苯-甲苯精餾塔課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱苯甲苯混合體系分離過程設(shè)計(jì)二、課題條件（原始數(shù)據(jù)）1、設(shè)計(jì)方案的選定 原料：苯、甲苯 年處理量：t 原料組成（甲苯的質(zhì)量分率）：0.5塔頂產(chǎn)品組成：塔底產(chǎn)品組成：2、操作條件操作壓力：常壓進(jìn)料熱狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料冷卻水：20加熱蒸汽：0.2MPa塔頂為全凝器，中間泡點(diǎn)進(jìn)料，連續(xù)精餾3、設(shè)備型式：篩板塔三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、概述2、設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明3、塔板的計(jì)算（板式塔）4、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì) 板式塔：（1）塔徑及提餾段塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （2）塔板的流體力學(xué)校核 （3）塔板的負(fù)荷性能圖 （4）總塔高、總壓降及接管尺寸的確定5、輔助設(shè)備選型與計(jì)

2、算（泵、塔頂冷凝器和塔釜再沸器）6、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總7、工藝流程圖設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要：精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工煉油石油化工等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的題目是苯甲苯二元物系板式精餾塔的設(shè)計(jì)。在確定的工藝要求下，確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，塔輔助設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，精餾工藝過程流程圖，精餾塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)說明書。關(guān)鍵詞：板式塔；苯-甲苯；工藝計(jì)算；結(jié)構(gòu)圖一、 簡介塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為板式塔和填料塔。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)目的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上液層進(jìn)行質(zhì)熱傳遞，氣液相組成呈階梯變

3、化，屬逐級接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上（也有并流向下者）與液相接觸進(jìn)行質(zhì)熱傳遞，氣液相組成沿塔高連續(xù)變化，屬微分接觸操作過程。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求是：（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳熱、傳質(zhì)效率高；（3）氣流的摩擦阻力小；（4）操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；（5）結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外，還要求不易堵塞、耐腐蝕等。板式塔大致可分為兩類：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮閥、篩板、導(dǎo)向篩板、新型垂直篩板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）無降液管的塔板，如穿流式篩板（柵板）、穿流式波紋板等。工業(yè)應(yīng)用較多的

4、是有降液管的塔板，如浮閥、篩板、泡罩塔板等。苯的沸點(diǎn)為80.1，熔點(diǎn)為5.5，在常溫下是一種無色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯比水密度低，密度為0.88g/ml，但其分子質(zhì)量比水重。苯難溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極性的無機(jī)分子的能力很強(qiáng)。甲苯是最簡單，最重要的芳烴化合物之一。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯的熔點(diǎn)為-95 ，沸點(diǎn)為111 。甲苯帶有一種特殊的芳香味（與苯的氣味類似），在常溫常壓下是一種無色透明，清澈如水的液體， 密度為0866克厘米3，對光有很強(qiáng)的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯幾乎不溶于水(

5、0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多數(shù)其他常用有機(jī)溶劑中也有很好的溶解性。甲苯的粘性為0,6 mPa s，也就是說它的粘稠性弱于水。甲苯的熱值為40.940 kJ/kg，閃點(diǎn)為4 ，燃點(diǎn)為535 。分離苯和甲苯，可以利用二者沸點(diǎn)的不同，采用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進(jìn)行回收和儲存。板式精餾塔、浮法塔都是常用的塔類型，可以根據(jù)不同塔各自特點(diǎn)選擇所需要的塔。篩板是在塔板上鉆有均布的篩孔，呈正三角形排列。上升氣流經(jīng)篩孔分散、鼓泡通過板上液層，形成氣液密切接觸的泡沫層（或噴射的液滴群）。篩板塔是1932年提出的，當(dāng)時(shí)主要用于釀造，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，

6、制造維修方便，造價(jià)低，氣體壓降小，板上液面落差較小，相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定操作范圍窄，小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理粘性大的、臟的和帶固體粒子的料液。但設(shè)計(jì)良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性，對易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故近年我國對篩板的應(yīng)用日益增多，所以在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)該種塔型。二、設(shè)計(jì)方案的確定2.1操作條件的確定確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對某些問題作些闡述。2.1.1操作壓力蒸餾操作通?？稍诔?、加

7、壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。2.1.2進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的

8、生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。2.1.3加熱方式蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，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，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對于苯-甲苯溶液，一般采用1.12.0KPa（表壓）。2.

9、2 確定設(shè)計(jì)方案的原則確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)：2.2.1滿足工藝和操作的要求所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動。

10、再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。2.2.2滿足經(jīng)濟(jì)上的要求要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。2.2.3保證安全生產(chǎn)例如苯屬有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷

11、而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。三、塔體計(jì)算 3.1 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾流程，飽和液體進(jìn)料。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬于易分離物系，最小回流比比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用飽和蒸汽間接加熱，塔底產(chǎn)品冷卻后送至儲罐。3.2 精餾塔的物料衡算3.2.1原料液進(jìn)料量、塔頂、塔底摩爾分率進(jìn)料量：F=t/年=15000kg/h苯的摩

12、爾質(zhì)量 MA=78Kg/mol甲苯的摩爾質(zhì)量 MB=92Kg/mol 3.2.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 MD=0.99153.2.3物料衡算原料處理量 總物料衡算 F=D+W=177.67kmol/h F.XF = D.XD + W.XW解得：D=94.9839Kmol/h W=82.6861Kmol/h四、塔板計(jì)算4.1 塔板數(shù)的確定4.1.1理論板數(shù)的求取(1)相對揮發(fā)度的求取苯的沸點(diǎn)為80.1，甲苯的沸點(diǎn)為110.81 當(dāng)溫度為80.1時(shí) 解得:，2 當(dāng)溫度為110.8時(shí) 解得: ，=239.3316/101.8357=2.35(2)最小回流比的求取由于是飽和液體進(jìn)料，有

13、q=1，q線為一垂直線，故，根據(jù)相平衡方程有最小回流比為回流比為最小回流比的2倍，即 R=2Rmin=2.46(3)精餾塔的氣、液相負(fù)荷 (4)操作線方程精餾段操作線方程 提餾段操作線方程 兩操作線交點(diǎn)橫坐標(biāo)為 理論板計(jì)算過程如下專心-專注-專業(yè)總理論板數(shù)為15（包括蒸餾釜），精餾段理論板數(shù)為7，第8塊板為進(jìn)料板。4.1.2實(shí)際板數(shù)的求取取全塔效率為0.52，則有總板數(shù)為24（包括蒸餾釜），精餾段板數(shù)為14，提餾段板數(shù)為124.2提溜段的計(jì)算4.2.1 精餾塔的提餾段工藝條件(1)操作壓力的計(jì)算設(shè)每層塔板壓降已知則 (2)操作溫度的計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、

14、甲苯的飽和蒸汽有安托尼方程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：試差得到的PA、PB代入到計(jì)算得到的結(jié)果如下：塔頂溫度：塔釜溫度 進(jìn)料板溫度 提餾段平均溫度 (3)平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔釜平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算由理論板的計(jì)算過程可知，由理論板的計(jì)算過程可知，提餾段的平均摩爾質(zhì)量為：(4)平均密度計(jì)算 氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程式計(jì)算，即精餾段氣相平均密度：提餾段氣相平均密度： 液相平均密度計(jì)算液相平均密度計(jì)算依下式計(jì)算，即：塔頂液相平均密度的計(jì)算。由，查液體在不同溫度下的密度表得： 塔釜液相平均密度的計(jì)算。由，查液體在不同溫度下的密度表得： 進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算。由，查液體在不同溫度下的密度表得： 提餾段的

15、平均密度為：精餾段的平均密度為：(5)液體平均表面張力的計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即：進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算。由，查液體表面張力共線圖得： 塔釜液液相平均表面張力的計(jì)算。由，查液體表面張力共線圖得： 提餾段平均表面張力為：(6)液體平均黏度計(jì)算液相平均黏度依下式計(jì)算，即：塔釜液相平均黏度的計(jì)算：由，查氣體黏度共線圖得： 提餾段液相平均黏度的計(jì)算：由，查氣體黏度共線圖得： 提餾段液相平均黏度為：4.2.2塔徑的計(jì)算(1)最大氣速精餾段的氣、液相體積流率為：設(shè) 查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得取安全系數(shù)為0.75，則空塔氣速為：(2)塔徑按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為塔截面積為：4.2.3.塔板主要工

16、藝尺寸的計(jì)算(1)溢流堰工藝尺寸的計(jì)算因塔徑，液體流量為?？蛇x用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：1 堰長取 2 溢流堰高度由，選用平直堰。 由和查表得液流收縮系數(shù)E=1.051堰上液層高度由下式計(jì)算，即：則故3 弓形降液管寬度和截面積：由，查弓形降液管參數(shù)圖得： 則：，驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即：故降液管設(shè)計(jì)合理。4 降液管底隙的流速，則：則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度。(2)塔板布置 塔板的分塊。因，故塔板采用分塊式。查塔板塊數(shù)表得塔板分為4塊。 邊緣區(qū)寬度確定：取， 開孔區(qū)面積計(jì)算。開孔區(qū)面積計(jì)算為：其中 故 篩孔計(jì)算及其排列。由于苯和甲苯?jīng)]有腐蝕性，

17、可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：篩孔數(shù)目n為：開孔率為：氣體通過篩孔的氣速為：4.2.4.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算(1)塔板壓降 干板阻力計(jì)算。干板阻力由下式計(jì)算：由，查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得故液柱 氣體通過液層的阻力計(jì)算。氣體通過液層的阻力由下式計(jì)算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得。故。 液體表面張力的阻力計(jì)算。液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)算，即：氣體通過每層塔板的液柱高度按下式計(jì)算：氣體通過每層塔板的壓降為：(2) 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。(3) 溢流液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式所表

18、示的關(guān)系，即：而 塔板不設(shè)進(jìn)口堰 則苯甲苯物系屬一般物系，取，則：所以設(shè)計(jì)中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象(4) 液沫夾帶液沫夾帶按下式計(jì)算：故液沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。(5) 漏液對篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由以下公式計(jì)算：實(shí)際氣速穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。4.2.5.精餾段塔板負(fù)荷性能圖(1)漏液線由, ， 得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表表4-1 漏液線計(jì)算結(jié)果 0.0136 0.02 0.035 0.045 0.764 0.797 0.858 0.892由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1(2)液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于

19、下表表4-2 液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果 0.0136 0.02 0.035 0.045 2.73 2.414 1.783 1.413由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2(3)液相負(fù)荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度=0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn):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)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 故據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。(5)液泛線令由聯(lián)立解得忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得：式中將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表表4-3液泛線計(jì)算表 0.0136 0.02 0.03

20、5 0.045 0.0989 0.0698 -0.0118 -0.0782由上表即可作出液泛線圖一： 圖一提餾段負(fù)荷性能圖由上圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得： = 0.664 = 3.628故操作彈性為：/=5.463所設(shè)計(jì)提餾段篩板的主要結(jié)果匯總于下表表4-7 提餾段篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果序號項(xiàng)目數(shù)值1234567891011121314151617181920212223242526272829平均溫度平均壓力氣相流量液相流量塔的有效高度塔徑/m板間距溢流形式降液管形式堰長/m堰高/m板上液層高度/m堰上液層高度/m降液管底隙高度/m開孔區(qū)面積/篩孔直徑/m篩孔

21、數(shù)目孔中心距/m開孔率/%空塔氣數(shù)/(m/s)篩孔氣速/(m/s)穩(wěn)定系數(shù)單板壓降/kPa負(fù)荷上限負(fù)荷下限液沫夾帶量/氣相負(fù)荷上限/氣相負(fù)荷下限/ 操作彈性126.3198.151.4960.01365.21.70.45單溢流弓形1.190.05450.090.03550.04281.5030.00577150.01510.10.9099.8771.970.9液泛控制漏液控制0.01460.022980.5.463五、塔附件設(shè)計(jì)5.1附件的計(jì)算5.1.1接管(1)進(jìn)料管進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T形進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。F=108t/h=15000Kg/h , =752.9Kg/ 則體積流量 取管內(nèi)流速則管徑取進(jìn)料管規(guī)格68×3 則管內(nèi)徑d=62mm進(jìn)料管實(shí)際流速(2)回流管采用直管回流管，回流管的回流量：塔頂液相平均摩爾質(zhì)量,塔頂溫度t=105.3查表得： 平均密度則液體流量取管內(nèi)流速則回流管直徑可取回流管規(guī)格42×2.5 則管內(nèi)直徑d=37mm回流管內(nèi)實(shí)際流速(3)塔頂蒸汽接管 塔頂蒸汽密度塔頂汽相平均摩爾質(zhì)量則蒸汽的體積流量：取管內(nèi)蒸汽流速則可取回流管規(guī)格245×6.5 則實(shí)際管徑d=232mm塔頂蒸汽接管實(shí)際流速(4)釜液排出管塔底W=82.6861kmol/h 平均密度平均摩爾質(zhì)量體積流