苯—甲苯精餾塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)書

1、化工原理課程設(shè)計(jì)書 苯甲苯精餾塔設(shè)計(jì)目 錄（一）化工原理設(shè)計(jì)任務(wù)書3（二）概述4一、精餾基本原理4二、設(shè)計(jì)方案的確定4（三）塔工藝計(jì)算4一、精餾塔物料衡算5二、塔板數(shù)確定5三、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算7四、精餾塔的塔體工藝尺寸設(shè)計(jì)11五、塔板主要工藝尺寸計(jì)算12六、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算14七、塔板負(fù)荷性能圖17八、 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表23（四）輔助設(shè)備的設(shè)定24（五）設(shè)計(jì)評(píng)述心得25（六）參考書目及附表26（一） 化工原理設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)名稱：苯-甲苯精餾塔設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)條件：在常壓連續(xù)精餾塔中精餾分離含苯35%（質(zhì)量%，下同）的苯-甲苯混合液，要求塔頂流出液中苯的回收率為97%，塔底釜

2、殘液中含苯不高于2%。處理量： 17500 t/a，料液組成（苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)）： 35%，塔頂產(chǎn)品組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）： 97%，塔頂易揮發(fā)組分回收率： 99%，每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間： 300天三、設(shè)計(jì)任務(wù)完成精餾塔的工藝設(shè)計(jì)，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，繪制精餾塔系統(tǒng)工藝流程圖和精餾塔裝配圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或其他操作條件所需數(shù)據(jù)自己查閱資料或根據(jù)資料確定五、設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容1 目錄2 概述（設(shè)計(jì)方案的確定和流程說明、精餾基本原理等）3. 塔的物料恒算、塔板數(shù)的確定、塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算；4. 塔和塔板的主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)：（1） 塔體工藝尺寸的計(jì)算；（2） 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；

3、（3） 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；（4） 塔板負(fù)荷性能圖。5. 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表6. 輔助設(shè)備的選型對(duì)再沸器進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)預(yù)熱器進(jìn)行選型7. 參考文獻(xiàn)8. 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述或有關(guān)問題的分析討論。（二） 概述一、 精餾基本原理精餾操作就是利用液體混合物在一定壓力下各組分揮發(fā)度不同的性質(zhì)，在塔內(nèi)經(jīng)過多次部分汽化與多次部分冷凝，使各組分得以完全分離的過程。二、 設(shè)計(jì)方案的確定 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。由于對(duì)物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部

4、分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)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。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。塔板的類型為篩板塔精餾，篩板塔塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為38mm，篩孔在塔板上作正三角形排列。篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： () 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： () 塔板安裝的水平度要求較高，

5、否則氣液接觸不勻。 () 操作彈性較小(約23)。() 小孔篩板容易堵塞。（三） 塔工藝計(jì)算一、 精餾塔物料衡算1原料液及塔頂產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 2. 原料液及塔頂產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3. 由物料衡算計(jì)算塔底產(chǎn)品的摩爾分率及平均摩爾質(zhì)量 原料處理量總物料衡算 28.08=dw苯塔頂回收率 (d0.974)/(f0.388)=0.99聯(lián)立解得 d11.07 kmol/h w=17.01 kmol/h式中 f-原料液流量 d-塔頂產(chǎn)品量 w-塔底產(chǎn)品量由苯物料衡算 28.080.3880.97411.0717.01解得=0.00663二、 塔板數(shù)確定1苯-甲苯相對(duì)揮發(fā)度確

6、定根據(jù)表2計(jì)算各溫度下相對(duì)揮發(fā)度，得以下計(jì)算結(jié)果：t=80.1,=2.53; t=85,=2.54; t=90,=2.51;t=95,=2.46; t=100,=2.41; t=105,=2.37;由此得平均相對(duì)揮發(fā)度=2.472. 回流比的確定由于進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料，q=1,3. 精餾塔氣液相負(fù)荷 4. 求操作線方程精餾段方程為：提餾段方程為：5. 逐板法求理論板數(shù)相平衡方程 = 0.974 =0.938根據(jù)相平衡與操作線方程依次計(jì)算得：0.877；0.894，0.773；0.801，0.620；0.662，0.442；0.494，0.2830.388精餾段理論板數(shù)n=50.283，0.382根

7、據(jù)相平衡和操作線方程依次計(jì)算得：0.201；0.270，0.130；0.175，0.079；0.105，0.045；0.0594，0.0249；0.0315，0.0130；0.0153，0.006250.006m 符合要求2. 塔板布置1）塔板的分塊精餾段因d=800mm，故塔板采用整塊式。a)取邊緣區(qū)寬度wc=0.035m,安定區(qū)寬度b)開孔區(qū)面積計(jì)算：，c)篩孔數(shù)與開孔率：取篩空的孔徑為，正三角形排列，碳鋼板厚為,取，故孔中心距篩孔數(shù)個(gè)， 開孔率則每層板上的開孔面積為氣體通過篩孔的氣速為提餾段篩孔數(shù)、開孔率與精餾段相同氣體通過篩孔的氣速為所以氣體通過篩孔的氣速選11.56m/s六、 篩板的

8、流體力學(xué)驗(yàn)算精餾段：1. 塔板壓降1）干板阻力計(jì)算由，查圖得，干板阻力2）氣體通過液層的阻力計(jì)算，由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)=0.61，依式3）液體表面張力計(jì)算依式故則單板壓強(qiáng)：2. 液面落差對(duì)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。 3. 霧沫夾帶在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶。4. 漏液由式得篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液。5. 液泛為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度依式， 而，h=0.078+0.037+0.001=0.116m取，則故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。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

9、藝尺寸是適合的。提餾段：1. 塔板壓降1）干板阻力計(jì)算由，查圖得，干板阻力2）氣體通過液層的阻力計(jì)算，由與關(guān)聯(lián)圖查得板上液層充氣系數(shù)=0.6，依式3）液體表面張力計(jì)算依式故則單板壓強(qiáng)：2. 液面落差對(duì)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。 3. 霧沫夾帶在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過量霧沫夾帶。4. 漏液由式得篩板的穩(wěn)定性系數(shù)，故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過量漏液。5. 液泛為防止降液管液泛的發(fā)生，應(yīng)使降液管中清液層高度依式， 而，h=0.078+0.037+0.001=0.116m取，則故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。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)

10、工藝尺寸是適合的。七、 塔板負(fù)荷性能圖精餾段：1. 漏液線 由， 得整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。 ls /(m3/s) 0.00060.00150.00300.004vs /(m3/s)0.1870.1930.2000.204由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線。 2. 霧沫夾帶線以 ev0.1kg液/kg氣為限，求 vs-ls關(guān)系如下： 由 ，, 聯(lián)立以上幾式，整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。 ls /(m3/s) 0.00060.00150.0030.004vs /(m3/s)0.7430.7060.6590.63

11、2由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2 3. 液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度how0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。得 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。 4. 液相負(fù)荷上限線以4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 據(jù)此可作出與氣體流量元關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。 5. 液泛線令 由聯(lián)立得忽略h，將how與ls，hd與ls，hc與vs的關(guān)系式代人上式， 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。ls /(m3/s) 0.00060.00150.0030.004vs /(m3/s)0.6640.6350.5880.551由上表數(shù)

12、據(jù)即可作出液泛線5。 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖所示。 精餾段塔負(fù)荷性能圖由此得出,，故操作彈性為：提餾段：1. 漏液線 由， 得整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。 ls /(m3/s) 0.00060.00150.00300.004vs /(m3/s)0.1790.1840.1910.195由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線。 2. 霧沫夾帶線以 ev0.1kg液/kg氣為限，求 vs-ls關(guān)系如下： 由 ，, 聯(lián)立以上幾式，整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。 ls /(m3/s) 0.00060.0

13、0150.0030.004vs /(m3/s)0.7390.6970.6420.611由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2 3. 液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度how0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。得 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。 4. 液相負(fù)荷上限線以4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 據(jù)此可作出與氣體流量元關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。 5. 液泛線令 由聯(lián)立得忽略h，將how與ls，hd與ls，hc與vs的關(guān)系式代人上式， 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式計(jì)算出vs值，計(jì)算結(jié)果列于下表。ls /(m3/s) 0.00060.00150.

14、0030.004vs /(m3/s)0.6340.6070.5620.526由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如圖所示。 提餾段塔負(fù)荷性能圖由此得出,，故操作彈性為：八、 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表所設(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)果匯總于表。項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)精餾段提留段各段平均壓強(qiáng)pmkpa109.18117.58各段平均溫度tm90.75107.94平均流量氣相vsm3/s0.360.37液相l(xiāng)sm3/s0.001120.00204實(shí)際塔板數(shù)n塊1014板間距htm0.400.40塔的有效高度zm4.05.6塔徑dm0.80.8空塔氣速um/s0.9230.84塔板液流形式

15、單流型單流型溢流管型式弓形弓形堰長(zhǎng)lwm0.530.53堰高h(yuǎn)wm0.0490.049溢流堰寬度wdm0.0990.099管底與受業(yè)盤距離hom0.0260.026板上清液層高度hlm0.060.06孔徑domm5.05.0孔間距tmm15.015.0孔數(shù)n個(gè)16381638開孔面積m20.0320.032篩孔氣速uom/s11.2511.56塔板壓降hpkpa0.6140.664液體在降液管中停留時(shí)間s12.967.12堰上清液層高度hm0.0110.011負(fù)荷上限液泛控制液泛控制負(fù)荷下限漏液控制漏液控制操作彈性2.952.67（四） 輔助設(shè)備的設(shè)定1. 再沸器設(shè)計(jì)計(jì)算 1） 確定流體通入的

16、空間 利用水蒸汽作為熱源，根據(jù)換熱器流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則，水蒸汽走殼程，便于排出，甲苯走管程。 2） 流體基本物性數(shù)據(jù) 甲苯的溫度為 117.03,甲苯=357.64kj/kg。水蒸汽的絕壓為202.6pkpa，溫度為 122.53，水=2204kj/kg。平均溫度差為=122.53-117.03=5.5 3） 熱負(fù)荷及加熱劑用量 熱負(fù)荷為水蒸汽的用量4） 換熱器的面積及設(shè)備選型 查表可知，選擇。所以選擇浮頭式換熱器，其規(guī)格如下： 公稱直徑（mm） 公稱面積（m2） 管長(zhǎng)（m） 管程數(shù) 管數(shù) 500 42.8 4.5 2 124 2. 原料預(yù)熱器的選型1） 確定流體通入的空間利用水蒸汽

17、作為熱源，根據(jù)換熱器流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則，水蒸汽走殼程，便于排出，物料走管程。2） 確定流體的定性溫度及平均溫度差熱源采用低壓飽和水蒸汽，表壓為101.3 kpa，在絕壓p=202.6kpa下，水蒸汽的溫度為t=122.53。 物料進(jìn)口溫度為t=20，出口溫度達(dá)到泡點(diǎn)溫度，即tf=98.85。 ， 3） 熱負(fù)荷及加熱劑用量水蒸汽的汽化熱為g=2204kj/kg水蒸汽的用量為4） 換熱器的面積及設(shè)備選型 查表知，在這里，選擇。所以選擇固定管板式換熱器，其規(guī)格如下：公稱直徑（mm） 公稱面積（m2） 管長(zhǎng)（m） 管程數(shù) 管數(shù) 1592.53111 （五） 設(shè)計(jì)評(píng)述心得 經(jīng)過兩周的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)

18、和計(jì)算，我完成了這次的課程設(shè)計(jì)任務(wù)。從中我學(xué)到了很多，收獲很多。 本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)苯-甲苯分離塔設(shè)計(jì)，我通過查閱資料，學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)范本，獨(dú)立完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。經(jīng)過熱力學(xué)驗(yàn)算，其各項(xiàng)操作性能指標(biāo)均能符合工藝生產(chǎn)技術(shù)要求，達(dá)到預(yù)期的目的。 設(shè)計(jì)過程包括物料衡算，計(jì)算理論塔板數(shù)，計(jì)算物料不同溫度、不同操作段的物性參數(shù)，由此進(jìn)一步設(shè)計(jì)塔的參數(shù)，確定塔徑、塔高，以及塔板各項(xiàng)參數(shù)。最后進(jìn)行篩板流體力學(xué)驗(yàn)算、塔板負(fù)荷性能圖計(jì)算等設(shè)計(jì)工作，對(duì)塔的附屬設(shè)備（再沸器和預(yù)熱器）進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成了整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 這次歷時(shí)近兩周的的課程設(shè)計(jì)使我將平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，使我對(duì)書本上所學(xué)理論知識(shí)有了進(jìn)一步

19、的理解，也使我自主學(xué)習(xí)了新的知識(shí)并在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用。此次課程設(shè)計(jì)也促使我獨(dú)立地去通過書籍、網(wǎng)絡(luò)等各種途徑查閱資料、查找數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，確定設(shè)計(jì)方案。較為突出的是我運(yùn)用excel處理數(shù)據(jù)能力有所提高，如運(yùn)用excel計(jì)算理論塔板數(shù)、溫度計(jì)算等，都鍛煉了我的數(shù)據(jù)處理能力。通過這次課程設(shè)計(jì)提高了我的認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題的能力?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)不僅鍛煉了我應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來分析解決問題的能力，也提高了自學(xué)、檢索資料的技能。（六） 參考書目及附表1. 姚玉英等.化工原理（下冊(cè)），天津：天津大學(xué)出版社，19992. 侯麗新. 板式精餾塔，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20003. 柴誠(chéng)敬，劉國(guó)維，李阿娜. 化工

20、原理課程設(shè)計(jì)，天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，19984. 化學(xué)工程編寫組. 化學(xué)工程手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社5. 國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社附表表1 苯和甲苯的物理性質(zhì)項(xiàng)目分子式分子量m沸點(diǎn)（）臨界溫度tc（）臨界壓強(qiáng)pc（kpa）苯a甲苯bc6h6c6h5ch378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓溫度80.1859095100105110.6,kpa，kpa101.3340.0116.946.0135.554.0155.763.3179.274.3204.286.0240.0表3 常溫下苯甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)（2：例11附表2）溫度80.1859095100105110.6液相中苯的摩爾分率汽相中苯的摩爾分率1.0001.0000.78