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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p> 題目:苯——甲苯精餾分離板式塔設(shè)計(jì)</p><p> 系 別:材料系</p><p><b> 班 級(jí):</b></p><p><b> 學(xué)生姓名:</b></p>&
2、lt;p><b> 學(xué) 號(hào):</b></p><p><b> 指導(dǎo)老師:</b></p><p><b> 設(shè)計(jì)時(shí)間:</b></p><p><b> 目錄</b></p><p> 《化工原理課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書·
3、3;······························5</p><p> 設(shè)計(jì)方案的選擇及流程設(shè)計(jì)&l
4、t;/p><p> 1·1概述·······························
5、83;············9</p><p> 1·2設(shè)計(jì)方案確定··················
6、;··················10</p><p> 第二章 工藝計(jì)算 </p><p> 2·1相平衡·······
7、···································13</p&g
8、t;<p> 2·2物料衡算和操作線方程····························14</p><p
9、> 2·3理論版數(shù)的確定·································&
10、#183;17</p><p> 2·4塔板效率的確定·····························&
11、#183;····18</p><p> 2·5實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算·························
12、·······18</p><p> 2·6精餾塔的工藝條件及有關(guān)物理數(shù)據(jù)的計(jì)算············18</p><p> 第三章 主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)</p><
13、;p> 3·1塔徑及提溜段踏板結(jié)構(gòu)尺寸的確定··················23</p><p> 3·2塔板的流體力學(xué)校核······
14、83;·······················27</p><p> 3·3塔板的負(fù)荷性能圖······
15、183;·························29</p><p> 3·4總塔高、總壓降及接管尺寸的確定···
16、···············32</p><p> 第四章 輔助設(shè)備選型與計(jì)算</p><p> 4·1塔體總結(jié)構(gòu)·········&
17、#183;····························34</p><p> 4·2冷凝器··
18、;····································
19、83;···35</p><p> 4·3再沸器···························&
20、#183;··············35</p><p> 第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總················
21、;····················37</p><p> 第六章 工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖·········&
22、#183;··········41</p><p> 第七章 設(shè)計(jì)評(píng)述及感想</p><p> 7·1對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)·············
23、183;··················42</p><p> 7·2設(shè)計(jì)感想············
24、;··························42</p><p> 參考文獻(xiàn)·····
25、3;····································
26、183;····43</p><p> 備注···························
27、83;·······················44</p><p> 《化工原理課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書</p><p> 一、設(shè)計(jì)題目: 苯—甲苯精餾分離
28、板式塔設(shè)計(jì)</p><p> 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件</p><p><b> 1、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p> 生產(chǎn)能力: (進(jìn)料量)360000 噸 / 年</p><p> 操作周期: 7200 小時(shí) / 年</p><p> 進(jìn)料組成: 苯含量為42% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))<
29、/p><p> 塔頂產(chǎn)品組成: 97% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))</p><p> 塔底產(chǎn)品組成: 2.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))</p><p><b> 2、操作條件</b></p><p> 操作壓力: 常壓</p><p> 進(jìn)料熱狀態(tài): 泡點(diǎn)進(jìn)料</p><p&
30、gt; 單板壓降: ≤0.7 kPa </p><p> 3、設(shè)備形式 板式精餾塔:篩板</p><p> 4、廠址 大連市</p><p><b> 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容:</b></p><p> 1、設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明</p><p>&
31、lt;b> 2、工藝計(jì)算</b></p><p> 3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)</p><p> ?。?)塔徑及提溜段塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定。</p><p> ?。?)總塔高、總壓降及接管尺寸的確定。</p><p><b> 4、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</b></p><p> 5、
32、工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖</p><p><b> 6、設(shè)計(jì)評(píng)述及感想</b></p><p><b> 四、主要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p> 1、苯和甲苯的物理性質(zhì)</p><p> 2、常壓下苯—甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)</p><p> 3、液相密度kg
33、/m3</p><p> 4、液體的表面張力,10-3N/m</p><p> 5、液體粘度,mPa·s</p><p><b> 6、液體汽化熱</b></p><p> 設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明</p><p><b> 概述</b></p>
34、;<p><b> 精餾原理</b></p><p> 利用從塔底部上升的含輕組分較少的蒸氣,與從塔頂部回流的含重組分較少的液體逆流 接觸,同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝,使原料得到分離。</p><p> 同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝是在精餾塔中實(shí)現(xiàn)的。塔板上有一層液體,氣流經(jīng)塔板被 分散于其中成為氣泡,氣、液兩相在塔板上接觸,液相吸收了氣相帶
35、入的熱量。使液相中的易揮發(fā)組分汽化,由液相轉(zhuǎn)移到氣相;同時(shí),氣相放出了熱量,使氣相中的難揮發(fā)組分冷凝,由氣相轉(zhuǎn)移到液相。部分汽化和部分冷凝的同時(shí)進(jìn)行時(shí)汽化、冷凝潛熱相互補(bǔ)償。精餾就是多次而且同時(shí)進(jìn)行部分汽化和部分冷凝,使混合液得到分離的過程。</p><p><b> 精餾塔選定</b></p><p> 精餾使氣液兩相之間的傳質(zhì)過程,而傳質(zhì)過程是由能提供氣液兩相
36、充分接觸的塔設(shè)備完成,并要求達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式,可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量塔板,氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上液層進(jìn)行質(zhì)量、熱量傳遞,氣液相組成呈階梯變化,屬于逐級(jí)接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層,液體自塔頂填料表面下流,氣體逆流而上,與液相接觸進(jìn)行質(zhì)量、熱量傳遞,氣液相組成沿塔高連續(xù)變化,屬于微分接觸操作過程。我們選擇的是板式塔。</p><p>
37、; 板式塔大致可分為兩類:一類是有降液管的塔板,如泡罩、浮閥、篩板等;另一類是無降液管塔板,如柵板、穿流式波紋板等。工業(yè)上應(yīng)用較多的是前者。這里,我們選擇的是具有降液管的篩板塔。篩板塔是在塔板上鉆有均勻分布的篩孔,上升氣流經(jīng)篩孔分散、鼓泡通過板上液層,形成氣液密切接觸的泡沫層(或 噴射的液滴群)。</p><p> 篩板塔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造維修方便,造價(jià)低,相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定操作范
38、圍窄,小孔徑篩板易堵塞,不適宜處理粘性大的、臟的和帶固體粒子的液料。但設(shè)計(jì)良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性,對(duì)易阻塞的物系可采用大孔徑篩板。</p><p> 工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求:(1)生產(chǎn)能力大;(2)傳質(zhì)、傳熱效率高;(3)氣流的摩擦阻力小;(4)操作穩(wěn)定,適應(yīng)性強(qiáng),操作彈性大;(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,材料耗用量?。?6)制造安裝容易,操作維修方便。此外還要求不易堵塞、耐腐蝕等。</p><
39、;p> 實(shí)際上,任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求,因此,設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)塔型特點(diǎn)、物系性質(zhì)、生產(chǎn)工藝條件、操作方式、設(shè)備投資、操作與維修費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等因素,易矛盾的主次,綜合考慮,選擇適宜的塔型。</p><p><b> 設(shè)計(jì)方案確定</b></p><p><b> 1、確精餾流程的定</b></p>
40、<p> 精餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱塔、蒸餾釜(再沸器)、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器。熱量自塔釜輸入,物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離,由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中,熱能利用率很低,為此,在確定裝置流程時(shí)應(yīng)考慮余熱的利用,注意節(jié)能。</p><p> 另外,為保持塔的操作穩(wěn)定性,流程中除用泵直接將物料送入塔內(nèi)外,也可采用高位槽送料以免受泵操作波動(dòng)的影響。&l
41、t;/p><p> 塔頂冷凝裝置根據(jù)生產(chǎn)情況以決定采用分凝器或全凝器。一般,塔頂分凝器對(duì)上升蒸汽雖有一定增濃作用,但在石油等工業(yè)中獲取液相產(chǎn)品是往往采用全凝器,以便于準(zhǔn)確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料,則宜用分凝器。</p><p> 總之,確定流程時(shí)要較全面、合理地兼顧設(shè)備、操作費(fèi)用,操作控制及安全等諸多因素。</p><p><b> 2、操作
42、壓強(qiáng)的選擇</b></p><p> 精餾操作可在常壓、減壓和加壓下進(jìn)行。操作壓強(qiáng)常取決于冷凝溫度。一般,除熱敏性物料外,凡能通過常壓蒸餾不難實(shí)現(xiàn)分離要求,并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來的系統(tǒng),都采用常壓蒸餾;對(duì)熱敏性物料或混合液沸點(diǎn)過高的系統(tǒng)則宜采用減壓蒸餾;對(duì)常壓下餾出物的冷凝溫度過低的系統(tǒng),需提高塔壓或采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑;而常壓下呈氣態(tài)的物料必須采用減壓蒸餾。</p&g
43、t;<p> 我們要分離的物系——苯-甲苯采用常壓蒸餾即可。</p><p><b> 進(jìn)料熱狀態(tài)的選擇</b></p><p> 進(jìn)料熱狀態(tài)-進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q表達(dá),即:</p><p> q=每摩爾進(jìn)料變成飽和蒸汽所需熱量/每摩爾進(jìn)料的氣化潛熱</p><p> 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流比及
44、塔的熱負(fù)荷有關(guān)。進(jìn)料狀態(tài)有5種,即</p><p> q>1.0時(shí),為低于泡點(diǎn)溫度的冷液進(jìn)料;</p><p> q=1.0時(shí)為泡點(diǎn)下的飽和液體;</p><p> q=0為露點(diǎn)下的飽和蒸氣;</p><p> 1>q>0為介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)間的氣液混合物;</p><p> q<0為高于
45、露點(diǎn)的過熱蒸氣進(jìn)料。</p><p> 為使塔的操作穩(wěn)定,免于季節(jié)氣溫的影響,精餾段、提溜段采用相同塔徑以便于制造,則常采用飽和液體(泡點(diǎn))進(jìn)料,但需要增設(shè)原料預(yù)熱器。本方案采用泡點(diǎn)進(jìn)料即q=1.0。</p><p><b> 3、加熱方式</b></p><p> 蒸餾大多采用間接蒸汽加熱,設(shè)置再沸器。</p><p
46、><b> 4、回流比的選擇</b></p><p> 選擇回流比,主要從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā) ,力求使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)用 之和最低。一般經(jīng)驗(yàn)值為R=(1.1~2.0)Rmin。</p><p><b> 5、熱能利用</b></p><p> 精餾過程的特性是反復(fù)進(jìn)行部分汽化和部分冷凝,因此,熱效率低。一般進(jìn)入再沸器
47、能量的95%以上被塔頂冷凝器中的冷水或空氣帶走。在實(shí)際過程中應(yīng)考慮熱能利用的問題。如 塔頂蒸汽冷凝放出大量熱量,但能位較低,不可直接用來作為塔底熱源。如采用熱泵技術(shù)是塔頂蒸汽經(jīng)絕熱壓縮,提高溫度用于塔釜加熱,既節(jié)省了大量的加熱蒸汽或其他熱量,有節(jié)省了塔頂冷凝水或其他冷源。</p><p><b> 第二章 工藝計(jì)算</b></p><p><b> 一
48、、相平衡</b></p><p> 由任務(wù)書中給出的常壓下苯—甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù):</p><p> 利用公式Xa=P-Pb°/Pa°-Pb°;Ya=Pa°*Xa/P得出下表:</p><p> 二、物料衡算和操作線方程</p><p><b> 1、全塔物料衡算</
49、b></p><p><b> 總物料F=D+W</b></p><p> 易揮發(fā)組分FXF=DXD+W</p><p> 式中F、D、W——分別為進(jìn)料、餾出液和釜液的流量,kg/h;</p><p> XF、XD、XW——分別為進(jìn)料、餾出液和釜液中易揮發(fā)組分的組成,質(zhì)量分?jǐn)?shù)。</p><
50、;p> 已知F=36000*103/7200=5*104 kg/h</p><p><b> XW=0.025</b></p><p><b> XF==20.4%</b></p><p><b> XW==0.029</b></p><p> 所以MF=0.4
51、6*78+0.54*92=85.56</p><p> 所以原料流量F=5*104/85.56=584.39 kmol/h</p><p> 因?yàn)?0.97→D*XD=0.97*584.39*0.46=260.75</p><p> 因?yàn)镈+W=584.39</p><p> D*XD+W*XW=F*XF</p><
52、;p> 所以260.75+0.029W=584.39*0.46</p><p> W=298.62kmol/h</p><p> D=285.77kmol/h</p><p> 所以XD=0.912</p><p> 2、精餾段物料衡算——精餾段操作線方程</p><p> Yn+1=LXn/(L+D
53、)+DXD/(L+D)</p><p> L為精餾段內(nèi)回流液流量,kg/h;L=R*D</p><p> Xn為精餾段內(nèi)第n層理論板下降的液相組成,質(zhì)量分?jǐn)?shù);</p><p> Yn+1為精餾塔內(nèi)第n+1層理論板上升的蒸汽組成,質(zhì)量分?jǐn)?shù)。</p><p><b> 令R=L/D</b></p>&l
54、t;p> 有Y=RX/(R+1)+XD/(R+1)</p><p><b> 式中R為回流比。</b></p><p> Rmin=(XD-Yq)/(Yq-Xq)</p><p> 因泡點(diǎn)進(jìn)料Xq=XF=0.46 </p><p> Yq=αXF/(1+(α-1)XF)</p><p&
55、gt; 由于相對(duì)揮發(fā)度與平衡組分的氣液組成有一個(gè)關(guān)系式</p><p> Y=αX/(1+(α-1)X)</p><p> 整理得1/X于1/Y的一個(gè)線性關(guān)系,斜率為α將y=a*x/1+(a-1)*x)化為y(1-x)=ax(1-y)</p><p> 令Y=y(1-x),X=x(1-y),作圖,過圓點(diǎn),斜率就是a</p><p>
56、?。ň€性擬合法)y=2.4744x</p><p> 求得: α=2.47,Rmin=1.50</p><p> 取 R=2Rmin=3</p><p> 故精餾段操作線方程為: y=0.75x+0.228</p><p><b> 相平衡方程:X=</b></p><p&g
57、t; 2、提溜段物料方程——提溜段操作線方程</p><p> R'=(R+1)+(q-1) (q=1)</p><p> =(3+1)*=1.95</p><p> 故提溜段操作線方程為:</p><p> Y=(R+1)X/R'-XW/R'=X-0.029/1.95</p><p&g
58、t; =1.51X-0.0149</p><p><b> 3、進(jìn)料方程</b></p><p> 由于采用泡點(diǎn)進(jìn)料方式,故進(jìn)料方程即q線方程為垂直于x軸的直線即</p><p><b> Xf=0.46</b></p><p><b> 理論板數(shù)計(jì)算</b><
59、/p><p> 根據(jù)逐板求算法計(jì)算結(jié)果如下表所示:</p><p> 兩交點(diǎn):Xf===0.46</p><p> Y1=XD=0.912→X1=0.8075</p><p> Y2=0.8336→X2=0.6698</p><p> Y3=0.7303→X3=0.5230</p><p>
60、; Y4=0.6203→X4=0.3984<Xf=0.46</p><p> 所以,第4塊為進(jìn)料板</p><p> Y5=0.5862→X5=0.3645</p><p> Y6=0.5355→X6=0.3182</p><p> Y7=0.4656→X7=0.2608</p><p> Y8=0.
61、3789→X8=0.1960</p><p> Y9=0.2811→X9=0.1367</p><p> Y10=0.1915→X10=0.0875</p><p> Y11=0.1172→X11=0.051</p><p> Y12=0.0621→X12=0.0261<Xw</p><p><b&
62、gt; 所以理論板數(shù)為12</b></p><p><b> 四、塔板效率的確定</b></p><p> 塔板效率可根據(jù)公式ET=0.17-06161gμm計(jì)算。</p><p> 根據(jù)塔頂、塔底液相組成xD=0.912,xW=0.029,查圖2—1得,求得塔頂溫度t1=83℃,塔底溫度t2=107℃,得塔的平均溫度tm=
63、(t1+t2)/2=95℃。查表得μ苯=0.267×10-3Pa·s,</p><p> μ甲苯=0.275×10-3Pa·s,故該溫度下液相平均粘度μm=0.7μ苯+(1-0.7)μ甲苯=0.2694×10-3Pa·s。</p><p> 故 ET=0.17-0.6161gμm=78.6%</p>&l
64、t;p> 五、實(shí)際塔板數(shù)的求算</p><p> 精餾段實(shí)際塔板數(shù) N精=4/78.6%=5</p><p> 提餾段實(shí)際塔板數(shù) N提=8/78.6%=10</p><p> 總的實(shí)際塔板數(shù) NP=N精+N提=15</p><p> 六、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的
65、計(jì)算</p><p> 1、設(shè)表壓為5KPa</p><p> 塔頂壓力 PD=101.3+5=106.3KPa</p><p> 壓降 ?P=0.7KPa</p><p> 進(jìn)壓 PF=105.3+0.7×(5-1)=108.1KPa</p><p> 塔鑫壓 PW=1
66、08.1+0.7×(10-1)=114.4KPa</p><p> 提平壓 PM=(108.1+114.4)/2=111.256KPa</p><p><b> 由圖2—1知</b></p><p> 進(jìn)溫 xF=100℃</p><p> 塔鑫溫 tW=107℃</p>
67、;<p> 提平溫 tM=(100+107)/2=103.5℃ </p><p><b> 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算</b></p><p> 85℃時(shí),xD=0.912,xF=0.83</p><p> 塔頂:ML=0.83×78+(1-0.83)×92=80.38</p><p&
68、gt; MV=0.912×78+(1-0.912)×92=79.232</p><p> 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p> 100℃ 查表</p><p> 由于泡點(diǎn)進(jìn)料 xF=0.255,xF=0.452</p><p> 故 氣相 MV=0.255×78+(1-0
69、.255)×92=88.43kg/kmol</p><p> 液相 ML=0.452×78+(1-0.452)×92=85.672kg/kmol</p><p><b> 提留段平均摩爾質(zhì)量</b></p><p> 氣相 MV=(88.43+79.232)/2=83.83kg/k
70、mol</p><p> 液相 ML=(85.672+80.38)/2=83.026kg/kmol</p><p><b> 平均密度計(jì)算</b></p><p><b> ?。?)氣相平均密度</b></p><p> 有理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,即</p><
71、p> ρVm=(Pm×MVm)/RTm=(111.25×83.83)/[8.314×(273+103.5)]=2.98kg/m3</p><p> ?。?)液相平均密度的計(jì)算</p><p> 液相平均密度的計(jì)算可依下式計(jì)算</p><p> 1/ρLm=αA/ρLA+αA/ρLB (α為質(zhì)量分率)</p>
72、<p> 進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算</p><p> 由tF=100℃,查資料可知:ρA=792.5kg/m3,</p><p> ρB=790.3kg/m3</p><p> αA=(0.255×78)/[0.255×78+(1-0.255)×92]=0.225</p><p> 1/ρLm
73、=0.225/792.5+(1-0.225)/790.3</p><p> 故ρLm=790.79kg/m3</p><p> 塔釜液相平均密度計(jì)算</p><p> 由tW=107℃,查資料可得</p><p> ρA=783.96kg/m3,ρB=783.3kg/m3,</p><p> 塔釜的液相組成
74、 XW=0.029</p><p> αA=(0.029×78)/[0.029×78+(1-0.029)×92]=0.025</p><p> 1/ρLWm=0.025/783.96+(1-0.025)/783.3</p><p> ρLWm=783.3kg/m3</p><p> 提餾段液相平均密度為&
75、lt;/p><p> ρLm=(790.79+783.3)/2=787kg/m3</p><p> 液體平均表面張力的計(jì)算</p><p> 液相平均表面張力依下式計(jì)算,即</p><p><b> σLm=∑Xiσi</b></p><p> 進(jìn)料板液相表面張力的計(jì)算</p>
76、<p> 由tF=100.8℃,查資料可知</p><p> σA=18.85×10-3N/m,σB=19.94×10-3N/m</p><p><b> xF=0.255</b></p><p> σLFm=0.255×18.85×10-3+(1-0.255)×19.94&
77、#215;10-3=19.66×10-3N/m</p><p> 由tW=107℃,查資料可得</p><p> σA=18.017×10-3N/m,σB=18.869×10-3N/m,</p><p> σLWm=0.029×18.017×10-3+(1-0.029)×18.869×10-
78、3=18.84×10-3N/m,</p><p> 提餾段液相平均表面張力為</p><p> σLm=(19.66×10-3+18.84×10-3)/2=19.25×10-3N/m</p><p><b> 液相平均粘度的計(jì)算</b></p><p> 液相平均粘度依下式
79、計(jì)算,即</p><p> lgμLm=∑Xilgμm</p><p> 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算</p><p> 由tW=100℃,查資料可知</p><p> μA=0.255mPa·s,μB=0.264mPa·s</p><p><b> 帶入上述方程解得</b&g
80、t;</p><p> μLFm=0.262mPa·s</p><p> 塔釜液相平均粘度計(jì)算</p><p> 由tF=107℃,查資料可知</p><p> μA=0.2396mPa·s,μB=0.257mPa·s</p><p><b> 帶入上述方程解得<
81、/b></p><p> μLWm=0.257mPa·s</p><p> 提餾段液相平均粘度為</p><p> μLm=(0.262+0.257)/2=0.260mPa·s</p><p> 第三章 主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)</p><p> 完成精餾操作的塔設(shè)備,稱為精餾塔。也是本
82、次設(shè)計(jì)的主要設(shè)備。這里的工藝尺寸設(shè)計(jì)主要涉及到塔高、塔徑、塔板布置、溢流裝置、鼓泡區(qū)安排等設(shè)計(jì),塔板的流體力學(xué)校核以及塔板負(fù)荷性能圖的繪制等。</p><p> 3.1塔徑及提餾段塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定</p><p><b> 塔徑</b></p><p> 提餾段的氣液相體積流率為</p><p> Vs=(VM
83、Vm)/(3600ρVm)=(1143.08×83.83)/(3600×2.98)=8.932m3/s</p><p> Lh=(LMLm)/(3600ρLm)=(857.31×83.026)/(3600×787)=0.025m3/s</p><p> 由 umax=C((ρL-ρV)/ρV)½ C=C20(σL/20)0.
84、2</p><p><b> 圖的橫坐標(biāo)為</b></p><p> Lh/Vs(ρL/ρV)½=(0.025/8.932)×(787/2.98)½=0.045</p><p> 取板間距hT=0.45m,板上液層高度hL=0.07m,則</p><p> hT-hL=0.45-0.
85、07=0.38m</p><p> 查得 C20=0.085</p><p> 當(dāng)t頂=83℃時(shí),σ=20.907mN/m</p><p> C=C20(σ/20)0.2=0.085×(20.907/20)0.2=0.086</p><p> umax=C[(ρLm-ρVm)/ρVm]½=0.086×
86、;[(787-2.98)/2.98]½=1.395m/s</p><p> 取安全系數(shù)為0.7,則空塔氣速為</p><p> u=0.7umax=0.7×1.395m/s=0.9765m/s</p><p> DT=[(4Vs)/(πu)]½=[(4×8.932)/(π×0.9765)]½=3.41
87、m</p><p> 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 DT=3.5m</p><p><b> 塔截面積為</b></p><p> At=πD2=π×3.52/4=9.62m2</p><p><b> 實(shí)際空塔氣速為</b></p><p> u=Vs/A
88、T=8.932/9.62=0.928m/s</p><p><b> 精餾塔有效高度</b></p><p><b> 精餾塔有效高度為</b></p><p> Z精=(N精-1)hT=(5-1)×0.45m=1.8m</p><p> Z提=(N提-1)hT=(10-1)*0.
89、45=4.05m</p><p> 在進(jìn)料板上方開一人孔,其高度為1.15m</p><p> 故精餾塔的有效高度為</p><p> H=Z精+Z提+1.15=4.05+1.8+1.15=7m</p><p><b> 溢流裝置計(jì)算</b></p><p> 因塔徑受液D=3.5,可用
90、單溢流流弓形降液管,采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下:</p><p><b> ?、叛唛L(zhǎng)lw</b></p><p> 取 lw=0.7D=0.7*3.5=2.45</p><p><b> ?、埔缌餮吒叨萮w</b></p><p> 選用平直堰,堰上液層高度how</p>&
91、lt;p> How=0.00284E(Lh/lw)2/3</p><p> 取E=1,則how=0.00284*1*(3600*0.025/2.45)2/3=0.0314</p><p> 取板上清液層高度 hL=0.07m</p><p> 故 hw=0.07-0.0314=0.0386m</p><p> ?、枪谓狄汗軐挾?/p>
92、Wd和截面積Af</p><p> 由 lw/D=0.7 Wd/D=0.16</p><p> 故 Af=0.09AT=0.09*9.62=0.8658m2</p><p> Wd=0.16*D=0.16*3.5=0.56m</p><p> 驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間為</p><p> Τ
93、=3600AfHT/Lh=3600*0.45*0.8658/0.025/3600=15.58s>5s</p><p><b> 故降液管設(shè)計(jì)合理</b></p><p> ?、冉狄汗艿紫陡叨萮o</p><p> ho=Ls/(3600Lwuo) </p><p> 取 uo=0.4m/s</
94、p><p> 則 h0=0.025*3600/3600/2.45/0.4=0.0255</p><p> hw-h0=0.0386-0.0255=0.0131>0.006</p><p> 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。</p><p> 選用凹形受液旁,深度hw=0.05m</p><p><b
95、> 塔板布置</b></p><p><b> ?、潘宓姆植?lt;/b></p><p> 因 D>2\m,故采用雙流型,塔板采用分塊式</p><p> 所以 查表知 塔板分為3塊</p><p><b> ?、七吘墔^(qū)寬度確定</b></p><
96、p> 取 Ws=Wc=0.07Wc=0.04m</p><p><b> 3、開孔區(qū)面積計(jì)算</b></p><p> 開孔面積Aa按下式計(jì)算</p><p> Aa=2*【x(r2-x2)1/2】+3.14r2sin-1(x/r)/180</p><p> 其中x=D/4-(Wd+Ws)=3.5/4-
97、(0.56+0.07)=0.245m</p><p> r=D/4-Wc=3.5/4-0.07=0.805m</p><p> 故Aa=2*[0.245(0.8025-0.2452)]1/2</p><p> +3.14*0.8052sin-1(0.245/0.805)/180</p><p><b> =0.78m2<
98、;/b></p><p> 4、篩孔計(jì)算及其排列</p><p> 本例所處理的物系物腐蝕性,可選用δ=3mm碳鋼板,取篩孔直徑d0=5mm</p><p> 篩孔按正三角形排列,取孔中心距t為</p><p> t=3d=3*5=15mm</p><p><b> 篩孔數(shù)目n為</b&
99、gt;</p><p> N=2*(1.155Aa/t2)=2*1.155*0.78/0.0152=8008</p><p><b> 開孔率為</b></p><p> Ф=0.907(d0/t)2=10.08%</p><p> 每層塔板上的開孔面積A0為</p><p> A0=Ф
100、Aa=10.08%*0.78=0.0786m2</p><p> 氣體通過閘孔的氣速為</p><p> u0=Vs/A0=0.928/0.0786=11.8m/s</p><p> 3.2塔板的流體力學(xué)校核</p><p> 一.氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮p</p><p> ?。?)干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐?/p>
101、高度hc計(jì)算</p><p><b> 干板阻力由下式計(jì)算</b></p><p> hc =0.051(u0/c0)^2(pv/pl)</p><p> 由d0/=5/3=1.67查圖可知c0=0.84</p><p> 故 hc=0.051*(11.86/0.84)2*2.98/78
102、7)=0.0381m</p><p> (2)氣體通過液層的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮1計(jì)算</p><p><b> 可由下式計(jì)算</b></p><p><b> h1=hl</b></p><p> ua=Vs/(AT-Af)=8.932/(9.62-0.8658)=1.02m/s</
103、p><p> Fu=ua()1/2=1.76</p><p><b> 查圖可知</b></p><p><b> =0.65</b></p><p> hl=0.65*0.07=0.0455m</p><p> ?。?)液體表面張力的阻力h0計(jì)算</p>
104、<p> Ho=4=4*19.25*10-3/(787*9.81*0.005)=0.00199m</p><p><b> 故 </b></p><p> Hp=0.0455+0.0381+0.00199=0.0856m</p><p><b> 單板壓降</b></p><p&g
105、t; Pp=hpgL=0.0856*787*9.81=660.87Pa<0.7kPa</p><p> 二·霧沫夾帶量ev的驗(yàn)算</p><p> 依式 Ev=(5.7*10-6/)/*(Ua/(HT-hf))3.2</p><p> =(5.7*10-6/)19.25*10-3*(1.02/(0.45-2.5*0.0
106、7))3.2</p><p> =0.0196<0.1</p><p> 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶。</p><p><b> 三.漏液的驗(yàn)算</b></p><p> 依式 Uow=4.4*0.84[(0.0056+0.13*HL-HP)*L/V]1/2</p><p>
107、; =4.4*0.84[(0.0056+0.13*0.07-0.00199)*(787/2.98)1/2</p><p><b> =6.77m/s</b></p><p> 篩板的穩(wěn)定系數(shù) K=Uo/Uow=11.8/6.77=1.74>1.5</p><p> 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液</p><
108、;p><b> 四.泛液驗(yàn)算</b></p><p> 為防止降液管液泛的發(fā)生,應(yīng)使降液管中清液層高度Hd<= (Ht+Hw)</p><p><b> 依式</b></p><p> Hd=hp+Hl+hd可計(jì)算降液管中清液層高度</p><p> hd=0.153(Ls/l
109、w*ho)2=0.153*(0.025/(0.0255*2.45))2=0.0245m</p><p><b> 取 </b></p><p> =0.5,則(Ht+Hw)=0.5*(0.45+0.0386)=0.2443</p><p> 故 Hd< (Ht+Hw),在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。</p>&
110、lt;p> 根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)流體力學(xué)驗(yàn)算,可以認(rèn)為提餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。</p><p> 3.3塔板的負(fù)荷性能圖</p><p><b> 霧沫夾帶線</b></p><p> 依式 Ev=(5.7*10-6/)/*(Ua/(HT-hf))3.2</p><p> 式中
111、 Ua=Vs/(AT-Af)=Vs/(9.62-0.8658)=0.15Vs</p><p> 故 Hf=2.5(hw-how)=2.5(hw+0.0284E(3600Ls/lw)2/3)</p><p> 近似取 E=1 hw=0.0386 lw=2.45m</p><p> 故
112、 hf=2.5*(0.00386+0.0284*(3600ls/2.45)2/3)</p><p> =0.0965+9.18l=2/3 </p><p> 取霧沫夾帶極限值ev為0.1kg液/kg氣,已知=19.25*10-3N/m,HT=0.45m</p><p> 將(a)(b)帶入(c)得下式:</p><p&
113、gt; Vs=0.796-20.676Ls2/3 </p><p> 在操作范圍內(nèi)任取幾個(gè)Ls值,依上式算出相應(yīng)的VS值列于附表中</p><p><b> 二、泛液線</b></p><p> 取立 Hd=hp+hl+hd和Hd<= (HT+hw)得</p><p> (HT+
114、hw)=hp+hw+how+hd</p><p> 近似取 E=1,lw=0.84,由how=0.00284E(Lh/lw)2/3</p><p> 得 how=0.00284E(Lh/lw)2/3</p><p> =0.00284(3600Lh/0.84)2/3</p><p> 故
115、 how=0.367Ls2/3</p><p> 由 hc =0.051(u0/c0)^2(pv/pl)=hc=0.051(VS/COAO)2(pv/pl)</p><p> =0.443VS2 </p><p> 由 hL=(how+hw)=0.65*(0.0386+0.367kh2/3)
116、</p><p> =0.0251+0.2386Lh2/3</p><p> Ho=0.00199m</p><p> 故 hp=0.443VS2+0.0251+0.2386Lh2/3+0.00199</p><p> 由式 hd=0.153[(LS/(lw*ho))]2</p>
117、;<p> =0.153*(LS/(2.45*0.0255))2=39.2LS</p><p> 將 HT=0.45,hw=0.0386,=0.5,及(d)(e)(f)帶入 (HT+hw)=hp+hw+how+hd</p><p> 得 VS2=0.403-1.367LS2/3-88.49LS2</p><p>
118、 在操作范圍內(nèi)任取幾個(gè)Ls值,依上式算出相應(yīng)的VS值列于附表中</p><p><b> 液相負(fù)荷上限線</b></p><p> 液體在降液管中停留的時(shí)間為9S,</p><p> 由式 Ls,max=(HT*AF)/=0.45*0.8658/9=0.04329m3/s</p><p> 液相負(fù)荷上限線在
119、坐標(biāo)圖上為氣體流量無關(guān)的垂直線。</p><p> 液漏線(氣相負(fù)荷下限線)</p><p> 由 hl=0.0251+0.2386Lh2/3,uow=Vs,min/AO帶入</p><p> UOW=4.4*0.85*9(0.0086+0.13*hl-ho)L/V)1/2</p><p> Vs,min=0.411*[(
120、0.663+16.19Ls2/3)]1/2</p><p> 此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式,在操作范圍內(nèi)任取幾個(gè)Ls值,依上式算出相應(yīng)的VS值列于附表中</p><p><b> 液相負(fù)荷下限線</b></p><p> 取平堰,堰上液層高度how=0.006m作為液相負(fù)荷下限線條件,E=1,</p><p> 則
121、 0.006=0.00284E(3600Ls,min/lw)2/3</p><p> 得 Ls,min=0.00209m3/s</p><p> 塔板性能圖如下表示:</p><p><b> 其中:</b></p><p><b> 紫色的線是: 漏液</b&
122、gt;</p><p> 紅色的線是: 霧沫夾帶</p><p><b> 青色的線是: 液泛</b></p><p> 棕色的線是: 操作線</p><p> 橘黃色的線: 左邊的是液下限、右邊的是氣上限</p><p> 五條線包圍區(qū)域?yàn)榫s塔塔板操作區(qū),P為操作點(diǎn),OP為操作線。O
123、P 與霧沫夾帶線的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為Vs,max,OP線與氣相負(fù)荷下限線即漏液線的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為Vs,max??芍驹O(shè)計(jì)塔板上限由霧沫夾帶控制,下限有漏液控制。</p><p> 精餾塔的操作彈性=Vs,max/Vs,min=2.108/0.375=5.621</p><p> 3·4 總塔高、總壓降及接管尺寸的確定</p><p> 塔總高度
124、由下式?jīng)Q定:</p><p> H = HT + SHT’ + HF + HB</p><p> 設(shè)有兩人孔,則:S = 2</p><p> 取 HT’ = 0.8 HF = 0.7 HB = 0.8</p><p> H = 7 + 2×0.8 + 0.7 + 0.8 = 10.3</
125、p><p><b> 塔總壓降</b></p><p> △P = 0.66*13=8.593kpa</p><p><b> 接管尺寸</b></p><p><b> 1、塔頂蒸汽管dp</b></p><p> 塔頂?shù)嚼淠艿恼羝麑?dǎo)管,必須有
126、合適的尺寸,以免壓力過大,管徑dp可按下式計(jì)算:</p><p> dp = [ Vs/(∏uv)]1/2</p><p> 式中蒸汽速度uv在常壓操作時(shí)取12~20m/s,絕對(duì)壓力為6000Pa~14000Pa時(shí)取30~50m/s,絕對(duì)壓力小于6000Pa時(shí)取50~70m/s。</p><p><b> 2、回流管dR</b></
127、p><p> 通常,重力回流管內(nèi)流速uR時(shí)取0.2~0.5m/s,強(qiáng)制回流時(shí)uR取1.5~2.5m/s?;亓鞴苤睆絛R為:</p><p> dR=[4Lh/(3600∏uRpL)]1/2</p><p> 3、進(jìn)料管df和塔釜出料管dw</p><p> 料液由高位槽流入塔內(nèi)時(shí),進(jìn)料管內(nèi)流速uf可取0.4~0.8m/s;或由泵輸運(yùn),uf
128、可取1.5~2.5m/s,塔釜流出液流速uw一般取0.5~1.0m/s,計(jì)算公式與前面所述回流管徑的計(jì)圓算式相同。</p><p> 所有計(jì)算所得尺寸均應(yīng)整到相應(yīng)規(guī)格的直徑</p><p><b> 輔助設(shè)備選型與計(jì)算</b></p><p><b> 塔體總結(jié)構(gòu)</b></p><p>
129、板式塔內(nèi)部裝有塔板、降液管、各物流的進(jìn)出口管及人孔、基座、除沫器等附屬設(shè)備。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。</p><p> 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)高于塔板間距(甚至高出一倍以上),或根據(jù)除沫器要求高度決定。</p><p> 塔底空間 指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值由如下二因素決定,即:
130、塔底貯液空間依貯存液量停留3~5min或更長(zhǎng)時(shí)間而定;塔底液面至最下層塔板之間要有1~2m的間距,大塔可大于此值。</p><p> 進(jìn)料位置 通過工藝計(jì)算可以確定最適合的進(jìn)料位置,但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮具體情況進(jìn)一步安排不同的進(jìn)料位置。一般離最適宜進(jìn)料位置的上下約1~3塊塔板處再設(shè)置兩個(gè)進(jìn)料口。相鄰兩個(gè)進(jìn)料位置的距離應(yīng)由設(shè)計(jì)者綜合多種因素確定。</p><p> 入孔 一般
131、每隔6~8層塔板設(shè)一入孔(安裝、檢修用),當(dāng)塔需經(jīng)常清洗時(shí),則每隔3~4層塔板設(shè)一入孔。設(shè)入孔處的板間距等于或大于600mm,入孔直徑一般為450~500mm(特殊的也有長(zhǎng)方形入孔),其伸出塔體的簡(jiǎn)體長(zhǎng)為200~250mm,入孔中心距操作平臺(tái)約800~1200mm。</p><p> 塔高 前面已計(jì)算。</p><p><b> 冷凝器</b></p&g
132、t;<p> 常用的冷凝器大多為列管式,并使蒸汽在殼程冷凝,冷卻水或其他冷卻劑在管程流動(dòng)以提高傳熱系數(shù)和便于排出凝液。在求得所需的傳熱面積后,應(yīng)考慮有一定裕度供調(diào)節(jié)之用,并根據(jù)冷凝器的規(guī)格來具體選取,特殊情況下亦可另外進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p> 多數(shù)情況下,冷凝管水平的安裝于塔頂,利用重力使部分凝液自動(dòng)流入塔內(nèi)作為回流,稱為自流式。冷凝器距塔頂回流液入口所需的高度可根據(jù)回流量和管路阻力計(jì)算,并
133、應(yīng)有一定裕度。當(dāng)冷凝器很大時(shí),為便于安裝檢修和調(diào)節(jié),常將冷凝器裝于地面附近,回流液用泵輸送,稱為強(qiáng)制回流式,這時(shí),在冷凝器和泵之間宜加設(shè)冷凝儲(chǔ)罐來作為緩沖;另外,由于管路散熱的影響,返至塔頂?shù)臏囟认鄬?duì)較低,屬于冷回流的情況。</p><p> 對(duì)于直徑較小的塔,冷凝器宜較小,可考慮將它直接安裝于塔頂和塔連成一體。這種整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小,不需要冷凝器的支座,缺點(diǎn)是塔頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝檢修不便。</p&
134、gt;<p><b> 再沸器</b></p><p> 常用的再沸器有立式和臥式兩種。在立式再沸器中,由于管內(nèi)物料被加熱而使密度減小,與塔底物料形成的自然循環(huán)效果好,有利于提高傳熱系數(shù),還具有占地面積小,物料在管內(nèi)流動(dòng)便于清洗的優(yōu)點(diǎn)。但它要求有較高的塔的支座,以保證物料循環(huán)所需的壓頭。當(dāng)再沸器的傳熱面積較大時(shí),為避免支座過高和管數(shù)過多引起的物料循環(huán)不均勻,可采用臥式再沸器
135、。但臥式再沸器也有一定缺點(diǎn),入物料在殼程通過難以清洗,常不得不采用較復(fù)雜的浮頭或U型管結(jié)構(gòu),且自然循環(huán)的傳熱效果較差和占地面積較大。</p><p> 綜上所述,本設(shè)計(jì)采用的是列管式塔頂及塔底產(chǎn)品冷凝器和立式再沸器。</p><p> 第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</p><p> Aa---塔板開孔面積,m2 N---塔板數(shù)&
136、lt;/p><p> Af---降液管面積,m2 Np---實(shí)際塔板數(shù) </p><p> A0--- 篩板面積,m2 NT---理論塔板數(shù) </p><p> At---塔截面積,m2 n---篩孔數(shù)</p>
137、<p> C---負(fù)荷系數(shù),量綱為1 P---操作壓強(qiáng),KPa</p><p> C0---流量系數(shù),量綱為1 ΔP---壓強(qiáng)降,KPa</p><p> D---塔頂流出液流量,Kmol/h q---進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)</p><p> D---塔徑
138、,m R---回流比,m</p><p> D0---篩板直徑,mm r---開孔區(qū)半徑,m</p><p> E---液流收縮系數(shù),量綱為1 t---篩孔中心距,m</p><p> ET---全版效率,量綱為1
139、 u---空塔氣速,m/s</p><p> ev---液沫夾帶量,Kg液/kg氣 ua---按開孔區(qū)流通面積計(jì)算的氣速,m/s</p><p> F---進(jìn)料流量,Kmol/h u0---篩孔氣速,m/s</p><p> Fa---相動(dòng)能因數(shù),m/s(kg/m
140、3)1/2 u0, --- 降液管底隙處液體流速,m/s</p><p> g---重力加速度,m/s2 V---塔內(nèi)上升蒸汽量Kmol/h</p><p> H---塔高,m Vs---塔內(nèi)上升蒸汽量m/s</p>
141、<p> hT---板間距,m W---塔底產(chǎn)品流量,Kmol/h</p><p> hC---與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m Wc---有效區(qū)寬度,m</p><p> hd---與液體流經(jīng)降液管壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m Wd--弓形降液管寬度,m</p><p> ht---與氣
142、流穿過板上液層的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m x---液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù) </p><p> hf---板上鼓泡區(qū)高度,m y---氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)</p><p> hl---j即可堰與降液管間的水平高度,m Z---塔的有效高度,m</p><p&
143、gt; hL--板上層液高度,m β---干篩孔流量系數(shù)修正系數(shù)量綱為1 </p><p> h0---降液管底隙高度,m δ--篩板厚度,m</p><p> How---堰上層液高度,m ∑0--板上液層充氣系數(shù),量綱為1 </p><p&g
144、t; Hp---與單板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?,m ψ---開孔率</p><p> Hw---溢流堰高度,m µ---粘度,mpa*s</p><p> K---篩板的穩(wěn)定系數(shù),量綱為1 ρL---液相密度,kg/m3</p><p> Hδ---與克服液體表面張力的
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