化工單元操作課程設計--苯-氯苯連續(xù)精餾篩板塔的設計

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文檔簡介

1、　　課程設計　　二O一三年六月十五日　　目錄　　1 設計任務1　　1.1 設計題目1

2、　　1.2 操作條件1　　1.3 塔板類型1　　1.4 工作日1　　1.5 廠址1　　1.6 設計內容1　　1.7 工作計劃2</p&g

3、t;　　1.8 設計成果要求2　　2 工藝設計計算3　　2.1 設計方案的確定3　　2.2 基礎數(shù)據(jù)3　　2.3 精餾塔的物料衡算4　　2.4 塔板數(shù)的確定4<p&g

4、t;　　2.5 精餾塔精餾段的工藝條件及有關物性數(shù)控的計算6　　2.6 精餾塔精餾段的塔體工藝尺寸計算9　　2.7 塔板主要工藝尺寸的計算9　　2.8 精餾段篩板的流體學驗算11　　2.9 精餾段塔板負荷性能圖13　　2

5、.10 精餾塔提餾段的工藝條件及有關物性數(shù)控的計算16　　2.11 精餾塔提餾段的塔體工藝尺寸計算19　　2.12 提餾段篩板的流體學驗算20　　2.13 提餾段塔板負荷性能圖22　　2.14 數(shù)據(jù)結果匯總24　　3 評

6、述與討論26　　4 設備圖紙27　　5 參考文獻28　　1 設計任務　　1.1 設計題目&

7、lt;p>　　在一常壓操作的連續(xù)精餾塔內分離苯－氯苯混合物。要求年處理量為8萬噸，組成為苯0.35（質量分率，下同），餾出液組成為0.98，塔釜液組成為0.02。　　1.2 操作條件　　操作壓力：4kPa（表壓）　　進料狀況：自選&

8、lt;/p>　　回流比：自選　　單板壓降：<0.7kPa　　1.3 塔板類型　　篩板　　1.4 工作日&l

9、t;/b>　　每年330天，每天24小時連續(xù)運行　　1.5 廠址　　蚌埠地區(qū)　　1.6 設計內容　　1）精餾塔

10、的物料衡算　　2）塔板數(shù)的確定　　3）精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算　　4）精餾塔的塔體工藝尺寸計算　　5）主要工藝尺寸的計算　　6）塔板的流體力學驗算<p

11、>　　7）塔板負荷性能圖　　1.7 工作計劃　　1）領取設計任務書，查閱相關資料（2天）　　2）確定設計方案，進行相關的設計計算（5天）　　3）校核驗算，獲取最終的設計結果（2天）</

12、p>　　4）編寫課程設計說明書（論文），繪制草圖（2天）　　5）繪制塔設備簡圖（1天）　　1.8 設計成果要求　　1）通過查閱資料、設計計算等最終提供課程設計說明書（論文）電子稿及打印稿1份，并附簡單的流程草圖。　　2）課程設計結束時，將按以下

13、順序裝訂的設計成果材料裝訂后交給指導教師：　?。?）封面　　（2）目錄　?。?）課程設計任務書　?。?）課程設計說明書（論文）　?。?）

14、參考文獻　?。?）塔設備簡圖圖紙（A3）　?。?）對設計過程的評述和有關問題的討論。　　學生簽名： 　　指導教師簽名： 　　教研室主任簽名：

15、　　2 工藝設計計算　　2.1 設計方案的確定　　本設計任務為分離苯—氯苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬于易

16、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。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。　　2.2 基礎數(shù)據(jù)　　1）組分的飽和蒸汽壓（mmHg）　　2）組分的液相密度（kg/m3）　　3）組分的表面張力（mN/m）&

17、lt;/p>　　4）苯—氯苯的相平衡數(shù)據(jù)　　5）以上物性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)以及其他相關物性數(shù)據(jù)可查《化工原理[1]》附錄、《石油化工設計手冊[5]》等資料。　　2.3 精餾塔的物料衡算　　1）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分數(shù)　　苯的摩爾質量 <

18、;/p>　　氯苯的摩爾質量 　　2）原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量　　3）物料衡算　　原料處理量 　　總

19、物料衡算 　　苯物料衡算 　　聯(lián)立解得 　　2.4 塔板數(shù)的確定　　1）理論板層數(shù)的求取　　苯—氯苯屬理想物系，可采用圖解法求理論

20、板層數(shù)。　?、儆杀健缺轿锵档臍庖浩胶鈹?shù)據(jù)繪出圖（見圖1）。　　圖1 圖解法求理論板層數(shù)　　②求最小回流比及操作回流比　　采用作圖法求最小回流比。進料點時，從圖1中的氣液平衡曲線中可確定　　故最小回流比為<

21、/b>　　取操作回流比為　　③求精餾塔的氣、液相負荷　?、芮蟛僮骶€方程　　精餾段操作線方程為

22、　　提餾段操作線方程為　?、輬D解法求理論板層數(shù)　　采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖1。求解結果為　　總理論板層數(shù) （包括再沸器）　　進料板位置 　　2）全塔效率的求取</b&g

23、t;　　采用Drickamer和Bradford法：（適用于液相黏度為0.07～1.4）　　由溫度—組成數(shù)據(jù)表，通過內差法可求得　　、　　則全塔的平均溫度為

24、;　　由溫度—黏度數(shù)據(jù)表，通過內差法可求得時　　苯的黏度 　　氯苯的黏度 　　全塔平均溫度下以進料組成表示的平均粘度　　3）實際板層數(shù)的求取<b

25、>　　精餾段實際板層數(shù) 　　提餾段實際板層數(shù) 　　2.5 精餾塔精餾段的工藝條件及有關物性數(shù)控的計算　　1）操作壓力的計算　　塔頂操作壓力

26、　　每層塔板壓力降 　　進料板壓力 　　精餾段平均壓力 　　2）操作溫度計算　　由苯—氯苯的相平衡數(shù)據(jù)表，通過內差法可求得

27、塔頂溫度 　　進料溫度 　　精餾段平均溫度 　　3）平均摩爾質量計算　?。?）塔頂平均摩爾質量計算　　由，查平衡曲線（見圖1），

28、得　?。?）進料板平均摩爾質量計算　　由圖解理論板（見圖1），得　　查平衡曲線（見圖1），得　?。?）精餾段平均摩爾質量　　4）平均密度計算　?。?）

29、氣相平均密度計算　　由理想氣體狀態(tài)方程計算，即　　（2）液相平均密度計算　　液相平均密度依下式計算，即　　塔頂液相平均密度的計算：　　由，查手冊得&l

30、t;b>　　，　　進料板液相平均密度的計算：　　由，查手冊得　　，　　進料板液相的質量分數(shù)為　　精餾段液相平均密度為</p

31、>　　5）液相平均表面張力計算　　液相平均表面張力依下式計算，即　　塔頂液相平均表面張力的計算：　　由，查手冊得　　，　　進料

32、板液相平均表面張力的計算：　　由，查手冊得　　，　　精餾段液相平均表面張力為　　6）液體平均黏度計算　　液相平均黏度依下式計算，即

33、　　塔頂液相平均黏度的計算：　　由，查手冊得　　，　　解得 　　進料板液相平均黏度的計算：<

34、b>　　由，查手冊得　　，　　解得 　　精餾段液相平均黏度為　　2.6 精餾塔精餾段的塔體工藝尺寸計算　　精餾段的氣、液相體積流

35、量為　　式中值可根據(jù)“液流收縮系數(shù)計算圖[2]”求出，方法如下：　　取板間距，板上液層高度，則　　，查“液流收縮系數(shù)計算圖”得　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為　　按標準塔徑圓整后為 &

36、lt;b>　　塔截面積為　　實際空塔氣速為　　2.7 塔板主要工藝尺寸的計算　　1）溢流裝置計算　　因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下。<

37、/p>　　（1）堰長　　取　?。?）溢流堰高度　　選用平直堰，堰上液層高度 　　近似取，則&

38、lt;/p>　　取板上清液層高度，則　?。?）弓形降液管寬度和截面積　　由，查“弓形降液管的參數(shù)圖[2]”，得　　，　　故

39、　驗算液體在降液管中的停留時間，即　　故降液管設計合理。　?。?）降液管底隙高度　　取，則　　故降液管底隙高度設計合理。　　選用凹形守液盤，深度。<

40、/p>　　2）塔板布置　?。?）塔板的分塊　　因，故塔板采用分塊式。查下表得，塔板分為3塊。　?。?）邊緣區(qū)寬度確定　　取，<

41、;/p>　?。?）開孔區(qū)面積計算　　開孔區(qū)面積　　其中 　　故　?。?）篩孔計算及其排列

42、　　本例所處理的物系無腐蝕性，可選用的碳鋼板，取篩孔直徑　　篩孔按正三角形排列，取孔中心距　　篩孔數(shù)目　　開孔率為　　氣體通過閥孔的氣速為　　2.8 精餾

43、段篩板的流體學驗算　　1）塔板壓降　?。?）干板阻力計算　　干板阻力　　由，查“干篩孔的流量系數(shù)圖[2]”得，，故&

44、lt;b>　　液柱　?。?）氣體通過液層的阻力計算　　氣體通過液層的阻力　　查“充氣系數(shù)關聯(lián)圖[2]”，得，故　　液柱　?。?）

45、液體表面張力的阻力計算　　液體表面張力所產生的阻力　　液柱　　氣體通過每層塔板的液柱高度　　液柱　　氣體通過每層塔板的壓降為<

46、;p>　　（設計允許值）　　2）液面落差　　對于篩板，液面落差很小，且設計的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。　　3）液沫夾帶

47、;　　液沫夾帶量　　則kg液/kg氣<0.1 kg液/kg氣　　故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。　　4）漏液　　對篩板塔，漏液點氣速　　實際孔速

48、　　穩(wěn)定系數(shù)為　　故在本設計中無明顯漏液。　　5）液泛　　為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高　　苯—氯苯物系屬一般物系，取，則<

49、/p>　　而　　板上不設進口堰，則　　液柱　　液柱　　故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。<

50、/p>　　2.9 精餾段塔板負荷性能圖　　1）漏液線　　由 　　整理得 　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于

51、下表：　　由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線l。　　2）液沫夾帶線　　以 kg液/kg氣　　故 　　整理得

52、　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表：　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。　　3)液相負荷下限線　　對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。

53、;　　取，則　　據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。　　4）液相負荷上限線　　以作為液體在降液管中停留時間的下限，則　　故

54、　　據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。　　5）液泛線　　令 　　，，，　　聯(lián)立得 &l

55、t;/p>　　忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得　　其中　　故 　　或 　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計

56、算結果列于下表：　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。　　根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖（見圖2）。　　圖2 精餾段篩板塔負荷性能圖　　在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板塔的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖2查得<

57、;/p>　　，　　故操作彈性為　　2.10 精餾塔提餾段的工藝條件及有關物性數(shù)控的計算　　1）操作壓力的計算　　塔底操作壓力

58、 　　每層塔板壓力降 　　進料板壓力 　　提餾段平均壓力 　　2）操作溫度計算　　由苯—氯苯的相平衡數(shù)據(jù)表，通過內差法可求得<p&g

59、t;　　塔底溫度 　　進料溫度 　　提餾段平均溫度 　　3）平均摩爾質量計算　　（1）塔底平均摩爾質量計算

60、由，查平衡曲線（見圖1），得　　（2）進料板平均摩爾質量計算　　由圖解理論板（見圖1），得　　查平衡曲線（見圖1），得　?。?）提餾段平均摩爾質量　　4）平均密度計算&

61、lt;p>　?。?）氣相平均密度計算　　由理想氣體狀態(tài)方程計算，即　?。?）液相平均密度計算　　液相平均密度依下式計算，即　　塔底液相平均密度的計算：　　由，查手冊得

62、　　，　　進料板液相平均密度的計算：　　由，查手冊得　　，　　進料板液相的質量分數(shù)為　　提餾段

63、液相平均密度為　　5）液相平均表面張力計算　　液相平均表面張力依下式計算，即　　塔底液相平均表面張力的計算：　　由，查手冊得　　，

64、　　進料板液相平均表面張力的計算：　　由，查手冊得　　，　　提餾段液相平均表面張力為　　6）液體平均黏度計算　　液相平均黏度依下式計算，

65、即　　塔底液相平均黏度的計算：　　由，查手冊得　　，　　解得 　　進料板液相平均黏度的計算：

66、　　由，查手冊得　　，　　解得 　　提餾段液相平均黏度為　　2.11 精餾塔提餾段的塔體工藝尺寸計算

67、;　　1）塔徑的計算　　提餾段的氣、液相體積流量為　　式中值可根據(jù)“液流收縮系數(shù)計算圖[2]”求出，方法如下：　　取板間距，板上液層高度，則　　，查“液流收縮系數(shù)計算圖”得　　取安全系數(shù)為0.

68、7，則空塔氣速為　　按標準塔徑圓整后為 　　塔截面積為　　實際空塔氣速為　　氣體通過閥孔的氣速為　　2）精餾塔有效高度的計算<

69、;p>　　精餾段有效高度為　　提餾段有效高度為　　每5個塔板開一個人孔，其高度為，孔徑為　　故精餾塔的有效高度為　　2.12 提餾段篩板的流體學驗算

70、　　1）塔板壓降　?。?）干板阻力計算　　干板阻力　　由，查“干篩孔的流量系數(shù)圖[2]”得，，故　　液柱</p&g

71、t;　　（2）氣體通過液層的阻力計算　　氣體通過液層的阻力　　查“充氣系數(shù)關聯(lián)圖[2]”，得，故　　液柱　?。?）液體表面張力的阻力計算<p&g

72、t;　　液體表面張力所產生的阻力　　液柱　　氣體通過每層塔板的液柱高度　　液柱　　氣體通過每層塔板的壓降為　　（設計允許值）</b

73、>　　2）液面落差　　對于篩板，液面落差很小，且設計的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。　　3）液沫夾帶　　液沫夾帶量

74、　　則kg液/kg氣<0.1 kg液/kg氣　　故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。　　4）漏液　　對篩板塔，漏液點氣速　　實際孔速

75、;　　穩(wěn)定系數(shù)為　　故在本設計中無明顯漏液。　　5）液泛　　為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高　　苯—氯苯物系屬一般物系，取，則　　而&

76、lt;/b>　　板上不設進口堰，則　　液柱　　液柱　　故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。　　2.13 提餾段塔板負

77、荷性能圖　　1）漏液線　　由 　　整理得 　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表：　　由上表

78、數(shù)據(jù)即可作出漏液線l。　　2）液沫夾帶線　　以 kg液/kg氣　　故 　　整理得 <p&g

79、t;　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表：　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。　　3)液相負荷下限線　　對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。　　取，則<

80、/p>　　據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。　　4）液相負荷上限線　　以作為液體在降液管中停留時間的下限，則　　故 　　據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相

81、負荷上限線4。　　5）液泛線　　令 　　，，，　　聯(lián)立得 　　忽略，將與，與，

82、與的關系式代入上式，并整理得　　其中　　解得 　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表：　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。　　根據(jù)以上

83、各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖（見圖3）。　　圖3 提餾段篩板塔負荷性能圖　　在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板塔的操作上限為液相負荷上限線，下限為漏液控制。由圖3查得　　，

84、;　　故操作彈性為　　2.14 數(shù)據(jù)結果匯總　　所設計篩板塔的主要結果匯總于下表：　　3 評述與討論　　本次化工單元操作課程設計通過給定的生產操作條件設計苯－氯苯物系的篩板精餾塔。通過設計，初步掌握了精餾塔設計的一

85、般過程，深化了精餾原理的理解，對明年的畢業(yè)設計打下了堅實的基礎；通過查資料對塔設備的內外結構都有了進一步的認識。　　課程設計需要我們把平時所學的理論知識運用到實踐中，使我們對書本上所學理論知識有了進一步的理解，更讓我們體會到了理論知識對實踐工作的重要的指導意義。課程設計要求我們完全依靠自己的能力去學習和設計，而不是像以往課程那樣一切都由教材和老師安排。因此，課程設計給我們提供了更大的發(fā)揮空間，讓

86、我們發(fā)揮主觀能動性獨立地去通過書籍、網絡等各種途徑查閱資料、查找數(shù)據(jù)，確定設計方案。通過這次課程設計提高了我認識問題、分析問題、解決問題的能力。　　在這次課程設計中，給我印象最深的是，這期間由于我對設計的流程和具體要求理解地不夠深入，在設計的初期，我曾因為沒有清晰的設計思路，而無法開始。后來在計算的過程中，由于疏忽，計算上出現(xiàn)了錯誤。　　因為本設計在進行

87、塔板主要尺寸計算時，有一些數(shù)據(jù)是由個人自行通過查資料進行選取的，因此可能會帶來不確定的誤差，如邊緣區(qū)寬度的確定。起初，我們采用《化工單元操作課程設計》[2]案例中所給的數(shù)據(jù)，即，，以至于最終計算得到的（設計允許值）,不符合要求。所以，我們多次重新選取了其他的和值，并計算其對應的，直至選取，時，此時對應的（設計允許值）。又因為該過程的計算量比較大，我們是利用Excel函數(shù)計算得來的。　　面對錯誤，

88、我們沒有氣餒，沒有抱怨，而是在一起冷靜分析思考錯誤，認真總結經驗教訓，重新制定了設計方案，在接下來的設計中，我們發(fā)現(xiàn)問題之后，可以馬上解決，避免了同樣錯誤的再次出現(xiàn)。　　總之，這次化工單元操作課程設計既是對我們理論知識的考核，又是對我們思考問題、解決問題能力的考核，課程設計讓我們學到了很多東西。　　4 設備圖紙<

89、;/p>　　5 參考文獻　　[1]. 柴誠敬主編，化工原理（第二版）[M]，天津大學化工學院，高等教育出版社，2010.5　　[2]. 賈紹義、柴誠敬主編，化工單元操作課程設計[M]，天津大學出版社，2011.9　　[3]. 陳英南、劉玉蘭主編，常

90、用化工單元設備的設計[M]，華東理工大學出版社，2005.4　　[4]. 化學化工物性數(shù)據(jù)手冊（第2版）[M]，化學工業(yè)出版社，2013.1　　[5]. 石油化工設計手冊[M]，化學工業(yè)出版社，2009.10　　[6]. 王國勝主編，化工原理課程設計（第二版）[M]，大連理工大學出版社，2006.8</p&

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