課程設(shè)計(jì)---分離苯-甲苯篩板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　食品工程原理</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p><b>　　篩板式精餾塔設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一部分 概述&

2、lt;/b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目...........................................................................................3</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù).................................................................

3、..........................3</p><p>　　設(shè)計(jì)條件...........................................................................................3</p><p>　　工藝流程圖………………………………………………………...3</p><p>

4、　　第二部分 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　設(shè)計(jì)方案的確定..............................................................................4</p><p>　　精餾塔的物料衡算..................................................................

5、........4</p><p>　　1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)........................................................4</p><p>　　2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量................................................4</p><p>

6、　　3.物料衡算原料處理量....................................................................................4</p><p>　　三、塔板數(shù)的確定.................................................................................4</p>

7、;<p>　　1.理論板層數(shù)的求取.................................................................................4</p><p>　　2.實(shí)際板層數(shù)的求取.................................................................................

8、......6</p><p>　　精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算.................................6</p><p>　　1.操作壓力計(jì)算................................................................................................6</p>

9、<p>　　2.操作溫度計(jì)算................................................................................................6</p><p>　　3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算.....................................................................

10、...................6</p><p>　?、潘斈栙|(zhì)量計(jì)算.........................................6</p><p>　?、七M(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算...................................6</p><p>　?、翘狃s段平均摩爾質(zhì)量......................

11、.................7</p><p>　　4.平均密度計(jì)算...............................................................................................7</p><p>　?、艢庀嗥骄芏扔?jì)算.........................................7&

12、lt;/p><p>　?、埔合嗥骄芏扔?jì)算.........................................7</p><p>　　5.液相平均表面張力計(jì)算...............................................................................7</p><p>　　⑴塔頂液相平均表面

13、張力計(jì)算.................................7</p><p>　　⑵進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算...............................7</p><p>　　6.液相平均粘度計(jì)算................................................................................

14、.......8</p><p>　　⑴塔頂液相平均粘度計(jì)算.....................................8</p><p>　?、七M(jìn)料板液相平均粘度計(jì)算...................................8</p><p>　　五、精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算................................

15、.........................8</p><p>　　1.塔徑的計(jì)算...................................................................................................8</p><p>　　2.精餾塔有效高度計(jì)算..............................

16、.....................................................9</p><p>　　塔板主要工藝尺寸的計(jì)算...........................................................9</p><p>　　1.溢流裝置計(jì)算.........................................

17、.....................................................9</p><p>　?、叛唛L(zhǎng)..................................................9</p><p>　?、埔缌餮吒叨?..........................................9</p><

18、p>　?、枪谓狄汗軐挾群徒孛娣e..........................9</p><p>　　2.塔板布置....................................................................................................9</p><p>　?、潘宓姆謮K...............

19、..............................9</p><p>　?、七吘墔^(qū)寬度確定.........................................9</p><p>　?、?開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算........................................9</p><p>　?、群Y孔計(jì)算及其排列...........

20、............................10</p><p>　　篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算..................................................................11</p><p>　　1.塔板壓降.............................................................

21、.......................................11</p><p>　　⑴干板阻力計(jì)算........................................11</p><p>　?、茪怏w通過(guò)液層的阻力計(jì)算..............................11</p><p>　?、且后w表面張力的阻力計(jì)算.....

22、.........................11</p><p>　　2.液面落差...................................................................................................12</p><p>　　3.液沫夾帶..................................

23、.................................................................12</p><p>　　4.漏液...........................................................................................................12</p><p

24、>　　5.液泛...........................................................................................................12</p><p>　　塔板負(fù)荷性能圖.......................................................................

25、..13</p><p>　　1.漏液線.......................................................................................................13</p><p>　　2.液沫夾帶線.....................................................

26、..........................................13</p><p>　　3.液相負(fù)荷下限線.......................................................................................14</p><p>　　4.液相負(fù)荷上限線.......................

27、................................................................14</p><p>　　5.液泛線.......................................................................................................14</p><p>

28、　　九、設(shè)計(jì)一覽表.................................................................16</p><p>　　十、參考文獻(xiàn)……………………………………………17</p><p><b>　　第一部分 概述</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：篩板式精餾塔設(shè)計(jì)</p>

29、<p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　試設(shè)計(jì)分離苯-甲苯混合物的篩板精餾塔。已知原料液的處理量為4000kg/h，組成為0.38（苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），要求塔頂餾出液的組成為0.98，塔底釜液的組成為0.01。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)條件</b></p><p>　　試根據(jù)上

30、述工藝條件作出篩板的設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p><b>　　四、工藝流程圖</b></p><p>　　原料液由高位槽經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔內(nèi)。操作時(shí)連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海┰俜衅髦性弦翰糠制a(chǎn)生上升蒸汽，依次通過(guò)各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進(jìn)入貯槽再經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液

31、體，其余部分經(jīng)過(guò)冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進(jìn)行，流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵,有時(shí)還要設(shè)置高位槽。且在適當(dāng)位置設(shè)置必要的儀表（流量計(jì)、溫度計(jì)和壓力表）。以測(cè)量物流的各項(xiàng)參數(shù)。</p><p>　　第二部分 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案的確定</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

32、為分離苯-甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，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)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品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，故操作回流比取最小回流比的2倍。</p><p>　　二、精餾塔的物料衡算</p><p>　　1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)</p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量

33、 =78.11Kg/mol</p><p>　　甲苯的摩爾質(zhì)量 =92.14Kg/mol</p><p><b>　　==0..420</b></p><p><b>　　==0.983</b></p><p><b>　　==0.012</b></p>

34、<p>　　2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　=0.42078.11+(1-0.420)92.14=86.25Kg/mol</p><p>　　=0.98378.11+(1-0.983)92.14=78.35Kg/mol</p><p>　　=0.01278.11+(1-0.012)92.14=91.96Kg/mol</

35、p><p>　　3.物料衡算原料處理量 </p><p>　　==46.38Kmol/h</p><p>　　總物料衡算 46.38=D+W</p><p>　　苯物料衡算 46.380.420=0.983D+0.012W</p><p>　　聯(lián)立解得

36、 D=19.49Kg/mol，W=26.89Kg/mol</p><p><b>　　塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　1.理論板層數(shù)的求取</p><p>　　苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。</p><p>　?、儆墒謨?cè)查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖</p><

37、;p>　　1.0 1</p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　5</b></p><p><

38、b>　　f</b></p><p><b>　　6</b></p><p><b>　　7</b></p><p><b>　　q線</b></p><p>　　8 </p&

39、gt;<p>　　e(0.42,0.42)</p><p><b>　　9</b></p><p><b>　　10</b></p><p><b>　　1.0</b></p><p><b>　　0</b></p><

40、p>　?、谇笞钚』亓鞅燃安僮骰亓鞅?lt;/p><p>　　采用作圖法求最小回流比。在圖中對(duì)角線上，自點(diǎn)e（0.42，0.42）做垂線，ef即為 進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為：</p><p>　　=0.642 =0.420</p><p><b>　　

41、故最小回流比為：=</b></p><p><b>　　取操作回流比為：</b></p><p>　?、矍缶s塔的氣、液相負(fù)荷</p><p><b>　　Kmol/h</b></p><p><b>　　Kmol/h</b></p><p>

42、;<b>　　Kmol/h</b></p><p><b>　　Kmol/h</b></p><p><b>　?、芮蟛僮骶€方程</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程 </b></p><p><b>　　提餾段操作線方程<

43、/b></p><p>　?、輬D解法求理論板層數(shù)</p><p>　　采用圖解法求理論板層數(shù)，求解結(jié)果為：</p><p>　　總理論板層數(shù)，進(jìn)料板位置</p><p><b>　　實(shí)際板層數(shù)的求取</b></p><p><b>　　精餾段實(shí)際板層數(shù)：</b><

44、/p><p><b>　　提餾段實(shí)際板層數(shù)：</b></p><p>　　精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　1.操作壓力計(jì)算</b></p><p>　　塔頂操作壓力 kPa</p>&

45、lt;p>　　每層塔板壓降 kPa</p><p>　　進(jìn)料板壓力 kPa</p><p>　　提餾段平均壓力 kPa</p><p><b>　　2.操作溫度計(jì)算</b></p><p>　　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，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。計(jì)算結(jié)

46、果如下:</p><p>　　塔頂溫度 進(jìn)料板溫度</p><p>　　3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　⑴塔頂摩爾質(zhì)量計(jì)算：由</p><p>　?、七M(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p><b>　　由圖解理論板，得 </b></p><p><b&g

47、t;　　查平衡曲線，得 </b></p><p>　?、翘狃s段平均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　4.平均密度計(jì)算</b></p><p><b>　?、艢庀嗥骄芏扔?jì)算</b></p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即</p><p><b&g

48、t;　?、埔合嗥骄芏扔?jì)算</b></p><p>　　液相平均密度依下式計(jì)算：</p><p>　?、偎斠合嗥骄芏扔?jì)算：</p><p><b>　　由，查手冊(cè)得 </b></p><p>　?、谶M(jìn)料板液相平均密度計(jì)算</p><p><b>　　由，查手冊(cè)得 <

49、;/b></p><p>　　進(jìn)料板液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算</p><p>　?、劬s段液相平均密度為 </p><p>　　5.液相平均表面張力計(jì)算</p><p>　　液相平均表面張力依下式計(jì)算，即</p><p>　?、潘斠合嗥骄砻鎻埩τ?jì)算</p><p><b>　　由

50、，查手冊(cè)得 </b></p><p>　?、七M(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算</p><p><b>　　由，查手冊(cè)得 </b></p><p>　　精餾段液相平均表面張力為：</p><p>　　6.液相平均粘度計(jì)算</p><p>　　液相平均粘度依下式計(jì)算：</p>

51、<p>　?、潘斠合嗥骄扯扔?jì)算</p><p><b>　　由，查手冊(cè)得 </b></p><p><b>　　解得 </b></p><p>　?、七M(jìn)料板液相平均粘度計(jì)算</p><p><b>　　由，查手冊(cè)得 </b></p><p

52、><b>　　解得 </b></p><p>　　精餾段液相平均粘度為 </p><p>　　精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算</p><p><b>　　1.塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　精餾段的氣、液相體積流率為：</p><p>　　由，式中由式（5-5）計(jì)

53、算，其中的由圖5-1查取，圖的橫坐標(biāo)為： </p><p><b>　　取板間距，則</b></p><p>　　查圖5-1得=0.070</p><p>　　按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 </p><p>　　塔截面積為 </p><p>　　實(shí)際空塔氣速為

54、 </p><p>　　2.精餾塔的有效高度的計(jì)算</p><p>　　精餾段有效高度為 <

55、;/p><p>　　提餾段有效高度為 </p><p>　　在進(jìn)料板上方開(kāi)一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為</p><p>　　塔板主要工藝尺寸的計(jì)算</p><p><b>　　1.溢流裝置計(jì)算</b></p><p>　　篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤(pán)等幾部分。其尺

56、寸和結(jié)構(gòu)對(duì)塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合其他影響因素，當(dāng)因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰，采用凹形受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下：</p><p><b>　?、叛唛L(zhǎng)</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　?、埔缌餮吒叨?lt;/b></p>

57、<p>　　由，選用平直堰，堰上液層高度</p><p><b>　　近似取E=1，則</b></p><p><b>　　取板上清液層高度 </b></p><p>　　⑶弓形降液管寬度和截面積</p><p><b>　　由</b></p><

58、p>　　故 </p><p>　　依式（5-9）驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即</p><p><b>　　故降液管設(shè)計(jì)合理。</b></p><p><b>　?、冉狄汗艿紫陡叨?lt;/b></p><p><b>　　取 </b></p>

59、<p>　　故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。</p><p>　　選用凹形受液盤(pán)，深度</p><p><b>　　2.塔板布置</b></p><p><b>　?、潘宓姆謮K</b></p><p>　　因，故塔板采用分塊式。查表5-3得，板塊分為3快。</p><p

60、><b>　?、七吘墔^(qū)快讀確定</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　⑶開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算</b></p><p>　　開(kāi)孔區(qū)面積按式（5-12）計(jì)算，即</p><p>　　其中 </p><p>

61、<b>　　故 </b></p><p><b>　　⑷篩孔計(jì)算及其排列</b></p><p>　　本例所處理的物系無(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</p><p><b>　　篩孔數(shù)目 </b></p>

62、;<p><b>　　開(kāi)孔率為 </b></p><p>　　氣體通過(guò)篩孔的氣速為 </p><p>　　七、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算</p><p><b>　　1.塔板壓降</b></p><p><b>　?、鸥砂遄枇?lt;/b></p>&l

63、t;p><b>　　干板阻力</b></p><p><b>　　由</b></p><p><b>　　故</b></p><p>　?、茪怏w通過(guò)液層的阻力計(jì)算</p><p>　　氣體通過(guò)液層的阻力由式（5-20）計(jì)算：</p><p>　　查

64、圖5-11，得。故</p><p>　　⑶液體表面張力的阻力計(jì)算</p><p>　　液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由式（5-23）計(jì)算：</p><p>　　氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度可按下式計(jì)算：</p><p>　　氣體通過(guò)每層塔板的壓降為： </p><p><b>　　2.液面落差</b>&

65、lt;/p><p>　　對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 </p><p><b>　　液沫夾帶</b></p><p>　　液模夾帶量由式（5-24）計(jì)算：</p><p><b>　　故 </b></p><p>　　在本設(shè)計(jì)中

66、液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　4.漏液</b></p><p>　　對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由式（5-25）計(jì)算：</p><p><b>　　實(shí)際孔速 </b></p><p><b>　　穩(wěn)定系數(shù)為 </b></p><

67、p>　　故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。</p><p><b>　　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</p><p>　　苯-甲苯物系屬一般物系，取，則</p><p>　　板上不設(shè)進(jìn)口堰，可由式（5-30）計(jì)算，即</p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生

68、液泛現(xiàn)象。</p><p><b>　　塔板負(fù)荷性能圖</b></p><p><b>　　1漏液線</b></p><p>　　漏液線，又稱(chēng)氣相負(fù)荷下限線。氣相負(fù)荷低于此線將發(fā)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。</p><p><b>　　整理得 </b

69、></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)果列于下表。</p><p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 </p><p><b>　　2.液沫夾帶線</b></p><p>　　當(dāng)氣相負(fù)荷超過(guò)此線時(shí)，液沫夾帶量過(guò)大，使塔板效率大為降低。對(duì)于精餾，一般控制eV≤0.1kg液/kg氣。以

70、ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關(guān)系如下:</p><p><b>　　由 </b></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)果列于下表。</p><p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。</p>

71、<p><b>　　3液相負(fù)荷下限線</b></p><p>　　液相負(fù)荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導(dǎo)致塔板效率下降。 對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式（5-7）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>

72、;<p><b>　　4.液相負(fù)荷上限線</b></p><p>　　該線又稱(chēng)降液管超負(fù)荷線。液體流量超過(guò)此線，表明液體流量過(guò)大，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，進(jìn)入降液管的氣泡來(lái)不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。</p><p>　　以作為液體在漿液管中停留時(shí)間的下限，由式（5-9）得</p><p>　　

73、據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。</p><p><b>　　5.液泛線</b></p><p>　　若操作的氣液負(fù)荷超過(guò)此線時(shí)，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算中通常對(duì)降液管液泛進(jìn)行驗(yàn)算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度Hd</p>

74、;<p><b>　　令</b></p><p><b>　　聯(lián)立得 </b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入，得：</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)果列于下表：</p&

75、gt;<p>　　由此表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5</p><p>　　根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖：</p><p>　　泡沫夾帶線2 </p><p>　　下 液泛線5</p><p><b>　　限</b>&l

76、t;/p><p><b>　　線上</b></p><p>　　3 限</p><p><b>　　線</b></p><p><b>　　4</b></p><p><

77、b>　　A</b></p><p><b>　　漏液線1</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得</p><p>　　故操作彈性為

78、 </p><p><b>　　九、設(shè)計(jì)一覽表</b></p><p>　　將設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于下表：</p><p><b>　　十、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王國(guó)勝. 化工原理課程設(shè)計(jì)[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.</p><p>