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文檔簡介

1、1設(shè)計(jì)任務(wù)物料組成:為乙醇 30%正丙醇70% (摩爾分率);產(chǎn)品組成:塔頂乙醇含量99%塔底釜液丙醇含量 98%操作壓力:(塔頂絕壓力);回流液溫度:為塔頂蒸汽的露點(diǎn);加熱體系:間接蒸汽加熱,加熱蒸汽壓力為5kgf/cm 2 (絕壓);冷凝體系:冷卻水進(jìn)口溫度 20 C,出口溫度45 C;熱量損失:設(shè)備熱損失為加熱蒸汽供熱量的5%;料液定性:料液可視為理想物系;年處理量:15000噸;工作日:每年工作日為 65天,每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行;進(jìn)料方式:飽和液體進(jìn)料,q值為1;塔板類型:浮閥塔板。廠址選地:馬鞍山市當(dāng)涂縣烏溪鎮(zhèn)2設(shè)計(jì)方案蒸儲裝置包括精微塔、原料預(yù)熱器、蒸儲釜(再沸器) 、冷凝器、釜液

2、冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸儲過程按操作方式的不同,分為連續(xù)蒸儲和間歇蒸儲兩種流程。連續(xù)蒸儲具有生產(chǎn)能力大,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),雖然本課程設(shè)計(jì)中年處理量較?。?5000噸/年),但仍采用連續(xù)蒸儲的方式。蒸儲過程根據(jù)操作壓力的不同,可分為常壓、減壓和加壓蒸儲。本設(shè)計(jì)中,由于物料乙醇、正丙醇都是易揮發(fā)有機(jī)物,所以常壓操作,塔頂蒸汽壓力為大氣壓,全塔的壓力降很小。由任務(wù)書給定,進(jìn)料熱狀況為泡點(diǎn)進(jìn)料,加熱方式采用間接水蒸氣加熱, 設(shè)置再沸器。塔底設(shè)冷凝回流裝置。工藝流程設(shè)計(jì):圖:原料液的走向考慮到蒸氣壓力對設(shè)備要求等各方面的影響,選用的蒸氣壓力為5kgf/cm2低壓蒸氣LM 再沸器E-102冷凝水 W

3、C冷卻水CW全凝器E-103冷卻器E-105冷卻器E-104圖:冷凝水的走向 換熱器內(nèi)物料走殼程,冷卻水走管程3精微塔物料衡算物料衡算已知數(shù)據(jù):乙醇的摩爾質(zhì)量MA=46.07kg/kmol,正丙醇摩爾質(zhì)量 MB=60.1kg/kmolXf =Xd= X原料處理量 F= (15000X 1000) / ( 65X24 X MA) =h總物料流量衡算 F D Wx Xl塔底物料流量衡算:W F D xFkmol/hD F W kmol/h摩爾衡算原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的流量和平均摩爾質(zhì)量M F Xf M A 1XfM b =55.89 kg/kmolM VDM Xd M A 1XdM B =46.

4、21 kg/kmolM W Xw M A 1 Xw Mb =59.82 kg/kmol4塔體主要工藝尺寸塔板數(shù)的確定4.1.1 塔板壓力設(shè)計(jì)常壓操作,即塔頂氣相絕對壓力p=110.925 kPa預(yù)設(shè)塔板壓力降:0.6 kPa估計(jì)理論塔板數(shù):16估計(jì)進(jìn)料板位置:10塔底壓力:FW 101.325 0.6 16 110.925 kPa進(jìn)料板壓力:P進(jìn)106.725 kPa精微段平均壓力:Pm104.025kPa4.1.2 塔板溫度計(jì)算溫度(露點(diǎn))-氣相組成關(guān)系式:00y匹rP Pa Pb溫度-飽和蒸汽壓關(guān)系式(安托因方程):lg Pb 6.744141375 .14193 .0 t各層塔板壓力計(jì)算

5、公式:XaPbP Pa1Xa(4)乙醇:lg P A7.338271652 .05(2)t 231 .48正丙醇:塔頂:已知乙醇的氣相組成 y為產(chǎn)品組成,操作壓力為常壓,則通過聯(lián)立(1)、(2)、(3)可求得操作溫度及組分飽和蒸汽壓;塔底:已知乙醇組成,操作壓力經(jīng)初步計(jì)算為。通過聯(lián)立(可得實(shí)際操作溫度及組分飽和蒸汽壓。(計(jì)算過程使用 excel軟件進(jìn)行迭代計(jì)算)結(jié)果如下:塔頂:tD78.625 cpA102.538 kPapB塔底:tw100.065 cPa219.145 kPaPb進(jìn)料板(數(shù)據(jù)取自后文塔板物料衡算結(jié)果):tf99.093 cpA175.976 kPapB2)、(3)、(4)并

6、進(jìn)行迭代48.029 kPa108.706 kPa85.983 kPa4.1.3物料相對揮發(fā)度計(jì)算Pa,根據(jù)上文求出的數(shù)據(jù)可得:Pb塔頂:塔底:進(jìn)料板:平均相對揮發(fā)度:4.1.4回流比計(jì)算最小回流比RminXdypVp Xpq線方程:采用飽和液體進(jìn)料時(shí)q=1,故q線方程為:Xp=Xf =(6)相平衡方程:Xp2.065 xp11 .065 Xp(6),(7)聯(lián)立得:X代入式(5)可以求得:Rmin=(x D-y p) /(yp-xp)=/最小理論板數(shù)N min,Xdlg1Xd1XwXwlg最適回流比 Ropt0.3748 NmiT71.3536Nm:0203Rmin4.1.5塔板物料衡算精福段

7、操作線方程:R1yX XdR 1 R 1,代入數(shù)據(jù)得:3-1y=+提福段操作線方程:R' 11-RX RXw 'RRy 1.532 x-0.011相平衡方程:y, V',一 r(R' ),代入數(shù)據(jù)得:W2.065x1 1.065x物料衡算過程模式Xn-1y n在同一塔板上的計(jì)算運(yùn)用相平衡方程,上下塔板間的計(jì)算,運(yùn)用操作線方程表:塔板物料數(shù)據(jù)層數(shù)y值x值備注1塔頂2345678910進(jìn)料板1112131415底層塔板16塔釜4.1.6 實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算4.1.6.1 黏度(通過液體黏度共線圖差得)乙醇、正丙醇黏度共線圖坐標(biāo)值物質(zhì)含量XY乙醇1止丙醇查表可得:全塔平

8、均溫度為:90.209 C物料在平均溫度下的粘度,通過查表可得:乙醇: A 0.350 mPa/s正丙醇: B 0.550 mPa /s全塔平均黏度計(jì)算公式:lg Xf lg A 1Xf lg B代入數(shù)據(jù)可得平均粘度0.491 mPa /s4.1.6.2 總塔板效率普特拉一博伊德公式:E 0.490.245代入相關(guān)數(shù)據(jù)得:E 0.4884.1.7 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算精微段板數(shù)N蚌 9 E 19提儲段板數(shù)N捍 6.5 E 14女E總板數(shù)N33(不包括塔釜再沸器)塔徑計(jì)算4Vs4.2.1平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂M vdmXdM aXd M b46.21kg/kmolM ldmXiM aXi M b46.3

9、6kg/kmol進(jìn)料板xA 0.1110 . 205M vfmYfMVa M b57.218kg/kmolMlfmXfMXf M58.539kg/kmol精福段Mvm0.5 MvdmM vfm51.714 kg / kmolMlm0.5 M ldmM lfm52.448kg/kmol4.2.2平均密度計(jì)算氣相平均密度有理想狀態(tài)方程計(jì)算,即VmPRTf 1.803kg/m液相平均密度塔頂tD78.625 c查手冊有:LDM3740 kg /m33740 kg /m3進(jìn)料板tF 92.908 c 查表有:_3725 kg / m_ 一 3742 .5kg /mLFM_ 一一 一 一 3740 .

10、934 kg / m/ B1X A / A 1 X B精儲段液相平均密度LM ( LDMLFM )/23740.467 kg/m4.2.3 液相表面張力計(jì)算塔頂tD 78.625C查手冊有:LDM17.832mN/m進(jìn)料板tF 92.908 c 查表有:16.2mN/m18.1mN /mL FMXaM a 1xF MB 17 .737 mN / m精微段平均表面張力LM (17.7 17.778)/217.739mN/m4.2.4 塔徑計(jì)算精微段氣液體積流率為VsVM VM3600 vm1.965 mLsLM LM 3600LM0.00405LhVh)“20.0412取板間距HT0.45m板上

11、液層高度上 0.06mHThT0.45 0.06 0.39m查史密斯關(guān)聯(lián)圖有:C200.087l x 0.217 . 739 、0.2C C 20 ( -)0 .087(-)0.08492020U max C :L V 1 .719 m /s取安全系數(shù)為U 0.7U max4Vs DSV0.7則空塔氣速為:0.71 .442u按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后塔截面積2At1 .64實(shí)際空塔速度為:精儲塔有效高度計(jì)算1.7191 .203 m / s1.6 m2.011 m每隔68塊塔板設(shè)一人孔,為進(jìn)料板和塔頂各設(shè)一人孔塔頂空間 塔底空間 裙座高度 全塔設(shè)裙座6個(gè)人孔,精儲塔高度HVsA T1.2m1.4 m1

12、.5 m分別位于塔底以下為塔底空間的計(jì)算過程:1.9650 .977 m / s2 .011設(shè)有人孔處板間距調(diào)整為0.6 m。同時(shí),塔底、塔頂、6 - 20.6取釜液在塔底停留時(shí)間為6 min ,釜液距離底層塔板釜液流量為:qw一60WsM w儲存釜液高度:H q W At(331 m。7、14、21、28 層塔板。-4)0.45 H裙座1 9.55 m131 .05960 .0170.137 m60738min0 .1372 .0110 .408 m塔底空間高度:精儲塔熱量衡算H 11.408 m 1.4m4.5.1 塔頂冷凝器的熱量衡算目的:對塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算以確定冷卻水的用量如圖4

13、-2所示,對精微塔塔頂冷凝器進(jìn)行熱量衡算4.5.1.1 熱量衡算式Qv Ql Qd Qw式中 q'塔頂蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量;Q回流液帶出系統(tǒng)的熱量;Q播出液帶出系統(tǒng)的熱量;Qv 冷凝水帶出系統(tǒng)的熱量。4.5.1.2 基準(zhǔn)態(tài)的選擇上文中已經(jīng)求出塔頂蒸汽溫度tw 78.6252 c,該溫度也為回流液和儲出液的溫度。同時(shí),操作壓力為。以塔頂操作狀態(tài)為熱量衡算基準(zhǔn)態(tài),則Q.= Qd=04.5.1.3各股物料熱量計(jì)算查得乙醇和正丙醇正常沸點(diǎn)為和,在正常沸點(diǎn)下的汽化烙分別為mol、 mol使用Watson公式計(jì)算乙醇與正丙醇在78.625 C的汽化燃0.381 TAVLV式中T L一對比溫度 r T

14、cTc 臨界溫度查得乙醇與正丙醇的臨界溫度分別為:對于乙醇:TM351.45Tc516.250.6808 ,Tr2351 .775516 .250.6814因此,vH1 vHm(T1)(1Tr2TM、0.38)38.561 0.68141 0.68080.38_138.531kJ mol對于丙醇:TMTTc370 .25536 .750.6898 ,Tr2TTc351 .7752536 .750.6554因此,vHvHm(1)(Tr21 TM)0.3841.441 0.65541 0.68980.3843.130kJ mol 1由此可計(jì)算進(jìn)入塔頂冷凝器蒸氣的熱量為Qv VXd vH m乙醇(9

15、9.6722 C )V (1)vH m丙醇(99 .6722 C )43.130 )246 .558(0.9938.531 + 0.01_ 19467 .529 kJ h代入到熱量衡算式中,可求得塔頂冷凝器帶走的熱量為Q'w9467 .529 kJ h冷卻水的用量設(shè)冷卻水的流量為qmK ,則 'QW= qmK Ggti)已知:ti = 25C t2=45Ct L 25 45以進(jìn)出口水溫的平均值為定性溫度:tt一t24535cm 22查得水在35c時(shí)的比熱容為:Gm= (kg. )qm水'Q WCpm(t23)6892 .3834.175 (45 25)82.4322 (

16、kg / h) 4.5858 (kmol / h)4.5.2全塔的熱量衡算目的:確定再沸器的蒸汽用量如圖4-3所示,對精儲塔進(jìn)行全塔的熱量衡算圖4-3全塔熱量衡算圖4.5.2.1熱量衡算式根據(jù)熱量衡算式,可得Q F QV QD QW由設(shè)計(jì)條件知:Ql=5%Qv = QvQf + Qv =Qd + Qw+Qw式中Qf 一進(jìn)料帶入系統(tǒng)的熱量Qv 加熱蒸汽帶入系統(tǒng)的熱量Qd一播出液帶出系統(tǒng)的熱量Qw 一釜?dú)堃簬С鱿到y(tǒng)的熱量Qw冷卻水帶出系統(tǒng)的熱量Ql 一熱損失各股物流的溫度由上文計(jì)算結(jié)果:tF= 92.908 C t d= 78.625 C tw= 99.093 C基準(zhǔn)態(tài)的選擇以、78.625 C的

17、乙醇和正丙醇為熱量衡算的基準(zhǔn)態(tài),且忽略壓力的影響,則Q=0各股物流熱量的計(jì)算由于溫度變化不大,采用平均溫度78.62599.09392 . 908即tm 90 .209 C .用3據(jù):Canaja J2 aj3aT4pm01234查汽液物性估算手冊得:1a 04 .396 J mol K乙醇:a10.62810 3Jmol1Ka25.54610 5Jmol1K81a37.02410 8 J mol 1 K111a 42 .68510 11 J mol 1 K11a04.712J mol 1 K 1312a16.565 10 3J mol 1 K 2正丙醇: 513正丙醇:a26.310 10

18、5 J mol 1 K 3a38.341 10 8J mol 1 K111a43.216 10 11J mol 1 K故乙醇的比熱容為:4.5.2.5 加熱蒸汽的用量C pm (4.3960.62810 3363 .3595.5467.02410 8363 .359 32.68510 11105363 .359 24363 .359 4 )8.3141102 .990 J mol 1 K丙醇的比熱容為:pm(4.7126.56510 3 363 .359538.34110 5363 .359 33.2161199 .939 J mol 1 K 156.31010 5363 .35911410

19、11363 .359 4) 8.314由此可求得進(jìn)料與釜?dú)堃旱臒崃糠謩e為Qf Fx fC pmZB (tF 78.625 )171 .7930 .25102 .990171 .793(10.25 )991247093.840 kJ mol 1 )Qw WXwCpm乙醇(tw 78.625 )131 .060.02102 .990131 .060.9899 .9391268253.662 (kJ mol 1)將以上結(jié)果代入到熱量衡算式中F (1XF)Cpm 丙醇(tF 78 .625 )(92 .90878 .625 ).939(92 .90878 .625 )W(1Xw)Cpm丙醇(tw78.

20、625 )(99.09378.625 )(99 .09378.625 )247093 .8400.95QV 0268253 .6626892 .383解得:QV106746 .8198 kJ h熱損失為: QL0.05QV 0.05 106746.8198 5337.34kJ h設(shè)加熱蒸汽的用量為qm,則:QVr。已知蒸氣的壓力為5kgf/cm2 (絕壓),查得該壓力下蒸汽的汽化熱為r = 2113kJ/kg由此可求得再沸器的加熱蒸汽用量為Qv 106746 .81981q m 50.52 kg hr21135板主要工藝尺寸計(jì)算溢流裝置計(jì)算因塔徑D=1.6m,可選單溢流的弓形降也管,采用凹形受

21、液盤堰長lw取 lw=0.96m溢流堰高度hW堰上液層高度hOW 0.015取上層清夜層高度hL 0.06 mhW 0.060.0150.045 m弓形降液管寬度W和截面積A由 lWD二查資料,得Af/AT= Wd/D=故 A=x = m2W=x = m依下式驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間,即13.618 5s3600 Af Ht 3600 0.0877 0.45Lh28.95 10 4 3600故降液管的設(shè)計(jì)合理5.1.4降液管底隙高度h0h0 hw 0.0060.039 s'選用凹形更攸盤,深度 hhw=0.05 mw塔板布置塔板的分塊因D>800mm故采用分塊式,4塊塔板。邊緣

22、寬度的確定B Wd0.175m,Wc0.05m開孔區(qū)面積的計(jì)算開孔區(qū)面積Aa按下式計(jì)算2r .1 xsin 一180rWCCWF其中:Wf1.421.420.1750.050 .455 (m)0.050.65 (m)2 0.4551 .0776 (m2)180r .1/X、sin (-)1 r0.65 20.455210.65 2 sin 11800.4550.65閥孔計(jì)算本流程所處理的物系無腐蝕性,可選用8=3mmM鋼板。5.4.1塔板壓降5.4.1.1干板阻力he計(jì)算采用FIQ-4A型浮閥,相關(guān)數(shù)據(jù)如下:閥厚/m閥重/kg閥孔孔徑d0/m閥孔排列采用叉排方式按正三角形排列取三角形孔心距t

23、= 0.075 m ,列寬h0.065m作圖得到排列閥孔數(shù) n = 242閥孔總面積 A0n 0.0382 /4真實(shí)閥孔氣速uVS1.965o -2 7.158 m sA02420.038 2 /4浮閥全開時(shí)的閥孔氣速稱為閥孔臨界氣速。閥孔臨界氣速與閥孔臨界動能因子F。有如下關(guān)系:u0F0其中F。的經(jīng)驗(yàn)值為912。上面求得u07.158 m s1代入上式得:F0 =,滿足經(jīng)驗(yàn)值所在范圍,因此,閥數(shù)取242符合工藝要求。閥孔的流體力學(xué)驗(yàn)算0.175閥全開前:hc 19.9匕一 0.0379mL2閥全開后:hc 5.34 uL0.0339m2g L式中hc干板壓降,m液柱;U0篩孔氣速,m/s;板

24、上液層的有效阻力hih ih w h ow對于浮閥塔板,取hw外土!高, m;how堰上液流高度, m代入數(shù)據(jù)得:h10.0327m液體表面張力產(chǎn)生的阻力 h較小,在計(jì)算時(shí)可忽略。5.4.1.3 總壓降每層塔板壓降為閥全開前:hthi ,0.0706 m閥全開后:hthi ,0.0666 m液泛對于浮閥塔,液面落差很小,且本設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大,故可忽略液面落差造 成的影響。液體通過降液管的壓強(qiáng)降Hdhd ht hLH d指降液管中清夜層高度hL為板上清夜層高度,取值為 hL hw how 0.06mht為塔板總壓降hd指與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,主要有降液管底隙處的局部阻力?/p>

25、成。由于塔板上未設(shè)置進(jìn)口堰,可按下式計(jì)算:Ls 20.004052hd0.2()20.2 () 20.00459mlwho0.960.039綜上,閥全開前:h d 0.004590.07060.060.135 m閥全開后:h d 0.004590.06660.060.131 m取全開后的壓降為設(shè)計(jì)壓降,即Hd 0.131m乙醇與正丙醇屬于不易發(fā)泡物質(zhì),其泡沫層的相對密度取為防止液泛,應(yīng)保證降液管中泡沫液體的高度不能超過上層塔板的出口堰,即HdHt hwH t hw 0.6(0.450.045)0.297 Hd可見,目前的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)符號要求。5.4.3液沫夾帶對浮閥塔板多采用泛點(diǎn)率來間接判斷液沫夾

26、帶量。泛點(diǎn)率是設(shè)計(jì)負(fù)荷與泛點(diǎn)負(fù)荷之比。泛點(diǎn)率可由下列兩式求得,然后采用計(jì)算結(jié)果中較大值:F11 .36 LsZKC f Ab100 %F2100 %0.78 KC f At板上液體流程長度,m ,對單流型塔板:DW dAbZ D塔徑,2Wd;AtA f將液管的寬度,板上液流面積,A b At 2Af;塔板截面積,m降液管截面積,泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù),由圖讀 物性系數(shù),見表。對單流型塔板:出;減壓塔:Fi< 75 % 77 %期性觸KK730.6DJ計(jì)算得出的泛點(diǎn)率必須滿足下述要求,否則應(yīng)調(diào)整有關(guān)參數(shù),重新計(jì)算。塔徑大于 900 mm : F i< 80 % 82 % ;塔徑小于 900 m

27、m : F 1< 65 % 75 %;松施糠(耐熱豺形蛭定獻(xiàn)的娥的 祓及乙端再燒)隊(duì)舞科嘴)由圖讀出,泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù) Cf =,由表查出,物性系數(shù)K = 1。Vs1 . 96527 .2350 .781 . 9651 .36 L S ZKC f Ab100 %1 .803.140 .4671 .8031 .3610 . 121 .781KC f At100 %1 .8030 .781140 .4670 .121 .8032 .011100 %0.0041 .2 100 %26 .251取較大值。塔徑大于900 mm,符合工藝要求。漏液漏液點(diǎn)氣速計(jì)算式:uo min*m9, Fomin為漏液

28、點(diǎn)動能因子,取值范圍為56,本設(shè)計(jì)中取5。u o m in.1.8033.724 m s -1實(shí)際孔速-1 、uo 7.158 m s >uomin穩(wěn)定系數(shù)u。7.158符合K>u 0 m in3.7241 .922,故在本系統(tǒng)中無明顯漏液現(xiàn)象。5.4.5塔板負(fù)荷性能圖漏液線方程閥孔氣速要求不小于漏液點(diǎn)氣速,當(dāng)兩者恰好相等時(shí),剛好滿足設(shè)計(jì)要求,故漏液線方程可以粗略的處理為VS uomin AO式中,Ao為閥孔總面積。VsUominAo 3.724 0.274 1.022m s在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),任取幾個(gè) Ls值,依上式計(jì)算出 VS值,計(jì)算結(jié)果列于表 11-1。3 ,、Ls(m 一3,、V

29、s (m 液沫夾帶線3.25.7 10 6 UaLH T h fVs2.0110.1151.036Vshf 2.5hL 2.5 hwhowhw0.045 mhow2.8410002/33600 Ls0.840.749 L2S3 *hf 0.1125231 .8733 LsHt hf 0.3381 .8733 L2S3.2由 ev 一 3,、 Vs (m .7 10 :7112V_h0.1kg 液 /kg 氣整理得到17.74102.471313 .1804 L S3液沫夾帶線方程:Vs4.82325.722 LS/3取部分?jǐn)?shù)據(jù)作出LS、VS關(guān)聯(lián)表:液相負(fù)荷下限線對于平直堰,堰上液層高度為作為最

30、小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)2.843600 L show E S1000iw230.006 m M E為1,可得液相負(fù)荷下限線:LSm.0.00439m3 s 15.4.4.4 液相負(fù)荷上限線4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限則通過式:AfHTLs4可得液相負(fù)荷上限線為:Lsmax0.0129m5.4.4.5 液泛線令HdHt hwhp hihdHphch1 hhihi聯(lián)立,hwhow忽略how與Lshd與LS, hc與Vs的關(guān)系式代入,整理得22aVS b cLSd L2/3s式中0.051Ht1 hw2/336000.153/ Iwh。23 2.84 10 E1將有關(guān)數(shù)據(jù)代入求得:a' 0.00429b' 0.22725c' 121.183 d' 1.0591222 / 30.00429 Vs 0.22725 121.183 Ls1.0591 Ls在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),取部分 Vs,求出相應(yīng)的Ls,列表如下:.3 ,、L S (m 一 3,、Vs (m 負(fù)荷性能圖根據(jù)以上各線方程,可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖:A液沫夾帶線;B液泛線;C漏液線D液相負(fù)荷上限線;E液相負(fù)荷下限線;F實(shí)際操作線由圖可知

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