正戊烷-正己烷分離過程篩板精餾塔設(shè)計(jì)3.0萬噸年(正己烷)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 正戊烷-正己烷分離日產(chǎn)量100噸正己烷年級(jí)三年級(jí)專業(yè)化工091設(shè)計(jì)者姓名林桂鵬設(shè)計(jì)單位化學(xué)化工學(xué)院完成日期2011年 12月 31日目錄一、概述 41.1設(shè)計(jì)依據(jù) 41.2技術(shù)來源 41.3設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 51.4操作壓力 5二、流程的確定和說明 52.1加料方式 52.2進(jìn)料狀態(tài) .62.3冷凝方式 62.4加熱方式 6三、設(shè)計(jì)計(jì)算 63.1最小回流比及操作回流比的確定 73.2進(jìn)料液量、釜?dú)堃毫考凹訜嵴羝康挠?jì)算 73.3理論塔板層數(shù)的確定 83.4全塔效率的估算 83.5實(shí)際塔板數(shù) .9四、精餾塔主題尺寸的計(jì)算 .94.1精餾段與提餾段的體積流量 94.1.1精餾段

2、 .104.1.2提餾段 .114.2塔徑的計(jì)算 .114.3塔高的計(jì)算 .13五、塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 .145.1溢流裝置計(jì)算 .145.1.1堰長： 145.1.2溢流堰高度： .145.1.3弓形降液管寬度和截面積： .145.1.4降液管底隙高度： 155.2塔板布置 .155.2.1塔板的分塊： 155.2.2邊緣區(qū)寬度確定： 155.2.3開孔區(qū)面積計(jì)算： 165.2.4篩孔計(jì)算及其排列： .16六、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 .176.1塔板壓降 .176.1.1干板阻力計(jì)算： 176.1.2氣體通過液層的阻力計(jì)算： .176.1.3液體表面張力的阻力計(jì)算： 176.2液面落差 .186

3、.3液沫夾帶 .186.4漏液 .186.5液泛 .19七、塔板負(fù)荷性能圖 197.1漏液線 .197.2液沫夾帶線 .207.3液相負(fù)荷下限線 .217.4液相負(fù)荷上限線 .217.5液泛線 .21八、設(shè)計(jì)一覽表 23九、參考資料 23一、概述篩板精餾塔是化學(xué)工業(yè)中常用的傳質(zhì)設(shè)備之一。它具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率高的優(yōu)點(diǎn)。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上的液層，進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作狀況下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級(jí)接觸逆流操作過程。氣體在壓差推動(dòng)下，經(jīng)均布在塔板上的開孔由下而

4、上穿過各層塔板后由塔頂排出，在每塊塔板上皆貯有一定的液體，氣體穿過板上液層時(shí)兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)。在生成的氣相中，混合物的組成將發(fā)生改變，相對(duì)揮發(fā)度大的輕相在氣相中得到富集，而相對(duì)揮發(fā)度小的重相則在液相中富集，從而達(dá)到分離提純的目的。整個(gè)過程熵增為負(fù)，需外界提供能量。在化工、煉油和石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中,塔設(shè)備作為分離過程工藝設(shè)備,在蒸餾、精餾、萃取、吸收和解吸等傳質(zhì)單元操作中有著重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì),在整個(gè)化工工藝設(shè)備總投資中塔設(shè)備所占的比重,在化肥廠中約為21%,石油煉廠中約為20一25%,石油化工廠中約占10。若就單元裝置而論,塔設(shè)備所占比重往往更大,例如在成套苯蒸餾裝置中,塔設(shè)備所占比重竟高達(dá)7

5、5.7%。此外,蒸餾用塔的能量耗費(fèi)巨大,也是眾所周知的。故塔設(shè)備對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本乃至能源消耗都有著至關(guān)重要的影響。因而強(qiáng)化塔設(shè)備來強(qiáng)化生產(chǎn)操作是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的課題。1.1設(shè)計(jì)依據(jù)本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。1.2技術(shù)來源目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴(yán)格計(jì)算法對(duì)于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計(jì)算也采用嚴(yán)格計(jì)算法。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)及要求原料：正戊烷-正己烷正乙烷含量：料液含量0.5（摩爾分?jǐn)?shù)）設(shè)計(jì)要求：塔頂?shù)恼彝楹坎恍∮?.97（摩爾分?jǐn)?shù)）塔底的正乙烷含量不大于0.04（摩爾分?jǐn)?shù)）回流比為最小回流

6、比的2倍其中正乙烷和正戊烷的基本數(shù)值如下圖石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè).pdf1.4操作壓力為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓其中塔頂壓力為101.3kPa塔底壓力二、流程的確定和說明2.1加料方式加料分兩種方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定流量，但要求搭建塔臺(tái)，增加基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用：泵加料屬于強(qiáng)制進(jìn)料方式，本次加料可選泵加料。泵和自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置配合控制進(jìn)料。2.2進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料方式一般有冷液進(jìn)料，泡點(diǎn)進(jìn)料、汽液混合物進(jìn)料、露點(diǎn)進(jìn)料、加熱蒸汽進(jìn)料等。泡點(diǎn)進(jìn)料對(duì)塔操作方便，不受季節(jié)氣溫影響。泡點(diǎn)進(jìn)料基于恒摩爾流，假定精餾段和提餾段上升蒸汽量相等，精餾段和提餾段塔徑基本相等。由于

7、泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，塔的制造比較方便，而其他進(jìn)料方式對(duì)設(shè)備的要求高，設(shè)計(jì)起來難度相對(duì)加大，所以采用泡點(diǎn)進(jìn)料。2.3冷凝方式選全凝器，塔頂出來的氣體溫度不高。冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高，無需再次冷凝，制造設(shè)備較為簡單，為節(jié)省資金，選全凝器。2.4加熱方式采用間接加熱，因?yàn)樗O(shè)了再沸器，故采用間接加熱。三、設(shè)計(jì)計(jì)算原料液的摩爾組成： =0.50.8598，=0.00043.1最小回流比及操作回流比的確定由于是泡點(diǎn)進(jìn)料，0.5,過點(diǎn)e（0.5，0.5）做直線0.5交平衡線于點(diǎn)，由點(diǎn)可讀得=，因此：可取回流比3.2進(jìn)料液量、釜?dú)堃毫考凹訜嵴羝康挠?jì)算塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量：要求年產(chǎn)量3.0萬頓，出去每年的設(shè)備維護(hù)及放

8、假時(shí)間，每年按300天的工作日計(jì)算，連續(xù)操作，每天24小時(shí)，日產(chǎn)量為100頓所以塔頂?shù)牧髁繛椋河扇奈锪虾馑惴匠炭蓪懗觯航獾茫?.3理論塔板層數(shù)的確定精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：q線方程：在相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出：塊（含塔釜）其中，精餾段15塊，提餾段4塊。3.4全塔效率的估算用奧康奈爾法()對(duì)全塔效率進(jìn)行估算：由相平衡方程式可得根據(jù)乙醇水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： (塔頂?shù)谝粔K板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相對(duì)平均揮發(fā)度：全塔的平均溫度：在溫度下查得因?yàn)樗?，全塔液體的平均粘度：全塔效率3.5實(shí)際塔板數(shù)塊(含塔釜)其中，精餾段的塔板數(shù)為：塊四、精

9、餾塔主題尺寸的計(jì)算4.1精餾段與提餾段的體積流量4.1.1精餾段整理精餾段的已知數(shù)據(jù)列于表3，由表中數(shù)據(jù)可知：液相平均摩爾質(zhì)量：液相平均溫度：表3 精餾段的已知數(shù)據(jù)位置進(jìn)料板塔頂（第一塊板）質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾質(zhì)量/kg/kmol溫度/84.2678.23在平均溫度下查得液相平均密度為：其中，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)所以，精餾段的液相負(fù)荷 同理可計(jì)算出精餾段的汽相負(fù)荷。精餾段的負(fù)荷列于表4。表4 精餾段的汽液相負(fù)荷名稱液相汽相平均摩爾質(zhì)量/kg/kmol32.152637.1059平均密度/kg/m822.40731.2767體積流量/m/h12.0556（0.0033m/s）12849.5607（3.5

10、693m/s）4.1.2提餾段整理提餾段的已知數(shù)據(jù)列于表5，采用與精餾段相同的計(jì)算方法可以得到提餾段的負(fù)荷，結(jié)果列于表6。表5 提餾段的已知數(shù)據(jù)位置塔釜進(jìn)料板質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾質(zhì)量/kg/kmol溫度/99.905384.2277表6 提餾段的汽液相負(fù)荷名稱液相汽相平均摩爾質(zhì)量/kg/kmol20.268025.1176平均密度/kg/m914.24740.8387體積流量/m/h23.2184（0.0064m/s）13240.5390(3.6779m/s)4.2塔徑的計(jì)算塔徑可以由下面的公式給出：由于適宜的空塔氣速，因此，需先計(jì)算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間： 功

11、能參數(shù)：從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于，需先求平均表面張力：精餾段：乙醇表面張力：水表面張力： 因?yàn)?，所?聯(lián)立方程組代入求得：所以：根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為塔截面積：空塔氣速：4.3塔高的計(jì)算精餾段有效高度為：提餾段有效高度為：實(shí)際塔板數(shù)為塊，板間距由于料液較為清潔，無需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設(shè)一個(gè)人孔，則人孔的數(shù)目S為：個(gè)人孔的高度為，故精餾塔的有效高度為：五、塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定5.1溢流裝置計(jì)算因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。5.1.1堰長：取5.1.2溢流堰高度：由，選用平直堰，堰上液層高度的計(jì)算：近似取,則取板上清液層高度，故5.1.3弓形降液管寬度和截面積：由,查圖得：

12、，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。5.1.4降液管底隙高度：取降液管底隙的流速，則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度。5.2塔板布置5.2.1塔板的分塊：因，故塔板采用分塊式。查表得，塔極分為5塊。5.2.2邊緣區(qū)寬度確定：取，。5.2.3開孔區(qū)面積計(jì)算：5.2.4篩孔計(jì)算及其排列：本設(shè)計(jì)所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距為：篩孔數(shù)目為：個(gè)開孔率為：氣體通過篩孔的氣速為：篩孔氣速：六、篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算6.1塔板壓降6.1.1干板阻力計(jì)算：由，查圖得：故液柱6.1.2氣體通過液層的阻力計(jì)算：查圖得，故液柱6.1.3液體表

13、面張力的阻力計(jì)算：液柱氣體通過每層塔板的液柱高度為：液柱氣體通過每層塔板的壓降為：（設(shè)計(jì)允許值）6.2液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。6.3液沫夾帶 故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。6.4漏液 實(shí)際孔速：穩(wěn)定系數(shù)：故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。6.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從以下關(guān)系，即乙醇-水物系屬于一般物系，取，則板上不設(shè)進(jìn)口堰。液柱液柱，故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。七、塔板負(fù)荷性能圖7.1漏液線由得：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：0.00060.00150.00300.00451.900

14、71.93831.98562.0243由表數(shù)據(jù)即可作出漏液線（1）。7.2液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：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：0.00060.00150.00300.00454.85054.70724.52314.3686由表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線（2）。7.3液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(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）。7.4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）。7.5液泛線令由聯(lián)立得：忽略，將與，與關(guān)系式代入上式，整理得：代入整理

15、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：0.00060.00150.00300.00457.10946.97416.78086.5936由表數(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。在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得：，故操作彈性為：八、設(shè)計(jì)一覽表序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度/81.2517邊緣區(qū)寬度/m0.0502平均壓力/kPa117.218開孔區(qū)面積/2.14123氣相流量Vs/(m/s)3.569319篩孔直徑/m0.0054液相流量Ls/(m/s)0.003320篩孔數(shù)目109915塔的有效高度Z/m16.421孔中心距/m0.0156實(shí)際塔板數(shù)4322開孔率/%10.17塔徑/m223空塔氣速/(m/s)1.13678板間距0.4024篩孔氣速/(m/s)16.50469溢流形式單溢流25穩(wěn)定系數(shù)1.793