防火基础知识与火灾报警苯-甲苯分离过程筛板精馏塔设计.doc

化工原理课程设计题 目苯-甲苯分离过程筛板精馏塔设计（院） 系化工院专 业化学工程与工艺班 级2010级化工1班学生姓名 *学 号1006210140指导教师* 设计任务书一、设计题目苯-甲苯分离过程浮阀板精馏塔设计二、设计任务1.原料名称:苯-甲苯二元均相混合物；2.原料组成：含苯40%（质量百分比）；3.产品要求：塔顶产品中苯含量不低于99.1%，塔釜中苯含量小于1%；4.生产能力：年产量2.4万吨/年；5.设备形式：浮阀塔；6.生产时间：300天/年，每天24h运行；7.进料状况：气液进料；8.操作压力：常压；9.加热蒸汽压力：270.15kpa10.冷却水温度：进口35，出口45；三、设计内容1.设计方案的选定及流程说明2.精馏塔的物料衡算3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度）4.塔板数的确定5.精馏塔塔体工艺尺寸的计算6.塔板主要工艺尺寸的计算7.塔板的流体力学验算8.塔板负荷性能图9.换热器设计10.馏塔接管尺寸计算11.绘制生产工艺流程图（带控制点、机绘，a2图纸）12.绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件，a1图纸）13.撰写课程设计说明书一份四、设计要求1.工艺设计说明书一份2.工艺流程图一张，主要设备总装配图一张（采用autocad绘制） 引言化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。 目录第一章 塔板的工艺设计81.1 精馏塔全塔物料衡算81.1.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率81.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量81.1.3 物料衡算81.2基本数据81.2.1各种定性温度81.2.2相对挥发度101.2.3表面张力101.2.4密度111.2.5精馏塔的气、液相负荷121.3实际塔板数计算131.3.1理论塔板数131.3.2实际塔板数141.3.3操作压力的计算141.4 塔高、塔径的计算151.4.1精馏塔高度151.4.2精馏塔直径151.5溢流装置161.5.1堰长161.5.2降液管宽度及横截面171.5.3降液管底隙高度171.6 塔板布置图18第二章 塔板的流体力学计算182.1 气体通过浮阀塔的压降182.1.1干板阻力的计算192.2 液泛192.3 雾沫夹带202.4 塔的负荷性能图212.4.1.雾沫夹带线212.4.2漏液线212.4.3液相负荷上限212.4.4液相负荷下限222.4.5液泛线222.4.6作图23第三章 附属设备的设计243.1 塔顶冷凝器243.2塔顶再沸器253.3 接管263.3.1进料管263.3.2塔顶蒸汽出料管263.3.3釜液出料管263.3.4塔釜进气管26浮阀精馏设计结果统计表27自我评价28参考文献30概述本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于该二元均相混合物的分离，应采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.22倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计的目的是分离苯甲苯二元均相混合物，选用板式浮阀塔。工艺流程确定及说明1. 塔板类型精馏塔的塔板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。浮阀塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点，且开孔率大，生产能力大，操作弹性大，汽液接触时间长，因此塔板效率高。本设计采用板式浮阀塔2. 加料方式本精馏塔加料选择泵直接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。3. 进料状况本精馏塔选择泡点进料。4. 塔顶冷凝方式苯与甲苯不反应，且容易冷凝，故本精馏塔塔顶选择全凝器，用水冷凝。5. 回流方式本设计处理量大，所需塔板数多，塔较高，回流冷凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。6. 工艺流程图 第1章 塔板的工艺设计1.1 精馏塔全塔物料衡算1.1.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率已知苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量原料液组成xf (摩尔分数，下同) 塔顶组成 塔底组成 1.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 1.1.3 物料衡算一年以300天，一天以24小时计，计算可得塔顶产品流率： d2.410000100078.223002442.61 kmol/h全塔物料衡算： f42.61+w f0.439742.610.9921w0.0118解的f97.61kmol/h w55.00kmol/h1.2基本数据1.2.1各种定性温度由下表中的数据，采用内插法计算一下温度(液相温度) 得95.20 得80.16 得109.81精馏段的平均温度为： 提馏段的平均温度为： 塔顶温度：气相组成： 进料温度：气相组成： 塔底温度：气相组成： （1） 精馏段液相组成：气相组成：精段液相平均摩尔质量：=82.34kg/kmol精馏段气相平均摩尔质量：=80.25 kg/kmol (2) 提馏段液相组成：气相组成：提馏段液相平均摩尔质量：=89.12kg/kmol提馏段气相平均摩尔质量：=86.64 kg/kmol 1.2.2相对挥发度 （1） 精馏段平均相对挥发度 （2） 提留段平均挥发度 1.2.3表面张力表3-3 苯和甲苯的表面张力4温度 8090100110120苯 (mn/m)21.22018.817.516.2甲苯(mn/m)21.720.619.518.417.3根据式平均表面张力，如下：则塔顶： 进料： 塔底： 则精馏段： 提馏段：1.2.4密度温度()8090100110120苯 (kg/m3)814805791778763甲苯 (kg/m3)809801791780768表3-4 苯和甲苯的液相密度4 所以 表1 苯-甲苯汽液平衡数据1.2.5精馏塔的气、液相负荷精馏段液相流量 ： 气相流量 ：液相体积流量：气相体积流量：精馏段操作线方程：提馏段液相流量： 气相流量： 液相体积流量：气相体积流量：精馏段操作线方程： 1.3实际塔板数计算1.3.1理论塔板数由芬斯克方程可知 = =9.01=0.267由吉利兰图可查的0.397 (天大化工原理下册p37)解得n=15.57 圆整n=16（不包括再沸器）精馏段最小理论塔板数： = =4.45前面已计算得0.345 n=8.34所以进料板为自塔顶向下第9块板精馏段理论板数为9块，提馏段理论板数为8块（不包括再沸器）1.3.2实际塔板数（1） 精馏段黏度：（2） 提留段黏度：精馏段和提馏段粘度的平均值为：=（0.290+0.260）/2=0.275mpas全塔效率估算:=53.7%精馏段实际板数为：提馏段实际板数为：（不包括再沸器）此精馏塔实际塔板数为 : n=17+15=32块（不包括再沸器）1.3.3操作压力的计算取每层塔板压降为 则塔顶压强 进料板压强 塔底压强 精馏段平均压强 提馏段平均压强 1.4 塔高、塔径的计算1.4.1塔体有效高度精馏段有效高度提馏段有效高度1.4.2精馏塔高度本精馏塔设计：板间距取ht=0.45m 板上液层高度取hl=0.06m ht-hl=0.38m设人孔处的板间距;实际塔板数：进料段高度：取取塔底停留时间为5min1.4.3精馏塔直径精馏段查史密斯关联图(天大化工原理下册p158)得：=0.082物系表面张力修正：取提馏段查史密斯关联图(天大化工原理下册p158)得：=0.077物系表面张力修正：取经圆整取d=1400mm，则塔截面积为=1.5386m2精馏段实际空塔气速为：提馏段实际空塔气速为：1.5溢流装置1.5.1堰长由计算的塔径及塔内液体流量，本精馏塔选用单溢流，弓形降液管，溢流堰选择平直堰。单溢流: 系数取0.7，则对于平直堰，堰上液层高度为：，对于苯-系统e1降液管有关参数精馏段：堰高：=0.06-0.0165=0.0435m：提馏段堰高：=0.06-0.0275=0.0325m1.5.2降液管宽度及横截面查图得 精馏段停留时间为：提馏段停留时间为：1.5.3降液管底隙高度精馏段取降液管底隙的流速则提留段取降液管底隙的流速则1.6 塔板布置图本次设计采用浮阀式塔板，根据机械部标准jb1118-68，选用f1型重阀，孔径39mm，选择碳钢材料制作浮阀，其厚度为2mm。第二章 塔板的流体力学计算2.1 气体通过浮阀塔的压降气体通过每层塔板的压降其中为干板阻力，为板上充气液层阻力，为液体表面张力造成的阻力，可忽略。2.1.1干板阻力的计算精馏段=0.042m 提馏段=0.048m 2.2 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式所表示的关系，即：，其中，为液体通过降液管的压头损失。塔板上不设进液口，精馏段苯甲苯物系属一般物系，取，则：，符合防止淹塔的要求提馏段苯甲苯物系属一般物系，取，则：，符合防止淹塔的要求2.3 雾沫夹带雾沫夹带率有两个公式可以计算： 或 二者结果取最大值，保证，即f80%.其中板上液体流径长度：=0.98m板上液流面积：=1.5386-2*0.1416=1.2556m2苯-甲苯按正常系统物性系数k=1.0，查泛点负荷系数图可得=0.127精馏段由雾沫夹带率公式计算得：f=55.8%80% 或 f=54.8%80% 满足要求。提馏段由雾沫夹带率公式计算得：f=58.3%80% 或 f=54.05%80% 满足要求。2.4 塔的负荷性能图2.4.1.雾沫夹带线已知泛点率取，即f=80.2%精馏段将代入整理得提馏段将代入整理得2.4.2漏液线对于f1型重阀，以为气体最小负荷标准则 ， 精馏段提馏段2.4.3液相负荷上限以作为液体在降液管中的停留时间下限2.4.4液相负荷下限取堰上液层高度作为液相负荷下限的条件，则：2.4.5液泛线发生液泛的临界条件为：其中，精馏段将上式及求得的数据代入，整理得：在操作范围内取若干个ls值，由上式计算出vs，列于下表中：0.0010.0050.0090.0133.0642.8552.6522.411提馏段将上式及求得的数据代入，整理得： 在操作范围内取若干个ls值，由上式计算出vs，列于下表中：0.0010.0050.0090.0133.0672.8492.5932.2492.4.6作图将精馏段与提馏段的各条性能曲线画于坐标系中，如下图所示，由图可知，各操作点均在有效范围内。从上图中可得：精馏段气相负荷上限：，气相负荷下限：提馏段气相负荷上限：，气相负荷下限：所以精馏段的操作弹性= 提馏段操作弹性= 表5浮阀塔塔设计数据汇总项目精馏段提馏段塔的有效高度m7.26.3实际塔板数1715塔径m1.41.4板间距m0.450.45溢流形式单溢流单溢流降液管形式弓形弓形堰长m2.722.82降液管底隙高度m0.03750.0265浮阀孔径m0.0390.039浮阀数目188188开孔率%14.614.6气相负荷上限m3/s1.91.85气相负荷下限m3/s0.680.67操作弹性2.792.76第三章 附属设备的设计3.1 塔顶冷凝器塔顶温度，冷凝水 时，查图得， 又气体流量vh=1.583m3/s塔顶被冷凝量 冷凝的热量取传热系数k=600w/m2k，则传热面积冷凝水流量3.2塔顶再沸器塔底温度tw=109.81 用t0=135的蒸汽，釜液出口温度t1=109.81 由tw=109.81 查液体比汽化热共线图得又气体流量vh=1.581m3/s 密度则取传热系数k=600w/m2k，则传热面积加热蒸汽的质量流量3.3 接管3.3.1进料管93.54时 , 由内差法计算得=799.86kg/ ，=796.62 kg/则进料混合液的密度为：kg/进料液的质量流量为：f=127.98*0.4397*78.11+(1-0.4397)*92.13= 11001.85则体积流量 管内流速取则管径取进料管规格573.5 则管内径d=50mm进料管实际流速3.3.2塔顶蒸汽出料管对储料罐的基本要求是：尽可能减少雾沫夹带，以降低液体物料的损失，采用直管出料。出料液流流速选择30m/s则出料管直径查无缝钢管标准，取2738 则管内径d=257mm3.3.3釜液出料管塔底液体的出料管一般有直管出料和经过裙座的弯管出料，本塔塔径不大，宜采用弯管出料。釜液出料管即为塔底再沸器的进口管，由再沸器设计取u=1.6m/s：则查无缝钢管标准，取894 则管内径d=81mm3.3.4塔釜进气管v=206.09kmol/h相平均摩尔质量塔釜蒸汽密度则塔釜蒸汽体积流量：取管内蒸汽流速则可取回流管规格2199 则实际管径d=201mm塔釜蒸汽接管实际流速 浮阀精馏设计结果统计表序号项目符号单位计算结果精馏段提馏段1平均温度87.86102.512平均压力kpa107.25118.453平均流量气相m3/s185.41185.414液相m3/s132.16263.55实际塔板数块17156塔的有效高度m7.27.657塔径m1.391.5018板间距m0.450.459降液管形式弓形弓形10空塔气速m/s0.9871.02811溢流装置溢流管形式单溢流单溢流12溢流堰长度m2.722.8213溢流堰高度m0.04350.032514板上液层高度m0.030.0315堰上液层高度m0.450.45 16安定区宽度m0.0650.06517开孔区面积m20.520.5218阀孔直径mm3.93.919浮阀或筛孔个数个18818820阀孔或筛孔气速m/s6.297.7721开孔率%14.414.622孔心距mm151523塔板压降kpa0.0290.02124液相负荷上限m3/s1.71.8425液相负荷下限m3/s0.670.6826气相负荷上限m3/s1.71.8427气相负荷下限m3/s0.670.6828操作弹性2.792.76 自我评价经过两周的努力，课程设计终于完成了。在此我首先要感谢给予我很多帮助的指导教师。作为一名化工专业大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。在已度过的三年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课