课程设计--精馏塔分离苯-甲苯混合物.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书目 录摘要IIAbstractIII引言1第一章 概述11.1精馏塔设计任务21.2精馏塔设计方案的选定2第二章 精馏塔设计计算32.1精馏塔物料衡算32.2塔板的确定42.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算52.4精馏塔的塔体工艺尺度计算10第三章 塔附属设备选型及计算293.1接管293.2塔体总高度303.3辅助设备32第四章设计结果汇总35设计小结与体会37符号说明38参考文献40摘要化工生产中所处理的物料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质，生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作, 利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本设计任务为精馏塔分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全器冷凝，冷凝液在泡点温度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，所以在设计中把操作回流比取最小回流比的1.7倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计说明书以通过物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核等一系列工作来设计一个具有可行性的合理的筛板塔以及相关辅助设备的计算。绘制了精馏塔装配图，精馏工艺流程图。关键词：筛板塔；苯；甲苯AbstractIn the chemical production processes the material, the intermediary product, the primary product, nearly is the mixture which is composed of certain components, moreover majority is the homogeneous phase material, in the production to satisfy the storage, the transportation, the processing and the use need, often needs these mixture separation for pure or nearly the pure state material. Separation of distillation is the most commonly used liquid mixture of a unit operation, using liquid mixture of all the different points of the volatile, volatile components from liquid to gas transfer, difficult volatile components from gas to liquid transfer. Mixture of raw materials to achieve the various components of the separation process is at the same time heat and mass transfer process. The design task is to separate the benzene - toluene mixture using the distillation tower. For the separation of binary mixtures, we can use a continuous distillation process. In the design, we feed the raw material in the bubble point ,using preheater where the liquid can be heated up to the bubble point and then give it away to the distillation tower. Up top of the tower ,there is a total condenser which can condense the steam. Part of the condensed steam return to the tower in the bubble point, and the rest product is sent to the tank through the total condenser. It is so easy to isolate material system using this system. the minimum return is relatively small, so we take the minimum reflux ratio of 1.7 times of the operating reflux ratio in our design. Tower reacter is heated with indirect steam and the tower bottom product is sent to storage tanks after cooling.The design specification through the material balance, energy balance, technology, structural design and verification and a series of work to design a reasonable possibility of the sieve tower that should use the relation selective evaporation flow，and drawing assemble diagram of distillation tower and PID of distillation.Keywords：Distillation；Sieve tower；Benzene III引 言化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。蒸馏是一种常用的化工单元的操作，是工业上分离液相混合物常用的手段。蒸馏操作可以是板式塔，也可以采用填料塔。板式塔为逐步接触型，按汽液接触原件不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、舌形塔、浮动喷射塔等多种。目前，从国内外实际情况来看，主要的塔板类型为浮阀塔，筛板塔及泡罩塔，前两种应用尤为广泛。作为气液两用传质用的塔的设备，首先必须保证气液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的要求，塔设备还得具备下列的基本要求：塔内滞留量小。耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节。结构简单，造价低，创造，安装，维修方便。流体流动阻力小。即流体经塔设备的压降小，可节省动力消耗，降低操作的费用。气液处理量大，即生产能力大时不至于发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。操作稳定，弹性大。即当塔设备的气液负荷在一定范围内变化时，仍能够在较高的传质效率下进行稳定的操作。40第一章 概述化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离苯和甲苯混合物精馏塔。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。1在本设计中我们使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单，造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高。采用筛板可解决堵塞问题，适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后，通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生产中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状，这样可以降低进口处的速度，使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳钢的比较少。实际操作表明，筛板在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下降，其操作的负荷范围比泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到2-3。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能等直接关系到生产过程的经济问题。2本课程设计的主要内容是设计过程的物料衡算，塔工艺计算，塔板结构设计以及校核。1.1精馏塔设计任务在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的年处理量为4万吨，原料组成为0.3(甲苯的摩尔分率)，要求塔顶馏出液的组成为0.991，塔底釜液含苯量0.014（质量分率）。 表1-1 设计条件操作压力进料热状态回流比单板压降全塔效率建厂地址塔顶常压Q=0自选0.5kPaET=70%武汉地区试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计1.2精馏塔设计方案的选定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏流程。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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内，其余部分产品经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1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。第二章 精馏塔设计计算2.1精馏塔物料衡算2.1.1料液及塔顶，塔底产品的摩尔分数原料：苯甲苯混合物 XF=0.3（摩尔分数）产品：XD=0.991（摩尔分数） XW=0.014（摩尔分数）原料温度：50 处理量：4万吨每年 生产时间：300天每年冷却水进口温度：25 加热剂：0.5MPa饱和水蒸气平均摩尔质量：苯的摩尔质量： MA=78.11Kg/Kmol 甲苯的摩尔质量：MB=92.13Kg/Kmol （其中A、B分别代表苯和甲苯）原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量：ML,F=0.378.11+(1-0.7)92.13=87.92Kg/KmolML,D=0.99178.11+0(1-0.991)92.13=78.23Kg/KmolML,W=0.01478.11+(1-0.014)92.13=91.91Kg/Kmol2.1全塔总物料衡算总物料衡算 F = D + W （3-1）易挥发组分（苯）物料衡算 F XF = D XD + W XW （3-2）式中 F、D、W分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；XF、XD、XW分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。结合（3-1）、（3-2）得：F=63kmol/hD= 18kmol/hW=45kmol/h2.2塔板的确定逐板法法求取塔板数：相对挥发度a=2.5 由相平衡方程和q线方程算得最小回流比为3.1R=1.5Rmin=4.73.精馏段操作线方程Y=0.082x+0.174.提溜段操作线方程Y=1.8x-0.025Y1=0.991 x1=0.978Y2=0.972 x2=0.933Y3=0.935 x3=0.852Y4=0.870 x4=0.725Y5=0.765 x5=0.567Y6=0.635 x6=0.410Y7=0.506 x7=0.291Y76000pa蒸汽速度/m/s12-2030-5050-70因=105.3kpa，故取出口气速u=60m/s故 查表取3.1.2 回流液管径Dr冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.2-0.5m/s,速度太大，则冷凝器的高度相应增加。用泵回流时，速度可取1.5-2.5m/s故取，则 而则查标准系列取3.1.2进料管径液料由高位槽进塔时，液料流速取0.4-0.8m/s。由泵输送时，流速取为1.5-2.5m/s。采用直管出料管取，则而则查标准系列取3.1.4釜液排除管径釜液流出的速度一般取0.5-1.0m/s3.2塔体总高度3.2.1塔顶空间:3.2.2人孔数目S：,人孔直径通常为450mm，不包括塔顶空间和塔底空间的人孔，则S=N-2=33.2.3塔底空间:，取t=4min其中=0.785取进料板空间3.2.4体总高度：3.2.5筒体壁厚选8mm3.2.6封头本设计采用椭圆形封头，由于公称直径1m，查得曲线高度，厚度，直边高度，内表面积，容积，选用封头3.2.7裙座的相关尺寸计算考虑到再沸器，裙座高度取3m。3.2.8吊住设计对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设计吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，及经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱。本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径D=1800mm，可选用吊柱500kg.s=1000mm,L=3400mm.材料为A3。3.3辅助设备 出料温度：3.3.1全凝器 （冷却水进口温度，出口温度） 温度推动力：取总传热系数，则传热面积：3.3.2原料预热器原料预热温度：（泡点温度）采用过热饱和蒸汽加热平均温度：平均温度下查表得：取总传热系数由：换热面积：3.3.3再沸器再沸器热负荷：选用150C的饱和水蒸气加热。再沸器液体入口温度C回流汽化为上升蒸汽时的温度C加热蒸汽C加热蒸汽冷凝为液体的温度C用潜热加热可节省蒸汽量从而减少热量损失CCC取，第四章设计结果汇总序号项目精馏段提馏段1平均温度，87.889.82平均压力，kpa109.5117.93气相流量,0.4010.4034液相流量,0.000870.00235实际塔板数12246塔径,m1.01.07板间距，m0.40.48溢流形式单溢流单溢流9降液管形式弓形弓形10堰长,m0.660.6611堰高，m0.0450.05212板上液层高度，m0.060.0613堰上液层高度,m0.0520.05214降液管底隙高度，m0.0250.03015安定区宽度，m0.0650.06516边缘区宽度，m0.0350.03517开孔区面积，m20.3610.36118筛孔直径，m0.0050.00519筛孔数目2731273120孔中心距，m0.0150.01521开孔率，10.110.122空塔气速，m/s0.9950.74123筛孔气速，m/s7.467.524稳定系数1.50.71325每层塔板压降，pa548.26499序号项目精馏段提馏段26负荷上限液泛控制液泛控制27负荷下限漏液控制漏液控制28液沫夹带0.00870.005629气相负荷上限0.6840.44630气相负荷下限0.2080.19231操作弹性3.2892.32332冷凝器传热面积m2,16.3233预热器传热面积, m23.39734再沸器传热面积，m252.31335塔顶蒸汽粗口管，mm8636进料管直径，mm3437回流管直径，mm2038塔顶出料管径，mm2139塔釜出料管直径，mm3140筒体壁厚，mm841塔顶空间，m0.7242人孔数,个343裙座高度，m344塔总体高度，m16.34设计小结与体会化工原理课程设计是化工原理课程设计中的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去完成一个单元操作设计任务的一次训练。本次的设计内容是苯甲苯分离过程的板式精馏塔设计。这方面的知识我们在以前的学习当中进行了理论性的学习，但是了解和掌握的东西很有限，在这次课程设计中，通过物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计等一系列工作，我们基本上完成了设计任务，也让我们明白了怎样运用所学的知识，结合我们掌握其他的相关知识，计算机技术，参照有关的文献资料去解决设计中的问题。并且通过在设计过程中，结合我们所掌握的理论知识，不断地发现问题和解决问题，使我们能够熟练的运用这些知识与技能，这些经验的积累是对学习的巩固和拓展，也是一次宝贵的经验。当然在整个过程中，也离不开老师的悉心指导和其他同学的热心帮助，在我们的实践过程当中，我们能够参与一起讨论，通过查阅资料，咨询老师等来解决设计中遇到的问题，虽然在这个学习的过程当中，我们有发生过计算上的失误而重头开始计算，设备选型错误等问题，但这不但没有让我们知难而退，反而让我们更加深刻地认识到科学设计中应该持有的严谨严务的态度的重要性，这些宝贵的经验积累，对我们今后的学习和工作也会有很大的帮助。课程设计虽然辛苦，但是总的来说，痛并快乐着。我们深刻认识到自己在知识上的欠缺不不足，希望自己在今后的学习和工作中，不断努力，完善知识上的盲点，不断进步。符号说明Aa塔板开孔（鼓泡）面积，m2；Af 降液管面积，m2；A0 筛孔面积，m2；AT塔截面积，m2；C计算Umax时的负荷系数，无因次；C0 流量系数，无因次；D计算Umax时的负荷系数，无因次；D塔径，m；d0 筛孔直径，mm；E 液流收缩系数，无因次；ET 液流收缩系数，无因次；ev 液流收缩系数，无因次；F进料流量，kmol/h；Fa 进料流量，kmol/h；g重力加速度，m2/s；H板间距，m或mm；塔高，m或mm；hc 与干板压降相当的液柱高度，m；hd与液体流经降液管的压降相当的液柱高度，m；ht与液体流经降液管的压降相当的液柱高度，m；hl 进口堰与降液管间的水平距离