化工原理課程設(shè)計(jì)----苯—氯苯混合液精餾

1、<p>　　+（一） 裝置流程的確定</p><p>　　精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定流程時應(yīng)考慮余熱的利用，注意節(jié)能。</p><p>　　苯—氯苯混合液（原料）經(jīng)預(yù)熱器加熱到指定溫度后送

2、入精餾塔的進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過程。操作時，連續(xù)的從再沸器取出部分液體氣化，產(chǎn)生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中被冷凝，并將部分冷凝液用泵送回塔頂或是自然回流作為回流液，其余部分經(jīng)冷凝器冷凝后送出作為塔頂產(chǎn)品。塔釜采用間接蒸汽和再沸器共熱。塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。</p><p>&l

3、t;b>　?。ǘ┝鞒虉D</b></p><p><b>　　如右圖所示：</b></p><p><b>　　（三）操作條件</b></p><p>　　操作壓力：精餾操作可在常壓、減壓和加壓下進(jìn)行。塔內(nèi)操作壓力的選擇不僅牽涉到分離問題，而且與塔頂和塔底溫度的選取有關(guān)。根據(jù)所處理的物料性質(zhì)，本設(shè)計(jì)中已制

4、定為塔頂壓力為4kPa。</p><p>　　進(jìn)料熱狀態(tài)：進(jìn)料狀態(tài)有5種，可用進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)q值來表示。本設(shè)計(jì)中已制定為氣液混合進(jìn)料：液：氣1：2。</p><p>　　加熱方式：蒸餾一般采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器，但也可采用直接蒸汽加熱。但由于直接蒸汽的加入，對釜內(nèi)溶液起一定稀釋作用，在進(jìn)料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需在提留段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求。&l

5、t;/p><p>　　回流比的選擇：對于一定的生產(chǎn)能力，即餾出量D一定時，V的大小取決于回流比。一般取操作回流比為最小回流比的1.1～2倍，即＝。</p><p><b>　　三、塔的工藝計(jì)算</b></p><p>　　已知參數(shù)：苯、甲苯混合液處理量，F(xiàn)＝5000kg/h；；；；回流比R（自選）；進(jìn)料熱狀況，；塔頂壓強(qiáng)，；單板壓降不大于。由《化學(xué)

6、化工物性數(shù)據(jù)手冊》P174可知：</p><p>　　表1 苯和氯苯的物理性質(zhì)</p><p>　　由《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》P457及內(nèi)插計(jì)算可知： </p><p>　　表2 苯和氯苯的飽和蒸汽壓</p><p>　　由《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》P305可知：</p><p>　　表3 液體的表面張力</

7、p><p>　　由《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》P299、P300可知：</p><p>　　表4 苯與氯苯的液相密度</p><p>　　由《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》P303、P304可知：</p><p><b>　　表5 液體粘度µ</b></p><p><b>　　（一）塔的

8、物料衡算</b></p><p>　　1）料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含苯摩爾分率</p><p><b>　　2）平均分子量</b></p><p><b>　　（二）全塔物料衡算</b></p><p>　　總物料衡算

9、 （1） 易揮發(fā)組分物料衡算 （2）</p><p>　　聯(lián)立上式（1）、（2）解得： </p><p>　　則 </p><p><b>　?。ㄈ┧鍞?shù)的確定</b></p><p><b>　?、?塔板數(shù)的計(jì)算</b>&l

10、t;/p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，因苯—氯苯屬于理想物系，可用圖解法計(jì)算理論板數(shù)。其計(jì)算方法如下：</p><p>　?。?）根據(jù)苯－氯苯的氣液平衡數(shù)據(jù)作x-y圖及t -x-y圖（如上一頁所示）。通過氣液平衡關(guān)系計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于上表2，通過表在t -x-y圖直角坐標(biāo)系中做出平衡曲線和對角線，并標(biāo)出c點(diǎn)（、）、e點(diǎn)（、）、a點(diǎn)（、）三點(diǎn)； </p><p>　　（2）求

11、最小回流比及操作回流比。因氣液混合進(jìn)料（液：氣1：2）即，所以其q線方程為：，在x-y圖中對角線上自點(diǎn)e作出進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為（），此即最小回流比時操作線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)。依最小回流比計(jì)算式：</p><p><b>　　取操作回流比：</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程：</b></p>

12、<p>　　其截距為0.485即點(diǎn)，連接點(diǎn)和點(diǎn)可以作出精餾段操作線方程，與q線交于點(diǎn)，連接點(diǎn)、點(diǎn)可作出提餾段操作線方程。</p><p>　　按照常規(guī)的圖解法作梯級可得：層（不包括再沸器），其中精餾段理論板數(shù)為3層，提餾段為4層（不包括再沸器），第4層為加料板圖如上一頁所示</p><p><b>　　2. 全塔效率</b></p><p

13、>　　依式：，根據(jù)塔頂、塔底液相組成查t -x-y圖，求得塔平均溫度為：℃，溫度下進(jìn)料液相平均粘度為： </p><p>　　其中：104.9℃下的</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　3. 實(shí)際塔板數(shù)</b></p><p>　　精餾段： 提餾段： &l

14、t;/p><p>　　故實(shí)際塔板數(shù)：（層）</p><p>　　四、塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算</p><p><b>　　1. 操作壓強(qiáng)</b></p><p>　　塔頂壓強(qiáng)，取每層板的壓降為0.7kPa，則進(jìn)料板的壓強(qiáng)為：，塔底壓強(qiáng)為：，故精餾段平均操作壓強(qiáng)為：，提餾段平均操作壓強(qiáng)為： </p><p

15、><b>　　2. 溫度</b></p><p>　　根據(jù)操作壓強(qiáng)，由下式試差計(jì)算操作溫度：，經(jīng)試差得到塔頂：，進(jìn)料板溫度，塔底：，則精餾段的平均溫度：，提餾段的平均溫度：。</p><p><b>　　3. 平均分子量</b></p><p><b>　　塔頂：，</b></p>

16、<p><b>　　進(jìn)料板：，</b></p><p><b>　　塔底： , </b></p><p>　　則精餾段平均分子量：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　提精餾段平均分子量：</p><p><b

17、>　　， </b></p><p><b>　　4. 平均密度</b></p><p><b>　　1）液相密度</b></p><p>　　根據(jù)主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表4，由內(nèi)插法得：塔頂：，，塔底：，，由（為質(zhì)量分率）</p><p><b>　　故塔頂：，即；&

18、lt;/b></p><p><b>　　塔底：，即；</b></p><p>　　進(jìn)料板，由加料板液相組成</p><p><b>　　，故</b></p><p>　　故精餾段平均液相密度：</p><p>　　提餾段平均液相密度：</p><p

19、><b>　　2） 氣相密度</b></p><p><b>　　5. 液體表面張力</b></p><p>　　根據(jù)主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表3，由內(nèi)插法得：,，,，，。</p><p>　　則精餾段平均表面張力：</p><p>　　提餾段平均表面張力：</p><p><

20、;b>　　6. 液體粘度</b></p><p>　　根據(jù)主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表3，由內(nèi)插法得：,，,， ,。</p><p>　　故精餾段平均液相粘度</p><p><b>　　提餾段平均液相粘度</b></p><p><b>　　五、氣液負(fù)荷計(jì)算</b></p>&

21、lt;p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　六、塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算</p><p><b>　　1. 塔徑</b></p><p>　　塔板間距HT的選定很重要，可參照下表所示經(jīng)驗(yàn)關(guān)系選取。</p&

22、gt;<p>　　表6 板間距與塔徑關(guān)系</p><p>　　根據(jù)上表，初選板間距，取板上液層高度，故；精餾段：</p><p>　　查《化工原理》---天津出版社（下冊）圖3—5史密斯關(guān)聯(lián)圖，可得</p><p>　　依式 </p><p>　　校正物系表面張力為時</p>

23、<p>　　可取安全系數(shù)為0.7（安全系數(shù)0.6—0.8），則</p><p>　　故。按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為1.2m,則空塔氣速0.743m/s。</p><p><b>　　提餾段： </b></p><p>　　查《化工原理》---天津出版社（下冊）圖3—5史密斯關(guān)聯(lián)圖，可得；依式</p><p>　　校正

24、物系表面張力為時</p><p>　　可取安全系數(shù)為0.7（安全系數(shù)0.6—0.8），則</p><p>　　故。按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為1.2m,則空塔氣速0.434m/s。</p><p><b>　　2. 溢流裝置</b></p><p>　　選用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下：&l

25、t;/p><p>　　1)溢流堰長：單溢流?。?.6-0.8）D，取堰長為0.65D，即</p><p><b>　　2)出口堰高：</b></p><p><b>　　由，精餾段：；</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　

26、　查《化工原理》---天津出版社（下冊）圖3—8液流收縮系數(shù)計(jì)算可知：Ｅ為1.025,由得，精餾段：</p><p>　　故；查《化工原理》---天津出版社（下冊）圖3—8液流收縮系數(shù)計(jì)算可知：Ｅ為1.03,因此可得，</p><p><b>　　提餾段： </b></p><p><b>　　故</b></p>

27、;<p>　　3)降液管的寬度與降液管的面積：</p><p>　　由查（《化工原理》：圖3—10弓形降液管的寬度與面積）得：，</p><p>　　故，，利用式計(jì)算液體在降液管中停留時間以檢驗(yàn)降液管面積，即</p><p>　　s（＞5s，符合要求）</p><p>　　4)降液管底隙高度：取液體通過降液管底隙的流速</

28、p><p>　　則降液管底隙高度為：精餾段</p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　3. 塔板布置</b></p><p>　　1)取邊緣區(qū)寬度,安定區(qū)寬度</p><p>　　2)由式：計(jì)算開空區(qū)面積，其中：</p><p&g

29、t;<b>　　， ； 所以</b></p><p>　　因此塔板布置圖如下頁所示。</p><p>　　4. 篩孔數(shù)與開孔率：</p><p>　　精餾段：取篩空的孔徑為，正三角形排列，一般碳鋼的板厚為,取，故孔中心距。</p><p>　　篩孔數(shù)孔，在圖1中排4098孔，與理論相差1孔，其開孔率 （在5％—15％范圍

30、內(nèi)），則每層板上的開孔面積為，氣體通過篩孔的氣速為：</p><p>　　提餾段：取篩空的孔徑為，正三角形排列，一般碳鋼的板厚為,取，故孔中心距。</p><p>　　篩孔數(shù)孔，在圖2中排得2262孔，與理論相差25孔，因此每層板上的開孔面積為，氣體通過篩孔的氣速為：</p><p>　　5.塔的精餾段有效高度</p><p><b&g

31、t;　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　七、篩板流體力學(xué)驗(yàn)算</p><p>　　1. 氣體通過篩板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?lt;/p><p>　　1)干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋阂?，查《干篩孔的流量系數(shù)》圖得，由式 </p><p>　　2)氣

32、體穿過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?lt;/p><p><b>　　精餾段，</b></p><p>　　由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)＝0.63，所以 </p><p><b>　　提餾段，</b></p><p>　　由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)＝0.68，所以 </p><p

33、>　　3)克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋?lt;/p><p><b>　　精餾段 ，</b></p><p><b>　　故 </b></p><p><b>　　則單板壓強(qiáng)： </b></p><p><b>　　提餾段 ，</b></p&

34、gt;<p><b>　　故 </b></p><p><b>　　則單板壓強(qiáng) ： </b></p><p>　　2. 霧沫夾帶量的驗(yàn)算</p><p><b>　　精餾段： </b></p><p><b>　　提餾段：</b></p

35、><p>　　故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。</p><p><b>　　3. 漏液的驗(yàn)算</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會產(chǎn)生過量漏液。</p><p><b>　　提餾段： <

36、/b></p><p>　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會產(chǎn)生過量漏液。</p><p><b>　　4. 液泛驗(yàn)算</b></p><p>　　為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度 由計(jì)算， 而精餾段：</p><p><b>　　所以 取</b></p>

37、<p>　　則 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會發(fā)生液泛。</p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　所以 取，</b></p><p>　　則 故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會發(fā)生液泛。</p><p>　　根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)液體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。&

38、lt;/p><p><b>　　八、塔板負(fù)荷性能圖</b></p><p><b>　　(一)精餾段</b></p><p>　　1. 霧沫夾帶線（1）</p><p>　　式中 （a）</p><p><b>　　，&l

39、t;/b></p><p><b>　　近似取 , </b></p><p><b>　　故 （b）</b></p><p>　　取霧沫夾帶極限值為。 已知，，并將代入得下式：</p><p><b>　　整理得： </b></p><p>

40、;　　在操作范圍內(nèi)任取4個值，依上式算出相應(yīng)的值列于附表中：</p><p><b>　　附表（1）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)在VS—LS圖中作出霧沫夾帶線，如圖3中線（1）所示。</p><p><b>　　2. 液泛線（2）</b></p><p>　　由式 （a

41、） </p><p><b>　　近似取.0， </b></p><p><b>　　由式：</b></p><p>　　故 （ｂ） </p><p><b>　　由式</b>

42、</p><p><b>　　前已算出）</b></p><p><b>　　故 （ｃ） </b></p><p><b>　?。ǎ洌?lt;/b></p><p>　　將＝，及（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）代入（ａ）得：</p><p><b>　　整理得

43、下式：</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)取4個值，依上式計(jì)算值列于附表中： </p><p><b>　　附表（2）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)作出液泛線，如圖3中線（2）所示。</p><p>　　3. 液相負(fù)荷上限線（3）</p><p>　　取液體在降液管中停

44、留時間為4秒，</p><p><b>　　由下式</b></p><p>　　液相負(fù)荷上限線為VS—LS圖中與氣相流量無關(guān)的垂線，如圖3中線（3）所示。</p><p>　　4. 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（4）</p><p>　　由、 代入漏液點(diǎn)氣速式：</p><p>　　（前已算出），代入

45、上式并整理得： </p><p>　　此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任取個值，依上式計(jì)算相應(yīng)的值，列于附表中：</p><p><b>　　附表（3）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線，如圖3中線（4）所示。</p><p>　　5. 液相負(fù)荷下限線（5）： </p><

46、;p>　　取平堰、堰上液層高度為液相負(fù)荷下限條件，取則</p><p><b>　?。?即</b></p><p><b>　　整理上式得</b></p><p>　　在VS—LS圖3中作線（5），即為液相負(fù)荷下限線，如圖3所示。</p><p>　　將以上5條線標(biāo)繪于圖（圖）中，即為精餾段負(fù)

47、荷性能圖。5條線包圍區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū)，P為操作點(diǎn)，OP為操作線。OP線與（1）線的交點(diǎn)相應(yīng)相負(fù)荷為，OP線與氣相負(fù)荷下限線（4）的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為。</p><p><b>　　精餾段的操作彈性</b></p><p><b>　?。ǘ┨狃s段</b></p><p>　　1. 霧沫夾帶線（1）</p>

48、<p><b>　　（a）</b></p><p><b>　　近似取.0, </b></p><p>　　故 （b）</p><p>　　取霧沫夾帶極限值為。已知，，并將代入得下式：</p><p><b>　　整理得： </b></p>

49、;<p>　　在操作范圍內(nèi)任取4個值，依上式算出相應(yīng)的值列于附表中： </p><p><b>　　附表（4）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)在VS—LS圖中作出霧沫夾帶線，如圖4中線（1）所示。</p><p><b>　　2. 液泛線（2）</b></p><p><

50、b>　　近似取，，</b></p><p><b>　　故。</b></p><p><b>　　（前已算出）</b></p><p><b>　　故 </b></p><p><b>　　且 </b></p><

51、p>　　將，及以上數(shù)據(jù)代入 得：</p><p><b>　　整理得下式：</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)取4個值，依上式計(jì)算值列于附表中： </p><p><b>　　附表（5）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)在VS—LS圖中作出液泛線，如圖4中線（2）所示。</p

52、><p>　　3. 液相負(fù)荷上限線（3）</p><p>　　取液體在降液管中停留時間為4秒，由下式</p><p>　　液相負(fù)荷上限線，為VS—LS圖中與氣相流量無關(guān)的垂線，如圖4中（3）所示。</p><p>　　4. 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（4）</p><p>　　由、代入漏液點(diǎn)氣速式：</p>&

53、lt;p>　?。ㄇ耙阉愠觯?，代入上式并整理得： </p><p>　　此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任取4個值，依上式計(jì)算相應(yīng)的值，列于附表中：</p><p><b>　　附表（6）</b></p><p>　　依表中數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線，如圖4中線（4）所示。</p><p>　　5. 液相負(fù)荷下限線（

54、5）： </p><p>　　取平堰、堰上液層高度為液相負(fù)荷下限條件， 則： </p><p><b>　?。患?lt;/b></p><p><b>　　整理上式得</b></p><p>　　在VS—LS圖4中作線（5），即為液相負(fù)荷下限線，如圖4所示。</p><p>　

55、　將以上5條線標(biāo)繪于圖4中，即為提餾段負(fù)荷性能圖。5條線包圍區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū)，P為操作點(diǎn)，OP為操作線。OP線與（2）線的交點(diǎn)相應(yīng)相負(fù)荷為，OP線與氣相負(fù)荷下限線（4）的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為。提餾段的操作彈性</p><p><b>　　九、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</b></p><p><b>　　十、設(shè)計(jì)評述及討論</b></p>

56、<p>　　本次課程設(shè)計(jì)比換熱器的設(shè)計(jì)難度要大，主要是計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大、考慮的細(xì)節(jié)較多，但始終要把握計(jì)算的是一個設(shè)備。通過本次設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識到作為化工工藝專業(yè)的學(xué)生，不僅要學(xué)好《化工原理》、《化工計(jì)算》等專業(yè)課程，還要對設(shè)備等相關(guān)內(nèi)容的課程要掌握好，并且要聯(lián)系實(shí)際把理論與實(shí)踐很好的結(jié)合起來，只有這樣才能學(xué)以致用。在整個設(shè)計(jì)過程中要考慮很多問題，尤其是工藝尺寸的計(jì)算及流體力學(xué)驗(yàn)算的有關(guān)內(nèi)容，要考慮周到合理，否則會有“小毛病出大

57、問題”的敗筆出現(xiàn)。這就要求我考慮問題要全面詳細(xì)，要多學(xué)各方面的知識并能充分利用，用知識更好地去解決問題。由于本次設(shè)計(jì)是工程方面的，因此在準(zhǔn)確度上就沒有純理論的高，存在誤差是在所難免的。如計(jì)算過程中數(shù)字的四舍五入逐漸積累了較大的計(jì)算誤差等，但是只要我們在計(jì)算中保持高的精確度，這種誤差可以大大地減?。挥?jì)算出的篩孔數(shù)與實(shí)際排列的篩孔數(shù)存在誤差，這就要求我在下面的計(jì)算中應(yīng)該用實(shí)際排出的孔數(shù)計(jì)算，以減小誤差。在精餾段和提留段的計(jì)算上有一定的差別，

58、這就要求我綜合所學(xué)知識，將二者合二為一，使其統(tǒng)一。</p><p>　　總之，在本次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多知識，同時使我認(rèn)識到理論于實(shí)踐的結(jié)合有多重要，也使我在潛意識中慢慢形成了一種模式：純理論主義與純經(jīng)驗(yàn)主義都是不可取的，只有聯(lián)系實(shí)際、活學(xué)活用才是對自己、對社會有用的。</p><p><b>　　十、重要經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式</b></p><p>