(jì)算（精餾段） 6.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算塔板間距ht的選定很重要，它與塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、塔

9、的操作彈性，以及塔的安裝、檢修等都有關(guān)?？蓞⒄障卤硭窘?jīng)驗(yàn)關(guān)系選取。表7 板間距與塔徑關(guān)系塔徑dt，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距ht，mm2003002503503004503506004006006.1塔徑d初選板間距，取板上液層高度， 查史密斯關(guān)聯(lián)圖得,校正物系表面張力為時(shí)的c,即 可取安全系數(shù)為0.7，則（安全系數(shù)0.60.8），故 按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為1.0m，則空塔氣速0.79m/s。6.2溢流裝置 采用單溢流型的平頂弓形溢流閥、弓形降液管、平型受液盤(pán)。溢流堰長(zhǎng)lw：?jiǎn)我缌魅w=（0.60.8）d，取 lw=0.65d=0.65m出口堰高： 由

10、， 查圖3-17（課本p51頁(yè)）得e=1.02，得： 故 降液管的寬度與降液管的面積：由，查圖3-16，得，故 利用式(374)計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積，即 （大于5s，符合要求）降液管底隙高度h0：取液體通過(guò)降液管底隙的流速=0.08m/s，則 （符合6.3塔板布置（分塊、邊緣區(qū)寬度和安定區(qū)寬度、開(kāi)孔區(qū)面積）取邊緣區(qū)寬度，安定區(qū)寬度。計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積其中 6.4開(kāi)孔數(shù)n及開(kāi)孔率取篩孔的孔徑為5mm，正三角形排列，一般碳的板厚為3mm,取3.0，故孔中心距t=3×5=15mm塔板上的篩孔數(shù)n,即 個(gè)塔板上的開(kāi)孔率： 則每層板上的開(kāi)孔面積為： 氣體通過(guò)篩孔的氣速為： 6

11、.5精餾段有效塔高z（精餾段為例） z=（6.6精餾段塔高z1（精餾段為例） z1=（n1-1）ht=（16-1）×0.4=6m7.精餾段塔板流動(dòng)性能校核7.1氣體通過(guò)篩板壓降的計(jì)算 干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨纫?，查圖3-21得，c0=0.84由式 氣體穿過(guò)板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得。故 。克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋簹怏w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： 7.2霧沫夾帶的驗(yàn)算霧沫夾帶按下式計(jì)算： =2.5hl= 故在本設(shè)計(jì)中霧沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。 7.3 漏液的驗(yàn)算對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速按下式計(jì)算：實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為：故在本設(shè)計(jì)

12、中無(wú)明顯漏液。 7.4液泛驗(yàn)算為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式所表示的關(guān)系，即：苯甲苯物系屬一般物系，取，則： 而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，按下式計(jì)算： 取，則 故，故本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)液體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。8.塔板負(fù)荷性能8.1霧沫夾帶線 式中 取,，故 以為限，已知，得 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 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 1.197 1.136 1.058 0.992由上表數(shù)據(jù)即可作出霧沫夾帶線1。8.2 液泛線令由聯(lián)立解得取，則 由 故 由式 將=0.5，而

13、=0.049，=0.4代入式中整理得： 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)果列于下表表4-11液泛線計(jì)算結(jié)果 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 1.486 1.380 1.216 1.043由上表即可作出液泛線28.3液相負(fù)荷上限線 以4s作為液體在降液管中停留時(shí)間。 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3。8.4漏液線由 ， 代入漏液點(diǎn)氣速式：代入上式得： 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 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 0.331 0.333 0.337 0.340由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線

14、4。8.5液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度=0.006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5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(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液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得： = 0.32 = 1.13故操作彈性為：/=3.539.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)精餾段提餾段各段平均壓強(qiáng)pmkpa108.8略各段平均溫度tm94.05平均流量氣相vsm3/s0.59液相l(xiāng)sm3/s0.0013實(shí)際塔板數(shù)n塊16板間距htm0.4塔的有效高度zm6塔徑dm1空塔氣

15、速u(mài)m/s0.84塔板液流形式單流型溢流裝置 溢流管型式弓形堰長(zhǎng)lwm0.65堰高h(yuǎn)wm0.049溢流堰寬度wdm0.124底隙高度hom0.025板上清液層高度hlm0.06孔徑domm5.0孔間距tmm15孔數(shù)n個(gè)2738開(kāi)孔面積m20.0537篩孔氣速u(mài)om/s10.99塔板壓降hpkpa0.56 液體在降液管中停留時(shí)間s17.42降液管內(nèi)清液層高度hdm0.132霧沫夾帶evkg液/kg氣0.0138負(fù)荷上限液泛控制負(fù)荷下限漏液控制氣相最大負(fù)荷vs·maxm3/s1.13氣相最小負(fù)荷vs·minm3/s0.32操作彈性3.53四、板式塔結(jié)構(gòu) 板式塔內(nèi)部裝有塔板、降液

16、管、各物流的進(jìn)出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附屬裝置。除一般塔板按設(shè)計(jì)板間距安裝外，其他處根據(jù)需要決定其間距。1.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 2.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。 塔底駐液空間依貯存液量停留35min或更長(zhǎng)時(shí)間（易結(jié)焦物料可縮短停留時(shí)間）而定。塔底液面至最下層塔板之間要有12m的間距，大塔可大于此值。本塔取 3.人孔 一般每隔68層塔板設(shè)一人孔。設(shè)人孔處的板間距等于或大于600mm，人孔直徑一般為450500mm，其伸出塔體得筒體長(zhǎng)為20

17、0250mm，人孔中心距操作平臺(tái)約8001200mm。本塔設(shè)計(jì)每8塊板設(shè)一個(gè)人孔，共四個(gè)，即 個(gè)4.裙座 取。5.塔高 五、典型輔助設(shè)備計(jì)算1. 冷凝器 塔頂回流全凝器通常采用管殼式換熱器，因?yàn)樗x精餾塔處理量大，且塔板數(shù)較多，為了避免給安裝和檢修帶來(lái)不便，選擇強(qiáng)制循環(huán)式。塔頂溫度td=80.4 用原料冷卻t1=30 t2=40 則由td=80.4 查液體比汽化熱共線圖得塔頂被冷凝量 冷凝的熱量取傳熱系數(shù)k=600w/m2k，則傳熱面積冷凝水流量2. 回流泵冷凝液在回流罐內(nèi)停留時(shí)間為15mim，回流罐儲(chǔ)存的冷凝液的體積為:回流管內(nèi)的液體可看作是純的苯，溫度為40，則其流動(dòng)雷諾常數(shù)可下式：其中 則 故回流管絕對(duì)粗糙度=0.3mm, 因?yàn)閞e>>5000,所以可由下面公式直接計(jì)算摩擦系數(shù)： 求得：=0.042。根據(jù)塔高的數(shù)據(jù)：可取回流管長(zhǎng)度為：所以直管阻力損失為：在回流管中裝有標(biāo)準(zhǔn)彎頭3個(gè)，半開(kāi)閥（標(biāo)準(zhǔn)截止閥：