設(shè)備設(shè)計計算與選型

1、第三部分 設(shè)備設(shè)計計算與選型3.1苯甲苯精餾塔的設(shè)計計算通過計算D=1.435kmol/h，設(shè)可知原料液的處理量為F=7.325kmol/h，由于每小時處理量很小，所以先儲存在儲罐里，等20小時后再精餾。故D=28.7,F=146.5kmol/h ,組分為,要求塔頂餾出液的組成為,塔底釜液的組成為。設(shè)計條件如下：操作壓力:4kPa（塔頂表壓）； 進料熱狀況:自選；回流比:自選； 單板壓降:0.7kPa； 全塔壓降:。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 kg/kmol甲苯的摩爾質(zhì)量kg/kmol (2) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量0.18×7

2、8.11+(1-0.18)×92.13=89.606kg/kmol0.9×78.11+(1-0.9)×92.13=79.512kg/kmol0.01×78.11+(1-0.01)×92.13=91.9898kg/kmol(3) 物料衡算原料處理量 F=146.5kmol/h總物料衡算 146.5=D+W苯物料衡算 146.5×0.18=0.9×D+0.01×W聯(lián)立解得 D=27.89kmol/h W=118.52kmol/h3.1.2 塔板數(shù)的確定(1)理論板層數(shù)的求取苯甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。由

3、物性手冊查得苯甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出xy圖，見下圖3.1圖3.1圖解法求理論板層數(shù)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（0.45，0.45）作垂線ef即為進料線（q線），該線與平衡線的交點坐標為 故最小回流比為 取操作回流比為R=2求精餾塔的氣、液相負荷L=RD=2.2×27.89=61.358kmol/hV=(R+1)D=(2.2+1)×27.89=89.248kmol/hkmol/hkmol/h求操作線方程精餾段操作線方程為提餾段操作線方程為圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖5.1。求解結(jié)果為總理論板層數(shù)=12.5

4、（包括再沸器）進料板位置 (2)實際板層數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù) 取10提餾段實際板層數(shù)取153.1.3精餾塔的工藝尺寸及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算以精餾段為例計算。(1) 操作壓力計算 塔頂操作壓力 kPa 每層塔板壓降進料板壓力kPa精餾段平均壓力(2) 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，甲苯的飽和蒸氣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 進料板溫度精餾段平均溫度(3) 平均摩爾質(zhì)量計算塔頂平均摩爾質(zhì)量計算:由,查平衡曲線得=0.9160.9×78.11+（1-0.9）×92.13=79.512kgkmol0.916

5、5;78.11+（1-0.916）×92.13=79.288kgkmol進料板平均摩爾質(zhì)量計算:由圖解理論板得0.604查平衡曲線得0.3880.604×78.11+（1-0.604）×92.13=83.66kgkmol0.388×78.11+（1-0.388）×92.13=86.69kgkmol精餾段平均摩爾質(zhì)量:（79.512+83.66）/2=81.586 kgkmol（79.299+86.69）/2=82.99 kgkmol(4) 平均密度的計算(1)氣相平均密度計算(2)液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即塔頂液相平均密度的計算

6、:由=82.1,查手冊得=812.7kgm3807.9進料板液相平均密度的計算:由99.5,查手冊得=793.1790.8進料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度為(812.5+791.6)/2=802.1(5) 液體平均表面張力計算液體平均表面張力依下式計算，即塔頂液相平均表面張力的計算由=82.1,查手冊得21.24mNm21.42mNm0.9×21.24+0.1×21.42=21.25mNm進料板液相平均表面張力的計算:由99.5,查手冊得18.90mNm20.0mNm=0.388×18.90+0.612×20.0=19.57mNm精餾段液相平均表面

7、張力為=（21.25+19.57）/2=20.41mNm(6) 液體平均粘度計算液體平均粘度依下式計算，即塔頂液相平均粘度的計算由=82.1,查物性手冊得0.302mPa·s0.306mPa·sLg0.9Lg（0.302）+0.1Lg（0.306）解出 0.302mPa·s進料板液相平均粘度的計算:由99.5,查物性手冊得0.256mPa·s0.265mPa·s =0.388Lg（0.256）+0.612Lg（0.265）解出 0.261mPa·s精餾段液相平均表面張力為（0.302+0.261）/2=0.282mPa·s3

8、.1.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計算(1) 塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為0.690式中C由式計算，其中的由課本查取，圖的橫坐標為=4.018取板間距，板上液層高度hL=0.06m，則 hL=0.40-0.06=0.34m查圖得 =0.072取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為U=0.70.7×1.196=0.837ms按標準塔徑園整后為 D=1.2m塔截面積為實際空塔氣速為(2) 精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為（10-1）×0.4=3.6m提餾段有效高度為（15-1）×0.4=5.6m在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾塔的有效高度為Z=3.6+5

9、.6+0.8=10m3.1.5 塔板主要工藝尺寸的計算1 溢流裝置計算因塔徑為D=1.0m，可選單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：（1） 堰長取=0.66D=0.66×1.0=0.66m（2）溢流堰高度取選用平直堰，堰上液層高度由下式計算即近似取E=1，則取板上清液層高度=60mm 故=0.06-0.013=0.047m（3）弓形降液管寬度由查課本圖得 故=0.0722=0.0722×0.785=0.0567m2 0.124×1.0=0.124m依下式驗算液體在降液管中提留時間，即>5s故降液管設(shè)計合理。（4）降液管底隙高度h0取s 則 0.0

10、06m故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度為2 塔板布置(1)塔板的分塊因D0.8m，故塔板采用分塊式。查課本得，塔板分為3塊。(2)邊緣區(qū)寬度確定取(3)開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積Aa按下式計算，即其中故=0.532（3） 篩孔計算及其排列所處理的物系無腐蝕性，可選用=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為t=3d=3×5=15mm篩孔數(shù)目n為開孔率為 氣體通過閥門的氣速為s3.1.6篩板的流體力學(xué)驗算1 塔板壓降（1）干板阻力計算干板阻力由下式計算，即由故 （2）氣體通過液層的阻力h1計算氣體通過液層的阻力h1由下式計算，即 查圖得，故 （

11、3）液體表面張力的阻力由下式計算，即氣體通過每層塔板的液柱高度，即0.0416+0.0366+0.0021=0.080m液柱氣體通過每層塔板的壓降為0.08×802.1×9.81=629Pa<設(shè)計值700Pa2 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3 液沫夾帶液沫夾帶量由下式計算，即故kg氣故本設(shè)計在液沫夾帶在允許的范圍內(nèi)。4 漏液對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即=5.985ms實際孔速s穩(wěn)定系數(shù)為 K=1.5故設(shè)計中無明顯漏液。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)系苯-甲苯物系屬一般物系，取，則而板

12、上不設(shè)進口堰，可由下式計算，即=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱故本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.2 粗餾塔的設(shè)計計算表3.1乙苯和苯乙烯的飽和蒸氣壓：溫度136.2137138139140乙苯kPa70.4379.2188.2696.44112.1苯乙烯kPa60.270.1680.1484.2588.15利用計算相對揮發(fā)度，用平均相對揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系，利用公式。表3.2 粗餾塔平衡數(shù)據(jù)表t136.21371381391401.1631.1291.1011.1451.272x0.7800.5810.4120.2580.130y0.8280.6530.4880.3210.1

13、69溫度為20進料 利用平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標圖上繪出平衡曲線及對角線，如圖所示。在圖上定點a()、點e（）和點c（）三點。 精餾段操作線方程截距=,在y軸上定出點b。連接ab，即得精餾段操作線。 先按下法計算q值。原料液的汽化熱為koml查出進料組成時溶液的泡點為136，平均溫度為（136+20）/2=78。由物性手冊查得78下乙苯和苯乙烯的比熱容為1.87kJ（kg·），故原料液的平均比熱容為 kJ（kg·）所以再從點e作斜率為2.81的直線，即得q線。 連接cd，即為提餾段操作線。 自點a開始在操作線和平衡線之間繪梯級，圖解得理論板層數(shù)10（包括再沸器），自塔頂往下數(shù)第

14、五層為加料板，如圖5.2所示。圖3.2圖解法求理論板層數(shù)Z=10×0.4+10×0.4+0.8=8.8m空塔氣速為=1ms 則D取1.2m塔截面積3.3乙苯塔的設(shè)計與計算表3.3 甲苯和乙苯的飽和蒸氣壓：溫度110.8115120125130136.2甲苯kPa101.33124.2131.3163.2184.1200.1乙苯kPa40.156.164.2186.698.7108.6利用計算相對揮發(fā)度，用平均相對揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系，利用公式。表3.4乙苯塔氣液平衡數(shù)據(jù)表t110.8115120125130136.22.5332.192.0451.8851.865x1.0

15、000.8200.6420.5320.4120y1.0000.90890.79700.71340.60540溫度為20進料 利用平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標圖上繪出平衡曲線及對角線，如圖所示。在圖上定點a()、點e（）和點c（）三點。 精餾段操作線方程截距=,在y軸上定出點b。連接ab，即得精餾段操作線，。 先按下法計算q值。原料液的汽化熱為kmol，查出進料組成時溶液的泡點為110，平均溫度為（110+20）/2=65。由物性手冊查得78下甲苯和乙苯的比熱容為1.86kJ（kg·），故原料液的平均比熱容為 kJ（kg·）所以，再從點e作斜率為3.237的直線，即得q線。 連接cd

16、，即為提餾段操作線。 自點a開始在操作線和平衡線之間繪梯級，圖解得理論板層數(shù)12（包括再沸器），自塔頂往下數(shù)第六層為加料板，如圖5.3所示。圖3.3 圖解法求理論板層數(shù)Z=11×0.4+6×0.4+0.8=7.6m空塔氣速為=1ms，s，為了解決成本，選取和其他塔一樣的尺寸。則D取1.2m塔截面積為3.4苯乙烯精餾塔的設(shè)計通過計算可知原料液的處理量為F=452.02kmol/h，組分為，要求塔頂餾出液的組成為,塔底釜液的組成為。設(shè)計條件如下：操作壓力：4kPa（塔頂表壓）；進料熱狀況：自選；回流比：自選；單板壓降0.7 kPa ；全塔壓降。原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯

17、乙烯的摩爾質(zhì)量 kg/kmol焦油的摩爾質(zhì)量（假設(shè)）kg/kmol 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量0.3×104.15+(1-0.3)×300=241.245kg/kmol0.997×104.15+(1-0.997)×300=104.738 kg/kmol0.001×104.15+(1-0.001)×300=299.8042kg/kmol物料衡算原料處理量F=2260.1kmol/h再根據(jù)物料衡算可知，；可見苯乙烯精餾塔中只有微量的焦油，故可設(shè)定塔高和塔徑：精餾段有效高度（10-1）×0.4=3.6m提餾段有效高度（5

18、-1）×0.4=1.6m在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾塔的有效高度為 Z=3.6+1.6+0.8=5m 塔徑取D=1.2m3.5 冷凝器的設(shè)計冷凝器按其制冷介質(zhì)和冷卻方式 ,可以分為水冷式 ,空氣冷卻式和蒸發(fā)式三種類型。蒸發(fā)式冷凝器主要是利用冷卻水蒸發(fā)時吸收潛熱而使制冷劑蒸氣凝結(jié)。根據(jù)能量守恒原理，假設(shè)熱損失可忽略不計，則單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等冷流體吸收的能量。熱負荷Q為：式中 KJ/(Kg·)； t冷流體的溫度，。Q=376146336.9kJ管殼式換熱器的對數(shù)平均溫度按逆流計算，即 查得，所以故查化工原理上冊得，選用TB4715-92,列管尺寸為直徑

19、19mm；管心距為25mm；管程數(shù)為1；管子總根數(shù)為1267個；中心排管數(shù)為39個；管程流通面積為0.2239列管長度6000mm，換熱面積446.2m2，所以需要16個這樣的換熱器。3.6 油水分離器重力法脫除水中的油滴其基本原理是利用水與油的密度差,使含油污水中的油滴在設(shè)備中上浮而除去。按照Stokes定律,油滴的脫除效率只與油滴粒徑、油與水物性、處理量和浮升面積有關(guān),而與浮升高度無關(guān),這就是所謂的“淺池原理”。根據(jù)“淺池原理”即可以采用低浮升高度的多層板結(jié)構(gòu),以增大浮升面積,提高油滴脫除效率。而且由于多層板組當(dāng)量直徑的減小,可使液流在較大流量下保持層流狀態(tài),也有利于油滴的有效分離。但是，

20、在一定的設(shè)備高度內(nèi)，增加多層板層數(shù)、縮短板距，必然帶來要固定多層板而需的結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜與困難。所以，一般多層板除油裝置板距均較大，且不能十分保證水流分布均勻，其處理效率的提高及設(shè)備的緊湊化，就受到限制。另一種強化途徑是，使含油污水中的細小油滴通過聚結(jié)床合并為大油滴，則能使脫油效率得到較大的提高，這就是油滴的聚結(jié)。但采用聚結(jié)技術(shù)，也有限制，即流速要在一定范圍內(nèi)，且不但需要另外的浮升分離空間，還需定期反洗，增加了投資和操作費用。本高效油水分離器，正是將“淺池原理”和“聚結(jié)技術(shù)”結(jié)合起來，用特殊的內(nèi)部分離構(gòu)件和配置，保證了在一定設(shè)備容積內(nèi)，可提供最大的油滴浮升面積，以及盡可能多的油滴聚結(jié)機會，并使得水中油滴在浮升中聚結(jié)，在聚結(jié)中浮升，且內(nèi)部液流分布均勻，防止了液流的短路與溝流，故在較短的停留時間內(nèi)，可獲得較高的脫油效率。高效油水分離器為一水平放置的臥式容器，主要由進水部分、出水部分、集油室和由斜通道波紋板構(gòu)成的主體板組等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)特點為：1.可以采用盡可能小的板距而無需固定支撐構(gòu)件，從而在一定高度設(shè)備內(nèi)，有更多的油滴浮升分離層，保證了在較短的停留時間內(nèi)，可脫除較小的油滴，得到較高的脫油效率；2.多層板組的當(dāng)量直徑較小，可在較