化工原理課程設計--雙組分連續(xù)精餾篩板塔的設計

1、<p><b>　　原始數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1.設計題目：雙組分連續(xù)精餾篩板塔的設計</p><p>　　2.原料處理量：1.30×104kg/h</p><p><b>　　3.原料組成：</b></p><p>　　（ 苯（M=78kg/kmol） ,二甲苯 （

2、M=92kg/kmol）)</p><p>　　4.分離要求：（1）：餾出液中低沸點組分的含量不低于97.5%（質(zhì)量分率）</p><p>　?。?）：餾出液中低沸點組分的收率不低于97%（質(zhì)量分率）</p><p>　　5.操作條件：（1）：操作壓力：常壓</p><p>　　（2）：進料及回流狀態(tài)：泡點液體</p><

3、p><b>　　設計計算</b></p><p>　　1.全塔物料恒算計算餾出液及殘液產(chǎn)量</p><p><b>　　F=D+W</b></p><p><b>　　F=L+W </b></p><p><b>　　==0.7335</b><

4、/p><p><b>　　==0.9787</b></p><p>　　M=0.7335×78+（1-0.7335）×92=81.73g/mol</p><p>　　F==159.06 Kmol/h</p><p>　　=0.97 D===115.63Kmol/h</p><p&

5、gt;　　W= F－D W=159.06－115.63=43.43Kmol/h</p><p><b>　　===0.0807</b></p><p>　　2.塔頂溫度、塔底溫度及最小回流比的計算</p><p>　　2.1 確定操作壓力</p><p>　　塔頂：P頂=760mmHg</p><

6、;p>　　塔底：P底=760mmHg+nΔP (n=20－30塊)</p><p>　　ΔP=100mmH2O</p><p>　　n=20 p底=760+20×=907.06mmHg</p><p>　　2.2 根據(jù)塔頂壓力及塔頂汽相組成用視差法計算塔頂溫度（即露點溫度）:</p><p>　　(1) 令td=81.14

7、℃</p><p>　　AA=6.906 BA=1211 CA=220.8</p><p>　　AB=6.953 BB=1344 CB=219.4</p><p>　　㏒P0i =Ai－Bi/(Ci+td)</p><p>　　lgP0A =AA－BA/(CA+td)=6.906－</p><p>　　=785.78m

8、mHg</p><p>　　lgP0B =AB－BB/(CB+td)=6.953－</p><p>　　=302.76mmHg</p><p>　　(其中yA = XD )</p><p>　　(其中yB =1－yA )</p><p>　　<ε(0.0004)</p><p>　　α頂=

9、 P0A /P0B =785.78/302.76=2.5954</p><p>　　t頂 =81.14℃</p><p>　　同理，根據(jù)塔底壓力及塔底殘液組成用試差法計算塔底溫度（即泡點溫度）:</p><p>　　(1)令tb= 113.30C</p><p>　　㏒P0A =Ai－Bi/(Ci+tb)</p><p&g

10、t;　　AA=6.906 BA=1211 CA=220.8</p><p>　　AB=6.953 BB=1344 CB=219.4</p><p>　　lgP0A =AA－BA/(CA+tb)</p><p>　　=1911.17mmHg</p><p>　　lgP0B =AB－BB/(CB+tb)</p><p>　

11、　=819.03mmHg</p><p>　　2.10699×0.0807= 0.1700(其中XA = XW)</p><p>　　0.90295×(1－0.0807)= 0.8300(其中XB =1－XW) </p><p>　　0.0001<ε(0.0004)</p><p>　　α底= P0A /P0B =

12、 1911.17/819.03=2.3335</p><p>　　t底=113.30℃ </p><p>　　2.3 計算平均相對揮發(fā)度</p><p>　　2.4 計算最小回流比Rmin</p><p>　　因為進料狀態(tài)為泡點進料，所以q=1,則</p><p>　　3.確定最佳操作回流比及塔板層數(shù)</

13、p><p><b>　　采用逐板法計算 </b></p><p>　　3.1 求相平衡方程式，并化成最簡的形式</p><p>　　3.2 初選操作回流比計算理論塔板數(shù) </p><p>　?。?）當=1.1×0.78=0.8時,</p><p><b>　　精餾段操作線方程&l

14、t;/b></p><p><b>　　提留段操作線方程</b></p><p>　　用逐板計算法計算精餾段的板數(shù):（平衡方程與精餾段操作線方程聯(lián)立逐步求解）</p><p><b>　　=0.9787</b></p><p>　　X1=0.9492→y2=0.9650→X2 =0.9181→

15、y3 =0.9507</p><p>　　→X3=0.8869→y4=0.9362→X4=0.8564→y5 =0.9222</p><p>　　→X5=0.8281→y6=0.9091→X6=0.8026→y7 =0.8973</p><p>　　→X7=0.7803→y8=0.8870→X8=0.7614→y9 =0.8783</p><p&

16、gt;　　→X9=0.7458→y10 =0.8711→X10=0.7331< XF=0.7335</p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=10-1=9塊</p><p>　　用逐板計算法計算提餾段的板數(shù):（平衡方程與提餾段操作線方程聯(lián)立逐步求解）</p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=13-1=12塊</p><p&

17、gt;　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為13+12=25塊</p><p><b>　　同理可得：</b></p><p>　　（2）當=1.2×1.6173=1.9408時</p><p><b>　　精餾段:</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=12-1=11塊<

18、;/p><p><b>　　提餾段:</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=11-1=10塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為11+10=21塊</p><p>　?。?）當=1.3×1.6173=2.1025時</p><p><b>　　精餾段

19、：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=11-1=10塊</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=10-1=9塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為10+9=19塊</p><p>　　（4）當=

20、1.4×1.6173=2.2642時</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=10-1=9塊</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=10-1=9塊</p><

21、;p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為n+m=9+9=18塊</p><p>　　（5）當=1.5×1.6173=2.4260時</p><p><b>　　精餾段；</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=10-1=9塊</p><p><b>　　提餾段：</b>

22、</p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=9-1=8塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為9+8=17塊</p><p>　?。?）當=1.6×1.6173=2.5877時</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-

23、1=9-1=8塊</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=9-1=8塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為8+8=16塊</p><p>　?。?）當=1.7×1.6173=2.7494時</p><p><b&g

24、t;　　精餾段：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=9-1=8塊</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=9-1=8塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為8+8=16塊</p><p>　?。?

25、）當=1.8×1.6173=2.9999時</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=9-1=8塊</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=8-1=7塊</p>&l

26、t;p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為8+7=15塊</p><p>　?。?）當=1.9×1.6173=3.0729時</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=9-1=8塊</p><p><b>　　提餾段：</b><

27、/p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=8-1=7塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為8+7=15塊</p><p>　?。?0）當=2.0×1.6173=3.2346時</p><p><b>　　精餾段:</b></p><p>　　所以精餾段的理論板數(shù)為n-1=8

28、-1=7塊</p><p><b>　　提餾段:</b></p><p>　　所以提餾段的理論板數(shù)為m-1=8-1=7塊</p><p>　　所以該精餾塔的總理論板數(shù)為7+7=14塊</p><p>　　3.3繪制R～NT曲線，并根據(jù)曲線轉(zhuǎn)點的位置，確定最佳回流比及最佳理論板數(shù)</p><p>&

29、lt;b>　　相關數(shù)據(jù)如下表：</b></p><p><b>　　R～NT曲線</b></p><p>　　根據(jù)曲線可知，最佳操作回流比R=R6=2.5877 ，最佳理論塔板數(shù)NT =16（塊）</p><p>　　3.4塔板效率及全塔理論板數(shù)：</p><p>　　t=(td+tb)/2=(111.

30、27+148.70)/2 = 129.99℃</p><p>　　µ 甲苯 =µ20+△µ（t－20）/△t=0.586+[-0.0035×（129.99－20）]=0.2011</p><p>　　µ 二甲苯=µ20+△µ（t－20）/△t=0.687+[-0.0042×（129.99－20）]=0.2250

31、</p><p>　　µL =ΣxiµLi = XFµL甲苯+ XFµL二甲苯 =0.4751×0.2011+0.4751×0.2250=0.2024</p><p>　　Nｅ= NT/ 1.1 =16/0.6535=24.48 圓整為25塊</p><p>　　4．塔板結(jié)構(gòu)計算（設計塔頂?shù)谝粔K塔板）<

32、;/p><p>　　塔精餾段第一塊塔板的設計：</p><p>　　4.1塔頂實際氣液相體積流量</p><p>　　ρ=ρ20+△ρ（td－20）/△t</p><p><b>　　對液相來說：</b></p><p>　　ρL甲苯=ρ20+△ρ（td－20）/△t=869+[-0.978×

33、;（111.27－20）]=773.8700 Kg/m3</p><p>　　ρL二甲苯=ρ20+△ρ（td－20）/△t=864+[-0.875×（111.27－20）]=784.1388 Kg/m3</p><p>　　ρL=ΣxiρL i=ρL甲苯 X1+ρL二甲苯（1－X1）</p><p>　　=773.8700×0.9712+784.

34、1388×（1－0.9712）=774.1657Kg/m3</p><p>　　ML=Σxi Mi= M甲苯X1+M 二甲苯（1－X1）</p><p>　　=92×0.9712+106×（1－0.9712）=93.2554</p><p><b>　　對氣相來說：</b></p><p>

35、　　ρG =PMG/RT =PΣyi Mi/RT </p><p>　　=101.325×[XDM甲苯+（1－XD）M二甲苯]/8.314×（273.15+td）</p><p>　　=10.325×[0.9870×92+（1-0.9870）×106]/8.314×（273.15+111.27）</p><p&

36、gt;　　=2.9224 Kg/m3</p><p>　　VG =（R+1）DMG/ρG=（2.5877+1）×65.8106×92.1820/2.9224=7447.6359 </p><p>　　VL =RDML/ρL=2.5877×65.8106×93.2554/774.1657=20.5140 </p><p>　　4

37、.2塔板間距HT的選擇</p><p>　　HT =0.45m </p><p>　　4.3確定液汽的動能參數(shù)</p><p>　　查表 C20=0.084</p><p>　　σ=σ20+△σ（t－20）/△t</p><p>　　σ甲苯=σ20+△σ（t－20）/△t=28.53+（-0.113）×（1

38、29.99－20）=27.1001</p><p>　　σ二甲苯=σ20+△σ（t－20）/△t=28.99+（-0.109）×（129.99－20）=17.0011</p><p><b>　　σ=Σxiσ i</b></p><p>　　=σ甲苯XD+σ二甲苯（1－XD）=27.1001×0.9870+17.0011&#

39、215;（1－0.9870）=26.9688</p><p>　　C= C20（σ/20）0.2=0.084×（26.9688/20）0.2 =0.0892</p><p>　　4.4計算液泛速度UF（Umax）</p><p>　　UF =C=0.0892×(（784.1388-2.9224）/2.9224 ）0.5=1.4584 m/s &l

40、t;/p><p><b>　　4.5空塔氣速</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速=0.7=0.71.4584=1.0209m/s</p><p><b>　　4.6確定溢流方式</b></p><p>　　選用單溢流弓形降液管，取=0.7</p><p>

41、　　查弓形降液管的參數(shù)圖，查取降液管面積同塔截面積的比值=0.088</p><p>　　降液管寬度同塔徑的比值=0.14</p><p><b>　　4.7根據(jù)VG求D</b></p><p>　　AG =VG/ UG =7447.6359/(1.0209×3600)=2.0264</p><p><b

42、>　　塔截面積：</b></p><p><b>　　塔徑：</b></p><p>　　按標準塔徑圓整后D=1.8m</p><p>　　4.8計算圓整后實際氣速</p><p>　　=πD2/4=3.14×1.82/4=2.54m2</p><p>　　AG = A

43、（1－Ad/A）=2.54×（1－0.088）=2.3165 </p><p>　　UG = VG/ AG =7447.6359/(2.3165×3600)=0.8931 m/s</p><p>　　UG/ UF =0.8931/1.4584=0.6124 m/s (在0.6～0.8范圍內(nèi))</p><p>　　4.9在D=1.8m時，塔板結(jié)

44、構(gòu)尺寸：</p><p>　　堰長：LW =0.7D=0.7×1.8=1.26m</p><p>　　降液管寬度：Wd =0.14D=0.14×1.8=0.252m</p><p>　　降液管面積： =0.088 =0.088×2.54=0.2235m2</p><p>　　4.10確定溢流堰高度hw和堰上液層

45、高度how</p><p>　　選hw =0.05m 查取液流收縮系數(shù)圖，得液流收縮系數(shù)E=1.021,選用平直堰，堰上液層高度=0.0028E0.018m</p><p>　　=+=50+18=68mm</p><p>　　4.11板面篩孔布置的設計</p><p>　?。?）板面篩孔位置設計：</p><p>　

46、　板面篩孔孔徑： do =5mm</p><p>　　孔中心距/孔徑比 t / do = 3</p><p>　　孔中心距t=3d0 = 3×5=15mm</p><p>　　選塔板厚度=3.5mm（碳鋼板）</p><p>　?。?）計算開孔區(qū)面積Aa</p><p><b>　　Aa =－2

47、</b></p><p>　　Aa =2.54－2×0.2235=2.0930 m2</p><p><b>　　(3)求開孔率</b></p><p>　　= A0/ Aa =0.907（do / t）2=0.907×（1/3）2=0.101</p><p>　　(4)計算塔板開孔面積&

48、lt;/p><p>　　A0=Aa =0.101×2.0930=0.2114 </p><p><b>　　(5)孔速</b></p><p>　　U0 = VG/ A0=7447.6359/(0.2114×3600)=9.7861 m/s</p><p><b>　　(6)孔數(shù) </b&

49、gt;</p><p>　　N= A0/（πdo 2/4）=(0.2114×4)/(3.14×0.0052)=10772（個）</p><p>　　4.12水力學性能參數(shù)的計算、校核</p><p>　　(1)液沫夾帶分率的校核</p><p><b>　　EG =</b></p>&l

50、t;p>　　=0.057×[0.8931/（0.45－2.59×(0.05 +0.018）]/ 26.9688=0.0069〈0.1 </p><p>　　故在本設計液沫夾帶量EG在允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　(2)塔板壓降</b></p><p><b>　?、俑砂鍓航?lt;/b>&l

51、t;/p><p>　　=（9.7860/0.892）2（2.9224/774.1657）/2×9.8=0.0232m</p><p>　　②液體靜壓降,查充氣系數(shù)關聯(lián)圖，得充氣系數(shù)=0.62</p><p>　　=β（hw + how）=0.62×0.068=0.0422</p><p><b>　　③表面壓力降&l

52、t;/b></p><p>　　=4×10-3×26.9688/（9.8×784.1388×0.005）=0.0028m</p><p><b>　　④單板壓降 </b></p><p>　　△h = =0.0232+0.0422+0.0028=0.0682m</p><p>

53、;<b>　?、萑倝航?lt;/b></p><p>　　=760＋ mmHg </p><p>　　(3)液面落差 △＜h0/2 忽略</p><p>　　(4)塔板漏液情況校驗</p><p>　　①產(chǎn)生漏液的干板壓降h0／</p><p>　　h0／=0.0056+0.05（hw + how

54、）=0.0056+0.05×0.068=0.0090</p><p>　?、诠ぷ鳡顟B(tài)下K= （h0/ h0／）0.5=（0.0232/0.009）0.5=1.6055〉1.5</p><p><b>　　故不會產(chǎn)生嚴重漏液</b></p><p>　　5.降液管液泛情況校驗</p><p>　　(1)選取降液管

55、下緣到下層塔板距離 =20mm</p><p>　　Ada=0.02×lW =0.02×1.26=0.0252m2 </p><p>　　(2)液體流出降液管的阻力損失</p><p>　　hda=1.39（VL/3600 Ada）2/g =</p><p>　　(3)計算液層高度Hd，泡沫層高度Hd</p>

56、<p>　　Hd=△Ht+ hw + how+△+ hda</p><p>　　=0.0682+0.05+0.018+0.00725=0.1435m</p><p>　　二甲苯—三甲苯物系屬一般物系，取=0.5，</p><p>　　Hd／= Hd/=0.1435/0.5=0.2869</p><p>　　Hd／／(HT + hw

57、) =0.285／(0.45+0.05)=0.57＜1 </p><p>　　故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象</p><p>　　(4)液體在降液管中停留時間的校驗</p><p>　　τ=3600 Hd / VL =3600×0.2235×0.1435/20.5140=5.63 s> 5 s</p><p><

58、;b>　　故降液管設計合理。</b></p><p>　　6.負荷性能圖及操作性能評定</p><p><b>　　6.1負荷性能圖</b></p><p>　　(1)最大氣相負荷線（最大允許液沫夾帶線）</p><p><b>　　=</b></p><p&g

59、t;　　=8358.8576-171.2923</p><p>　　(2)最大液相負荷線 </p><p>　　以=3s作為液體在降液管中停留時間的下限，由=3 </p><p><b>　　得=</b></p><p>　　(3) 最小液相負荷線</p><p><b>　　=

60、=3.8200</b></p><p>　　(4) 最小氣相負荷線</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=48940.54</b></p><p><b>　　（5）降液管液泛線</b></p><p><

61、;b>　　=</b></p><p><b>　　=48940.54</b></p><p>　　6.2 綜上得VL與關系表如下：</p><p>　　6.3根據(jù)上表相關數(shù)據(jù)，作出篩板的負荷性能圖，如下:</p><p>　　7.操作性能的評定：</p><p>　　7.1本設計

62、的操作條件為=23.5140,=7447.6359 ，</p><p>　　在負荷性能圖上作出操作點P（,），連接OP，即作出操作線。</p><p>　　7.2根據(jù)操作線同負荷性能圖的交點及設計工作點的坐標，計算下列參數(shù)：</p><p>　　根據(jù)負荷性能圖及操作線的交點，可以看出</p><p>　　從圖上讀出: =14850.5

63、6 ， =5108.46 ,</p><p>　　=40.94 ， =14.33 。</p><p>　?。?）操作彈性系數(shù)（極限負荷比）：</p><p>　　按氣相負荷計算：==</p><p>　　按液相負荷計算：==</p><p>　?。?）設計工作點的安定系數(shù)（設計負荷對極限之比）：<

64、;/p><p>　　對氣相負荷上限：==</p><p>　　對氣相負荷下限： ==</p><p>　　對液相負荷上限：==</p><p>　　對液相負荷下限：==</p><p><b>　　8.參考資料：</b></p><p>　　化工原理上下冊（譚天恩等編著）<

65、;/p><p>　　化學工程手冊第13篇《氣液傳質(zhì)設備》</p><p>　　煉焦化學產(chǎn)品理化常數(shù)</p><p><b>　　飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)</b></p><p>　　lg=Ai-Bi/(t+Ci) [mmHg]</p><p><b>　　式中t：溫度，℃</b></

66、p><p>　?。猴柡驼魵鈮?，毫米汞柱</p><p>　　Ai,Bi,Ci：同組分種類有關的常數(shù)</p><p>　　液體的物理性質(zhì)同溫度的近似關系：</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　通過本次對雙組分連續(xù)精餾篩板塔的設計，我了解了設計要求，掌握了設計步驟，學會熟練地計

67、算在給定原料組成及處理量、產(chǎn)品組分或分離要求的情況下的設計過程，更為以后在工作中相似的實際操作中打下基礎。在此感謝老師和同學的指導與幫助。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 原始數(shù)據(jù)1</p><p>　　第二章 設計計算1</p><p>　　1.全塔物料恒算計算

68、餾出液及殘液產(chǎn)量1</p><p>　　2.塔頂溫度、塔底溫度及最小回流比的計算2</p><p>　　2.1 確定操作壓力2</p><p>　　2.2 計算塔頂溫度:2</p><p>　　2.3 計算平均相對揮發(fā)度4</p><p>　　2.4 計算最小回流比4</p><p>

69、;　　3.確定最佳操作回流比及塔板層數(shù)5</p><p>　　3.1 求相平衡方程式5</p><p>　　3.2 計算理論塔板數(shù)5</p><p>　　3.3繪制R～NT曲線、確定最佳回流比及最佳理論板數(shù)12</p><p>　　4.塔板結(jié)構(gòu)計算13</p><p>　　4.1塔頂實際氣液相體積流量13&

70、lt;/p><p>　　4.2塔板間距的選擇14</p><p>　　4.3確定液汽的動能參數(shù)14</p><p>　　4.4計算液泛速度15</p><p>　　4.5空塔氣速15</p><p>　　4.6確定溢流方式15</p><p>　　4.7根據(jù)VG求D15</p>

71、;<p>　　4.8計算圓整后實際氣速15</p><p>　　4.9塔板結(jié)構(gòu)尺寸15</p><p>　　4.10確定溢流堰高度和堰上液層高度16</p><p>　　4.11板面篩孔布置的設計16</p><p>　　4.12水力學性能參數(shù)的計算、校核16</p><p>　　5.降液管液泛

72、情況校驗17</p><p>　　6.負荷性能圖及操作性能評定18</p><p>　　6.1負荷性能圖18</p><p>　　(1)最大氣相負荷線18</p><p>　　(2)最大液相負荷線19</p><p>　　(3)最小液相負荷線19</p><p>　　(4)最小氣相負

73、荷線19</p><p>　　(5)降液管液泛線19</p><p>　　6.2 VL與VG關系表20</p><p>　　6.3篩板的負荷性能圖:20</p><p>　　7.操作性能的評定21</p><p><b>　　參考資料22</b></p><p>