化工原理课程设计苯和乙苯筛板精馏塔设计

新疆工业高等专科学校

课程设计说明书题目名称：苯和乙苯筛板精微塔设计系部：化学工程系专业班级：学生姓名：指导教师：完成日期：2011/7/7新疆工业高等专科学校课程设计评定意见设计题目：苯和乙苯筛板精储塔设计学生姓名：评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月曰评定成绩：指导教师（签名）：年月曰新疆工业高等专科学校课程设计任务书专业班级课程名称精储塔设计设计题目苯一乙苯分离过程筛板精储塔设计指导教师起止时间周数设计地点设计目的：1加深学生对所学化工原理理论知识的运用、理解和掌握。2达到引导学生思考，培养学生灵活运用知识去解决问题的能力，及查阅资料、处理数据的能力。设计任务或主要技术指标：生产能力5000kg/h,原料中苯含量为50%（摩尔分数），分离要求为塔顶苯含量为不低于90%,塔底苯含量不高于5%,常H操作，塔顶采用全凝器，饱和液体进料的筛板精储塔。设计进度与要求：1拟订题目和课程设计指导书（包括课程设计目的、内容、要求、进度、成绩评定等），制定具体考核形式（一般应采用平常情况和答辩相结合方式）并于课程设计开始时向学生公布。2完整的课程设计应由设计草稿书和任务书组成。草稿书不上交指导老师，是备指导老师检查及防止学生间抄袭之用。任务书应上交按照指定格式编排好的电子版及打印版。7月6日前上交指导老师。主要参考书及参考资料：[1]路秀林，王者相.化工设备设计全书塔设备[M],北京：化学工业出版社，2004.[2]土志魁,化工原理第三版[M].北京：化学工业出版社，2005.[3]王国胜,化工原理课程设计[M].大连：大连理工大学出版社，2005.[4]马沛生,化工数据,北京：中国石化出版社，2003.[5]贾绍义，柴诚敬,化工原理课程设计[M],大连：天津大学出版社，2005.2010学年1学期2011年7月7日教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日摘要塔设备的化工生产中的作用和地位塔设备可使气（或汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见操作有：精储、吸收、解吸和萃取等。本设计任务为分离苯一乙苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精储。精储过程的流程设计如下：设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.6倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。如图所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精储塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。目录1、符号说明错误！未定义书签.主要物性数据错误！未定义书签苯、乙苯的物理性质错误！未定义书签。苯、乙苯在某些温度下的表面张力错误！未定义书签。苯、乙苯在某些温度下的粘度错误！未定义书签。苯、乙苯的?相密度错误！未定义书签。不同塔径的板间距错误！未定义书签。.工艺计算错误！未定义书签精储塔的物料衡算错误！未定义书签。塔板数的确定错误！未定义书签。实际塔板数的求取错误！未定义书签。相关物性参数的计算错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。

塔和塔板的主要工艺尺寸计算筛板的流体力学计算塔板负荷性能图考文献错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误！未定义书签P——气体通过每层筛板的压降，kPaAt塔的截面积，m2C负荷因子，无因次t筛孔的中心距，mC20——表面张力为20mN/m的u——空塔气速，m/sdo筛孔直径，mAa塔板开孔区面积，m2n筛孔数目Af——降液管截面积，m2P——操作压力,kPaAo——筛孔区面积，m2Uomin漏液点气速，m/SD塔径，muo'液体通过降液体系的速度，m/sev液沫夹带量，kg液/kg气Vn气体体积流量，m/sR回流比Vs气体体积流量，m/sRmin最小回流比Wc——边缘无效区宽度，mM平均摩尔质量，kg/kmolWd——弓形降7Tt高度，mTm——平均温度，CWs破沫区范度，mg重力加速度，m/s2Z——板式塔有效高度，mFo——筛孔气相动触因子hi——出口堰与沉降管距离，mhc——与平板压强相当的液柱高度，m——液体在降液管内停留时hd——与液体流过降液管压弓S降相当的液柱高度，mhf板上精液高度，mhow堰上液层[Hj度，mHw出口[Hj度，mHw'——进口土!高度，mh——与克服表面张力压强降相当的液柱高度，mL——液相H——板式塔高度，mV——气相Hd——降液管内清夜层高度，mLs——液体体积流量，m3/hHF—一进料处塔板间距，mHP-一人孔处塔板间距，mT——理论板层数——筛板厚度，m本度，mPa・s密度,kg/m3——质量分率，无因次——开孔率，无因次ho——降液管的底隙高度，m表面张力，mN/mmax最大min最小.主要物性数据苯、乙苯的物理性质项目分子式分子量沸点C临界温度C临界压强Pa苯A78.1180.1288.56833.4乙苯BCH。106.16136.2348.574307.7

2.2苯、乙苯在某些温度下的表面张力t/C2040608010012014028.826.2523.7421.2718.8516.4914.1729.327.1425.0122.9220.8518.8116.822.3苯、乙苯在某些温度下的粘度t/C0204060801001201400.7420.6380.4850.3810.3080.2550.2150.1840.8740.6660.5250.4260.3540.3000.2590.2262.4苯、乙苯的液相密度t/C20406080100120140877.4857.3836.6815.0792.5768.9744.1867.7849.8931.8913.6795.2776.2756.72.5不同塔径的板间距塔彳空D/m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0板间距H/mm200-300250-350300-450350-600400-600.工艺计算精储塔的物料衡算苯的摩尔质量：MA78kg/kmol乙苯的摩尔质量：MB106kg/kmol原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量:

因为Xf=50%Xd=98%Xw5%分别为原料、塔顶、产品中的苯的摩尔分数50005000所以：F54.35kmol/hMf92塔板数的确定查化工手册得苯和乙苯的t-x-y关系T/Cxy-111840.860.974880.740.939920.6350.906960.5410.86411000.4850.8161040.40.8:1080.3180.7110.60.2780.6541150.2170.5711200.1560.46311250.1030.3441300.0550.2051350.010.0421136.200由上图可得q线与平衡线的交点坐标（Xq,yq）为（0.5,0,82）则最小回流比为:Rmin4则最小回流比为:Rmin4yqYqXq0.980.820.50.820.5取回流比：R1.8Rmin1.80.50.9取回流比：R1.8Rmin1.80.50.9则精储塔的气液负荷：精储段：提储段：求取操作线方程精微段操作线方程：提储段操作线方程：由x-y图，画梯级可得理论板数为7（不包含塔釜），进料板为第4块板。3.3实际塔板数的求取塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况，以及板间反混（液沫夹带、气泡夹带和漏液所致）的综合结果。板效率为设计的重要数据。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。O'Connell对几十个工业塔及实验塔板效率进行综合归纳，认为蒸储塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：式中一一相对挥发度；l液相黏度，mPa。So上式中、l的数据均取塔顶、塔底平均温度下的值取关键组分间的相对挥发度；l取此经验式的图解见下图用于多元系统时,液相的平均黏度。可按下式计算式中Xi——进料中各组分的摩尔分数;O'Connell对几十个工业塔及实验塔板效率进行综合归纳，认为蒸储塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：式中一一相对挥发度；l液相黏度，mPa。So上式中、l的数据均取塔顶、塔底平均温度下的值取关键组分间的相对挥发度；l取此经验式的图解见下图用于多元系统时,液相的平均黏度。可按下式计算式中Xi——进料中各组分的摩尔分数;Lii组分的液态黏度，mPaSo由t-x-y曲线可知：全塔平均温度：FtDtwtF104.67C3组分苯A乙苯B黏度(mPa-s)0.230.29查手册得平均温度下的液相中各组分的黏度则有：LF0.50.23(10.5)0,290.26同理：ld0.231,lw0.287平均黏度:0.260,2310.287l0.2593查手册得，在104.67C下,则全塔效率计算实际塔板数相对挥发度：4.55精微段：N谓NtEt30.47提储段：Np提NtEt40.47故全塔实际所需塔板数N18块加料板位置在第9块相关物性参数的计算塔顶压强：PD101.3kPa进料板压强：PfPdN畸0.7101.390,7107.6kPa塔釜压强：PWPFNP提0.7106.790.7113.9kPa精微段平均操作压强提储段平均操作压强全塔平均操作压强由前tD84C、tw132C、tF98c精储段平均温度：m殳万上91C提储段平均温度：「tW/115c全塔平土§温度：fL^W108c2由苯乙苯图解理论板及t-x-y图查知xy（图解理论板）x（平衡曲线）进料板平均摩尔质量气相：MvmFyFMa(1yF)Mb83.04kg/kmol液相：MLmFxF'MA(1xF')MB92kg/kmol塔顶平均摩尔质量气相：MVmDyDMA(1yD)MB78.56kg/kmol液相：MLmDXd'Ma(1Xd')Mb80.24kg/kmol塔底平均摩尔质量气相：MVmWywMa(1yw)Mb104.60kg/kmol液相：MLmWxW'MA(1xW')MB105.72kg/kmol则精微段平均摩尔质量气相：MVm(精)83,0478.5680.80kg/kmol2

液相：MLm（精）92—y486.12kg/kmol提储段平均摩尔质量83.04105.72,气相：MVm（提）94.38kg/kmol、、,…9210572椒相：MLm（提）98.86kg/kmol全塔平均摩尔质量气相：气相：Mvm（全）液相：MLm（全）80.8094.38286.1298.8687.59kg/kmol92.49kg/kmol气相密度精储段：提储段：PmMvmVmRTVm（精）104.680.808.314（27391）2.79kg/m3Lm（精）111.0594.388.314（273115）3.25kg/m3全塔：vm（精）一Vm32.793.253.02kg/m3221放相存度：一—-B,式中为质量分率LAB温度（C）84810.5890.098794.75807.58132754.02764.5查的在tD84C、tw132C、tF98c下苯乙苯的密度为塔顶平土§密度：310.970.03，LmD810.5890.0LmD812.7kg/m进料板平均密度：10,420.58LmF794.75807.58LmF802.1kg/m3塔釜平土§密度：3Lmw764.1kg/m13Lmw764.1kg/m盛754,02764.5精微段平均密度：提储段平均密度：全塔液相平均密度:液体平均黏度：查的在tD84C、tw132C、tF98c温度下各组成的黏度黏度温度iff-.一84c132c98c苯(mPas)0.2970.2090.260乙苯（mPas）0.3430.2520.305由公式mXii计算平均黏度进料板:他0.500,2810.500,2520.267mPas进料板:塔顶:0.980.2970.020.3430.298mPas塔釜:m釜0.050.2600.950.3050.303mPas精微段平均黏度:m(精)0.2980.26720.283kg/m3提储段平均黏度:提储段平均黏度:0.2670.303___30.285kg/m3全塔平均黏度:m^0,28320.285230.284kg/m由公式由公式i进行计算查资料得tD84C、tw132C>tF98c温度下苯乙苯的表面张力j衣面张力温度84c98c132c苯(mN/m)18.3719.0915.42

乙苯(mN/m)22.5121.0617.62进料板表面张力:0.519.090.521.0620.08mN/m塔顶表面张力:0.9818.370.0222.5118.45mN/m塔底表面张力:0.0515.420.9517.6217.51mN/m精储段液体平均表面张力:m(精)20.0818.45塔顶表面张力:0.9818.370.0222.5118.45mN/m塔底表面张力:0.0515.420.9517.6217.51mN/m精储段液体平均表面张力:m(精)20.0818.4519.27mN/m提储段液体平均表面张力:20.0817.5118.80mN/m全塔液体平均表面张力精储段：提储段：塔的工艺条件及物性数据统计汇总如下项目符号单位计算数据平均压强精储段kPa104.6提储段111.05全塔107.83平均温度精储段C91提储段115全塔108液相平均摩尔质量精储段kg/kmol86.12提储段98.86全塔92.49气相平均摩尔质量精储段kg/kmol80.92提储段93.96全塔87.44液相平均密度精储段Kg/尤807.4提储段783.1全塔795.3气相平均密度精储段Kg/尤2.79提储段3.25全塔3.02液体平均黏度精储段mPas0.283提储段0.285全塔0.284液体平均表回张力精储段19.27提储段18.80全塔19.04气相负荷精储段m/s0.38提储段0.390液相负荷精储段m/h2.67提储段8.041塔和塔板的主要工艺尺寸计算塔径的计算按照下式计算：式中D塔径m；塔内气体流量m3/s；u——空塔气速m/so空塔气速U的计算方法是，先求得最大空塔气速Umax,然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即因此，需先计算出最大允许气速Umax。式中Umax——允许空塔气速，m/S；PV,PL——分别为气相和液相的密度，kg/m3；C——气体负荷系数，m/s,对于气体负荷系数C可用下图确定；而下图是按液体的表面张力为=0.02N/m时绘制的，故气体负荷系数C应按下式校正：精储段塔径的计算由以上的计算结果可以知道：精储段的气，液相体积流率为：精储段的汽，液相平均密度为：板间距与塔径的关系塔径D/mm300~500500~800800~16001600~2400板间距HT/mm200~300250~350300~450350~600那么分离空间，初选板间距Ht0.35m,取板上液层高度hL0.06m0.2查上图smith关联图，得C200,058,依式CC20一校正到物系表面张力为2020.86mN/m时的C取安全系数为0.7,则调整塔径为0.9m;提储段塔径的计算提储段的汽，液相平均密度为：0.2查上图smith关联图，得C20′0.055,依式CC20一校正到物系表面张力20为19.22mN/m时的C调整塔径为0.9m,综上，则取塔径为0.9m,空塔气速为0.70m/s采用单溢流，弓形降液管，平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。取堰长为0.6D,则LW0.60.90.54m出口堰高hw由hwhihow,选用平直堰，堰上液层2高度how2.84i高度howE—1000iw式中how——堰上液流高度，m；iw堰长，m；is—iw堰长，m；液流收缩系数EE——液流收缩系数。如右图一般情况下可取E=1,对计算结果影响不大。近似取E=1,则精储段提储段由k0.60杳右图得：DAfWd一0.055、—0.11AD则有计算液体在降液管中停留时间，以检验降液管面积故符合要求。式中——降液管底隙处液体流速，m/s；（根据经验一般）取降液管底隙处液体流速为0.075m/s,则（取WsWs0.065m（安定区宽度）wc0.03m（无效区宽度）开孔区面积按Aa2xjR2x2——R2sin1-计算180R22210.4162故Aa20.416.0,420,416一0.42sin0.404m1800.420选用3mm碳钢板，取筛孔直径d04mm,筛孔按正三角形排列，取孔中心距t3d03412mm计算塔板上的筛孔数，即计算，塔板上开孔区开孔率气体U0通过筛孔的气速塔有效高度精储段乙（91）0.352.8m提储段Z290,353.15m总的有效高度为Z乙Z25.95m筛板的流体力学计算气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸储塔塔底温度的主要依据

气体通过每层塔板的压降为PphpLgpp上式中液柱高度hp可按下式计算hphcpp式中hc----塔板本身的干板阻力APCh1----板上充气液层的静压力A气体通过每层塔板的压降为PphpLgpp上式中液柱高度hp可按下式计算hphcpp式中hc----塔板本身的干板阻力APCh1----板上充气液层的静压力APL液体的表面张力AP&干板阻力hc计算干板阻力由如下公式计算:rd04由一°—31.333查干筛孔的流量系数图G0.847to0.8气体通过液层的阻力hi计算根据右图查的3为0.68Fa提Ua提/V0.64973,251.17kg21__2sm2液体表面张力的阻力h计算由公式计算查的30.40.22.00.51VFaUa/21/2m_kg_-3sm气体通过每层塔板的压降用公式PphpLg计算单板压强降符合设计要求。对于筛板塔液面落差很小，塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。液沫夹带由下式计算，即式中hf2.5hL2.50.060.15m故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内，设计合理。对于筛板塔，漏液点气速Uo,min可由式Uo,min4.4C07(0.00560.13hLh)l/v计算筛板稳定系数K旦Uow故在本设计中无明显漏夜。汽液量相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）

如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于是管内液面即行升高。为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从式HdHT%而HdhphL'由于板上不设进口堰，、可由式计算因HdHthw故在本设计中不发生液泛现象塔板负荷性能图塔板结构参数确定后，该塔板在不同的气液负荷内有一稳定的操作范围。越出稳定区，塔的效率显著下降，甚至不能正常操作。将出现各种不正常的流体力学的界限用曲线表示出来，便为操作负荷性能图。它由气相负荷下限线（又称漏液线）、过量雾沫夹带线、液相负荷下限线、液相负荷上限线和液泛线五条线组成以精储段为例。漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。由Uo,min4.4C070.00560.13hLh_7T得Vsmin4.43C得Vsmin4.43CoAo0.00560.13hw2.84E10002L3LhhLlwLs0.00030.0010.0030.0060.009vs0.2550.2550.2550.25520.2552在操作范围内,任取几个Ls值，依上试计算出Vs值，计算结果列于下表当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精储,一般控制ea0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg气为限，求M-Ls关系如下:2故hf0.13422.52L『2整理得Vs2,516.66L3Ls0.00030.0010.0030.0060.009vs2.42532.33342.15351.94991.7792液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。对于平直堰，取上液层高度how0.006m作为最小液体负荷标准由下式得取E=1,则据此可作出与气体流量无关的垂直负荷下限线。该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板,造成气相返混，降低塔板效率。以t=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，由式5-9得AfHT所以，Lsmin--0.002455据此可作出与气体流量无关的垂直负荷上限线。若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd0令HdHt儿hphchih将Ht0.35m、hw0.05368m、0.5代入（Ht%）hphwh°whd2得：VS23.772460.34Ls345138Ls2Ls0.00030.0