處理量為12000 苯甲苯常壓連續(xù)精餾塔的設計

1、PAGE PAGE 38處理量為12000 kg/h苯甲苯常壓連續(xù)精餾塔的設計 TOC o 1-1 h z u 目 錄 HYPERLINK l _Toc359997042 一、設計任務名稱 PAGEREF _Toc359997042 h 2 HYPERLINK l _Toc359997043 二、設計條件 PAGEREF _Toc359997043 h 2 HYPERLINK l _Toc359997044 三、設計的內(nèi)容和要求 PAGEREF _Toc359997044 h 2 HYPERLINK l _Toc359997045 四、物料衡算 PAGEREF _Toc359997045 h

2、3 HYPERLINK l _Toc359997046 五、塔板數(shù)的確定 PAGEREF _Toc359997046 h 3 HYPERLINK l _Toc359997047 六、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 PAGEREF _Toc359997047 h 6 HYPERLINK l _Toc359997048 七、精餾塔的塔體工藝尺寸計算 PAGEREF _Toc359997048 h 10 HYPERLINK l _Toc359997049 八、塔板主要工藝計算 PAGEREF _Toc359997049 h 12 HYPERLINK l _Toc359997050 九、篩板的流

3、體力學驗算 PAGEREF _Toc359997050 h 16 HYPERLINK l _Toc359997051 十、塔板負荷性能圖 PAGEREF _Toc359997051 h 20 HYPERLINK l _Toc359997052 十一、熱量衡算 PAGEREF _Toc359997052 h 27 HYPERLINK l _Toc359997055 十二、過程模擬 PAGEREF _Toc359997055 h 33一、設計任務名稱：處理量為12000 kg/h苯-甲苯常壓連續(xù)精餾塔設計二、設計條件： 處理量項目 原料液12000 kg/h進料組成（質(zhì)量分數(shù)/%）苯甲苯4555分

4、離要求塔頂苯含量0.966 QUOTE （摩爾分數(shù)）塔底苯含量0.012 QUOTE （摩爾分數(shù)）操作壓力常壓進料熱狀況泡點進料回流比自選建廠地址單板壓降0.7 kpa年開工時間7200 h全塔效率52%完成時間2013年6月6日三、設計的內(nèi)容和要求：序號設計內(nèi)容要 求1工藝計算物料衡算，熱量衡算，回流比，理論塔板數(shù)等2結(jié)構(gòu)設計塔高，塔經(jīng)，溢流裝置及塔板布置，接口管的尺寸等3流體力學驗算塔板負荷性能圖4工藝流程圖用chemCAD繪制流程圖5精餾塔設計圖用autoCAD繪制設計圖6計算機輔助計算將數(shù)據(jù)輸入計算機，繪制負荷性能圖7編寫設計說明書目錄，設計任務書，設計計算及結(jié)果，流程圖，計算機模擬等

5、四、物料衡算1、原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)苯的摩爾質(zhì)量:=78.11 kg/kmol 甲苯的摩爾質(zhì)量:=92.14 kg/kmolxF=0.491 xD=0.966xW=0.0122. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量=0.49178.11+(1-0.491)92.14=85.25 kg/kmol =0.96678.11+(1-0.966)92.14=78.59 kg/kmol =0.01278.11+(1-0.012)92.14=91.97 kg/kmol3. 物料衡算原料處理量 =140.76 kmol/h由公式 F=D+W FxF=DxD+WxW 代入數(shù)據(jù)得140.76=D+W

6、140.760.491=0.966D+0.012W聯(lián)立解得D=71.27296 kmol/h， W=369.48741 kmol/h五、塔板數(shù)的確定1. 相對揮發(fā)度的求取苯的沸點為80.1，甲苯的沸點為110.63 當溫度為80.1時 解得，當溫度為110.63時 解得，則有 2. 最小回流比的求取相平衡方程為由于是飽和液體進料，有q=1，q線為一垂直線 故xq=xF=0.491 yq=0.704最小回流比為Rmin=1.226回流比為最小回流比的1.6倍即R=1.6Rmin=1.61.226=1.9623. 精餾塔的氣、液相負荷 =1.96271.273=139.81 kmol/h =(1.

7、962+1)71.27=211.08 kmol/h =139.81+140.76=280.57 kmol/h =211.08 kmol/h4. 操作線方程精餾段的操作線方程提餾段操作線方程5. 逐板法計算理論板層數(shù)相平衡方程： 所以： 精餾段操作線方程 ： 提餾段操作線方程： 總理論板數(shù)為15（包括再沸器），精餾段理論板數(shù)為6，第7塊板為進料板。全塔效率為0.52，則有：精餾段的實際板數(shù)為 N=6/0.52=11.5412提餾段的實際板數(shù)為 N=8/0.52=15.3916實際板數(shù)（不含再沸器）精餾段板數(shù)提餾段板數(shù)進料板28121613六、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1. 操作壓力計算

8、塔頂操作壓力 kPa每層塔板壓降 kPa進料板壓力 kPa塔底壓力 kPa精餾段平均壓力 kPa提餾段平均壓力 kPa2. 操作溫度計算塔頂操作壓力 kPa 進料板壓力 kPa 塔底操作壓力 kPa依據(jù)操作壓力，由泡點方程、安托因方程通過MATLAB計算出泡點溫度，其中由純苯和純甲苯的飽和蒸汽壓的安托因方程： 苯 甲苯 苯-甲苯泡點方程： 塔頂溫度 進料板溫度 塔底溫度精餾段平均溫度 提餾段平均溫度 3. 平均摩爾質(zhì)量計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算： 代入相平衡方程： ，得 進料板平均摩爾質(zhì)量計算：代入相平衡方程： 得 塔底平均摩爾質(zhì)量計算： 代入相平衡方程：，得 精餾段平均摩爾質(zhì)量 提餾段平均摩

9、爾質(zhì)量 4.平均密度計算 氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，精餾段氣相平均密度計算 提餾段氣相平均密度計算 液相平均密度計算液相平均密度依下式計算： 塔頂液相平均密度計算： 在，kPa 下,查手冊得 進料板液相平均密度計算 在，kPa 下，查手冊得： 進料板液相的質(zhì)量分數(shù)計算 塔底液相平均密度計算： 在，kPa 下,查手冊得 精餾段液相平均密度為 提餾段液相平均密度為 5. 液相平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即 塔頂液相平均表面張力計算 由，kPa查手冊得 進料板液相平均表面張力計算 由，kPa查手冊得 塔底液相平均表面張力計算 由，kPa查手冊得 精餾段液相平均表面張力為

10、： 提餾段液相平均表面張力為： 6.液相平均粘度計算液相平均粘度依下式計算： 塔頂液相平均粘度計算由，查手冊得 解得 進料板液相平均粘度計算由，kPa，查手冊得 解得 塔底液相平均粘度計算由，查手冊得 解得 精餾段液相平均粘度為 提餾段液相平均粘度為 七、精餾塔的塔體工藝尺寸計算1. 塔徑的計算 精餾段的氣、液相體積流率為： （由式）由史密斯關(guān)聯(lián)圖查取，圖的橫坐標為取板間距HT=0.45m 板上液層高度hL=0.05m HT -hL=0.5-0.05=0.4m查得史密斯關(guān)聯(lián)圖到C20=0.0825取安全系數(shù)為0.7，則空塔速度為塔徑 按標準塔徑圓整為 提餾段的氣、液相體積流率為： 由史密斯關(guān)聯(lián)

11、圖查取，圖的橫坐標為取板間距HT=0.48m 板上液層高度hL=0.08m HT -hL=0.48-0.08=0.4m查得史密斯關(guān)聯(lián)圖到取安全系數(shù)為0.7，則空塔速度為塔徑 按標準塔徑圓整為 根據(jù)上述精餾段和提留段塔徑的計算，可知全塔塔徑為：D=1.5m塔截面積為：此時兩段的實際空塔氣速精餾塔實際空塔氣速為：空塔動能因數(shù)為： 提餾塔實際空塔氣速為： 空塔動能因數(shù)為： 空塔動能因數(shù)均屬正常的操作范圍 2. 精餾塔的有效高度的計算精餾段有效高度為： 提餾段有效高度為： 在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為： 八、塔板主要工藝計算塔徑/mm液體流量/（m2h-1）U型流單溢流

12、雙溢流階梯雙溢流1000745140097020001190901603000111101102002003004000111101102302303505000111101102502504006000111101102502504501.溢流裝置計算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結(jié)構(gòu)對塔的性能有著重要影響。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合其他影響因素，當因D=1.5m,可選用單溢流弓形降液管，不設進口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下： 堰長取 溢流堰高度 精餾段由，選用平直堰，堰液頭近似取E=1，則取板上清液層高度 提餾段近似取E=1，則取板上清液層高度 弓形降液管寬度和截面

13、積 由液體在降液管中停留時間 精餾段 提餾段 故降液管設計合理。 降液管底隙高度h0 取 精餾段 提餾段 故降液管底隙高度設計合理。 選用凹形受液盤，深度 塔板的分塊 因，故塔板采用分塊式。查得，板塊分為4塊。 邊緣區(qū)寬度確定開孔區(qū)到塔壁距離Wc：Wc=2575mm，安定區(qū)寬度Ws：Ws=50100mm 取 開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積下式計算，即 其中 故 篩孔計算及其排列本例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，取孔中心距篩孔數(shù)目 開孔率為 開孔率在5-15%范圍內(nèi)，符合要求。每層塔板上的開孔面積 氣體通過篩孔的氣速為 精餾段 提餾段落 九、篩板的流體力學驗算 1

14、.塔板壓降 干板阻力 干板阻力 由于，查干篩孔的流量系數(shù)圖得故精餾段 提餾段 氣體通過液層的阻力計算氣體通過液層的阻力由下式計算：精餾段：查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得。提餾段： 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得。故 液體表面張力的阻力計算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計算： 精餾段： 提餾段： 氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算，即： 精餾段： 提餾段： 氣體通過每層塔板的壓降為： 精餾段： 提餾段： 可見，以上計算均符合要求。2.液面落差對于D1600mm的篩板塔，液面落差很小，可忽略液面落差的影響。本設計的D=1500mm,故液面落差可忽略不計。3.液沫夾帶 液模夾帶量由下式計算： 精餾段：提餾段：在本

15、設計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。4.漏液 篩板塔，漏液點氣速可由下式計算：精餾段： 實際孔速 穩(wěn)定系數(shù)為 提餾段： 實際孔速 穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設計中無明顯漏液。5.液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 苯-甲苯物系屬一般物系，取，則 精餾段： 板上不設進口堰，可由下式計算，即： 提餾段： 板上不設進口堰，可由下式計算，即： 故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。十、塔板負荷性能圖漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。 整理得 整理得 在操作范圍內(nèi),任取幾個 值,依上式計算 值結(jié)果列于表中精餾段0.00040.00250.0040

16、.00550.0070.0160.68090.72630.74890.76820.78540.8656提餾段0.00040.00250.0040.00550.0070.0160.75800.79590.81500.83140.84600.9152由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線12.液沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精餾，一般控制eV0.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關(guān)系如下: 由 整理得 提餾段：整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表。精餾段0.00040.00250.0040.00550.0070.0

17、163.67693.45413.33783.23563.14242.681提餾段0.00040.00250.0040.00550.0070.0163.51893.28903.16903.06352.96732.4911由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線23.液相負荷下限線對于平直堰,取堰上液層高度作為最小液體負荷標準.由式取E=1，則 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線3。4. 液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，進入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。以作為液體在漿液管中停留時間的下限

18、，精餾段：提餾段：由此可做出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限45. 液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學驗算中通常對降液管液泛進行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管中清液層高度 取E1.0 精餾段：已知： 帶入下式得：整理得：提餾段:已知： 帶入下式得：整理得：在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表。精餾段0.00040.00250.0040.00550.01563.2183.18563.08132.95430.1719提餾段0.00040.00250.00

19、40.00550.0163.2183.10513.01992.92091.40056.負荷性能圖及操作彈性（1）根據(jù)以上各線方程,可做出篩板塔精餾段的負荷性能圖如圖所示在負荷性能圖上,作出操作點(0.004,1.6111) , 連接 ,即作出操作線.由圖可知 故操作彈性為 提餾段：在負荷性能圖上,作出操作點(0.00827,1.5528) , 連接 ,即作出操作線.由圖可知 故操作彈性為 篩板塔設計計算結(jié)果表序號項目精餾段提餾段1234567891011121314151617181920212223242526272829303132平均溫度平均壓力氣相流量液相流量塔的有效高度實際塔板數(shù)塔徑

20、/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安定區(qū)高度/m邊緣區(qū)高度/m開孔區(qū)面積/篩孔直徑/m篩孔數(shù)目孔中心距/m開孔率/%空塔氣速/(m/s)篩孔氣速/(m/s)穩(wěn)定系數(shù)單板壓降/kPa負荷上限負荷下限液沫夾帶量/(kg液/kg氣)液相負荷上限/液相負荷下限/ 操作彈性88.8109.51.61110.0044.95121.50.45單溢流弓形0.990.050.03290.01710.01670.0650.041.28180.00565800.01510.10.957312.41.590.7液泛控制漏液控制0.008710.0160.00

21、043.9106.83119.31.55280.008277.2161.50.48單溢流弓形0.990.080.05520.02780.02180.0650.0351.28180.00565800.01510.10.9121121.6020.7液泛控制漏液控制0.00922.8加料板處： 十一、熱量衡算1、物系熱量常數(shù)的求解1.1 物系汽化潛熱的求解苯-甲苯汽化潛熱w8090100110120394.1386.9379.3371.5363.2379.9373.8367.6361.2354.6利用上表采用插值法求解：塔頂溫度 ：A表示苯，B代表甲苯 , , 塔底：1.2、物系熱容的求解塔頂溫度：

22、查手冊得：CPAD = 100.294 kJ/(kmolK)CPBD = 173.523 kJ/ (kmolK) kJ/ (kmolK)加料板處： CPAF = 104.675 kJ/(kmolK)CPBF = 178.582 kJ/ (kmolK) kJ/ (kmolK)塔底溫度：CPAW = 111.033 kJ/(kmolK)CPBW = 186.648 kJ/ (kmolK) kJ/ (kmolK)2、熱量衡算(1) 塔頂以 0 為基準，則塔頂上升蒸汽的熱量為：(2) 回流液的熱量：（3）塔頂餾出液的熱量：（4）進料液帶入的熱量：（5）塔底殘夜帶出的熱量：（6）塔頂冷凝器帶走的熱量：（

23、7）塔底再沸器提供的熱量： 取塔釜熱損失 由能量守恒得：3、輔助設備的選型3.1 塔頂冷凝器塔頂選用管殼式全凝器，冷卻介質(zhì)采用自來水，取冷卻水進口溫度 ，冷卻水出口溫度一般不超過40 ，否則易結(jié)垢，所以取冷卻水出口溫度3.2 冷卻水用量 WC 及傳熱面積計算冷凝器帶走的熱量= 冷卻水吸收的熱量即：塔頂溫度 ， 設冷凝液出口溫度則： 取傳熱系數(shù) 則冷凝器的換熱面積 A3.3、塔釜再沸器塔釜用間接蒸汽加熱，塔底溫度：，設餾出液出口溫度 用 的蒸汽加熱 取傳熱系數(shù) 則傳熱面積 加熱蒸汽用量 :查表得145 的蒸汽的汽化熱： 3.4、貯罐系統(tǒng)中原料罐、回流罐、產(chǎn)品罐及不合格罐應給定容積量。以回流罐為例

24、， 設凝液在回流罐中停留時間為10min，罐的填充系數(shù)取0.7，則罐容積為：故回流罐容積可取V=5.0m，同理可得其余貯罐的容積，列于下表中：序號名稱停留時間容積/m1原料罐0.5h11.02回流罐10min5.03塔頂產(chǎn)品72h6654塔底產(chǎn)品罐72h8113.5、管路設計原料輸送管徑計算：選擇原料流速 u=0.5m/s則管線直徑故選1102管材，其內(nèi)徑為102mm實際流速：同理可得其余管材的規(guī)格，列于下表中：序號名稱流速m/s管規(guī)格1釜液輸送管0.408022塔頂凝液總管0.458033回流液管線0.4611044塔頂蒸汽管線14.2640012.83.6原料泵的選擇對輸送系統(tǒng)進行機械能衡算：為兩截面處位頭差；為兩截面處靜壓頭之差；為兩截面處動壓頭這差；為直管阻力；為管件、閥門局部阻力；這流體流經(jīng)設備的阻力。進料泵=4.4m=12.4*1000/795.4534/9.81=1.59m無縫鋼管管壁絕對粗糙度，則取管長為50m=3個90。彎頭，一個全開的標準閥=0.01*106/（795.4534*9.81）=1.28m較小可以忽