双组分连续精馏筛板塔的设计

辽宁科技大学课程设计说明书设计题目:化工原理课程设计双组分连续精储筛板塔的设计学院、系：化学工程学院专业班级：应化13-1班学生姓名：指导教师:成绩：2016年7月8日一. 序2二. 原始数据3三. 设计计算3四. 物料衡算3五. 塔顶温度、塔底温度及最小回流比计算4六. 确定最佳操作回流比及塔板层数5七. 塔板结构计算10八. 溢流堰高度及堰上液层高度的确定12九. 板面筛孔布置的设计12十.水力学性能参数及校核13十一.塔板负荷性能图14十二.筛板设计计算的主要结果：17十三.主要符号说明（略）18十四.主要参考文献18十五双组分连续精馆的流程图19十六结束语20混合物的分离是化工生产过程中的重要过程混合物分为均相和非均相物系，非均相物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离，而化学工业中通常遇到的是均相分离，通常有精馆，吸收，萃取和干燥等单元的操作精馆是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种典型单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用按蒸馆方式分为简单蒸馆，平衡蒸馆，精馆和特殊精馆等当混合物各组分挥发度差别很小或形成共沸时，采用精馆精馆是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。

工业上以精馆应用最为广泛精馆过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离该过程是同时进行传质、传热的过程精馆塔是大型的设备组装件，分为板式塔和填料塔两大类一般处理物料量较大时多采用板式塔板式塔又有筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等本次设计任务为设计一定产品纯度的精馆塔，实现二甲苯一三甲苯的分离鉴于二甲苯一三甲苯体系比较易于分离，待处理料液清洁的特点，同时对筛板塔的结构，性能做了较充分的研究，认识到只要设计合理，操作正确，就可以获得较满意的塔板效率和一定的操作弹性设计决定选用筛板塔本设计的具体流程：原料液（二甲苯和三甲苯，且泡点进料）经预热器加热到指定的温度后，送入塔的进料板上与白塔上部下降的回流液体汇合后，逐板下降，最后流入塔的再沸器中在每层塔板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行传质、传热操作时，连续地从塔底再沸器取出部分液体作为塔底产品（或为塔釜残液排出），部分液体气化，产生的蒸气依次上升通过各层塔板塔顶蒸气进入冷凝器中被部分（选择适当的回流比）冷凝，并将部分冷凝液用泵或靠位差送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。

本课程设计的主要内容是过程的物料衡算、热量衡算，工艺计算，结构设计和校核设计时间为2016年7月化工原理课程设计组分名称二甲苯三甲苯组成（质量分率）0.440.560.975（质量分率）0.965（质量分率）1. 设计题目：双组分连续精僻筛板塔的设计2. 原料处理量：1.6x104kg/h原料组成：I.原始数据3.4.分离要求：（1）:（2）:僻出液中低沸点组分的含量不低于僻出液中低沸点组分的收率不低于5.操作条件：（1）:（2）:操作压力：常压进料及回流状态：泡点液体II.设计计算一、物料衡算二甲苯的摩尔质量：M=106kg/kmol三甲苯的摩尔质量：M=120kg/kmol盾回油恋宗八玄.-0.44/106-〃丁〈/|宣1寻'/J、yj—・XF塔顶产品摩尔分率：0.44/106十(1一°.44>‘1200.975/106D0.975/106+(1-0.97%20=0.97790.4708原料液的平■均摩尔质量:物料衡算原料处理量:M=0.4708X106+(1-0.4708)X120=113.4088kg/kmol16000F141.08kmol/h塔顶易挥发组分回收率:DX^=0.965FXf总物料衡算：F=D・WD=65.54kmol/hW=F-D=141.08—65.54=75.54kmol/hFXf=DXdWxw141.08>0.4708=65.54>0.9779+75.54XxwXW=0.03083二、塔顶温度、塔底温度及最小回流比的计算(1)确定操作压力：塔顶压力：760mmHg塔底压力：760mmHg+25X100/13.6mmHg=943.8235mmHg(2)计算塔顶温度(露点温度)：根据塔顶压力及塔顶汽相组成用试差法计算塔顶温度。

其中二甲苯、甲苯的饱和蒸气压由安托因方程计算设t顶=141.49C由"A'.00一t^fh得成=781.1904mmHg由lgPb01608=7.074t顶+213.3得p^：=348.2324mmHgkAPaP781.1904=1.02788760kBPbP348.2324=0.45820760XaVakA0.9779=0.9513741.02788XBVbkB1-0.9779=0.0482320.45820113.4088=0.000394：；=0.0004£X-1=0.951374+0.048232-1t顶=141.5C假设正确，为所求露点温度PA0781.1904A2.2433PB°348.2324(3)计算塔底温度(泡点温度)根据塔底压力及塔底残液组成用试差法计算塔底温度其中二甲苯、三甲苯的饱和蒸气压由安托因方程计算设t底=177.67c由IgPA0=7.000一1463t底+214.7得R：=1867.9984mmHg由IgPb°1608=7.074-t底+213.3得PB=914.4342mmHg瓯*=1.9792943.8235宣=914.4342=0.9689P943.8235Ya=XaKa=0.030831.9792=0.0610Yb=XbKb=(1-0.03083)1.9792=0.9559=0.0443+0.9559-1=0.0002<8=0.0004t底=177.67假设正确，为所求泡点温度。

PA01867.9984--口底=一0==2.0248Pb914.4342=.2.24242.0248=2.1313(4)计算最小回流比Rmin：q=1Xe=Xf=0.4708y=0.65561"".--1XeXD-ye0.9779-0.6556==1.7440ye-Xe0.6556-0.4708确定最佳操作回流比与塔板层数由yi=XD，根据平衡关系计算xi,由操作关系计算y2,由平■衡关系计算1.列相平■衡关系式:XnXb^^-Dyn2.1313-1.1313yn2.列操作线方程:精僻段:提僻段:RXd%疽时七RHLFWym^r^X^T^Xw3.由塔顶向下逐板计算精僻段的汽、液相组成，即X2,…由平衡关系计算Xn,当Xn

2二)(t-20)=28.99-0.109(141.5-20)=15.7465dyne/cmt；「B=20(上)(t-20)-28.93-0.101(141.5-20)=16.6585dyne/cmt一「Xi=15.74650.9779+16.6585(1-0.9779)=15.7667yne/cmC=C20(2-)0.2=0.084：115.7667=0.080120.204. 计算液泛速度UF(Umax)：UFcPl-PvcccccJ759.2092-3.1251…，=Cj——-=0.0801^J=1.2459km/s：:v■3.12515. 空塔气速:取安全系数为0.7，则空塔气速uG=0.7uF=0.7K1.2459=0.8721m/s6. 选取溢流方式及堰长同塔径的比值lw/D:选用单溢流弓形降液管,取lw/D=0.7o查弓形降液管的参数图，查取降液管面积同塔截面积的比值A./At=0.088及降液管宽度同塔径的比值Wd/D=0.147.计算塔径：VG7763.0257/3600八“2G2.4726m『uG0.8721截塔面积:2.47262.7112m21-Af/At1-0.088塔径：D=按标准塔径圆整后D=1.9m8.计算塔径圆整后的实际气速：222At=—D2=—1.8-2.8353m244Ag=At(1-AdAt)=2.8353(1-0.088)=2.5858m2UGVg7763.0257/3600——==0.8341m/s2.5853液泛分率：生=0.8721=0.7000m/s在(0.6〜0.8)范围内uf1.24599.在D=1.9m时，塔板结构尺寸堰长：lw=0.7D=0.71.8=1.33m降液管宽度：Wd=0.14D=0.141.8=0.266m降液管面积：Ad=0.088At=0.0882.8353=0.2495m2五.溢流堰高度hw及堰上液层高度how的确定选取溢流堰高度hw=50mm,lw/D=0.7查取液流收缩系数图,得液流收缩系数E=1.020选用平■直堰，堰上液层高度how=0.0028E'项丫=.Lw0.00281.020‘20.0822'代I=0.0174m<1.33)•••hL=hw+how=0.05+0.0174=67.4m六.板面筛孔布置的设计：选取筛孔直径do=5mm筛孔按正三角形排歹0,孔中心距/'孔径=3,孔中心距t=3d°=3X5=15mm选塔板厚度tp=3.5mm（碳钢板）。

1. 计算开孔区面积Aa:--22. A.=At—2Ai=2.8353—2X0.2495=2.3363m开孔率中:3. 平=土=0.907'也|=0.907X'-）=0.1008=10.08%Aat3开孔面积：2冬=中Aa=0.1008X2.3363=0.2354mVs7763.0257/3600,4. 气体通过筛孔的流速：Uo=w==9.1606mAo0.2354s孔个数N=Ao=0.2354=11990个'•■.U2'•■•；」2—do—0.0052441. 七.学性能参数计算及校核Ug0.057©G='Ht-2.5hwhow液沫火带分率的检验：=^T」_0^1=0.0107kg液/kg气15.7667|匕0.45-2.50.0674<0.1kg液/kg气2. 故在本设计液沫夹带量6g在允许范围内塔板压降：1）干板压降：查表得孔流系数c°=0.79ho12gr2Pv1>9.1606I▼3.1251=0.0282m=乂乂Pl2乂9.8<0.79J759.2092液层静压降:对单溢流板：查充气系数关联图，得充气系数：=0.61hL=E(hw+how>0.61X0.0674=0.0411m2) 液层表面张力压降:一._33—410。

41015.7667八一…h；..=——0.0017m：\gd0759.20929.80.0053) 单板总压降:3. .H=hohLh；「=0.0282+0.0411+0.0017=0.0710m液面落差的校验：对丁筛板塔，液面落差很小，本设计塔径和液流量均不大，可忽略液面落差影响4. 塔板漏液状况的校验：产生漏液的干板压降ho'=0.00510.05hwhow=0.00510.050.0674=0.0085m工作状态下稳定系数|<=业='&丫"Q0282'=1.8214>1.5□o'[ho'J<0.0085；故不会产生严重漏液5. 降液管液泛情况的校验：(1)选取降液管下缘至下层塔板的距离h0=20mm则降液管下缘缝隙通道的截面积Ada=h0xlw=0.02X1.33=0.0266m2(2)液体流出降液管的阻力损失hd:1.39,Vl、21.39'23.5242/3600*=0.0086m——(一^)2=——xIgAd/9.8、0.0266)(3) 计算降液管内的活液层高度及泡沫层高度Hd:D|,„,..、b=—-一=1.62mhf=2.5(hWhOW)=0.1685mZ=D-2WW=1.8一20.266=1.268m.：Ht=h0hL=0.0282+0.0411=0.0699m(b4hf)2¥Z=0.04763=0.00002456m(bhf)*Hd=AHt+hw+how+A+hd=0.0699+0.05+0.0174+0.00002456+0.0086=0.1459m二甲苯一三甲苯物系届一般物系,取*=0.5,MHd=旭=°.1459-0.2918m0.5(4) 校核：'Ht+hw=0.45+0.05=0.5mHdMHt+hw故在本设计中不会发生液泛现象。

6. 液体在降液管内停留时间的校验：3600AdHd36000.16640.2954=d==7.5223s>5sVL23.5242故降液管设计合理A.塔板负荷性能图(一)负荷性能图：1. 最大气相负荷线：r/X231Vg=8812Ago'3.2Ht-2.5hw+0.0028FwVlI

'；A0.5Ht—(0.5+E)hw—(1+E)K0.0028Fw(Vk)23—0.142(—)2[pV)lw3600Adaj4I759.2092、V2-■).50.5X0.45_(0.5+0.61)X0.05_(1+0.61)X0.0028x1.02x(—)，'3•.艾1.3313.1251j,Vl、2._0.142X(L)3600X0.0282=159460.790.2354=46220.4406<0.1695-0.003802VL23—0.00001378Vl2VL/m[h~051015202530Vg/m-/h19029.130018372.261817930.910017496.741517045.256316562.145416037.8935根据以上各线方程，可作出筛板的负荷性能图如图）（二）操作性能的评定：1）本设计的操作条件为VL=23.5242m3h,vg=7763.0257m*,在负荷性能图上作出操作点P（Vl,Vg），连接OP即作出操作线2）根据操作线同负荷性能图的交点及设计工作点的坐标，计算下列参数:根据负荷性能图及操作线的交点，可以看出从图上读出：VG,maX=9437.25m/h,VG,min=4966.96m/h,VL,max=30.12m*,VL,min=15.06m/A. 操作弹性系数（极限负荷比）：按汽相负荷计算:Ktg=『=^25，.9'VG,min4966.98按液相负荷计算：KTL=『=3°坦=2'VL,min15.06B. 设计工作点的安定系数（设计负荷对极限之比）：对汽相负荷上限：Kag=Vg==9437.25=1.43Vg6586.0648对汽相负荷下限:Ka,g=J迎些8=1.33VG,min4966.96对液相负荷上限：Kal=V^=30.12=1.50VL20.0822对液相负荷下限：K'a,l=-^=20.0822=1.33VL,min15.06九.筛板设计计算的主要结果：筛板塔设计计算结果项目数值项目数值气相流量Vh,m/h7763.0257堰上方液层局度how,m0.0174「液相流量Lh,m/h23.5242板上液层局度h、m0.0411实际塔板数25孔中心距t,m0.015塔板间距HT,m0.45开孔率中，％10.08塔径D,m1.8开孔区面积A）,m0.2354「溢流形式单溢流空塔气速ug,m/s1.2459降液管形式弓形降液管中液体停留时间97.5223堰长lw,m1.33稳定系数k1.8214堰高hw,m0.05液沫火带eG,kg液/kg气0.0107十.主要符号说明（略）H■.参考文献：1.化工原理上下册（谭天恩等编著）2. 化学工程手册第13篇《气液传质设备》3. 饱和蒸气压数据：lgp0=Ai-Bi/(t+Ci)[mmHg]式中t:温度，CPi°:饱和蒸气压，毫米工作汞柱Ai,Bi,Ci:同组分种类有关的常数组分名称AiBiCi二甲苯7.0001463214.7三甲苯7.0741608213.34.液体的物理性质同温度的近似关系:\性质组密度(kg/m3)粘度(CP)表面张力(dyne/cm)P20AP/At「20AH/At色20Act/At二甲苯864-0.8750.687-0.004228.99-0.109三甲苯878-0.7070.839-0.004028.93-0.101双组分连续精僻的流程图结束语精馆塔操作的基本要求是在连续定态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求或组分的回收率，即在允许范围内采用较小的回流比和比较大的再沸器传热量。

所以在设计精馆塔的过程中，必须保持精馆定态操作的条件如：塔压稳定；进、出塔系统的物料量平衡和稳定；进料组成和热状况稳定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的传热条件稳定；塔系统与环境间散热稳定等因此在设计当中就要考虑主要的因素来进行合理的设计两周的化工原理课程设计，使我对于双组分连续精馆筛板塔的设计有了更深刻的认识在设计实践过程中，同时让我对理论知识有更形象的认识且慢慢的融会贯通，当计算与绘图结束时一种强烈的成就感油然而生首先，在于设计计算，参考课本所学理论知识，并联系生产实际情况，对设计有了整体性的把握查找一些有关参数的时候，我通过很多途径参考并合理的运用到设计中大量的计算也特别锻炼我们的计算能力及做事认真程度同时我对于精馆这章的熟悉也便于对化工生产更高层次的学习其次，CAD®图方面的能力也有了很大的进步，对各种画图工具的运用更加熟练白如这项工作需要很强的毅力，甚至是通宵达旦的设计，这其中也感受到了设计工作的艰辛在钟老师的指导和同学之间相互交流中，我通过白己的努力认真的完成了设计也许设计的结果还有错误，设计的过程还存在不足，希望老师能多多指导给予宝贵意见设计是实践的开始，相信这会是我以后学习和工作的动力。