苯、甲苯及二甲苯分離過程工藝設(shè)計(jì)說明書

1、化工過程及CAD課程設(shè)計(jì)任務(wù)書項(xiàng)目一、CAD1.題目化工單元操作設(shè)備CAD 圖（以化工原理課程設(shè)計(jì)手工圖紙為基礎(chǔ)）2.提交材料1）電子版圖紙（圖幅：A1；文件格：*.dwg；CAD 版本：2010及以前的版本）2）紙質(zhì)材料：將電子版A1 圖紙用A3 制進(jìn)行打印。項(xiàng)目二、化工過程設(shè)計(jì)（工作間：330d/a）題目4）苯、甲苯、二甲苯分離過程設(shè)計(jì)（進(jìn)料：苯含量2040%；甲苯：1530%；分離后苯的純度不小于98%；甲苯純度不小98%；二甲苯純度不小97%）。2.要求1）查閱文獻(xiàn)資料，完成工藝流程設(shè)計(jì)，按化工制圖中對(duì)流程圖的要求繪制工藝流程圖；2）采用流程模擬軟件，進(jìn)行全流程流程模擬；3）編輯得到流

2、程模擬的物料平衡表、熱量平衡表；4）對(duì)其中一個(gè)精餾塔進(jìn)行塔體工藝尺寸計(jì)算，以及敏感性分析；5）編制工藝設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)報(bào)包括：文獻(xiàn)調(diào)研情況，設(shè)計(jì)依據(jù)年工作時(shí)間、原料規(guī)格、加熱蒸汽機(jī)冷卻水規(guī)格等、工藝流程設(shè)計(jì)工藝流程圖及工藝流程簡(jiǎn)述，全流程模擬結(jié)果物料平衡與熱量平衡，塔設(shè)備工藝尺寸結(jié)果，塔設(shè)備敏感性分解結(jié)果圖表。6）格式與排版要求：見附件年處理量18.86萬噸三苯分離項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)說明書第一章 總論1.1 項(xiàng)目概況本項(xiàng)目為在任務(wù)書的要求下設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的三苯分離工藝。由于苯、甲苯、二甲苯之間沸點(diǎn)溫差相差明顯，存在較大溫差，故可用傳統(tǒng)精餾操作即可分離，無需太過復(fù)雜的工藝要求。對(duì)于三元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)

3、精餾流程。連續(xù)精餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。采用全凝器為主，以使于準(zhǔn)確的控制回流比。利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝達(dá)到輕重組分的分離。1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)化工過程及CAD課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；1.3 生產(chǎn)工藝及全廠總流程1.3.1 生產(chǎn)工藝蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)的不同并借助于多次不分汽化和部分冷凝達(dá)到輕，重組分分流的方法。蒸餾操作在化工，石油化工，輕工等工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。蒸餾過程按蒸餾方式可分為簡(jiǎn)單蒸餾，平衡蒸餾，精餾和特殊精餾等。本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾工藝。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過預(yù)加熱至泡點(diǎn)送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在

4、泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分冷卻后送至儲(chǔ)罐。1.3.2精餾原理及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同將混合物進(jìn)行分離。在精餾塔中，再沸器或塔釜產(chǎn)精餾是多級(jí)分離過程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程。因此可是混合物得到幾乎完全的分離。精餾可視為由多次蒸餾演變而來的。 精餾操作廣泛用于分離純化各種混合物，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中尤為常見的單元操作。進(jìn)行精餾操作的設(shè)備叫做精餾塔。在精餾塔中生的蒸汽沿塔逐漸上升，來自塔頂冷凝器的回流液從塔頂逐漸下降，氣液兩相在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次接觸，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，重組分下降，使混合液達(dá)到一定程度的分離。如果離開某一塊塔板（或某一段填料）

5、分離苯-甲苯混合液的浮閥板式精餾塔工藝設(shè)計(jì)的氣相和液相的組成達(dá)到平衡，則該板（或該段填料）稱為一塊理論板或一個(gè)理論級(jí)。然而，在實(shí)際操作的塔板上或一段填料層中，由于氣液兩相接觸時(shí)間有限，氣液兩相不到平衡狀態(tài)，即一塊實(shí)際操作的塔板（或一段填料層）的分離效果常常達(dá)不到一塊理論板或一個(gè)理論級(jí)的作用。要想達(dá)到一定的分離要求，實(shí)際操作的塔板數(shù)總要比理論的板數(shù)多，或所需的填料層高度要比理論上的要高。1.3.3精餾操作的特點(diǎn)及其對(duì)塔設(shè)備的要求精餾操作的特點(diǎn)從上述對(duì)精餾過程的簡(jiǎn)單介紹可知，常見的精餾塔的兩端分別為汽化成分的冷凝和液體的沸騰的傳熱過程，精餾塔也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過程相比，精餾操作又有如

6、下特點(diǎn)： 1)沸點(diǎn)升高 精餾的溶液中含有沸點(diǎn)不同的溶劑，在相同的壓力下溶液的蒸汽壓較同溫度下純?nèi)軇┑钠瘔旱?，使溶液的沸點(diǎn)高于醇溶液的沸點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為沸點(diǎn)的升高。在加熱汽化溫度一定的情況下，汽化溶液時(shí)的傳熱溫差必定小于加熱純?nèi)軇┑募儨夭?，而且溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。 2)物料的工藝特性精餾溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中時(shí)可與溶液中的某一組分或幾組分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工藝要求，選擇適宜的精流流程和設(shè)備是精餾操作彼此需要知道和必須考慮的問題。3)節(jié)約能源精餾汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸汽。如何充分利用熱量提高加熱蒸汽的利用率是精餾操作需要考慮的

7、另一個(gè)問題精餾操作對(duì)塔設(shè)備的主要要求 1：生產(chǎn)能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正常流動(dòng)。2：效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率。3：流體阻力小：流體通過塔設(shè)備時(shí)阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓操作是時(shí)易于達(dá)到所要求的真空度。4：有一定的操作彈性：當(dāng)氣液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，而不會(huì)使效率發(fā)生較大的變化。5：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝檢修方便。6：能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。1.3.4設(shè)計(jì)總流程 本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾工藝。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過預(yù)加熱至泡點(diǎn)送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全冷凝，冷凝

8、液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分冷卻后送至儲(chǔ)罐。圖1-1工藝總流程1.4 建設(shè)規(guī)模和產(chǎn)品方案1.4.1 建設(shè)規(guī)模本項(xiàng)目為年處理20萬噸三苯混合物的精餾分離。1.4.2 產(chǎn)品方案本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾工藝，根據(jù)任務(wù)書要求以及流程模擬，本設(shè)計(jì)得到的產(chǎn)品規(guī)格如下表:表1-1產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)品規(guī)格純度（mole百分含量）產(chǎn)量（萬噸/年）苯優(yōu)等品99.99甲苯優(yōu)等品98.04二甲苯優(yōu)等品98.631.5 主要原料、燃料規(guī)格及消耗本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾工藝，根據(jù)任務(wù)書要求以及流程模擬，本設(shè)計(jì)原料消耗及其組成如下表：表1-2 原料消耗名稱成分及其含量（mole百分含量）消耗量（萬噸/年）三苯混合物苯35%18.86甲

9、苯18%鄰二甲苯13%間二甲苯24%對(duì)二甲苯10%本設(shè)計(jì)內(nèi)部設(shè)備換熱量較大，內(nèi)部物流換熱后，不足熱量采用公用工程補(bǔ)助，公用工程規(guī)格如下表： 表1-3 公用工程消耗序號(hào)公用工程名稱規(guī)格1冷凝水25-302低壓蒸汽125第二章 工藝流程2.1 工藝方案2.1.1 工藝流程概述本項(xiàng)目為三元混合物的分離，對(duì)于三元混合物的分離，采用連續(xù)精餾流程，設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過預(yù)加熱至泡點(diǎn)送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分冷卻后送至儲(chǔ)罐。本采用連續(xù)精餾流程，在T0401中分離出苯產(chǎn)品，塔底物流換熱后進(jìn)入T0402分離甲苯與二甲苯，設(shè)計(jì)全流程圖如下圖所示：圖2-1

10、 三苯分離全流程圖2.1.2 工藝流程模擬 在模擬過程中，原料由原料泵P0401進(jìn)入進(jìn)料加熱器E0401加熱到107.5后由甲苯塔進(jìn)料泵P0202鼓入甲苯塔T0401進(jìn)料，經(jīng)過調(diào)試優(yōu)化得到T0401的模擬參數(shù)：表2-1 苯分離塔操作參數(shù)塔板數(shù)進(jìn)料位置回流比采出率塔頂全凝器壓強(qiáng)全塔壓降30181.80.4150.137MPa0.0124MPa模擬得到塔頂苯產(chǎn)品的純度達(dá)到99.37%，苯的分離率接近100%；塔頂苯產(chǎn)品經(jīng)冷卻器E0402冷卻后進(jìn)入儲(chǔ)罐，塔底物流進(jìn)入冷卻器E0403冷卻至128。由甲苯塔進(jìn)料泵P0403抽入甲苯塔T0402進(jìn)料。調(diào)試優(yōu)化得到甲苯塔的模擬參數(shù)：表2-2 甲苯分離塔操作參

11、數(shù)塔板數(shù)進(jìn)料位置回流比采出率塔頂全凝器壓強(qiáng)全塔壓降40214.050.3030.134MPa0.019MPa模擬之后得到塔頂甲苯產(chǎn)品純度99.26%，甲苯分離率達(dá)到99.9%。 模擬流程圖如下：圖2-2 三苯分離模擬流程2.1.3 工藝流程優(yōu)化 模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，以達(dá)到某方面的效益最佳，如經(jīng)濟(jì)效益最好、節(jié)能效果最佳等。 在建立全流程模擬的過程中已經(jīng)對(duì)局部可以尋優(yōu)的參數(shù)進(jìn)行了尋求最優(yōu)的求解，這些參數(shù)包括各精餾塔的塔板數(shù)、回流比、采出率、進(jìn)料板位置以及萃取劑用量等。而一些操作參數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)所述確定的最佳操作條件，這些參數(shù)無需進(jìn)行優(yōu)化。由于本設(shè)計(jì)只包含兩個(gè)常規(guī)精餾塔，故對(duì)兩個(gè)塔都進(jìn)行操作

12、參數(shù)的優(yōu)化。下面以苯分離塔為例對(duì)優(yōu)化過程進(jìn)行說明。對(duì)苯分離塔塔板氣液相組成分別作圖：圖2-3 苯分離塔塔板液相組成分布圖圖2-4 苯分離塔塔板氣相組成分布圖對(duì)于苯分離塔的操作參數(shù)優(yōu)化包括：回流比、理論塔板數(shù)、進(jìn)料板位置以及采出率四個(gè)參數(shù)的優(yōu)化。（1）回流比優(yōu)化Aspen plus中采用靈敏度分析模塊，分別設(shè)置再沸器熱負(fù)荷、塔頂產(chǎn)物中苯的mole百分含量、苯的分離率作為分析目標(biāo)對(duì)象，以回流比為分析變量；根據(jù)簡(jiǎn)介計(jì)算結(jié)果得到的回流比作為參考，設(shè)置回流比變化區(qū)間為1.23，變化頻率取0.05。對(duì)分析結(jié)果作圖：圖2-5 苯分離塔回流比對(duì)塔分離效果影響由圖中曲線分析，當(dāng)回流比為1.8之后曲線變化趨于平緩

13、，苯純度為99.40%，分離率為99.998%，隨著回流比變化，這兩參數(shù)幾乎不發(fā)生變化。而再沸器熱負(fù)荷一直呈線性變化，綜合考慮，最優(yōu)回流比取1.8。（2）理論塔板數(shù)優(yōu)化同回流比優(yōu)化一樣，采用靈敏度分析模塊，分別設(shè)置再沸器熱負(fù)荷、塔頂產(chǎn)物中苯的mole百分含量、苯的分離率作為分析目標(biāo)對(duì)象，以理論塔板數(shù)為分析變量；將塔設(shè)置中回流比更改為剛剛優(yōu)化得到的最優(yōu)回流比1.8；塔板數(shù)更改為40塊之后，設(shè)置變化區(qū)間為2040，變化頻率為1。對(duì)分析結(jié)果作圖：圖2-6 苯分離塔理論塔板數(shù)對(duì)塔分離效果影響由圖分析，當(dāng)理論塔板數(shù)為30塊板之后，苯純度、苯分離率以及再沸器熱負(fù)荷均趨于水平，幾乎不再變化。此時(shí)苯純度為99

14、.33%；苯分離率為99.92%，再沸器熱負(fù)荷也為最低。最終取最優(yōu)理論塔板數(shù)為30.（3）進(jìn)料板位置優(yōu)化分別設(shè)置再沸器熱負(fù)荷、塔頂產(chǎn)物中苯的mole百分含量、苯的分離率作為分析目標(biāo)對(duì)象，以進(jìn)料板位置為分析變量；將塔設(shè)置中回流比更改為剛剛優(yōu)化得到的最優(yōu)回流比1.8；塔板數(shù)更改為優(yōu)化得到的最優(yōu)塔板數(shù)30塊，設(shè)置進(jìn)料板變化區(qū)間為1525，變化頻率為1；對(duì)分析結(jié)果作圖：圖2-7 苯分離塔進(jìn)料板位置對(duì)塔分離效果影響在18塊板位置之后，可以看到苯分離率與塔頂產(chǎn)物苯純明顯下降，再沸器熱負(fù)荷明顯上升；在第18塊板進(jìn)料時(shí)，苯分離率為：99.95%；苯純度為99.36%。且再沸器熱負(fù)荷也較低，故選擇第18塊板為最

15、佳進(jìn)料位置。（3）采出率優(yōu)化分別設(shè)置再沸器熱負(fù)荷、塔頂產(chǎn)物中苯的mole百分含量、苯的分離率作為分析目標(biāo)對(duì)象，以采出率為分析變量；將塔設(shè)置中回流比更改為剛剛優(yōu)化得到的最優(yōu)回流比1.8；塔板數(shù)更改為優(yōu)化得到的最優(yōu)塔板數(shù)30塊，設(shè)置進(jìn)料板位置設(shè)置為18，設(shè)置采出率變化區(qū)間為0.350.45，變化頻率為0.005；對(duì)分析結(jié)果作圖：圖2-8 苯分離塔采出率對(duì)塔分離效果影響由圖線可直接看出，為同時(shí)考慮到苯純度與分離率都要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取采出率為0.415為最優(yōu)采出率。此時(shí)苯分離率為：99.95%；苯純度為99.36%。再沸器熱負(fù)荷也較低。甲苯塔優(yōu)化方式與此相同，就不予詳細(xì)說明，優(yōu)化結(jié)果見表2-2。第三章

16、 物料衡算與能量衡算3.1 概述本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾工藝。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過預(yù)加熱至泡點(diǎn)送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分冷卻后送至儲(chǔ)罐。設(shè)計(jì)過程中利用Aspen Plus對(duì)全流程進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上完成物料衡算、能量衡算，Aspen plus模擬流程如圖4-1所示。圖4-1 三苯分離模擬流程本流程為連續(xù)生產(chǎn)過程，所需主要設(shè)備有、泵、換熱器、和普通精餾塔等，涉及到的物料主要有苯、甲苯、二甲苯、以及公用工程的冷卻水、加熱蒸汽等，輸入整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、加熱介質(zhì)帶入的能量和進(jìn)入物料的焓，輸出的能量有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。3

17、.2 物料衡算 3.2.1 物料衡算基本原理 系統(tǒng)的物料衡算以質(zhì)量守恒為理論基礎(chǔ)，研究某一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出物料量及組成的變化，即： 系統(tǒng)累計(jì)的質(zhì)量=輸入系統(tǒng)的質(zhì)量 - 輸出系統(tǒng)的質(zhì)量+反應(yīng)生成的質(zhì)量 - 反應(yīng)消耗的質(zhì)量 假設(shè)系統(tǒng)無泄漏，有： dF/dt=FIN-FOUT+CR-CR當(dāng)系統(tǒng)無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，有： dF/dt=FIN-FOUT在穩(wěn)定狀態(tài)下，有： dF/dt=FIN-FOUT=0，F(xiàn)IN=FOUT注：FIN進(jìn)入系統(tǒng)的物料流率； FOUT流出系統(tǒng)的物料流率； CR反應(yīng)產(chǎn)生物料速率； CR反應(yīng)消耗物料速率。3.2.2 物料衡算任務(wù) 通過對(duì)系統(tǒng)整體以及部分主要單元的詳細(xì)物料衡算，得到主、副產(chǎn)品的

18、產(chǎn)量，原料的消耗量，“三廢”的排放量以及最后產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)等關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)所選工藝路線、設(shè)計(jì)流程進(jìn)行定量評(píng)述，為后階段的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2.3 系統(tǒng)物料衡算該系統(tǒng)出塔設(shè)備外，其他所有設(shè)備物料進(jìn)出均為一進(jìn)一出，假設(shè)系統(tǒng)無泄漏，故只需對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行物料衡算，衡算結(jié)果如下：表4-1 T0401物料衡算進(jìn)料物流塔頂出料塔底出料溫度 107.590.143.92931壓力 MPa0.160.1370.152氣相分率000總Mole流量 kmol/hr256106.24149.76總質(zhì)量流量 kg/hr23570.22548308.2466315261.9788總體積流量 cum/hr30.10.2

19、0.各組分Mole流量 kmol/hr苯105.105.0.甲苯46.0.45.鄰二甲苯28.1.628e-0928.間二甲苯53.7.0153e-0753.對(duì)二甲苯22.3.0756e-0822.各組分Mole分率苯0.0.0.甲苯0.0.0.鄰二甲苯0.1.5324e-110.間二甲苯0.6.6033e-090.對(duì)二甲苯0.2.8949e-100.表4-2 T0402物料衡算進(jìn)料物流塔頂出料塔底出料溫度 128120.156.壓力 MPa0.160.1340.153氣相分率000總Mole流量 kmol/hr149.7645.6768104.0832總質(zhì)量流量 kg/hr15261.978

20、84212.1738111049.805總體積流量 cum/hr19.5.14.各組分Mole流量 kmol/hr苯0.0.4.9774e-11甲苯45.45.0.鄰二甲苯28.3.7179e-0528.間二甲苯53.0.52.對(duì)二甲苯22.0.22.各組分Mole分率苯0.0.4.7822e-13甲苯0.0.0.鄰二甲苯0.8.1395e-070.間二甲苯0.0.0.對(duì)二甲苯0.6.6297e-050.3.3 能量衡算 3.3.1 基本原理 系統(tǒng)的能量衡算能量守恒為理論基礎(chǔ)，研究某一系統(tǒng)內(nèi)各類型的能量的變化，即： 輸入系統(tǒng)的能量=輸出系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)積累的能量對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，有：Q+W=HOU

21、THIN注：Q設(shè)備的熱負(fù)荷；W輸入系統(tǒng)的機(jī)械能；HOUT離開設(shè)備的各物料焓之和；HIN進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。 本項(xiàng)目的能量衡算以單元設(shè)備為對(duì)象，計(jì)算由機(jī)械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放能量和單純的物理變化帶來的熱量變化。3.3.2 能量衡算任務(wù) (1) 確定流程中機(jī)械所需的功率，為設(shè)備設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)。 (2) 確定精餾各單元操作中所需的熱量或冷量及傳遞速率，確定加熱劑和冷劑的用量，為后續(xù)換熱和公用工程的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。 (3) 最終計(jì)算出所需的能量和費(fèi)用，判定工藝過程的經(jīng)濟(jì)性。3.3.3 系統(tǒng)能量衡算表4-3 進(jìn)料加熱器E0401焓變表進(jìn)料物流出料物流溫度 C25107.5壓力 MPa0.10.16氣

22、相分率00Mole流量kmol/hr256256質(zhì)量流量 kg/hr23570.225423570.2254體積流量 cum/hr27.30.焓值 KJ/hr負(fù)荷表4-4 T0401進(jìn)出物料焓變表進(jìn)料物流塔頂出料塔底出料溫度 C107.590.143.壓力 MPa0.160.1370.152氣相分率000Mole流量kmol/hr256106.24149.76質(zhì)量流量 kg/hr23570.22548309.2391315260.9863體積流量 cum/hr30.10.20.焓值 KJ/hr表4-5 苯產(chǎn)品冷卻器器E0402焓變表進(jìn)料物流出料物流溫度 C90.25壓力 MPa0.1370.1

23、氣相分率00Mole流量kmol/hr106.24106.24質(zhì)量流量 kg/hr8309.239138309.23913體積流量 cum/hr10.9.焓值 KJ/hr負(fù)荷 KJ/hr表4-6 甲苯塔進(jìn)料冷卻器E0403焓變表進(jìn)料物流出料物流溫度 C143.128壓力 MPa0.1520.16氣相分率00Mole流量kmol/hr149.76149.76質(zhì)量流量 kg/hr15260.986315260.9863體積流量 cum/hr20.19.焓值 KJ/hr負(fù)荷 KJ/hr表4-7 甲苯塔T0402進(jìn)出物料焓變表進(jìn)料物流塔頂出料塔底出料溫度 C128120.156.壓力 MPa0.160

24、.1340.153氣相分率000Mole流量kmol/hr149.7645.37728104.38272質(zhì)量流量 kg/hr15260.98634179.9605111081.0258體積流量 cum/hr19.5.14.焓值 KJ/hr表4-8 甲苯產(chǎn)品冷卻器器E0404焓變表進(jìn)料物流出料物流溫度 C120.25壓力 MPa0.1340.1氣相分率00Mole流量kmol/hr45.3772845.37728質(zhì)量流量 kg/hr4179.960514179.96051體積流量 cum/hr5.4.焓值 KJ/hr第四章 塔設(shè)備設(shè)計(jì)及選型4.1 概述 本項(xiàng)目選用了2個(gè)精餾塔，分別為苯分離塔與甲

25、苯分離塔，都為普通精餾塔，沒有特殊設(shè)備。故選取其中一個(gè)進(jìn)行典型計(jì)算。4.2苯塔（T0401）設(shè)計(jì) 精餾設(shè)備的基本功能是形成氣、液兩相充分接觸的相界面，使質(zhì)、熱的傳遞快速有效地進(jìn)行，接觸混合與傳質(zhì)后的氣、液兩相能及時(shí)分開、互不夾帶等。氣、以為傳質(zhì)設(shè)備的類型很多，按接觸方式可分為連續(xù)接觸式和逐級(jí)接觸式兩大類，填料塔和板式塔分別為其典型代表，在吸收、蒸餾中應(yīng)用極廣。4.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)普通精餾塔，并校核其相關(guān)參數(shù)達(dá)到分離苯產(chǎn)品的技術(shù)要求。4.2.2 塔型選擇 通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析我們對(duì)工業(yè)上廣泛應(yīng)用的塔設(shè)備進(jìn)行比較和選型。選型的依據(jù)是：在保證滿足工藝要求的前提上，做到安全生產(chǎn)，穩(wěn)定操作，較低的

26、設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。工業(yè)用的精餾塔類型主要有填料塔和板式塔。兩種類型的塔器各有特點(diǎn)：不同任務(wù)、操作條件、介質(zhì)性質(zhì)情況下，選擇合適的精餾塔能夠充分發(fā)揮塔的作用，既能保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，又能過降低生產(chǎn)成本。表4-1板式塔和填料塔的比較項(xiàng)目塔型板式塔填料塔壓力降壓力降一般比填料塔大壓力降小，較適合于要求壓力降小的場(chǎng)合空塔氣速空塔氣速大空塔氣速較大塔效率效率較穩(wěn)定，大塔板效率比小塔有所提高分離效率較高，塔徑1.5m以下效率高，塔徑增大，效率常會(huì)下降氣液比適應(yīng)范圍較大對(duì)液體噴淋量有一定要求持液量較大較小材質(zhì)要求一般用金屬材料制作可用非金屬耐腐蝕材料安裝維修較容易較容易造價(jià)直徑大時(shí)一般比填料塔造價(jià)低800m

27、m以下，一般比板式塔便宜，直徑增大，造價(jià)顯著增加重量較輕較重通過上面的比較，我們可以看出，板式塔雖然壓降高，但其空塔氣速大、塔效率高且穩(wěn)定、液氣比適用范圍較大、安裝和檢修容易、大直徑塔的造價(jià)低，這些特點(diǎn)能夠的滿足我們?cè)O(shè)計(jì)中處理量大，塔效率高，液氣比范圍廣等要求。綜合考慮，我們優(yōu)先選擇板式塔。4.2.3 塔盤的類型與選擇 塔板上氣、液兩相在流動(dòng)中接觸傳質(zhì)，按兩相相對(duì)流動(dòng)方式，可將塔板分為溢流式和逆流式。有降液管的溢流式塔板應(yīng)用很廣，按塔板的具體結(jié)構(gòu)形式，又可分為泡罩塔板、篩板塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌型塔板等。表4-2 各種板式塔的優(yōu)缺點(diǎn)及用途塔盤形式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)用途塔盤形式泡罩型圓形泡罩復(fù)雜

28、彈性好 無泄漏費(fèi)用高 板間距大;壓力將比較大用于具有特定要求的場(chǎng)合S形泡罩塔板稍簡(jiǎn)單簡(jiǎn)化了泡罩的形式，因此性能相似費(fèi)用高 板間距大;壓力將比較大用于具有特定要求的場(chǎng)浮閥型條形浮閥簡(jiǎn)單操作彈性較好;塔板效率較高;處理能力較大無特別缺點(diǎn)適用于加壓及常壓下的氣液傳質(zhì)過程重盤式浮閥有簡(jiǎn)單的和稍復(fù)雜的T形浮閥簡(jiǎn)單穿流型篩板簡(jiǎn)單正常負(fù)荷下效率高 費(fèi)用最低；壓力降小穩(wěn)定操作范圍窄;易堵物料;容易發(fā)生液體泄漏適于處理量變動(dòng)少且不析出固體物的系統(tǒng)波紋篩板簡(jiǎn)單比篩板壓力降稍高，但具有同樣的優(yōu)點(diǎn)；氣液分布好柵板簡(jiǎn)單處理能力大；壓力降??；費(fèi)用便宜處理能力大；壓力降??；費(fèi)用便宜塔板效率低；彈性較??；處理量少時(shí)，效率劇烈

29、下降由于本設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品規(guī)格要求有較穩(wěn)定的分離效果，操作彈性要求也較高，通過對(duì)比浮閥塔、篩板塔、泡罩塔，最終選擇浮閥塔，浮閥采用F1重型浮閥。4.2.4 塔工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算 1、塔板參數(shù)假設(shè)及初選根據(jù)Aspen 軟件對(duì)塔板參數(shù)進(jìn)行模擬，假設(shè)塔板上液相流動(dòng)形式為單溢流；板間距選擇0.4m；塔型選擇Nutter Float Valve （條形浮閥塔）進(jìn)行初步模擬計(jì)算；模擬得到的工藝參數(shù)如下： 圖4-1 塔板初步設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)得到塔徑為1.66m，圓整后取1.8m；降液管面積/塔盤面積Af/AT=0.1；側(cè)面降液管速率：0.0886m/s；溢流堰長：1.066m；查看分析結(jié)果各塔盤水力學(xué)參數(shù)：表4-3 各塔盤

30、水力學(xué)參數(shù)塔板壓力液相溫度氣相溫度液相體積流量氣相體積流量液相密度氣相密度單位MPaCCcum/hrcum/hrkg/cumkg/cum10.13790.90.34.7829.46872802.3.20.90.91.24.7802.47718802.3.30.91.91.24.7775.08796801.3.40.91.92.24.7746.93718800.3.50.92.94.24.7717.57666799.3.60.94.96.24.7686.75159797.3.70.96.98.24.7655.02576795.3.80.98.101.24.7624.15271792.3.90.1

31、01.103.25.7595.99597789.3.100.103.105.8500725.7570.70322786.3.110.105.85007107.25.7547.05983784.3.120.107.108.25.7524.65726782.3.130.108.109.25.7499.32879781.3.140.109.110.25.7469.81673780.3.150.110.111.25.7432.01602779.3.160.111.113.25.7377.87667778.3.170.113.117.25.7295.62367776.3.180.117.121.58.7

32、554.65954773.3.190.121.125.59.7592.86732769.4.200.125.127.60.7628.23692766.4.210.127.129.61.7650.41126764.4.220.129.130.8146861.7660.20146762.4.230.130.81468131.62.7658.04892761.4.240.131.132.62.7647.25374760.4.250.132.133.1508562.7629.31323760.4.260.133.15085134.2539162.7603.7273759.4.270.134.25391

33、136.62.7568.45202758.577144.280.136.139.62.7523.69941757.4.290.139.143.9293163.7484.19417755.4.300.152143.92931143.9293120.0751.表4-4 液體負(fù)荷與板上流型的關(guān)系塔徑，mm液體流量，m3/hU形流單溢流雙溢流階梯流10007以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下110200200300400011以下110以下110230230350500011以下110以下110250250400600011以下110以下11

34、0250250450由表4-3可知，各塔板液相負(fù)荷最大值為63.35m3/h，根據(jù)表4-4，模擬是假設(shè)塔盤上液相流動(dòng)形式為單溢流的假設(shè)是合理的。且塔徑為1.8m時(shí)，板間距可取400mm或600mm，板間距設(shè)計(jì)合理。再利用ASPEN PLUS軟件對(duì)塔盤進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，得到結(jié)果如下：圖5-2 塔盤詳細(xì)計(jì)算參數(shù)塔徑為：1.8m；最大泛點(diǎn)率為：0.73；全塔壓降：0.0124MPa；2、塔板參數(shù)詳細(xì)計(jì)算由水力學(xué)參數(shù)表可知，除第一塊塔板外，第二塊塔板氣相負(fù)荷最大，選取第二塊塔板利用水力學(xué)校核軟件CUP-tower進(jìn)行水力學(xué)校核，提取第二塊塔板詳細(xì)參數(shù)：圖4-3 提取塔板水力學(xué)參數(shù)（1）塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受液盤與

35、鼓泡區(qū)之間的安定區(qū)Ws通常取50100mm，取80mm ；鼓泡區(qū)與溢流堰之間的安定區(qū)Ws 通常取70100mm，取80mm；邊緣區(qū)Wc 對(duì)塔徑在2.5m 以下的塔一般取邊寬50mm，2.5 以上的塔，可取60mm 或更大些，取60mm。此外，塔板根據(jù)直徑的大小可以制造為整塊式和分塊組裝式。塔徑在800mm 以下的塔多采取整塊式塔板；塔徑大于900mm 的塔多采用分塊式，以便通過人孔裝拆塔板。（2）弓形降液管由aspen plus模擬得到以下數(shù)據(jù)，Af/AT=0.1；則降液管面積Af=0.1AT=0.1 0.785D2=0.254 m 2; 圖4-4 弓形降液管參數(shù)圖由圖查得,則降液管堰長；得降

36、液管頂部寬度；為降低氣沫夾帶，液體在板上須有足夠長的時(shí)間使氣體從液相中分離出， 一般要求不小于35s，為此，必須進(jìn)行校核。 液體在降液管中的停留時(shí)間為故降液管尺寸合理。（3）溢流堰 由aspen plus模擬得到，溢流堰長：1.066m；（4）降液管底隙高度及受液盤塔板上接受降液管流下液體的部分為受液盤，常用平行型式，考慮減小液體流動(dòng)阻力損失和固體雜質(zhì)可能在底隙處沉積，所以h0不能太小，一般不小于38mm，但為防止氣體進(jìn)入降液管間距h0 不可太大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取uoL=0.070.25m/s，取uoL=0.20m/s。故降液管低隙高度取38mm。受液盤承受來自降液管的液體。對(duì)于大塔（D800m

37、m),一般采用凹形受液盤。這種結(jié)構(gòu)在液體流量低時(shí)仍能形成良好的液封，凹形受液盤深度一般在50mm 以上。取50mm。（5）浮閥的數(shù)目及孔間距浮閥采用F1重型浮閥，對(duì)于F1 型浮閥，d0=39mm；取F0=12每層塔板浮閥數(shù)：圓整取266個(gè)；浮閥排列采用等腰三角形叉排，它可使相鄰的浮閥容易吹開，鼓泡更均勻。 通常將同一橫排的閥孔中心距t定為75mm，而相鄰兩排間的距離t 可取65、 80、100mm 等幾種規(guī)格。鼓泡區(qū)面積：其中：計(jì)算得到：根據(jù)已經(jīng)確定的孔距，按等腰三角形叉排方式作圖，確切排出在鼓泡區(qū)內(nèi)可以布置的浮閥總數(shù)為264。圖4-5 浮閥排布圖閥孔氣速：校核動(dòng)能因子：符合912的要求，浮閥

38、數(shù)滿足要求；則塔板開孔率為：一般對(duì)常壓塔或減壓塔=10%14% 故設(shè)計(jì)合理。3、利用CUPTower對(duì)塔板參數(shù)校核輸入塔板信息：圖4-5 輸入塔板信息輸入塔操作工藝條件：圖4-6 輸入塔板工藝條件輸入塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)以及降液管尺寸輸入，輸入降液管尺寸后點(diǎn)擊計(jì)算，計(jì)算降液管詳細(xì)尺寸。圖4-7 輸入塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)所有數(shù)據(jù)輸入完畢，點(diǎn)擊檢驗(yàn)，沒有提示錯(cuò)誤或漏輸入，然后點(diǎn)擊開始計(jì)算，計(jì)算完成得到塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)的校核結(jié)果。圖4-8 塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)校核結(jié)果圖4-9 塔板工藝參數(shù)校核結(jié)果根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書塔設(shè)備設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)塔板參數(shù)校核結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果均符合要求，故該塔板工藝參數(shù)設(shè)計(jì)合理。5.3

39、塔機(jī)械工程設(shè)計(jì) 5.3.1塔高設(shè)計(jì) (1)、實(shí)際塔板數(shù)N 精餾塔塔板效率是實(shí)際板與理論板差異的體現(xiàn)，它是氣、液兩相在塔板上的傳質(zhì)速率、混合和流動(dòng)狀況、以及塔板返混的綜合結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用全塔效率關(guān)聯(lián)曲線選取塔效率。圖4-10 精餾操作總板效率關(guān)聯(lián)圖得塔效率為60% ；實(shí)際塔板數(shù)為NT=N/ET=50。(2)、塔頂空間高度Ha 塔頂空間高度的作用時(shí)安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液體自由沉降，減少塔頂出口氣中的液滴夾帶，空間高度一般取 1.21.5m，這里取 Ha=1.5m。(3)、板間距HT 板間距HT=600mm (4)、人孔數(shù) S塔板總數(shù)為50塊板，取10塊板開一個(gè)人孔，人孔數(shù)為7個(gè) (

40、包括塔頂和塔底人孔數(shù))。有人孔的上下兩塔板間距應(yīng)大于等于600mm，這里取。(5)、塔板所占空間高度HZ 塔板所占空間高度HZ=(N-1-S)HT+SHS+HF ，進(jìn)料段高度HF取決于進(jìn)料口結(jié)構(gòu)形式和物料狀態(tài)，一般HF要比HT大，取HF=1000mm。則 (6)、塔底空間高度 Hb塔底空間高度具有貯存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有 1015min 的 儲(chǔ)量，以保證塔底料液不至排完。對(duì)于塔底產(chǎn)量較大的塔，塔底容量可取小些，20.取35min的儲(chǔ)量。提取Aspen數(shù)據(jù)塔底料液出口體積流量V=20.30m3/h，塔徑D=1.8m，t=12min。(7)、支座的高度Hp支座一般均選用圓筒形或圓錐形的裙座。筒體高度大于10m，塔徑1.8m1m，所以采用圓柱形裙座：綜上可知板式塔的高度為：(8)、封頭高度封頭選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T 4746-2002，知h=50mm，H=450mm。5.3.2接管的計(jì)算1) 塔頂蒸汽接管取塔頂蒸汽流速，氣相體積流量V=7829.46872m3/h，則塔頂蒸汽管徑：圓整后選取管子規(guī)格為。實(shí)際流速：2) 進(jìn)料0404管取進(jìn)料管液體流