【正文】 ................................................ 32 成績(jī)?cè)u(píng)定 ： ......................................................................................................................... 33 4 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)題目 苯 甲苯板式精餾塔設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 生產(chǎn)能力（進(jìn)料量） 100000 噸 /年 操作周期 7000 小時(shí) /年 進(jìn)料組成 56% （苯質(zhì)量分率，下同） 塔頂產(chǎn)品組成 ≥ % 塔底產(chǎn)品組成 ≤ % 操作壓力 4kPa 進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料 加熱蒸汽 低壓蒸汽 篩板塔 天津 三 、設(shè)計(jì)內(nèi)容 ⑴ .塔徑塔高及板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 ⑵ .塔板的流體力學(xué)校核 ⑶ .塔板的負(fù)荷性能圖 ⑷ .總塔高總壓降及接管尺寸的確定 5 序言 化工原理課程設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用《化工原理》課程和有關(guān)先修課程（《物理化學(xué)》，《化工制圖》等）所學(xué)知識(shí)，完成一個(gè)單元設(shè)備設(shè)計(jì)為主的一次性實(shí)踐教學(xué)，是理論聯(lián)系實(shí)踐的橋梁，在整個(gè)教學(xué)中起著培養(yǎng)學(xué)生能力的重要作用。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，要求更加熟悉工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工單元操作設(shè)計(jì)的主要程序及方法，鍛煉和提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和技能的能力，問(wèn)題分析能力，思考問(wèn)題能力，設(shè)計(jì)能力等。精餾過(guò)程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有時(shí)加 質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不通，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。本設(shè)計(jì)得題目是苯 甲苯連續(xù)精餾板式塔的設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái)分離一會(huì)發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計(jì)一板式塔將其分離。 本設(shè)計(jì)采用立式熱虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管殼式換熱器。 冷凝器 用以將塔頂蒸氣冷凝成液體，部分冷凝液作塔頂產(chǎn)品，其余作回流液返回塔頂，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進(jìn)行，最常用的冷凝器是管殼式換熱器。流程如下： 原料（丙稀和丙烷的混合液體）經(jīng)進(jìn)料管由精餾塔中的某一位 置（進(jìn)料板處）流入塔內(nèi)，開(kāi)始精餾操作；當(dāng)釜中的料液建立起適當(dāng)液位時(shí)，再沸器進(jìn)行加熱，使之部分汽化返回塔內(nèi)。將塔頂蒸氣凝液部分作為塔頂產(chǎn)品取出，稱(chēng)為餾出物?；亓饕簭乃斞厮飨?，在下降過(guò)程中與來(lái)自塔底的上升蒸氣多次逆向接觸和分離。 多為分離苯 —甲苯混合物。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)。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 2 倍。 圖 1 篩板精餾塔操作流程圖 7 塔的工藝計(jì)算 原料及塔頂塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量： kg km olAM ??? 甲苯的摩爾質(zhì)量： kg km olBM ??? 0 . 5 6 / 7 8 . 1 1x = = 0 . 6 0 00 . 5 6 / 7 8 . 1 1 0 . 4 4 / 9 2 . 1 3F ? 0 .9 8 5 / 7 8 .1 1x 0 .9 8 70 .9 8 5 / 7 8 .1 1 0 .0 1 5 / 9 2 .1 3D ??? 0 .0 1 5 / 7 8 .1 1x 0 .0 1 80 .0 1 5 / 7 8 .1 1 0 .9 8 5 / 9 2 .1 3W ? 3. 2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 10 .6 0 0 7 8 .1 1 ( 1 0 .6 0 0 ) 9 2 .1 3 8 3 .7 2 k g k m o lFM ?? ? ? ? ? ? ? 10 .9 8 7 7 8 .1 1 ( 1 0 .9 8 7 ) 9 2 .1 2 7 8 .2 9 k g k m o lDM ?? ? ? ? ? ? ? 10 .0 1 8 7 8 .1 1 ( 1 0 .0 1 8 ) 9 2 .1 3 9 1 .8 8 k g k m o lWM ?? ? ? ? ? ? ? 3. 3 物料衡算 原料液處理： 11 4 2 8 5 . 7 1= = 1 7 0 . 6 4 k m o l h8 3 . 7 2F ?? 總物料衡算： DW?? 苯物料衡算： 17 4 87 18DW? ? ? 聯(lián)立解得： 110 2. 49 km ol hD ??? ol hW ??? 4 精餾塔 塔板數(shù)的確定 理論塔板數(shù) TN 苯 甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論塔板數(shù)。在圖 42 中對(duì)角線上，自點(diǎn) e(， ) 作垂線 ed即為進(jìn)料線（ q 線），該線于平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 qy = qx= 故最小回流比為 qm i n qqx x 0 .9 8 7 0 .7 8 6= = = 1 .0 8y x 0 .7 8 6 0 .6DR ?? 操作回流比為 m in2 6RR?? 9 精餾塔的氣、液相負(fù)荷 精餾段： 液相負(fù)荷： = ol hL RD ?? ? ? ? 氣相負(fù)荷 ： 1( 1 ) ( 2 .1 6 1 ) 1 0 2 .4 9 3 2 3 .8 7 k m o l hV R D ?? ? ? ? ? ? ? 提餾段： 液相負(fù)荷： km ol hL ?? ? ? ? ? 氣相負(fù)荷： km ol hVV ?? ? ? ? 操作線方程 精餾段操作線為 n + 1 n n1y = x x 0 .6 8 x 0 .4 5 711 DRRR ? ? ??? 提餾段操作線方程為 n 1 m w mqy = x x = 1 . 2 1 x 0 . 0 0 4L + q qL F WF W L F W? ? ??? ? ? 圖解法求理論塔板數(shù) 采用圖解法求理論板數(shù)，如圖 1 所示。 氣相平均摩爾質(zhì)量為 1= k g k m o l??（ + ） / 2 7 9 . 8 2 液相平均摩爾質(zhì)量為 1= k g k m o l??（ + ） / 2 8 0 . 8 4 提餾段： 1m = kg km olVM ?? ? 1m = km olLM ?? ? 平均密度 氣相平均密度 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 3mmm m 1 0 8 . 9 7 9 . 8 2= = = 2 . 9 2 k g m8 . 3 1 4 8 4 . 8 6 2 7 3 . 1 5VV PMRT? ?? ???（ ） 3mmm m= = 3 .2 6 k g mVV PMRT? ???? ?? 液相平均密度 液相平均密度依下式計(jì)算，即 m1 / = / /L A L A B L Baa? ? ?? 塔頂液相密度的計(jì)算 由 t C? ,內(nèi)插法得 3 814 .0 kg mA? ??? 3 809 .1 kg mB? ??? 12 3mm1 0 . 9 8 5 0 . 0 1 5= 8 1 3 . 9 k g m8 1 4 . 0 8 0 9 . 1LDLD ?? ?? ? ? ? 進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算 由 t F C?,得 3 805 .1 kg mA? ??? 3 801 .3 kg mB? ??? 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 0 . 5 7 5= = 0 . 5 4 00 . 5 7 5 7 8 . 1 1Aa ? ? ?（ ） 3mm1 0 . 5 4 0 . 4 6= 8 0 3 . 3 k g m8 0 5 . 1 8 0 1 . 3LDLD ?? ?? ? ? ? 精餾段液相平均密度為 3m 8 1 3 .9 8 0 3 .3= = 8 0 8 .6 k g m2L? ?? ? 同理 提餾段液相平均密度為 39。 mN m? ??? 液體平均黏度 液體平均黏度依下式計(jì)算，即 m i i1lg = x lgnL i???? 塔頂液相平均黏度 由 t C? ，得 = 05mPa sA? ? = 09m Pa sB? ? mml g =0 .98 7 l g0. 305 + l g0. 309 = 05m P a sL D L D??? ? ? ?（ ）. 進(jìn)料板液相平均黏度 由 t C? ,得 = 85m Pa sA? ? = 90m Pa sB? ? mml g =0 .57 5 l g0. 285 + l g0. 290 = 87 m P a sL D L D??? ? ? ?（ ） 精餾段液相平均黏度為 m 0 .3 0 5 0 .2 8 7= = 0 .2 9 6 m Pa s2L? ? ? 塔徑 精餾塔的氣、液相體積流速分別為 31msmVM 2 2 8 . 9 7 7 9 . 8 2V = = = 1 . 7 3 9 m s3 6 0 0 3 6 0 0 2 . 9 2VV??? ?? 14 31Lms LmLM 1 5 6 . 5 6 8 0 . 8 4= = = 0 . 0 0 4 3 m s3 6 0 0 3 6 0 0 8 0 8 . 6L ? ?? ?? 同理得提餾段 39。 3 m s??? 空塔氣速 空塔氣速是指在沒(méi)有塔板和液體的空塔中的流動(dòng)速度，可定性反映氣流在穿越塔板數(shù)及液層時(shí)的速度。因此，操作空塔氣速必須合理確定。11 .6 9 0 0 .8 4 12 .0 1 0u m s ?? ? ? 精餾塔有效高度 精餾段有效高度 Z = (10 1 ) 0. 4 3. 6 mT ? ? ? ?精 精（ N 1 ） H 提餾段有效高度 Z = ( 12 1 ) 0. 4 4. 4 mT ? ? ? ?提 提（ N 1 ） H 在進(jìn)料板上方開(kāi)一入口，其高度為 故精餾塔的有效高度為： Z = Z Z 0. 7 = 8. 7 m??提精 板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì) 溢流裝置 為提高傳熱和傳質(zhì)的效果，降低液面落差，減少傾向性的可能行，液體在塔 板上常采用不同的溢流方式。確切的選擇方式見(jiàn)下表： 16 表 2 液體負(fù)荷與溢流類(lèi)型表 塔徑 /mm 液體流量（ 31mh?? ） U型流 單溢流 雙溢流 階梯溢流 1000 ? 7 ? 45 1400 ? 9 ? 70 2021 ? 11 ? 90 90~160 3000 ? 11 ? 110 110~200 200~300 4000 ? 11 ? 110 110~230 230~350 5000 ? 11 ? 110 110~250 250~400 6000 ? 11 ? 110 110~250 250~450 因塔徑 D= ，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。 ? 取板上清液層高度： h 60L m mm?? 故 ： h m? ? ? 17 同理得： 39。 39。 5ss? ?? 故降液管設(shè)計(jì)合理。 降液管底隙高度 0h 0 39。0 /u m s? 則 ：0 0 . 0 0 4 3 3 6 0 0 0 . 0 1 83 6 0 0 1 . 2 0 . 2 0hm????? 0 43 18 25 06wh h m? ? ? ? ? 同理得： 39。39。 選用凹形受溢盤(pán)，深度： 39。 塔板布置 塔板的分塊 18 因 14 00 16 00mm D mm??，故塔板采用分塊式。分塊式塔板即降液管區(qū)以外的部分是由若干塊鋼板組裝而成，裝焊與塔體內(nèi)壁的塔板支撐上，塔身為焊制整體圓筒，不分節(jié)。= 91ssW W mm? ， = =50m mcW 開(kāi)孔區(qū)面積 開(kāi)孔區(qū)面積 aA 按下式計(jì)算，即 22