程設計 苯—甲苯分離板式精餾塔

1、學生姓名：_ 專業(yè)班級：應用化學_ 指導老師：_ 工作部門：_1 課程設計題目設計一臺苯甲苯分離板式精餾塔2 設計要求1、設計一座苯-甲苯連續(xù)精餾塔，具體工藝參數如下：原料苯含量(m/m)：（25+0.5）%原料處理量：2萬t/a產品要求（m/m）：xD = 0.98， xW2、操作條件塔頂壓力：常壓進料熱狀況：泡點進料回流比：自選單板壓降：加熱方式：間接蒸氣加熱冷凝方式：全凝器，泡點回流年操作時數：8000h3、塔板類型浮閥塔板（F1重閥）三課程設計內容1、精餾塔的物料衡算及塔板數的確定2、精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計3、精餾塔的塔體及塔板工藝尺寸計算4、塔板的流體力學驗算5、塔板的負

2、荷性能圖的繪制6、精餾塔接管尺寸計算7、繪制帶控制點的生產工藝流程圖(A3圖紙)8、繪制主體設備圖(A2圖紙)4 進度安排1.課程設計準備階段：收集查閱資料，并借閱相關工程設計書；2.設計分析討論階段：確定設計思路，正確選用設計參數，樹立工程觀點， 小組分工協作，較好完成設計任務；3. 計算設計階段：物料衡算，熱量衡算，主要設備工藝尺寸計算，塔盤工藝 尺寸計算及流體力學計算;4.課程設計說明書編寫階段：整理文字資料計算數據，用簡潔的文字和適當 的圖表表達自己的設計思想及設計成果。1. 課程設計的目的 化工原理課程設計是一個綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學生獨立工作的有益實踐，更是理論聯

3、系實際的有效手段。通過課程設計達到如下目的： 1鞏固化工原理課程學習的有關內容，并使它擴大化和系統(tǒng)化； 2培養(yǎng)學生計算技能及應用所學理論知識分析問題和解決問題的能力； 3熟悉化工工藝設計的基本步驟和方法； 4學習繪制簡單的工藝流程圖和主體設備工藝尺寸圖； 5訓練查閱參考資料及使用圖表、手冊的能力； 6通過對“適宜條件”的選擇及對自己設計成果的評價，初步建立正確的設計思想，培養(yǎng)從工程技術觀點出發(fā)考慮和處理工程實際問題的能力；7 學會編寫設計說明書。 課程設計題目描述和要求 本設計的題目是苯-甲苯浮閥式連續(xù)精餾塔的設計，即需設計一個精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式，需設計

4、一板式塔，板空上安裝浮閥，具體工藝參數如下： 生產能力：2萬噸/年(料液)原料組成： 25%苯，60%甲苯（摩爾分數，下同）產品組成： 餾出液98%苯， 釜液2%苯 操作壓力：塔頂壓強為常壓進料溫度：泡點進料狀況：泡點加熱方式：間接蒸汽加熱回流比：R=（1.22）Rmin3 課程設計報告內容 3.1 流程示意圖 冷凝器塔頂產品冷卻器苯的儲罐苯 回流 原料原料罐原料預熱器精餾塔 回流 再沸器 塔底產品冷卻器甲苯的儲罐甲苯 3.2 流程和方案的說明及論證 3.2.1 流程的說明 首先，苯和甲苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后

5、，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與氯苯的分離。3.2.2 方案的說明和論證浮閥塔之所以廣泛

6、應用，是由于它具有下列特點： 1生產能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板， 生產能力比泡罩塔板大20%40%，與篩板塔接近。2操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。4氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產能力的泡罩塔的 50%80%，但是比篩板塔高 20%30%。 浮閥塔盤的操作原理和發(fā)展:浮閥塔的塔板上，按一定中心距開閥孔，閥

7、孔里裝有可以升降的閥片，閥孔的排列方式，應使絕大部分液體內有氣泡透過，并使相鄰兩閥容易吹開，鼓泡均勻。為此常采用對液流方向成錯排的三角形的排列方式。蒸汽自閥孔上升，頂開閥片，穿過環(huán)形縫隙，以水平方向吹入液層，形成泡沫，浮閥能隨著氣速的增減在相當寬的氣速范圍內自由升降，以保持穩(wěn)定的操作。但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 近幾十年來，人們對浮閥塔的研究越來越深入，生產經驗越來越豐富，積累的設計數據比較完整，因此設計浮閥塔比較合

8、適。精餾操作可在常壓，加壓，減壓下進行。應該根據處理物料的性能和設計總原則來確定操作壓力。例如對于熱敏感物料，可采用減壓操作。本次設計苯和甲苯為一般物料因此，采用常壓操作。進料狀態(tài)有五種：過冷液，飽和液，氣液混合物，飽和氣，過熱氣。但在實際操作中一般將物料預熱到泡點或近泡點，才送入塔內。這樣塔的操作比較容易控制。不受季節(jié)氣溫的影響，此外泡點進料精餾段與提餾段的塔徑相同，在設計和制造上也叫方便。本次設計采用泡點進料，即q=1。精餾釜的加熱方式一般采用間接加熱方式，若塔底產物基本上就是水，而且在濃度極稀時溶液的相對揮發(fā)度較大。便可以直接采用直接接加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是：可以利用壓力較低的蒸汽加

9、熱，在釜內只需安裝鼓泡管，不需安裝龐大的傳熱面，這樣，操作費用和設備費用均可節(jié)省一些，然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷涌入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下。塔釜中易于揮發(fā)組分的濃度應較低，因而塔板數稍微有增加。但對有些物系。當殘液中易揮發(fā)組分濃度低時，溶液的相對揮發(fā)度大，容易分離故所增加的塔板數并不多，此時采用間接蒸汽加熱是合適的。塔頂的冷卻方式通常水冷卻，應盡量使用循環(huán)水。如果要求的冷卻溫度較低?？煽紤]使用冷卻鹽水來冷卻。精餾過程的特性是重復進行氣化和冷凝。因此，熱效率很低，可采用一些改進措施來提高熱效率。因此，根據上敘設計方案的討論及設計任務書的要求，本設計采用

10、常壓操作，泡點進料，間接蒸汽加熱以及水冷的冷卻方式，適當考慮熱能利用。4.1.1物料衡算：1) 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率苯的摩爾質量：；甲苯的摩爾質量：；.（2）原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量原料液的平均摩爾質量：（3）物料衡算原料處理量：總物料衡算：苯的物料衡算×0.2582W聯立解得：；4.1.2 相對揮發(fā)度的計算：氣液相平衡數據t/859095100105x/摩爾分數0y/摩爾分數0時，.時，.平均相對揮發(fā)度(1)平衡線方程的求算 汽液相平衡方程式：.(2)q線方程進料狀態(tài)由五種，即過冷液體進料（q>1),飽和液體進料（q1），氣液混合進料(0<q&l

11、t;1)和過熱蒸汽進料(q<0)，本設計選用的為泡點進料，故q=1。則xF=xq(3) 最小回流比；由以上兩式可得：；由于(4) 精餾段操作線方程精餾段液相質量流量：精餾段氣相質量流量：V=精餾段操作方程：提餾段液相質量流程：提段氣相質量流程：提餾段操作線方程：.由以上精餾段操作方程和提餾段操作線方程可得：兩操作線交點的橫坐標為(5)理論塔板數的確定先交替使用相平衡方程和精餾段操作線方程計算如下：；.以下交替使用提餾線操作線方程語相平衡方程得：；.故理論板為21塊，精餾板為10塊，第11塊為進料板. 由此算得于逐板法得一致.4.2.2 精餾塔塔效率的計算時，此時查得苯和甲苯黏度：， 則：

12、時,此時的相對揮發(fā)度為：則：查奧康內爾精餾塔全塔板效率圖得：. 塔的工藝條件及物性數據計算4.3.1 混合液的平均摩爾質量計算進料板苯的摩爾分數在塔板數計算中得進料板的苯的摩爾分數為（94平均摩爾質量： 進料板平均密度： t=94時，=7893,=789,=0.39 參考化工原理P361某些有機液體的相對密度圖（下同）=798塔底平均密度：,=780,=775,故3vm=34.3.3 液體的平均張力時, , t=94時，由化工原理第三版P379查得時，t=94時，提餾段平均張力：=4.3.4 提餾段氣液相的體積流量 Lh=3/h Vh=3/h 4.4 塔體工藝尺寸計算4.4.1 精餾段塔徑計算

13、由FLV及（HT-hl）查Smith圖（化工單元過程及課程設計P161）氣流動參數 FLV=取塔盤清夜層高度 hL=0.07m HT液滴沉降高度 HT-hL當20由工藝條件得：C=C20（)液乏氣速 uf=c=0.081*氣相通過的塔截面積 A=2取由計算D： D=設計點的泛點率=4.4.2 精餾塔高度計算 (1)精餾段有效高度計算： (2)提餾段有效高度計算： (3)精餾塔的有效高度為： Z有=Z精+Z提+0.8=3.5+7.2+0.6=11.3m .(4) 精餾塔的實際高度為：塔兩端空間，上封頭留1.5m. 下封頭留1.5m.4.4.3 溢流裝置的計算由化工單元過程及設備課程設計P166流

14、液收縮圖： 降管液的尺寸： 降液管寬度： 選取hb 溢流堰尺寸： 堰上液頭高how, 取E=1 堰高： 溢流強度： 降液管底隙流體速度：4.5 塔板負荷性能4.5.1 浮閥計算及其排列（1） 浮閥數 選取F1型浮閥，閥孔直徑d0 根據表54選擇單流型 初取F0=11 , 則 浮閥數： （2）排列方式 取塔板上液體進，出口安定區(qū)寬度 根據估算提供孔心距進行布孔，按t=75mm進行布孔，實排閥數n=163 閥孔氣速 動能因子 塔板開孔率 4.6 塔板的流體性能的校核 為控制液沫夾帶量eV過大，應使泛點F1 浮閥塔板泛點率計算如下： 由塔板上氣相密度及板間距HT26（泛點荷因數）得系數GF=0.12

15、8,根據表511（物性系數）所提供的數據，取k=1塔板液流道長ZL=D-2bd=1.4-2*2*0.2=1.0(m)液流面積 故得： 故不會產生過量的液沫夾帶由化工單元過程及設備課程設計P171泛點負荷因數圖： （1）干板阻力 臨界孔速 閥孔大于其臨界孔閥氣速,故應在浮閥全開狀態(tài)計算干板阻力。（2） 塔板清液層阻力(m) (3)克服表面張力所造成阻力 由以上三阻力之和求得塔板阻力: 流體流過降液管底隙的阻力： 浮閥塔板上液面落差較小可以忽略，則降液管內清液層高度： 取降液管中泡沫層相對密度，則可求降液管中泡沫層高度： 而，故不會發(fā)生降液管液泛。 應保證液體在降液管內的停留時間大于3S5S，才能

16、保證液體所夾帶的氣 體的釋放。 故所夾帶氣體可以釋出 當閥孔的動能因子F0=5的相應孔流氣速： 穩(wěn)定系數 故不會發(fā)生嚴重漏液由化工單元過程及設備課程設計P187塔板負荷性能圖： （1）過量液沫夾帶線關系式 根據前面液沫夾帶的校核選擇F1 則有 由此兩點作過量液夾帶線（a) (2)液相下限線關系式 對于平直堰，其堰上液頭高度how必須大于0.006m。 取how=0.006m，即可以確定液相流量的下限線 取E=1.0，代人lw 該線為垂直軸的直線，記為（b) (3)嚴重漏液線關系式： 因動能因子F0<5時，會發(fā)生嚴重漏液，故取F0=5,計算相應氣體流 量： 該線為平行軸的直線，為漏液線，也

17、稱為氣相下限線，記（c)(4)液相上限線關系式：降液的最大流量為： 該線為平行軸的直線，記為（d)(5)降液管液泛關系式： 根據降液管液泛的條件，得以下將液管液泛工況下的關系： 或 即 10 20 30 40 50 60 操作彈性 適宜裕度=46.9%4.7.1原料預熱器：設加熱原料溫度由10加熱到104 則 4.7.2塔頂冷凝器： R苯=390kJ/kg4.7.3塔底再沸器：4.7.4貯罐的體積計算：a下，塔頂采量 D=7394kmol/h 故設冷凝液停留20min，補充系數 則位號名稱停留時間容積/m3V-101原料中間罐20min13V-102回流罐10min7V-103塔頂產品罐24h

18、937V-104塔底產品罐24h937貯罐容積估算結果表管線直徑： 選取2 表一 設備一覽表序號位號設備名稱形式主要結構參數或性能1T-101循環(huán)苯精餾塔篩板塔D=1400 Np=27 H=185002E-101原料預熱器固定管板式24m23E-102塔T-101頂冷凝器固定管板式151m24E-103塔T-101再沸器固定管板式166m25E-104塔頂產品冷卻器固定管板式55m26E-105塔底產品冷卻器固定管板式62m27P-101進料泵2號離心泵qv=14m3/h H=10m8P-102釜液泵2號離心泵qv = 8 m3/h H=4m9P-103回流泵2號離心泵qv=11 m3/h H

19、=19m10P-104塔頂產品泵2號離心泵qv=6 m3/h H=19m11P-105塔底產品泵2號離心泵qv=8 m3/h H=4m12V-101原料罐臥式V=13m313V-102回流罐臥式V=7 m314V-103塔頂產品罐立式937m215V-104塔底產品罐立式937m216V-105不合格產品罐立式937m2表二 提留段塔板設計結果匯總表塔板主要結構參數數據塔板主要流動參數數據塔徑 m塔板間距 堰長 lw堰寬 堰高 hw入口堰高底隙 hb塔截面積AT降液管面積有效傳質區(qū)Aa開孔面積 氣相流通面積閥孔直徑 閥孔數 n開孔率 孔心距 t邊緣區(qū)寬 塔板厚 S安定區(qū)寬排列方式無163錯排流動方式液體流量 氣體流量 qVVh液泛氣速 空塔氣速 u降液管內流速 ud底隙流速 泛點率 F1溢流強度 堰上頭液高度 hOW塔板阻力 降液管內液體層高度Hd降液管內液沫層高度 Hd/降液管液體停留時間閥孔氣速閥孔動能因子 F0漏液點氣速穩(wěn)定系數K最大氣相流量最大氣相流量（qVVh)min單流型3/h3/h3/(mh)3/h3/h本次課程設計通過給定的生產操作工藝條件自行設計一套苯甲苯物系的分離的浮閥式連續(xù)精餾塔設備。通過兩周的努力，反復計算和優(yōu)化，小組成員終于設計出一套較為完善的浮閥式連續(xù)精餾塔設備。其各項操作性能指標均能符合工藝生產技術要求，而且操作彈性大，生產能力強，達到了預期的目的