化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)---精餾塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　1 引 言2</b></p><p>　　1.1化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求2</p><p>　　1.2通過(guò)課程設(shè)計(jì)達(dá)到如下目的2</

2、p><p><b>　　2 概 述3</b></p><p>　　2.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求3</p><p>　　2.2板式塔類(lèi)型3</p><p>　　2.2.1篩板塔4</p><p>　　2.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟4</p><p><b>　　3

3、設(shè)計(jì)方案5</b></p><p>　　3.1操作條件的確定5</p><p>　　3.1.1操作壓力5</p><p>　　3.1.2 進(jìn)料狀態(tài)5</p><p>　　3.1.3加熱方式6</p><p>　　3.1.4冷卻劑與出口溫度6</p><p>　　3.1.5

4、回流方式的選擇6</p><p>　　3.1.6熱能的利用6</p><p>　　3.2確定設(shè)計(jì)方案的原則7</p><p>　　3.2.1 滿足工藝和操作的要求7</p><p>　　3.2.2 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求7</p><p>　　3.2.3保證安全生產(chǎn)8</p><p>　　

5、3.3設(shè)計(jì)方案的確定8</p><p>　　4 具體計(jì)算過(guò)程9</p><p>　　4.1 精餾塔的物料衡算9</p><p>　　4.1.1原料業(yè)及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率9</p><p>　　4.1.2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量9</p><p>　　4.1.3.物料衡算9</p&

6、gt;<p>　　4.2理論塔板數(shù)NT的求取9</p><p>　　4.2.1求最小回流比及操作回流比11</p><p>　　4.2.2求精餾塔的氣、液相負(fù)荷11</p><p>　　4.2.3求操作線方程11</p><p>　　4.2.4圖解法求理論塔板數(shù)11</p><p>　　4.2.

7、5實(shí)際板層數(shù)的求取11</p><p>　　4.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算12</p><p>　　4.3.1操作壓力計(jì)算12</p><p>　　4.3.2操作溫度計(jì)算12</p><p>　　4.3.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算12</p><p>　　4.3.4平均密度計(jì)算13</p>

8、<p>　　4.3.5液體平均表面張力計(jì)算14</p><p>　　4.3.6.液體平均粘度計(jì)算15</p><p>　　4.4精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算16</p><p>　　4.4.1塔徑的計(jì)算16</p><p>　　4.4.2精餾塔有效高度的計(jì)算18</p><p>　　4.5塔板主要工藝

9、尺寸的設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.5.1溢流裝置計(jì)算18</p><p>　　4.5.2塔板布置19</p><p>　　4.6篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算20</p><p>　　4.6.1塔板壓降20</p><p>　　4.6.2液面落差21</p><p>　　4.6.3液沫夾帶

10、21</p><p>　　4.6.4漏液21</p><p>　　4.6.5液泛21</p><p>　　4.7塔板負(fù)荷性能22</p><p>　　4.7.1漏液線22</p><p>　　4.7.2液沫夾帶線22</p><p>　　4.7.3液相負(fù)荷下限線23</p&g

11、t;<p>　　4.7.4液相負(fù)荷上限線23</p><p>　　4.7.5液泛線24</p><p>　　4.9計(jì)算結(jié)果25</p><p><b>　　5 總結(jié)27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><

12、b>　　致謝29</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的題目是年處理50000噸的苯-甲苯精餾塔設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái)分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，應(yīng)采用連續(xù)精餾的流程。　　本設(shè)計(jì)要求提供

13、了一定的工藝參數(shù)和工藝操作條件，在確定的工藝要求下，確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，再沸器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，精餾工藝過(guò)程流程圖，精餾塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，塔盤(pán)結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　1.1化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求</p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)

14、的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的有益實(shí)踐，更是理論聯(lián)系實(shí)際的有效手段。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。</p><p>　　1.2通過(guò)課程設(shè)計(jì)達(dá)到如下目的

15、</p><p>　　1．鞏固化工原理課程學(xué)習(xí)的有關(guān)內(nèi)容，并使它擴(kuò)大化和系統(tǒng)化；</p><p>　　2．培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算技能及應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；</p><p>　　3．熟悉化工工藝設(shè)計(jì)的基本步驟和方法；</p><p>　　4．學(xué)習(xí)繪制簡(jiǎn)單的工藝流程圖和主體設(shè)備工藝尺寸圖；</p><p>　　

16、5．訓(xùn)練查閱參考資料及使用圖表、手冊(cè)的能力；</p><p>　　通過(guò)對(duì)“適宜條件”的選擇及對(duì)自己設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)，初步建立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)從工程技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)考慮和處理工程實(shí)際問(wèn)題的能力；</p><p><b>　　2 概 述</b></p><p>　　2.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求</p><p>　　精餾所進(jìn)行

17、的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求：</p><p>　　(1) 氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。</p><p>　　(2) 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)

18、、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。</p><p>　　(3) 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過(guò)大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。</p><p>　　(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。</p&g

19、t;<p>　　(5) 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。</p><p>　　(6) 塔內(nèi)的滯留量要小。</p><p>　　實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。</p><p><b>　　2.2板式塔類(lèi)型&

20、lt;/b></p><p>　　氣－液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書(shū)將只介紹板式塔。</p><p>　　板式塔為逐級(jí)接觸型氣－液傳質(zhì)設(shè)備，其種類(lèi)繁多，根據(jù)塔板上氣－液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。</p>&

21、lt;p>　　板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類(lèi)型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計(jì)。</p><p>&

22、lt;b>　　2.2.1篩板塔</b></p><p>　　篩孔塔板簡(jiǎn)稱(chēng)篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開(kāi)有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板（孔徑為3~8mm）和大孔徑篩板（10~25mm）兩類(lèi)。工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場(chǎng)合（如分離粘度大、易結(jié)焦的物系）。</p><p>　　篩板的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能

23、力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞，不易處理結(jié)焦、粘度大的物料。</p><p>　　應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但若設(shè)計(jì)和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降，故過(guò)去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來(lái)，由于設(shè)計(jì)和控制水平的不斷提高，可是篩板的操作非常精確，彌補(bǔ)了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)控制手段的前提下，設(shè)計(jì)中可大膽選用。</p><p&

24、gt;　　2.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行：</p><p>　　(1)設(shè)計(jì)方案確定和說(shuō)明。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。</p><p>　　(2)蒸餾塔的工藝計(jì)算，確定塔高和塔徑。</p><p>　　(3)塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)

25、校核計(jì)算。接管尺寸、泵等，并畫(huà)出塔的操作性能圖。</p><p>　　(4) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　3.1操作條件的確定</p><p>　　在一常壓操作的連續(xù)精餾塔內(nèi)分離苯—甲苯混合物。已知原料液的處理量為 ，組成為（苯的質(zhì)

26、量分率，下同），要求塔頂鎦出液的組成為，塔底釜液的組成為。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)條件如下：</b></p><p>　　操作壓力 101.325kPa；</p><p>　　進(jìn)料熱狀況 泡點(diǎn)進(jìn)料；</p><p>　　回流比 2Rmin；</p><

27、;p>　　單板壓降 0.70kPa；</p><p>　　全塔效率 0.52；</p><p>　　根據(jù)以上工藝條件作出篩板塔的設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p><b>　　3.1.1操作壓力</b></p><p>　　塔內(nèi)操作壓力的選擇不僅涉及到分離問(wèn)題，而且與塔頂和塔底的溫度有關(guān)。應(yīng)根據(jù)

28、所處理的物料性質(zhì)，并兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性來(lái)綜合考慮。加壓蒸餾可提高設(shè)備的處理能力，但會(huì)增加塔壁的厚度，使設(shè)備費(fèi)用增加。另外，壓力增加使溶液的泡點(diǎn)和露點(diǎn)溫度均增加，物系的相對(duì)揮發(fā)度減小，使物系分離困難。減壓蒸餾不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費(fèi)用，而且由于真空下其體積增大，需要的塔徑增加，因此設(shè)備費(fèi)用增加。對(duì)熱敏性物料可采用減壓蒸餾，如苯乙烯乙苯溶液。對(duì)常壓下呈氣態(tài)的混合物應(yīng)采用加壓蒸餾，如從空氣中分離氧和氮。而對(duì)于苯-甲苯

29、、乙醇-水、甲醇-水這一類(lèi)的溶液不是熱敏性物料，且沸點(diǎn)又不高，所以不需采用減壓蒸餾。這類(lèi)溶液在常壓下又是液態(tài)，塔頂蒸氣又可以用普通冷卻水冷凝，因而也不需采用加壓蒸餾。所以為了有效的降低設(shè)備造價(jià)和操作費(fèi)用對(duì)這類(lèi)溶液可采用常壓蒸餾。</p><p>　　3.1.2 進(jìn)料狀態(tài)</p><p>　　進(jìn)料熱狀態(tài)有五種。原則上，在供熱一定的情況下，熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的氣相回流在全塔發(fā)揮作用

30、，即宜冷也進(jìn)料。但為使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫的影響，常采用泡點(diǎn)進(jìn)料。這樣，塔內(nèi)精餾段和提留段上升的氣體量變化較小，可采用相同的塔徑，便于設(shè)計(jì)和制造。但將原料預(yù)熱到泡點(diǎn)，就需要增設(shè)一個(gè)預(yù)熱器，使設(shè)備費(fèi)用增加。</p><p><b>　　3.1.3加熱方式</b></p><p>　　蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。若塔底

31、產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液)，便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對(duì)有些物系(如酒精與水的二元混合液)，當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí)，溶

32、液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。</p><p>　　值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于酒精水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表壓）。</p><p>　　飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過(guò)壓力調(diào)節(jié)。同時(shí)，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價(jià)格較

33、低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過(guò)180℃時(shí)，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。</p><p>　　當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)對(duì)于釜液的沸騰，溫度差過(guò)大，形成膜狀沸騰，反而對(duì)傳熱不利。</p><p>　　3.1.4冷卻劑與出口溫度</p>

34、<p>　　冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過(guò)50℃，否則溶于水中的無(wú)機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。</p><p>　

35、　3.1.5回流方式的選擇</p><p>　　液體回流可借助位差采用重力回流或用泵強(qiáng)制回流。采用重力回流可節(jié)省一臺(tái)回流泵，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，但用泵強(qiáng)制回流，便于控制回流比。</p><p>　　3.1.6熱能的利用</p><p>　　精餾過(guò)程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過(guò)程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過(guò)程本身的熱能是十分重要的。</p><

36、p>　　選取適宜的回流比，使過(guò)程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。與此同時(shí)，合理利用精餾過(guò)程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。</p><p>　　若不計(jì)進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級(jí)低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)

37、品的余熱充分利用。</p><p>　　此外，通過(guò)蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程[1]，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。</p><p>　　3.2確定設(shè)計(jì)方案的原則</p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用

38、科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)：</p><p>　　3.2.1 滿足工藝和操作的要求</p><p>　　所設(shè)計(jì)出來(lái)的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的

39、操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門(mén)，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過(guò)這些儀表來(lái)觀測(cè)生產(chǎn)過(guò)程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。</p><p>　　3.2.2 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求</p>

40、<p>　　要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過(guò)程中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。</p><p>　　降低生產(chǎn)成本是各部門(mén)的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，是否合理利用熱能，

41、采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價(jià)廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。</p><p>　　3.2.3保證安全生產(chǎn)</p><p>　　例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車(chē)間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如

42、，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過(guò)大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。</p><p>　　以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。</p><p>　　3.3設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯—甲苯混合物。對(duì)于二

43、元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(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)，其余部分經(jīng)冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，取操作回流比為最小回流比的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。</p><p><b>　　4 具體計(jì)算過(guò)程</b></p>&l

44、t;p>　　4.1 精餾塔的物料衡算 </p><p>　　4.1.1原料業(yè)及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率</p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量 </p><p>　　甲苯的摩爾質(zhì)量 </p><p>　　4.1.2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　4

45、.1.3.物料衡算</p><p><b>　　原料液處理 </b></p><p><b>　　總物料衡算 </b></p><p><b>　　苯物料衡算 </b></p><p><b>　　聯(lián)立解得 </b></p>&l

46、t;p>　　4.2理論塔板數(shù)NT的求取</p><p>　　苯—甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論塔板數(shù)。</p><p>　　由手冊(cè)查得苯—甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出 x—y 圖，見(jiàn)圖4-1</p><p><b>　　. </b></p><p>　　圖4-1圖解法求理論板層數(shù)</p><

47、p>　　4.2.1求最小回流比及操作回流比</p><p>　　采用作圖法求最小回流比。在圖4-1 中對(duì)角線上，自點(diǎn) 作垂線e f即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為</p><p><b>　　故最小回流比為</b></p><p><b>　　操作回流比為</b></p><p>

48、　　4.2.2求精餾塔的氣、液相負(fù)荷</p><p>　　4.2.3求操作線方程</p><p><b>　　精餾段操作線方程為</b></p><p><b>　　提餾段操作線方程為</b></p><p>　　4.2.4圖解法求理論塔板數(shù)</p><p>　　采用圖解法求

49、理論塔板數(shù)，如圖4-1 所示。求解結(jié)果為</p><p>　　總理論板層數(shù) （包括再沸器）</p><p><b>　　進(jìn)料板位置 </b></p><p>　　4.2.5實(shí)際板層數(shù)的求取</p><p>　　精餾段實(shí)際板層數(shù) </p><p>　　餾段實(shí)際板層數(shù) </p&g

50、t;<p>　　4.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　4.3.1操作壓力計(jì)算</p><p>　　塔頂操作壓力 </p><p>　　每層塔板壓降 </p><p>　　進(jìn)料板壓力 </p><p><b>　　精餾段平均壓力 </b>

51、;</p><p>　　塔底壓力 </p><p><b>　　提餾段平均壓力 </b></p><p>　　4.3.2操作溫度計(jì)算</p><p>　　根據(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，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：</p><p>　　

52、塔頂溫度 </p><p><b>　　進(jìn)料板溫度 </b></p><p>　　塔底溫度 </p><p><b>　　精餾段平均溫度 </b></p><p><b>　　提餾段平均溫度 </b></p><p>　　4.

53、3.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　由查平衡曲線（見(jiàn)圖4-1），得</p><p>　　進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　由圖解理論板（見(jiàn)圖4-1），得</p><p>　　查平衡曲線（見(jiàn)圖4-1），得</p><p><b>

54、;　　精餾段平均摩爾質(zhì)量</b></p><p>　　提餾段平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　由，查平衡曲線（見(jiàn)圖4-1），得</p><p><b>　　提餾段平均摩爾質(zhì)量</b></p><p>　　4.3.4平均密度計(jì)算</p><p><b>　　氣相平均密度計(jì)算

55、</b></p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　.液相平均密度計(jì)算</b></p><p>　　表4-1 不同溫

56、度下苯與甲苯的物理參數(shù)</p><p>　　液相平均密度依下式計(jì)算，即</p><p>　　塔頂液相平均密度的計(jì)算</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p>　　進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b>&l

57、t;/p><p>　　進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率</p><p>　　精餾段液相平均密度為</p><p>　　塔底液相平均密度的計(jì)算</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p><b>　　塔底液相的質(zhì)量分率</b></p><p>

58、;　　提餾段液相平均密度為</p><p>　　4.3.5液體平均表面張力計(jì)算</p><p>　　液體平均表面張力依下式計(jì)算，即</p><p>　　塔頂液相平均表面張力的計(jì)算</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p>　　進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算</p&

59、gt;<p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p>　　精餾段液相平均表面張力為</p><p>　　塔底液相平均表面張力的計(jì)算</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p>　　提餾段液相平均表面張力為</p><p&g

60、t;　　4.3.6.液體平均粘度計(jì)算</p><p>　　液體平均粘度依下式計(jì)算，即</p><p>　　塔頂液相平均粘度的計(jì)算</p><p>　　由 ，查表4-1 得</p><p><b>　　解出 </b></p><p>　　進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算</p><p

61、><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p><b>　　解出 </b></p><p>　　精餾段液相平均粘度為</p><p><b>　　由，查表4-1 得</b></p><p><b>　　解出 </b></p>

62、;<p>　　提留段液相平均粘度為</p><p>　　4.4精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算</p><p>　　4.4.1塔徑的計(jì)算</p><p>　　精餾段的氣、液相體積流速為</p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　由 </b&g

63、t;</p><p>　　圖4-2 史密斯關(guān)聯(lián)圖</p><p>　　式中C由式1 計(jì)算，其中的C20由圖4-1 查取，圖的橫坐標(biāo)為</p><p><b>　　精餾段</b></p><p><b>　　提餾段</b></p><p>　　取板間距 =0.40 m ，板上

64、液層高度= 0.06 m，則</p><p>　　–= 0.40 – 0.06 = 0.34 m</p><p>　　查圖P129 得 精餾段</p><p>　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為</p><p>　　提餾段C20 = 0.068</p><p>　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為</p>

65、;<p>　　由于精餾段塔徑與提餾段塔徑在之內(nèi)，所以</p><p>　　按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 </p><p><b>　　塔截面積為</b></p><p><b>　　實(shí)際空塔氣速為</b></p><p>　　4.4.2精餾塔有效高度的計(jì)算</p><p&

66、gt;<b>　　精餾段有效高度為</b></p><p><b>　　提餾段有效高度為</b></p><p>　　在進(jìn)料板上方開(kāi)一入孔，其高度為</p><p>　　故精餾塔的有效高度為</p><p>　　4.5塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.5.1溢流

67、裝置計(jì)算</p><p>　　因塔徑 ，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受溢盤(pán)。各項(xiàng)設(shè)計(jì)如下：</p><p><b>　　.堰長(zhǎng) </b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　溢流堰高度 </b></p><p>

68、;<b>　　由 </b></p><p>　　選用平直堰，堰上液層高度由下式計(jì)算，即</p><p>　　近似取E = 1，則</p><p>　　取板上清液層高度 </p><p><b>　　故 </b></p><p>　　弓形降液管寬度 和截面

69、積</p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　查圖P132，得</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　依下式驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即</p><p><b>　　故降液

70、管設(shè)計(jì)合理。</b></p><p><b>　　降液管底隙高度</b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　則 </b></p><p>　　故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。</p><p>

71、　　選用凹形受溢盤(pán)，深度。</p><p><b>　　4.5.2塔板布置</b></p><p><b>　　塔板的分塊</b></p><p>　　因 ，故塔板采用分塊式。查得，塔板分為塊。</p><p><b>　　邊緣區(qū)寬度確定</b></p><

72、p><b>　　取， </b></p><p><b>　　開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算</b></p><p>　　開(kāi)孔區(qū)面積按下式計(jì)算，即</p><p>　　其中 </p><p>　　故 篩孔計(jì)算及其排列</p>

73、<p>　　苯—甲苯物系無(wú)腐蝕性，可選用 碳鋼板，取篩孔直徑。</p><p>　　篩孔按正三角形排列，取孔中心距 為</p><p><b>　　篩孔數(shù)目 為</b></p><p><b>　　開(kāi)孔率為</b></p><p>　　氣體通過(guò)閥孔的氣速為</p><

74、p>　　4.6篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算</p><p><b>　　4.6.1塔板壓降</b></p><p><b>　　干板阻力 計(jì)算</b></p><p>　　干板阻力 由下式計(jì)算，即</p><p>　　由 ,查圖 5 得，</p><p>　　故 液柱

75、</p><p>　　氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算</p><p>　　氣體通過(guò)液層的阻力hl 由下式計(jì)算，即</p><p><b>　　查圖 6 ，得。 </b></p><p><b>　　故 液柱</b></p><p>　　液體表面張力的阻力計(jì)算</p&g

76、t;<p>　　液體表面張力所產(chǎn)生的阻力按下式計(jì)算，即</p><p><b>　　液柱</b></p><p>　　氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 可按下式計(jì)算，即</p><p>　　氣體通過(guò)每層塔板的壓降為(設(shè)計(jì)允許值)</p><p><b>　　4.6.2液面落差</b><

77、;/p><p>　　對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本里的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。</p><p><b>　　4.6.3液沫夾帶</b></p><p>　　液沫夾帶量由下式計(jì)算，即</p><p>　　故 </p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶

78、量在允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　4.6.4漏液</b></p><p>　　對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算，即</p><p><b>　　實(shí)際孔速 </b></p><p><b>　　穩(wěn)定系數(shù)為</b></p><p>　　故在本設(shè)計(jì)

79、中無(wú)明顯漏液。</p><p><b>　　4.6.5液泛</b></p><p>　　為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 應(yīng)服從下述關(guān)系，即</p><p>　　苯—甲苯物系屬一般物系，取，則</p><p><b>　　而 </b></p><p>　　板上

80、不設(shè)進(jìn)口堰， 可由下式計(jì)算，即</p><p><b>　　液柱</b></p><p><b>　　液柱</b></p><p><b>　　∴ </b></p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。</p><p><b>　　4.7

81、塔板負(fù)荷性能</b></p><p><b>　　4.7.1漏液線</b></p><p>　　由 </p><p><b>　　整理得 </b></p><p>　　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)果列于表4-2 。</p><

82、;p><b>　　表4-2</b></p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可做出漏液線1。</p><p>　　4.7.2液沫夾帶線</p><p>　　以為限，求關(guān)系如下：</p><p>　　由 </p><p>　　故 </p>

83、<p><b>　　整理得</b></p><p>　　在操作范圍內(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4-3。</p><p><b>　　表4-3</b></p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可做出液沫夾帶線2 。</p><p>　　4.7.3液相負(fù)荷下限線</

84、p><p>　　對(duì)平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由下式得</p><p>　　取 E = 1 ，則 </p><p>　　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3 。</p><p>　　4.7.4液相負(fù)荷上限線</p><p>　　以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由下式得</p>&

85、lt;p>　　故 L S ,min = </p><p>　　據(jù)此可做出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4 。</p><p><b>　　4.7.5液泛線</b></p><p><b>　　令</b></p><p>　　由 ；; ；</p><p

86、><b>　　聯(lián)立得 </b></p><p>　　忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理的</p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得</p><p><b>　　故 </b></p><

87、;p>　　或 在操作范圍內(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4-4。</p><p><b>　　表4-4</b></p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。</p><p>　　根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖4-2 所示。</p><p>　　圖4-

88、2精餾段篩板負(fù)荷性能圖</p><p>　　在負(fù)荷性能圖上，做出操作點(diǎn)，連接，即做出操作線。由圖可看出，該篩板塔的操作上限位液泛控制，下限為漏液控制。查該圖得</p><p><b>　　故操作彈性為</b></p><p><b>　　4.9計(jì)算結(jié)果</b></p><p>　　所設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)

89、果匯總于表4-5所示：</p><p>　　表4-5篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本次化工原理課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩周，是學(xué)習(xí)化工原理以來(lái)第一次獨(dú)立的工業(yè)設(shè)計(jì)。化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)各種手冊(cè)的使用方法

90、及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫(huà)出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形；。在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。</p><p>　　在短短的兩周里，從開(kāi)始的一頭霧水，到同學(xué)討論，再進(jìn)行整個(gè)流程的計(jì)算，再到流程圖的繪制等過(guò)程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合中的種種困難，也體會(huì)到了利用所學(xué)的有限的理論知識(shí)去解決實(shí)際中各種問(wèn)題的不易。</p>

91、<p>　　我們從中也明白了學(xué)無(wú)止境的道理，在我們所查找到的很多參考書(shū)中，很多的知識(shí)是我們從來(lái)沒(méi)有接觸到的，我們對(duì)事物的了解還僅限于皮毛，所學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)還很不完善，我們對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的理解還僅限于書(shū)本上，對(duì)實(shí)際當(dāng)中事物的方方面面包括經(jīng)濟(jì)成本方面上考慮的還很不夠。</p><p>　　在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，我還發(fā)現(xiàn)由于沒(méi)有及時(shí)將所得結(jié)果總結(jié)，以致在后面的計(jì)算中不停地來(lái)回翻查數(shù)據(jù)，這會(huì)浪費(fèi)了大量時(shí)間。在一些應(yīng)用問(wèn)題

92、上，我直接套用了書(shū)上的公式或過(guò)程，并沒(méi)有徹底了解各個(gè)公式的出處及用途，對(duì)于一些工業(yè)數(shù)據(jù)的選取，也只是根據(jù)范圍自己選擇的，并不一定符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。因此，一些計(jì)算數(shù)據(jù)有時(shí)并不是十分準(zhǔn)確的，只是擁有一個(gè)正確的范圍及趨勢(shì)，而并沒(méi)有更細(xì)地追究下去，因而可能存在一定的誤差，影響后面具體設(shè)備的選型。如果有更充分的時(shí)間，我想可以進(jìn)一步再完善一下的。</p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)我也深刻的知道同學(xué)及老師的幫助時(shí)很重要的。比如

93、有時(shí)我在計(jì)算的時(shí)候遇到了麻煩，我就會(huì)和同學(xué)進(jìn)行討論然后解決問(wèn)題，有時(shí)我也會(huì)尋求老師的幫助，在他們的幫助與指導(dǎo)下，以及通過(guò)自己的努力，我終于完成了這份課程設(shè)計(jì)。限于我們的水平，設(shè)計(jì)中難免有不足和謬誤之處，懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 賈紹義等. 《化工原理課程設(shè)計(jì)》. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2002.8

94、</p><p>　　[2] 譚天恩等. 《化工原理》（上）. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.7</p><p>　　[3] 譚天恩等. 《化工原理》（下）. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.7</p><p>　　[4] 青島化工學(xué)院. 《化學(xué)化工物據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)》. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.5</p><p>　　

95、[5] 國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院. 《化工工藝手冊(cè)》. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1986.12</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)從開(kāi)始選材，到寫(xiě)作完成，得到了xx老師以及全組同學(xué)的熱心幫助，指出稿件中的具體問(wèn)題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，歷經(jīng)三個(gè)星期的努力終于畫(huà)上圓滿的句號(hào)，在此謹(jǐn)向他們表示敬意和感謝。</p>