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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流三、四、五、六、七、八、 精馏塔的设计.精品文档.九、 工艺计算及主体设备设计(一)精馏塔的物料衡算与操作线方程1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯和氯苯的相对摩尔质量分别为78.11和112.56kg/kmol。2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔流率依题给条件:一年以330天,一天以24小时计,有:,全塔物料衡算:4.求操作线方程 精馏段操作线: q线方程为: x=0.728 提馏段操作线为过(0.00288,0.00288)和两点的直线。 y=(二)理论塔板层数的确定苯-氯苯物系属于理想物系,可采用
2、梯级图解法求取,步骤如下:1.由手册查得苯-氯苯的气液平衡数据,绘出图,如下图一;图解得块(不含釜)。其中,精馏段块,提馏段8块,第5块为加料板位置。(三) 塔效率的估算1把=0.986、=0.728、=0.284代入上式中得=4.882. 由泡点和露点线求得塔顶和塔釜的温度分别为82和131.6,平均温度为106.8,内插法求得该温度下两者的饱和蒸汽压为216.6(苯)和28.6(氯苯),所以=4.46 由两种方法平均求得=4.673 由内插法求得82和131.6下塔釜和塔顶的粘度分别为0.304和0.290,平均得0.297由全塔效率公式得ET=0.4522)实际塔板数精馏段实际板层数提留
3、段实际板层数:(三)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1).操作压力的计算对精馏段进行计算塔顶操作压力: PD=4+101.33=105.33KPa每层塔板压降(操作要求): 进料板压力: PF=105.33+9(精馏段板数)*0.7=111.63Kpa精馏段平均压力:Pm=(81.406+87.706)/2=108.48Kpa对提馏段进行计算塔釜压力: PW=105.33+26*0.7=123.53Kpa提馏段平均压力 Pm=(111.63+123.53)/2=117.58Kpa2).操作温度的计算依据操作压力,由泡点方程通过内插算出泡点温度,其中苯和氯苯的饱和蒸汽压,由安托尼方程计算,计
4、算结果如下:通过图二(温度组成图)易读取塔顶温度:通过内插得加料板温度为88.8 塔顶和塔釜温度82,131.6精馏段平均温度:提馏段平均温度:由化工热力学书本查的本与氯苯的Antoine方程参数如下表物质ABC温度范围K苯6.0603951225.188222.155277-3566.9274182037.582340.2042379-562氯苯6.079631419.045216.633329-405验证塔顶压力: 由Antoine得,苯的饱和蒸汽压为107kpa,氯苯为27kpa P=XaPa+XbPb=0.986*107+0.014*27=105.88kpa 计算结果与实际操作压了相符
5、合验证进料板压力: 由Antoine得,苯的饱和蒸汽压为141.24kpa,氯苯为20.14kpa P=XaPa+XbPb=0.728*141.24+0.272*20.14=110.20kpa 由此校正精馏段板层压降为(110.20-105.33)/9=0.5411kpa 所以塔釜压力为:PW=105.33+26*0.5411=119.40Kpa 故精馏段平均压力:Pm=(105.33+110.20)/2=107.765Kpa 故提留段平均压力:Pm=(119.40+110.20)/2=114.8Kpa3).平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算:由(看书观察精馏段操作线方程下角标和平衡线的下角
6、标),查平衡曲线(见图1),得进料板平均摩尔质量计算:由图解理论板(此处的下角标f所代表并不是原进料组成见图x-y进料板代表的阶梯角上边的顶点即所求的交点坐标,可用逐板计算法,),得 查平衡曲线(见图1),得 精馏段平均摩尔质量计算:塔釜平均摩尔质量计算 Xw=0.00288,所以(带入平衡线方程)Yn=0.0127提馏段平均摩尔质量计算:4).平均密度计算1.气相平均密度计算由理想气体状态方程计算,即 精馏段 提馏段2.液相平均密度计算液相平均密度依计算,即 塔顶液相密度由(内插t-)查得: 由查得: 进料板液相密度精馏段液相平均密度为 由查得: 塔釜液相密度提馏段液相平均密度为5).液相平
7、均表面张力塔顶液相的平均表面张力:(82)看老师发的纸上有方程,按照方程计算下式进料板液相的平均表面张力:(88.8)精馏段液相的平均表面张力:塔釜液相的平均表面张力:(131.6)提留段液相的平均表面张力:6).液相平均粘度计算塔顶液相平均粘度计算(内插法):(82)m=Xii=0.304 进料板液相平均粘度计算 (88.8)m=0.316精馏段液相平均粘度计算 塔釜液相平均粘度计算:(131.6)=0.290提馏段液相平均粘度计算 (六)求精馏塔的气液相负荷L=RD=0.56842.16=23.95;V=(R+1)D=(0.568+1)42.16=66.11;L=L+F=81.11Kmol
8、/hV=V=66.11 Kmol/h四、精馏塔的塔体工艺尺寸计算(一).塔径的计算(注意是精馏段,看下角标,往前找数据)精馏段的气、液相体积流率为计算(一般取值都一样)取板间距,板上液层高度,(此处hL不宜过大,否则会影响液泛计算,当设计要求体积流率较大hL可相应取大)则故查(别用书上的见发的本子108页)表可得: 取安全系数为0.7(一般都这么取),则空塔气速为按标准塔径圆(见册子108页标准系列取值,小数取上整数,例0.3=1)算后为 塔截面积为 实际空塔气速为 (方法同上)提馏段的气、液相体积流率为计算取板间距,板上液层高度,则故查表可得: 取安全系数为0.7,则空塔气速为按标准塔径圆算
9、后为 塔截面积为 实际空塔气速为 (二).精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 Z精=(N-1)H=(9-1)0.4=3.2m提馏段有效高度为 Z提=(N-1)H=(18-1)0.4=6.8m在进料板上方开一人孔,下方开两个,其高度为0.6m 故精馏塔的有效高度为Z=+0.8*3=3.2+6.8+0.6*3=11.8m五塔板工艺结构尺寸的设计与计算(后面的计算将所有的出现新的符号与其对应的结果都写在一张纸上,方便后面的计算)(一).溢流装置因塔径采用单溢流(体积流率)弓形降液管、凹形受液盘,且不设进进口堰。溢流堰长(出口堰长)(自取,如果溢流堰高不满足,改倍数,如果还不满足,就得改动板上液层高
10、度)取(倍数为0.60.8)溢流堰高度对平直堰,近似取E=1HL=0.06m (此值小为好,否则会导致后面核算压降值变大,而不满足要求)降液管的宽度和降液管的面积由,查图得,即:液体在降液管内的停留时间故降液管设计合理。降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s,取液体通过降液管底隙的流速(1),则有:故降液管底系高度设计合理(二).塔板布置边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度:一般小塔( D2m)时,可达为50-70mm。溢流堰的安定区宽度:=70100mm进口堰后的安定区宽度:=50100mm本次设计(D=1.0)安定区宽度确定取mm,mm。开孔区面积(2)式中:(三
11、).开孔数和开孔率取筛孔的孔径,正三角形排列,筛板采用碳钢,其厚度,且取。故孔心距。每层塔板的开孔数(孔)每层塔板的开孔率(应在515%,故满足要求)每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速(3)六塔板上的流体力学验算(一).气体通过筛板压降和的验算1).气体通过干板的阻力压降 由 查图5-10得出,液柱式中为孔流系数。2).气体通过板上液层的压降液柱式中充气系数的求取如下:气体通过有效流通截面积的气速,对单流型塔板有:动能因子查化原P115图5-11得(一般可近似取)。3).气体克服液体表面张力产生的压降液柱4).气体通过每层筛板的压降(单板压降)和(设计允许值且与前计算操作压降校正值相符)(二
12、).雾沫夹带量的验算Hf=2.5hL故在本设计中液沫的夹带量在允许的范围内(三).漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数 因为1.5K2.0(此处若不满足条件,则见标记3处面积需校正返回2处重新选定w值,)故在本设计中无明显漏液。(四).液泛的验算为防止降液管发生液泛,应使降液管中的清液层高度成立,故在本设计中不会发生液泛现象。通过流体力学验算,可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适,若要做出最合理的设计,还需重选及,进行优化设计。七、塔板负荷性能图(一).漏液线(气相负荷下限线)漏液点气速(用hw和how表示,往前翻)整理得:在操作范围内,任取几个值,依式算出对应的值列于下表:0.0006
13、0.00150.00300.00450.330210.341040.354480.36537依据表中数据作出漏液线1(二).液沫夹带线式中:将已知数据代入式得:整理得在操作范围内,任取几个值,依式算出对应的值列于下表:0.00060.00150.00300.00451.244341.174731.085291.010283.液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液层高度=0.006 m作为最小液体负荷标准由=;取E=1,得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下下限线34.液相负荷上限线作出与气体流量无关的垂直液相负荷线45.液泛线+(-1)=(+1)+忽略,将与,与,与的关系式代入上式,并整理得a
14、=b-c-d;式中 a = b =+(-1) c =0.153/() d =0.00284将有关数据代入得a =0.0991; b =0.14076;c =1722; d =1.5192故=1.4204-17376.4-15.430在操作范围内,任取几个值,依式(2-2)算出对应的值列于下表:0.00060.00150.00300.00451.142091.085870.971120.87889依据表中数据作出液泛线5依据以上各方程,可作出筛板塔的负荷性能图如下图三。在负荷性能图上,做出操作点A,连接OA,即作出操作线。由图可看出,该筛板的操作上限为雾沫夹带控制,下限为漏液控制。由下图三可查得
15、 故操作弹性为 提馏段计算因塔径采用单溢流(体积流率)弓形降液管、凹形受液盘,且不设进进口堰。溢流堰长(出口堰长)(自取,如果溢流堰高不满足,改倍数,如果还不满足,就得改动板上液层高度)取(倍数为0.60.8)溢流堰高度对平直堰,近似取E=1HL=0.06m (此值小为好,否则会导致后面核算压降值变大,而不满足要求)降液管的宽度和降液管的面积由,查图得,即:液体在降液管内的停留时间故降液管设计合理。降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s,取液体通过降液管底隙的流速(1),则有:故降液管底系高度设计合理(二).塔板布置边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度:一般小塔( D
16、2m)时,可达为50-70mm。溢流堰的安定区宽度:=70100mm进口堰后的安定区宽度:=50100mm本次设计(D=1.0)安定区宽度确定取mm,mm。开孔区面积(2)式中:(三).开孔数和开孔率取筛孔的孔径,正三角形排列,筛板采用碳钢,其厚度,且取。故孔心距。每层塔板的开孔数(孔)每层塔板的开孔率(应在515%,故满足要求)每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速(3)六塔板上的流体力学验算(一).气体通过筛板压降和的验算1).气体通过干板的阻力压降 由 查图5-10得出,液柱式中为孔流系数。2).气体通过板上液层的压降液柱式中充气系数的求取如下:气体通过有效流通截面积的气速,对单流型塔板有
17、:动能因子查化原P115图5-11得(一般可近似取)。3).气体克服液体表面张力产生的压降液柱4).气体通过每层筛板的压降(单板压降)和(设计允许值)(二).雾沫夹带量的验算故在本设计中液沫的夹带量在允许的范围内(三).漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数 因为1.5K2.0(此处若不满足条件,则见标记3处面积需校正返回2处重新选定w值,)故在本设计中无明显漏液。(四).液泛的验算为防止降液管发生液泛,应使降液管中的清液层高度(的取值为0.30.5)成立,故在本设计中不会发生液泛现象。通过流体力学验算,可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适,若要做出最合理的设计,还需重选及,进行优化设计。
18、七、塔板负荷性能图(一).漏液线(气相负荷下限线)漏液点气速(用hw和how表示,往前翻)整理得:在操作范围内,任取几个值,依式算出对应的值列于下表:0.00060.00150.00300.00450.306120.316730.329860.34048依据表中数据作出漏液线1(二).液沫夹带线式中:将已知数据代入式得:整理得在操作范围内,任取几个值,依式算出对应的值列于下表:0.00060.00150.00300.00451.264531.200141.117391.047993.液相负荷下限线对于平直堰,取堰上液层高度=0.006 m作为最小液体负荷标准由=; 据此可作出与气体流量无关的垂
19、直液相负荷下下限线34.液相负荷上限线作出与气体流量无关的垂直液相负荷线45.液泛线+(-1)=(+1)+忽略,将与,与,与的关系式代入上式,并整理得a=b-c-d;式中 a = b =+(-1) c =0.153/() d =0.00284将有关数据代入得a =0.10924; b =0.1522;c =582.99; d =1.50977故=1.3922-5336.78-13.8207在操作范围内,任取几个值,依式(2-2)算出对应的值列于下表:0.00060.00150.00300.00451.137131.095531.028490.95316依据表中数据作出液泛线5依据以上各方程,可作出筛板塔的负荷性能图如下图三。在负荷性能图上,做出操作点A,连接OA,即作出操作线。由图可看出,该筛板的操作上限为雾沫夹带控制,下限为漏液控制。由下图三可查得 故操作弹性为