【正文】 365CHCH (2)飽和蒸汽壓 苯 甲苯的飽和蒸汽壓可用 Antoine 方程計(jì)算 ln o BPAtC??? A B C 苯 甲苯 (3)苯 甲苯的相對(duì)密度 溫度℃ 80 90 100 110 120 苯 815 甲苯 810 (4)液體表面張力 /mN mA 80 90 100 110 120 苯 甲苯 (5)苯甲苯液體粘度 MPa 80 90 100 110 120 苯 甲苯 苯和甲苯的分離 進(jìn)料 （一）分離原理 已知苯的沸點(diǎn)為 ℃，甲苯的沸點(diǎn)為 111℃，它們的沸點(diǎn)不同，根據(jù)這一性質(zhì)，可采用蒸餾原理實(shí)現(xiàn)兩者的分離。根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了塔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。 問(wèn)題研究 本設(shè)計(jì)是針對(duì)苯 — 甲苯的分離而專門設(shè)計(jì)的塔設(shè)備。國(guó)外已經(jīng)轉(zhuǎn)向研究“在提高處理能力和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的前提下，保持適當(dāng)?shù)牟僮鲝椥院蛪毫?，并盡量 提高塔盤的效率。同時(shí)我國(guó)還進(jìn)口一些新型塔設(shè)備，這些設(shè)備的引進(jìn)也帶動(dòng)了我國(guó)自己的塔設(shè)備的科研、設(shè)計(jì)工作，加速了我國(guó)塔技術(shù)的開(kāi)發(fā)。填料種類出拉西、環(huán)鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料等規(guī)整填料也常采用。 為了加強(qiáng)工業(yè)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)都在加大塔的研究力度。即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而達(dá)到分離的目的。在化工生產(chǎn)中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面，都有非常重大的影響。 化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：分離苯－甲苯混合物的浮閥塔設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 再生資源科學(xué)與技術(shù) 10級(jí) 姓 名： 張勝 學(xué) 號(hào)： 202110703110 指導(dǎo)老師 ：陳樑 黃兵 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)題目 分離苯和甲苯混合物的浮閥塔設(shè)計(jì) 二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 現(xiàn)受一化工廠所托，設(shè)計(jì)一分離苯與甲苯的浮閥塔，其設(shè)計(jì)操作條件如下： 混合物流量 5/F kg s? ，其中易揮發(fā)組分含量為 35%（質(zhì)量比）； 要求塔頂餾出液中含苯 98%，塔釜?dú)堃褐泻讲淮笥?%； 塔內(nèi)為常壓操作； 進(jìn)料熱狀況為泡點(diǎn)，飽和液體進(jìn)料； 塔頂為全凝器，泡點(diǎn)回流，冷卻水進(jìn)出冷凝器的溫度分別為 20℃和 30℃； 再沸器用絕壓為 200KPa 的飽和蒸汽加熱，在泡點(diǎn)下排出； 總板效率為 50%； 采用 F1型浮閥塔 三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)方案的選擇及流程的確定； 塔的物料衡算、熱量衡算； 塔的主要工藝尺寸的確定； （ 1） 塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （ 2） 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 （ 3） 塔板的負(fù)荷性能圖 輔助設(shè)備的選型與計(jì)算 繪制工藝 流程圖（ 2 號(hào)圖） 繪制浮閥塔的設(shè)備圖（ 1 號(hào)圖紙） 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 目錄 設(shè)計(jì)任務(wù)書???????????????????????? 2 一、前言????????????????????????? 4 二、苯－甲苯精餾塔工藝設(shè)計(jì)???????????????? 12 （一） 塔板數(shù)的求解 ??????????????????? 12 （二） 塔高的計(jì)算 ???????????????????? 18 （三） 密度計(jì)算 ??????????????????? 18 （四） 塔徑的 計(jì)算??????????????????? 19 （五） 塔的尺寸 計(jì)算??????? ???????????? 21 （六） 塔板流體力學(xué)驗(yàn) 算???????????????? 25 （七） 塔板負(fù)荷性能圖 ??????????????????? 29 （八） 計(jì)算 結(jié)果匯總 ?????????????????? 33 （九） 能量衡算?????????????? 35 三、塔的附件 設(shè)計(jì)?????????????? 36 四、結(jié)論 ??????????????????????? 40 五、參考文獻(xiàn)??????????????????????? 42 第 1 章 前言 塔設(shè)備 的設(shè)計(jì)背景 塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。塔 設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究，已經(jīng)受到化工行業(yè)的極大重視。 精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。如今在我國(guó)常用的板式塔中主要為泡罩 塔、浮閥塔、篩板塔和舌型塔等。更加強(qiáng)了對(duì)篩板塔的研究，提出了斜空塔和浮動(dòng)噴射塔等新塔型。 國(guó)外關(guān)于塔的研究如今已經(jīng)放慢了腳步，是因?yàn)橐呀?jīng)研究出了塔盤的效率并不取決與塔盤的結(jié)構(gòu)，而是主要取決與物系的性質(zhì)，如：揮發(fā)度、黏度、混合物的組分等。”在新型填料方面則在努力的研究發(fā)展有利于氣液分布均勻、高效和制造方便的填料。根據(jù)設(shè)計(jì)條件以及給出的數(shù)據(jù)描述出塔溫度的分布，求得最小回流比以及塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度、塔釜的相對(duì)揮發(fā)度、全塔平均相對(duì)揮發(fā)度，又根據(jù)物料平衡公式分別計(jì)算 出精餾段和提餾段的汽、液兩相的流量， 之后，計(jì)算塔板數(shù)、塔徑等。計(jì)算和設(shè)計(jì)這些之后進(jìn)行了有關(guān)的力學(xué)性能計(jì)算和一系 列校核。 蒸餾操作是分離液體均相混合物的典型單元操作，液體混合物部份汽化，利用各組份沸點(diǎn)的不同，（即在相同溫度下各自的飽和蒸汽壓的不同）以 實(shí)現(xiàn)分離的目的。 物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另一相的傳質(zhì)過(guò)程稱為“物質(zhì)傳遞過(guò)程”。 蒸餾是一種 利用液體混合物中各組分揮發(fā)性差異，以熱能為媒介使其部分汽化從而在汽相富集輕組分 ,液相富集重組分而分離的方法。 如苯和甲苯混合 溶液由塔中部加入，液體在塔內(nèi)外于沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生的蒸汽沿塔上升，從塔頂引出進(jìn)入冷凝器冷凝，冷凝液一部分作為 塔頂產(chǎn)物（又稱餾出液），一部分回流至塔內(nèi)作為液相回流，液相沿塔下降至塔底引出，一部分作為塔底產(chǎn)物（ 稱殘液），一部分進(jìn)入再沸器，被加熱沸騰汽化作為塔內(nèi)的上升蒸汽流， 汽、液兩 相在塔內(nèi)直接接觸，實(shí)現(xiàn)熱和質(zhì)的傳遞。 蒸餾分離適用的范圍廣，它不僅可以分離液體混合物，還可以通過(guò)改變操作壓力使常溫常壓下呈氣態(tài)或固態(tài)的混合物在液化后得以分離。 流程的說(shuō)明 ： 首先，苯和甲苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂 產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。 設(shè)計(jì)方案的選擇 精餾所用的設(shè)備及其相互聯(lián)系，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。 原 料 原 料儲(chǔ)罐 原料預(yù)熱器 精 餾 塔 冷凝器 塔頂產(chǎn)品冷卻器 塔底產(chǎn)品冷卻器 再沸器 甲苯的儲(chǔ)罐 苯的儲(chǔ)罐 二 、 效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率。 四 、 有一定的操作彈性：當(dāng)氣液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，而且不會(huì)使效率發(fā)生較大的變化。 六 、 能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等 。 板式塔的塔內(nèi)沿塔高裝有若干層塔板，相鄰兩板有一定的間隔距離，塔內(nèi)氣液兩相在塔板上互相接觸，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。 溢流塔板 板間有專供液體流通的“降液管”，又稱“溢流管”。但是，由于降液管要占去塔板面積的 20%，從而影響了塔的生產(chǎn)能力。液面落差大，能引起板上液體分布不均勻，降低分離效率。但需要較高的氣速才能維持板上液層。 幾種典型的溢流塔板 （一）泡罩塔 泡罩塔是最常的工業(yè)蒸餾操作所采用的塔板，每層塔板上裝有若干個(gè)短管作為上升蒸汽通道。由于升氣管高出液面，故板上液體不會(huì)從中漏下。上升氣體通過(guò)齒縫被分散成 細(xì)小的氣泡進(jìn)入液層。 其優(yōu)點(diǎn)：不易發(fā)生漏液現(xiàn)象；有較好的操作彈性；當(dāng)氣液負(fù)荷有較大波動(dòng)時(shí)，仍能維持幾乎恒定的板效率；不易堵塞；對(duì)各種物料的適應(yīng)性強(qiáng)。 （二）篩板塔 篩板塔是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的塔板，是在塔板上升有許多均勻分布的篩孔。篩孔在塔板上作正三角形排列。孔心距與孔徑之比常在 ~4范圍之內(nèi)。在正常操作范圍內(nèi)，通過(guò)篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔泄漏，液體通過(guò)降液管逐板流下。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；金屬耗量少；造價(jià)低廉；氣體壓降小，板上液面落差也較??；其生產(chǎn)能力及板效率較泡罩塔為高。 （三）浮閥塔 五 十年代才在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，是在帶有降液管的塔板上升有若干大孔（標(biāo)準(zhǔn)孔徑為 39mm），每孔裝有一個(gè)可以上、下浮動(dòng)的閥片，由孔上升的氣流經(jīng)過(guò)閥片與塔板的間隙，而與板上橫流的液體接觸，目前常用的型號(hào)有： F1 型、 V4型、 T型。這樣當(dāng)氣量很小時(shí)，氣體仍能通過(guò)縫 隙均勻地鼓泡，而且由于閥片與塔板板面是點(diǎn)接觸，可以防止閥片與塔板的粘著與腐蝕。（適用于減壓系統(tǒng)） T型浮閥，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，借助于固定在塔板的支架以限制拱形閥片的運(yùn)動(dòng)范圍。 操作彈性大：由于閥片可以自由地伸縮以適應(yīng)氣量的變化，故其維持正常操作所允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比泡罩塔和篩板 塔都寬。 氣體壓降及液面落差較?。阂驓庖毫鹘?jīng)塔板時(shí)所遇到的阻力較小，故氣體的壓力降及板上液面落差都比泡罩塔小。 浮閥對(duì)材料的抗腐蝕性要求很高，一般都采用不銹鋼。 1．生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊 ，其開(kāi)孔面積大于泡罩塔板， 生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%～ 40%，與篩板塔接近。 3．塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)， 而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 5．塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%～ 80%，但是比篩板塔高 20%～ 30%。為此常采用對(duì)液流方向成錯(cuò)排的三角形的排列方式。但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價(jià)昂貴，推廣受到一定限制。 新型的浮閥式精餾塔結(jié)合了泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，造價(jià)低，生產(chǎn)能力大，設(shè)備維護(hù)維修方便等的優(yōu)點(diǎn)。故浮閥式精餾塔是現(xiàn)在化工蒸餾過(guò)程中廣泛使用塔型之一，顯然本設(shè)計(jì)也不例外。換熱器是化工及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。實(shí)際上很難去進(jìn)行混合式換熱器的設(shè)計(jì)，而蓄熱式和中間載體式都具有較高的操作成本。具體的間壁式換熱器分為 1)帶膨脹節(jié)的 固定管板式 換熱器， 2)浮頭式換熱器 ,3)U 形管式換熱器 。通?；S的機(jī)械車間即能制造等優(yōu)點(diǎn)，并且管程流體苯 甲苯不易結(jié)垢。 為確保設(shè)計(jì)的合理性，在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了最新化工工程標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)。此外，在設(shè)計(jì)中賦予了一定的裕度，因此在一定程度上物料的進(jìn)料流量及塔內(nèi)的氣液兩相流量均具有一定的可調(diào)性，大大減少化工生產(chǎn)過(guò)程中事故發(fā)生的概率，減少由于事故發(fā)生所造成的損失。 第 2 章 塔的工藝 計(jì)算 物料衡算： (1) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量： 78k g/km olAM ? ；甲苯的摩爾質(zhì)量： 92k g/km olBM ? 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ? ； ?DX ； W ? .將進(jìn)料、塔頂和釜液的濃度以摩爾分?jǐn)?shù)表示為： 35%78 0. 38 8435 % 65 %78 92Fx ??? 98%78 % 2%78 92Dx ??? 1. 7%78 0. 021. 7% 98 .3 %78 92wx ??? （ 2）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 原料液的平均摩爾質(zhì)量： 7 8 0 .3 8 8 4 9 2 ( 1 0 .3 8 8 4 ) 8 6 .5 6 k g /km o lFM ? ? ? ? ? ? 7 8 0 .9 8 3 9 2 (