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化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)——板式精餾塔設(shè)計(jì)鹽城工學(xué)院

吳俊化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)2020/3/31——板式精餾塔設(shè)計(jì)第一部分:化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)第二部分:設(shè)計(jì)方法第三部分:化工塔器CAD設(shè)計(jì)軟件介紹第四部分:設(shè)計(jì)示例化工原理課程設(shè)計(jì)第一部分:化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一.設(shè)計(jì)題目:分離苯——甲苯(乙苯、氯苯)混合液的浮閥精餾塔設(shè)計(jì)二.原始數(shù)據(jù)年產(chǎn)量、料液濃度見(jiàn)下頁(yè)表。料液初溫:30℃塔頂產(chǎn)品含苯不低于98.0%(苯質(zhì)量分率)塔底釜液含苯量不高于2.0%(苯質(zhì)量分率)每年實(shí)際生產(chǎn)天數(shù):

330天(一年中有一個(gè)月檢修)塔頂壓強(qiáng):40mmHg(

表壓)

單板壓降不大于0.7kPa設(shè)備型式:浮閥塔(

F1型重閥)公用工程:冷卻水進(jìn)口溫度20℃出口35-40℃飽和蒸汽壓力4kgf/cm2

(表壓)化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)三.設(shè)計(jì)任務(wù)完成精餾塔工藝設(shè)計(jì),精餾設(shè)備設(shè)計(jì),有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選用,繪制生產(chǎn)工藝流程圖,精餾塔工藝條件圖及塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。四.設(shè)計(jì)內(nèi)容化工原理課程設(shè)計(jì)1.

工藝設(shè)計(jì)(1)選擇工藝流程和工藝條件a.加料方式 b.

加料狀態(tài)c.塔頂蒸汽冷凝方式d.

塔釜加熱方式 e.

塔頂塔底產(chǎn)品的出料狀態(tài)塔頂產(chǎn)品由塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻至常溫。(2)精餾工藝計(jì)算:a.物料衡算確定各物料流量和組成。

b.經(jīng)濟(jì)核算確定適宜的回流比根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)常費(fèi)和設(shè)備投資費(fèi)綜合核算最經(jīng)濟(jì)原則,盡量使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算,確定適宜回流比。c.精餾塔實(shí)際塔板數(shù)用近似后的適宜回流比在計(jì)算機(jī)上通過(guò)逐板計(jì)算得到全塔理論塔板數(shù)以及精餾段和提餾段各自的理論塔板數(shù)。然后根據(jù)全塔效率ET,求得全塔、精餾段、提餾段的實(shí)際塔板數(shù),確定加料板位置?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)2.

精餾塔設(shè)備設(shè)計(jì)

(1)選擇塔型和板型采用板式塔,板型為篩板(浮閥)塔。

(2)塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體力學(xué)計(jì)算(3)繪制塔板負(fù)荷性能圖畫(huà)出精餾段或提餾段某塊的負(fù)荷性能圖。

(4)有關(guān)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和塔體附件的選定*接管規(guī)格:根據(jù)流量和流體的性質(zhì),選取經(jīng)驗(yàn)流速,選擇標(biāo)準(zhǔn)管道。*全塔高度:包括上、下封頭,裙座高度?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)第二部分:板式精餾塔設(shè)計(jì)方法一.流程和方案的確定二.工藝計(jì)算三.設(shè)備計(jì)算四.輔助設(shè)備計(jì)算五.塔體結(jié)構(gòu)六.帶控制點(diǎn)工藝流程圖化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)一.

流程和方案的確定1、綜述(塔設(shè)備的選擇)精餾原理及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求,板式塔和填料塔的比較(例如:浮閥塔的特點(diǎn)),本設(shè)計(jì)所選塔的特性。2、蒸餾裝置流程的確定蒸餾裝置包括:精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、塔釜冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備,操作方式操作壓力的選擇進(jìn)料狀態(tài)的選擇化工原理課程設(shè)計(jì)加料方式的選擇(預(yù)加熱)回流比的選擇加熱器的選擇

確定加熱劑和加熱方式冷凝器的選擇塔頂產(chǎn)品(全凝器)和塔釜產(chǎn)品(冷卻器),確定冷卻劑及其進(jìn)出、口溫度.加料方式的選擇高位槽或泵,高位槽以一次加滿再加一定裕量來(lái)確定其容積。貯槽容積按加滿一次可生產(chǎn)10天計(jì)算確定。工藝流程3、苯與甲苯的性質(zhì)、用途等(放在綜述中)化工原理課程設(shè)計(jì)3、物料衡算F

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D

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WFx

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W列表:進(jìn)料、塔頂、塔底產(chǎn)品流量和組成(二)常壓下苯-甲苯混合汽液相平衡關(guān)系BC

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tlgp?

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A

?Antoine方程:A、B、C教材附錄1查得化工原理課程設(shè)計(jì)R

?

1.5R

min(三)塔板數(shù)的確定

1、作出x-y相圖2、最小回流比及操作回流比?用Antonie方程求出附錄2表2.2不同溫度下的苯、甲苯飽和蒸汽壓及相對(duì)揮發(fā)度?BAPP?

?3、理論板數(shù)及加料位置①求精餾塔的汽、液相負(fù)荷L

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1)F化工原理課程設(shè)計(jì)②求精餾段、提餾段的操作線方程x

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1 R

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Wy?③作圖求出理論板數(shù)④逐板計(jì)算求理論板數(shù)(四)精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算

1、操作壓力塔頂操作壓力=大氣壓+表壓每層塔板壓力=0.4~0.7KPa

(取最大值)求出進(jìn)料板、塔底壓降、精餾段、提餾段平均壓降?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)2、操作溫度依據(jù)操作壓力,由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度,苯、甲苯的飽和蒸氣壓由Antonie方程計(jì)算。依次求出塔頂溫度、進(jìn)料板溫度、塔底溫度及精餾段、提餾段平均溫度3、平均摩爾質(zhì)量塔頂氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量

進(jìn)料板氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量塔底氣、液混合物平均摩爾質(zhì)量精餾段、提餾段氣液混合物平均摩爾質(zhì)量化工原理課程設(shè)計(jì)4、平均密度(1)氣相平均密度注意:精餾段、提餾段分別計(jì)算(2)液相平均密度mVmVmmRTP

M?

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?i?

W

i?1例:塔頂液相平均密度:tD

=查手冊(cè)得ρ

A、ρ

B(盧煥章石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè))LDm10.99

/?A

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0.01

/?B?

?化工原理課程設(shè)計(jì)同理求得:進(jìn)料板、塔底液相平均密度求得:精餾段、提餾段液相平均密度(列表)5、液相平均表面張力?

?

xi?

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Lm塔頂液相平均表面張力:塔頂溫度查教材附錄4:同理求得:進(jìn)料板、塔底液相平均表面張力求得:精餾段、提餾段液相平均表面張力(列表)6、液相平均黏度lg?m

?

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xi

lg?i化工原理課程設(shè)計(jì)塔頂液相平均黏度:塔頂溫度查教材附錄4:同理求得:進(jìn)料板、塔底液相平均黏度求得:精餾段、提餾段液相平均黏度(列表)7、氣液相體積流量精餾段vms(m

3

/s)V

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1)DV

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?3600

??:上升氣體的平均分子量。mmvMRT?

PM?化工原理課程設(shè)計(jì)提餾段vsm

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Cm

ax(五)精餾塔的塔體工藝計(jì)算1、塔徑的計(jì)算(1)最大空塔氣速和空塔氣速u

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(0.6

?

0.8)umax化工原理課程設(shè)計(jì)20)0.20.02?C

?

C

((2)氣體負(fù)荷系數(shù)CC20由smith關(guān)聯(lián)圖求得1/2(

)qV

,VqV

,L?V?L橫坐標(biāo):(3)塔徑4qV

,V?uD

?精餾段、提餾段分別計(jì)算化工原理課程設(shè)計(jì)由上式計(jì)算的塔徑按部頒發(fā)塔盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)圓整,圓整后的塔徑除了滿足板間距和塔徑的關(guān)系外,還須進(jìn)行空塔氣速校核4T?

2A

?

D塔截面積:實(shí)際空塔氣速:u?qV,VAT2、精餾塔有效高度的計(jì)算(1)塔板效率E

T“奧康奈爾的精餾塔關(guān)聯(lián)圖“)?0.245LTE ?

0.49(??化工原理課程設(shè)計(jì)(2)板間距H

T板間距的大小與液泛和霧沫夾帶有密切的關(guān)系。板距取大些,塔可

允許氣流以較高的速度通過(guò),對(duì)完成一定生產(chǎn)任務(wù),塔徑可較??;

反之,所需塔徑就要增大些。板間距取得大,還對(duì)塔板效率、操作

彈性及安裝檢修有利。但板間距增大以后,會(huì)增加塔身總高度,增

加金屬耗量,增加塔基、支座等的負(fù)荷,從而又會(huì)增加全塔的造價(jià)。初選板間距時(shí)可參考下表所列的推薦值。表板間距與塔徑關(guān)系化工原理課程設(shè)計(jì)精餾段有效高度:提餾段有效高度:Z精?(N

精?1)H

TZ提?(N

提?1)H

TTPN?

N

T精餾段實(shí)際板數(shù):提餾段實(shí)際板數(shù):TPENE?

N

T在進(jìn)料板上方開(kāi)一人孔,高度為0.8mZ?Z精?Z提?0.8化工原理課程設(shè)計(jì)(六)塔板主要工藝尺寸的計(jì)算化工原理課程設(shè)計(jì)液流型式的選擇液體在板上的流動(dòng)型式主要有,U

型流、單流型、雙流型和階梯流型等,其中常選擇的則為單流型和雙流型。(圖見(jiàn)附錄1)表2、選擇液流形式參考表塔徑流體流量m

3

/hMmU形流型單流型雙流型階梯流型6005以下5

259007以下7

5010007以下45以下12009以下9

7014009以下70以下150010以下70以下200011以下90以下90

160300011以下110以下110

200200

300400011以下110以下110

230230

350500011以下110以下110

250250

400600011以下110

250250

450應(yīng)用場(chǎng)合用于較低一般應(yīng)用液氣比高液氣比極高液氣極和大型塔板大型塔板化工原理課程設(shè)計(jì)①堰長(zhǎng)lW

單溢流:雙溢流:lW

lW②堰高h(yuǎn)W?

(0.6

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0.8)D?

(0.5

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0.7)DhL

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hW

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hOW堰上液層高度要適宜,太小則堰上的液體均布差,太大則塔板壓強(qiáng)增大,霧沫夾帶嚴(yán)重。設(shè)計(jì)時(shí)hOW

大于0.006m,低于此值須選用齒形堰,但不宜超過(guò)0.07m。(通常取0.06m)對(duì)平直堰:2

/3WqV

,L?3hOW

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2.84

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10 E

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)lE

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11、溢流裝置設(shè)計(jì)(1)溢流堰化工原理課程設(shè)計(jì)(2)降液管(圓形和弓形)①降液管的寬度W

d和截面積A

f可根據(jù)堰長(zhǎng)與塔徑比值?

,查圖求取。????

D?

lW降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離,液體在降液管中的停留時(shí)間一般等于或大于3~5秒,對(duì)低發(fā)泡系統(tǒng)可取低值,對(duì)高發(fā)泡系統(tǒng)及高壓操作的塔,停留時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)些。故在求得降液管的截面積之后,應(yīng)按下式驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間,即q(?

5S)3600A

H?

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,L注意:精餾段與提餾段不同化工原理課程設(shè)計(jì)②降液管底隙高度h0oh

?3600lW

uo?qV?,LVoFo?u

?為保證良好的液封,又不致使液流阻力太大,一般取為2、塔板布置和浮閥數(shù)目與排列①孔速oF

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9

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12每一層塔板上的浮閥數(shù):o

o2uqV

,V?

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?化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)②邊緣寬度w

c在塔壁邊緣留出寬度為W

C

的區(qū)域,以固定塔板。W

C

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50

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70mm③安定區(qū)w

s在液體入塔處,有一寬度為w

s的狹長(zhǎng)帶不開(kāi)孔區(qū),其作用是防止氣體進(jìn)入降液管或因降液管流出的液流的沖擊而漏液。塔徑小于1.5m的塔塔徑大于1.5m的塔W

s

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75mmW

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100mm化工原理課程設(shè)計(jì)④有效傳質(zhì)面積Aa對(duì)于單流型塔板???2?1

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x以弧度表示的反三角函數(shù)式中:對(duì)于雙流型塔板ra??????

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r?式中:S12W

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W(rd(W?為雙溢流中間降液管的寬度)其它符號(hào)與單流型塔板公式同化工原理課程設(shè)計(jì)⑤浮閥的排列正三角形排列(小塔)t?

75mm

,100mm

,125mm等腰三角形叉排(大塔)t?

75mm65mm

,80mm

,100mmt?⑥核算孔速和閥孔動(dòng)能因數(shù)o2qV

,Vd

N4

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?V⑦塔板開(kāi)孔率uuo開(kāi)孔率?化工原理課程設(shè)計(jì)(七)塔板流體力學(xué)驗(yàn)算塔板流體力學(xué)驗(yàn)算目的是為了檢驗(yàn)以上初算塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸的計(jì)算是否合理,塔板能否正常操作。1、氣相通過(guò)浮閥塔的壓降hp

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h?hphChlh?—?dú)怏w通過(guò)每層塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m液柱—?dú)怏w通過(guò)篩板的干板壓降,m液柱—?dú)怏w通過(guò)板上液層的阻力,m液柱—克服液體表面張力的阻力,m液柱化工原理課程設(shè)計(jì)①干板阻力ho臨界孔速uoc73.1

1/1.825Vuoc

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?2化工原理課程設(shè)計(jì)②板上充氣液層阻力hl板上充氣液層阻力受堰高、氣速及溢流長(zhǎng)度等因素的影響,一般用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:?

hOW

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?0hL

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(hW式中:hL

—板上清液層高度,m?0

—反映板上液層充氣程度的因數(shù),可稱為充氣因數(shù),無(wú)因次,一般?0

=0.5~0.6。?0a與氣相動(dòng)能因子F00?

0.652029

F

?0.185964有關(guān),?(單流型塔板)fTaVaaV

sA ?

Au

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u?化工原理課程設(shè)計(jì)2020/3/31③表面張力所產(chǎn)生的阻力hσhL?

gh2??表面張力?:N/M?一般浮閥塔的壓降比篩板塔大,對(duì)常壓和加壓塔,每層浮閥塔壓降為265

~530pa,減壓塔約為200pa。2、降液管內(nèi)液體高度(淹塔or液泛)為防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生,要求控制降液管中清液層高度:?

hW

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d

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T化工原理課程設(shè)計(jì)H

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hp

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hd式中:?hd—進(jìn)出口堰之間的液面梯度,m液柱(一般很小,可以忽略)hdhp

—?dú)怏w通過(guò)一塊塔板的壓降,m液柱hd

—液體流出降液管的壓降,m液柱可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:無(wú)入口堰:dLSW??

?L

h2?h

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0.153有入口堰:hdLSW??

?l

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0

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0

?2??

0.2化工原理課程設(shè)計(jì)如果液體和氣體流動(dòng)所遇阻力增加,降液管中液面上升,當(dāng)超過(guò)上一層塔板的堰頂后,產(chǎn)生液體倒流,即發(fā)生了液泛,因此,需要足夠的降液管高度,或控制適當(dāng)阻力以防液泛的發(fā)生。實(shí)際降液管中液體和泡沫的總高度大于用上式計(jì)算的值。為了防止液泛,應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過(guò)上層塔板的出口堰。因此:H

T

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hW?

H

d?H

T?為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。對(duì)于容易起泡的物系,取0.3~0.4;對(duì)不易起泡的物系,取

0.6~0.7;對(duì)于一般物系,取0.5?!彘g距,m化工原理課程設(shè)計(jì)3、霧沫夾帶霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過(guò)多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果,應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過(guò)0.1kg,即控制霧沫夾帶量<0.1kg(液)/kg(氣)。eV泛點(diǎn)百分率:FuuF

?1大塔:直徑小于0.9m塔:減壓塔:F1

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80%F1

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70%F1

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75%化工原理課程設(shè)計(jì)泛點(diǎn)率:1?100%F

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?計(jì)算泛點(diǎn)率都在80%以下,V

e,L

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0.1kg化工原理課程設(shè)計(jì)(八)塔板負(fù)荷性能圖①霧沫夾帶線1?100%F

bV

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1.36q

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?計(jì)算出:qV,V

與qV,L的關(guān)系式在操作范圍內(nèi)任取兩個(gè)qv,L

,結(jié)果列表?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)))

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.34在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)qv,L

,結(jié)果列表。②液泛線液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度達(dá)到最大允許值時(shí)的關(guān)系,塔板的適宜操作區(qū)也應(yīng)在此線之下,否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象,破壞塔的正常操作。?(H

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hL

?

hd由上式確定液泛線化工原理課程設(shè)計(jì)③液相負(fù)荷上限線此線反映對(duì)于液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的起碼要求。對(duì)于尺寸已經(jīng)確定的降液管,若液體流量超過(guò)某一限度,使液體在降液管中的停留時(shí)間過(guò)短,則其中氣泡來(lái)不及放出就進(jìn)入下層塔板,造成氣相返混,降底塔板效率。液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時(shí)間不低于3~5sf?

3

?

5S3600A

H?

?

fqV?,L求出上限液體量q

V,L,在qV,V-qV,L圖上,液相負(fù)荷上限線是與氣體流量無(wú)關(guān)的豎直線。化工原理課程設(shè)計(jì)④漏液線Vo?52

NV

,Vq ?

?

d4由此式求出氣相負(fù)荷的下限值。⑤液相負(fù)荷下限線2

/3)V

,LOW3600qE

(h?

2.841000

lW取E=1,計(jì)算出液相負(fù)荷的下限值。化工原理課程設(shè)計(jì)L

s

,m3/s塔板負(fù)荷性能圖(1)霧沫夾帶線V

s

,m3/s(2)液泛線(3)液相上限線(4)漏夜線(5)液相負(fù)荷下限線AV

s,minP操作點(diǎn)BV

s,maxO化工原理課程設(shè)計(jì)在負(fù)荷性能圖上,由上述線所包圍的陰影區(qū)域,應(yīng)是所設(shè)計(jì)的塔板用于處理指定物系時(shí)的適宜操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi),塔板上的流體力學(xué)狀況是正常的。⑥塔的操作彈性在塔的操作液氣比下,操作線OAB與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最低負(fù)荷之比,即:V操作彈性?

s,m

axVs,m

inV上操作彈性?

s,m

axVsVsV

s,m

in下操作彈性?化工原理課程設(shè)計(jì)三.浮閥塔的輔助設(shè)備1.配管(1)塔頂蒸汽管dpv常壓操作,u

=12-20m/svP?u4VSd

?(2)回流管dR強(qiáng)制回流,uR=1.5-2.5m/sRR?u4LSd

?(3)進(jìn)料管dF泵輸進(jìn)料,uF=1.5-2.5m/s進(jìn)料溫度下,FFFFFL?u?4LFd

??

F

?

M化工原理課程設(shè)計(jì)(4)塔釜出料管dw

,塔釜出料,u

w

=0.5-1m/s,wsw?u4L"d

?(5)再沸器返塔蒸汽管d

v"取uv"=15m/S2、法蘭由于常壓,所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭,平焊法蘭,由不同的公稱直徑選用相應(yīng)的法蘭。化工原理課程設(shè)計(jì)3、筒體和封頭筒體采用鋼板卷焊而成,其公稱直徑等于內(nèi)徑。當(dāng)筒體直徑較小時(shí)采用無(wú)縫鋼管制成。封頭采用橢圓形封頭。c?

?PcD?

]??

?

P2[[化工原理課程設(shè)計(jì)1、塔頂空間H

D塔頂空間H

D

的作用是供安裝塔板和開(kāi)人孔的需要,也使氣體中的液滴自由沉降,一般取1~1.5m。2、塔底空間H

B塔底空間H

B

具有中間貯槽的作用,塔釜料液最好能在塔底有10

~15分鐘的儲(chǔ)量,以保證塔釜料液不致排完。若塔的進(jìn)料設(shè)有緩沖時(shí)間的容量,塔底容量可取為3~5分鐘的儲(chǔ)量。3、人孔一般每隔10-20層塔板設(shè)一人孔(安裝、檢修用),人孔處板間距≥600mm,人孔直徑一般為450

~500mm,其伸出塔體的筒體長(zhǎng)為200

~250mm,人孔中心距操作平臺(tái)約800

~1200mm。裙座應(yīng)開(kāi)2個(gè)人孔。塔體結(jié)構(gòu)化工原理課程設(shè)計(jì)4.塔高H(不包括封頭、裙坐)

H=(n-n

F

-np-1)HT

+n

FH

F

+n

P

H

p+H

D

+H

Bn——實(shí)際塔板數(shù);

n

F

——進(jìn)料板數(shù)H

F——進(jìn)料板處板間距,mn——人孔數(shù)PH

p——設(shè)人孔處的板間距,mH

D

——塔頂空間,m

(不包括頭蓋部分)H

B

——塔底空間,m

(不包括底蓋部分HH

B裙坐H

FH

D化工原理課程設(shè)計(jì)2.換熱器(1)冷凝器a.熱負(fù)荷QC=V

rb.冷卻水用量W取冷卻水的進(jìn)口溫度為30℃,出口溫度為45

℃,水的則qm

2=Q/(CP?t)比熱為4.18kJ/kg℃c.換熱平均溫差?tm(泡點(diǎn)回流)12

1lnmT

?

t2T

?

tt

?

t?

t

?查教材上冊(cè)d.換熱系數(shù)Ke.換熱面積AA=Q/(K?tm)可查表選設(shè)備?;ぴ碚n程設(shè)計(jì)(2)再沸器a.熱負(fù)荷QB=V"r由塔底壓強(qiáng)組成確定塔底溫度表。

b.加熱蒸汽用量GG=QB/r"c.換熱平均溫差?tm?tm=T蒸汽-t釜溫d.換熱系數(shù)K查教材上冊(cè)

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