篩板式精餾塔設(shè)計目錄第一部分概述TOC\o"1-5"\h\z一、設(shè)計題目3二、設(shè)計任務(wù)3\o"CurrentDocument"三、設(shè)計條件3\o"CurrentDocument"四、工藝流程圖...3第二部分工藝設(shè)計計算\o"CurrentDocument"一、設(shè)計方案的確定4\o"CurrentDocument"二、精餡塔的物料衡算4原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù).4原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量4物料衡算原料處理量4\o"CurrentDocument"三、塔板數(shù)的確定4理論板層數(shù)Nt的求取4實際板層數(shù)的求取6\o"CurrentDocument"四、精館塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算6操作壓力計算6操作溫度計算6平均摩爾質(zhì)量計算6⑴塔頂摩爾質(zhì)量計算6⑵進料板平均摩爾質(zhì)量計算6⑶提餾段平均摩爾質(zhì)量7平均密度計算7⑴氣相平均密度計算7⑵液相平均密度計算7液相平均表面張力計算7⑴塔頂液相平均表面張力計算7⑵進料板液相平均表面張力計算7液相平均粘度計算8⑴塔頂液相平均粘度計算8⑵進料板液相平均粘度計算8\o"CurrentDocument"五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算8塔徑的計算8精餾塔有效高度計算9\o"CurrentDocument"六、塔板主要工藝尺寸的計算91.溢流裝置計算9⑴堰長l9W⑵溢流堰高度匕9⑶弓形降液管寬度氣和截面積Af92.塔板布置9⑴塔板的分塊9⑵邊緣區(qū)寬度確定9⑶開孔區(qū)面積計算9⑷篩孔計算及其排列10七、篩板的流體力學驗算111.塔板壓降11⑴干板阻力hc計算11⑵氣體通過液層的阻力hL計算11⑶液體表面張力的阻力h計算11液面落差12液沫夾帶12漏液12液泛12\o"CurrentDocument"八、塔板負荷性能圖13漏液線13液沫夾帶線13液相負荷下限線14液相負荷上限線14液泛線14\o"CurrentDocument"九、設(shè)計一覽表1617十、參考文獻17第一部分概述一、設(shè)計題目：篩板式精餾塔設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)：在一常壓操作的連續(xù)精餾塔內(nèi)分離苯一甲苯混合物。已知原料液的處理量為3800kg/h（3700、3900）、組成為0.41（苯的質(zhì)量分率，下同），要求塔頂餾出液0.96，塔底釜液的組成為0.01。根據(jù)所學知識，設(shè)計一常壓精餾塔。（設(shè)計計算只求其板數(shù)與塔高。）三、設(shè)計條件操作壓力進料熱狀況回流比單板壓降全塔效率塔徑塔板間距4kPa（塔頂表壓）q=i自選<0.7kPaET=52%1m0.4m試根據(jù)上述工藝條件作出篩板的設(shè)計計算。四、工藝流程圖原料液由高位槽經(jīng)過預熱器預熱后進入精餾塔內(nèi)。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經(jīng)過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)過冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵有時還要設(shè)置高位槽。且在適當位置設(shè)置必要的儀表（流量計、溫度計和壓力表）。以測量物流的各項參數(shù)。進料

第二部分工藝設(shè)計計算一、設(shè)計方案的確定進料第二部分工藝設(shè)計計算本設(shè)計任務(wù)書為分離苯-甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)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(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。二、精餡塔的物料衡算原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)苯的摩爾質(zhì)量MA=78.11Kg/mol甲苯的摩爾質(zhì)量MB=92.14Kg/mol0.42/78.11X==0..460F0.42/78.11+0.58/92.140.96/78.11X==0.966d0.96/78.11+0.04/92.140.01/78.11X、、,==0.012W0.01/78.11+0.99/92.14原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量Mf=0.460x78.11+(1-0.460)x92.14=85.68Kg/molMd=0.966x78.11+(1-0.966)x92.14=75.82Kg/molMw=0.012x78.11+(1-0.012)x92.14=91.96Kg/mol物料衡算原料處理量F=3800=44.35Kmol/h85.68總物料衡算F=44.35=D+W苯物料衡算44.35x0.460=0.966xD+0.012xW聯(lián)立解得D=20.83Kg/mol，W=23.52Kg/mol三、塔板數(shù)的確定1.理論板層數(shù)Nt的求取苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。①由手冊查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖x00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.831y00.1280.3040.4530.5960.720.830.9431

②求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上，自點e(0.42,0.42)做垂線，ef②求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上，自點e(0.42,0.42)做垂線，ef即為進料線(q線)，該線與平衡線的交點坐標為：%=0.420故最小回流比為:r二二=些-0.642=1.54

miny-%0.642-0.420取操作回流比為:R=2R.=2x1.54=3.08求精餾塔的氣、液相負荷L=RxD=3.08x19.49=60.03Kmol/hV=(R+1)xD=(3.08+1)x19.49=79.52Kmol/hL=L+F=60.03+46.38=106.41Kmol/hV'=V=79.52Kmol/h求操作線方程?…LD60.0319.49精餾段操作線方程y=v%+v%0=藥52%+藥52x0.983=0.755%+0.245提餾段操作線方程V=Lx'—Wx=10641x'—2689X0.012=1.338x'—0.004V'V'-79.5279.52圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，求解結(jié)果為：總理論板層數(shù)吒=13^包括再沸器），進料板位置吒=6實際板層數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù)：N=T?J=9.6-10精0.52,、一.,,7提餾段實際板層數(shù)：N提=^^=13.5r14四、精饞塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算以精餾段為例進行計算。1.操作壓力計算塔頂操作壓力pD=101.3+4=105.3kPa每層塔板壓降詢=0.7kPa進料板壓力pm=105.3+0.7x10=112.3kPa提餾段平均壓力p=(105.3+112.3)/2=108.8kPa操作溫度計算依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下：塔頂溫度TD=82.1。。進料板溫度Tf=99.5°C平均摩爾質(zhì)量計算⑴塔頂摩爾質(zhì)量計算：由xD=V]=0.983,查平均曲線，得x1=0.926Mvd=0.983x78.11+(1-0.983)x92.13=78.35kg/kmolM'ld=0.926x78.11+(1-0.926)x92.13=79.15kg/kmol⑵進料板平均摩爾質(zhì)量計算由圖解理論板，得七=0.612查平衡曲線，得xF=0.395M筋=0.612x78.11+(1-0.612)x92.13=83.55kg/kmolMFm=0.395x78.11+(1-0.395)x92.13=86.59kg/kmol

⑶提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm=(78.35+83.55)/2=80.95kg/kmolM^=(79.15+86.59)/2=82.87kg/kmol4.平均密度計算⑴氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，109.5x80.95PVmRT8.314x(91.95+273.15)m=2.91kg/m3⑵液相平均密度計算液相平均密度依下式計算:PLm⑶提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm=(78.35+83.55)/2=80.95kg/kmolM^=(79.15+86.59)/2=82.87kg/kmol4.平均密度計算⑴氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，109.5x80.95PVmRT8.314x(91.95+273.15)m=2.91kg/m3⑵液相平均密度計算液相平均密度依下式計算:PLm①塔頂液相平均密度計算：由TD=82.1。。，查手冊得=812.7kg/m3,PLDm②進料板液相平均密度計算PA10.98/812.7+0.02/807.9PB=807.9kg/m3=812.6kg/m3由Tf=99.5°C，查手冊得進料板液相的質(zhì)量分數(shù)計算0.395x78.11PLFm0.356/793.1+0.644/790.8③精餾段液相平均密度為P頃=(812.6+791.6)/2=802.1kg/m35.液相平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即a=Zxxa⑴塔頂液相平均表面張力計算由TD=82.1。。，查手冊得aA=21.24mN/m，aB=21..24mN/maD=0.983x21.24+0.017x21.24=21.24mN/m⑵進料板液相平均表面張力計算由Tf=99.5。。，查手冊得aA=18.90mN/m，aB=20.00mN/ma=0.395x18.90+0.605x20.00=19.57mN/mLFm

精餾段液相平均表面張力為：bl=(21.24+19.57)/2=20.41mN/m6.液相平均粘度計算液相平均粘度依下式計算：ig%=E七lg巴⑴塔頂液相平均粘度計算由TD=82.1°C，查手冊得日人=0.302mPa?s，^B=0.306mPa?slgR=0.983xlg(0.302)+0.017xlg(0.306)LDm解得^=0.302mPa?s⑵進料板液相平均粘度計算由T=99.5°C，查手冊得日=0.256mPa?s，日=0.265mPa?slgp=0.395xlg(0.256)+0.605xlg(0.265)LFm解得p=0.261mPa?s精餾段液相平均粘度為%=(0.302+0.261)/2=0.282mPa?s五、精餡塔的塔體工藝尺寸計算1.塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為:V=-^

s3600PVmLMLm—3600V=-^

s3600PVmLMLm—3600pLm3600x2.9160.03x82.81=0.0017m3/s由"max.■￡ZHp由"max.■￡ZHpV:p1V式中c由式(5-5)計算，其中的C20由圖5-1查取，圖的橫坐標為:Lhx(PLVPv0.0017x3600x坐標為:Lhx(PLVPv取板間距Ht=0.40,板上液層高度、=0.06m，則%-h^=0.4-0.06=0.34m查圖5-1得C20=0.070C=C=(')0.2=0.07X(2°^)0.2=0.0703202020u=0.0703x'802.1一2.91=1.165m/smaxV2.91按標準塔徑圓整后為D=1.0m兀塔截面積為A=—x1.02=0.785m2實際空塔氣速為u===黑4=0.782m/sA0.7852.精餾塔的有效高度的計算精餾段有效高度為Z精=(N精-1)Ht=(10-1)x0.4=3.6提餾段有效高度為Z提=(N提-1)Ht=(14-1)x0.4=5.2在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=3.6+5.2+0.8=9.6m六、塔板主要工藝尺寸的計算1.溢流裝置計算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結(jié)構(gòu)對塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合其他影響因素，當因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下：⑴堰長lw取l=0.66D=0.66x1.0=0.66mw⑵溢流堰高度hw284L由hw=h「J^，選用平直堰，堰上液層高度hg=荷E(產(chǎn))2/3w,72.841,0.0017x3600、近似取E=1，則h=x1x()2/3=0.013mow10000.66取板上清液層高度七=0.06-0.013=0.047m⑶弓形降液管寬度吧和截面積Af由D=0.66,查圖5-7,得1=0.0762,齊=訕36T

A=0.0762A=0.0762x0.785=0.0598m2吃=0.136D=0.136x1.0=0.136m依式(5-9)驗算液體在降液管中停留時間，即3600AHLh36003600AHLh=14.07s>5s0.0017x3600故降液管設(shè)計合理。⑷降液管底隙高度h0Lh3600/u0取u0=0.08m/s，則0.0017x3600=0.032m3600x0.66x0.08h-h0=0.047-0.032=0.015m>0.013m故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度h'w=50mm。2.塔板布置⑴塔板的分塊因D>800mm，故塔板采用分塊式。查表5-3得，板塊分為3快。⑵邊緣區(qū)快讀確定取w=W，=0.065m,W=0.035m⑶開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積A按式（5-12）計算，即aTOC\o"1-5"\h\z4c，二，兀"尤A=2(尤寸r2—x2+180arcsin—)x=D-(W—W)=10-(0.136+0.065)=0.299m2ds'2其中r=D-W=10-0.035=0.465m2c2A=2x(0.311x<0.4652-0.2992+"*0.4652arcsin°^)=0.524m2故a'1800.465⑷篩孔計算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性，可選用8=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d0=5mm。其中篩孔按正三角形排列，取孔中心距t=3xd0=3x5=15mm1.155xA1.155x0.524

n=a==2690個120.0152中=0.907(d0)2=0.907x(°.°°5)2=10.1%0.015篩孔數(shù)目開孔率為氣體通過篩孔的氣速為u=匕0Ao0.614=11.60m/s0.101x0.524七、篩板的流體力學驗算1.塔板壓降⑴干板阻力h計算c干板阻力h由式（5-19）計算：h=0.051（幻）2（欄）cccp由d0/5=5/3=1.67，查圖5-10得：C20=0.772故h=0.051x(11.60)2x(2.91)=0.418m液柱c0.772802.1⑵氣體通過液層的阻力匕計算氣體通過液層的阻力匕由式（5-2。）計算:h1=px匕u=——^-s—==0.843m/saAt-A^0.785-0.0598F0=uTp"=0.843x^頑=1.44kg1/2/(s?m1/2)0.614查圖5-11，得P=0.61。故4=0.=。（h+h）=0.61x（0.047+0.013）=0.036m液柱⑶液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h由式（5-23）計算：

b4x20.41x10-3

802.1x9.81x0.005=0.0021m液柱氣體通過每層塔板的液柱高度h可按下式計算：Ph=h+h+h=0.418+0.036+0.0021=0.0799m液柱Pc1b氣體通過每層塔板的壓降為：詢=hpLg=0.0799x802.1x9.81=629Pa<0.7kPa(設(shè)計允許值)液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。液沫夾帶液模夾帶量由式(5-24)計算：—5.7x10-6(".vcH—h七=2.5七=2.5x0.06=0.15m57x10-6故e=x(f4^)3.2=0.014kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣v20.41x10-30.4—0.15在本設(shè)計中液沫夾帶量e在允許范圍內(nèi)。v漏液對篩板塔，漏液點氣速u0員可由式(5-25)計算：u=4.4Cx；(0.0056+0.13h—h)p/po，min0LCLv=4.4x0.772x(0.0056+0.13x0.06—0.0021)802.1/2.91=5.995m/s實際孔速U0=11.60m/s>%i穩(wěn)定系數(shù)為K="o=!=L93>L5ui5.995故在本設(shè)計中無明顯漏液。5.液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高H舟服從式(5-32)的關(guān)系，即%<<9H+h)苯-甲苯物系屬一般物系，取中=0.5，則中(H+h)=0.5x(0.40+0.047)=0.224m而氣=h+?+hd板上不設(shè)進口堰，hd可由式(5-30)計算，即h=0.153（"，）2=0.153x0.082=0.001m液柱H=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱H割（七+h）故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。八?塔板負荷性能圖1漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。u0.=4.4C0J(0.0056+0.13匕—h)p〃弓Lin，h=h+h，h=284E(匕)2/3

ALwowow1000l=4.4CA:{0.0056+0.13x[h+^84x1x(t)2/3]-h}p/p00w1000'l'nLJwU=0，min得Vs，min=4.4x0.772x0.101x0.524x:{0.0056+0.13[0.047+^84x1x(360°』)2/3]—0.0021}802.1/2.9110000.66整理得V=2.985xj0.00951+0.114LmL/(m3/s)V/(m3/s)0.00060.3030.00150.3130.00300.3250.00450.335在操作范圍內(nèi)，任取幾個七值，依上式計算出匕值，計算結(jié)果列于下表。由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。2.液沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精餾，一般控制eV頸.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限，求Vs-Ls關(guān)系如下：_5.7x10-6（u）v°H—hu=*

aA-AVs=1.379V0.785-0.0598，hfhfeV=2.5h=2.5(h+h),h=0.047,h=竺4xlx(迎0匕)2/3=0.88WLwowwow10000.66shfhfeV=0.118+2.2L2/3,H-h=0.282-2.2L2/35.7x10-6:1?37Vs[s]3.2=0.120.41x10-30.282-2.2Lm整理得V=1.28-10.02L2/3在操作范圍內(nèi)，任取幾個七值，依上式計算出匕值，計算結(jié)果列于下表。L/(m3/s)V/(m3/s)0.00061.2090..00151.1490.00301.0720.00451.007由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。3液相負荷下限線液相負荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導致塔板效率下降。對于平直堰，取堰上液層高度h=0.006m作為最小液體負荷標準。由式(5-7)得owh=空E(W)2/3=0.006ow1000lW取E=1，則L=(0.006x1000)2/3些=0.00056m3/sS，min2.843600據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線3。4.液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，進入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。以9=4s作為液體在漿液管中停留時間的下限，由式(5-9)得AH=0.0598x0.40=0.00598m3/s49=AA%=AH=0.0598x0.40=0.00598m3/s4據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線4。5.液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學驗算中通常對降液管液泛進行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度HdH=中(H+h)，H=h+h+h聯(lián)立得Lo,1LLwow里H+(^-P-1)h=(p+1)h+h+h+h忽》^，將h，儼與L，h與V的關(guān)系式帶入上式，整理得bowdScS令h：=h+h+hwh=0?hPhL=hd+h

aV2=b'一c'L-d'L2/3s0.051sa,=(V)聯(lián)立得Lo,1LLwow里H+(^-P-1)h=(p+1)h+h+h+h忽》^，將h，儼與L，h與V的關(guān)系式帶入上式，整理得bowdScS將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入，得：0.051,2.91、八…a-(0.101x0.524x0.772)*(802.1)-.0.051b'=0.5x0.4+(0.5-0.61-1)x0.047=0.1480.153c'==3