化工原理课程设计--苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计.doc

湖南科技大学化学化工学院湖南科技大学化工原理课程设计 苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计专业班级 ： 应用化学二班 姓 名 ： 李钰冰 学 号 ： 1006020221 指导老师 ： 杨明平、仇明华、刘和秀 2012年12月24日2013年1月4日10级应用化学专业板式精馏塔设计任务书一、设计题目：苯 甲苯连续精馏塔的设计二、设计任务及操作条件1 、进精馏塔料液含苯 38% （质量 ） ，其余为甲苯2 、产品中苯含量不得少于 96% （质量）3 、釜液中苯含量不得高于4% （质量）4 、生产能力： 5.5 吨 / 小时5 、操作条件：(1) 精馏塔顶压强： 4.5kPa （表压）(2) 进料热状态：自选(3) 加热蒸气： 600kPa （表压）的饱和蒸气(4) 回流比：自选(5) 单板压降： 0.7kPa三、设备型式：筛板塔四、厂址：湘潭地区（年平均水温 20 ）五、设计内容（设计基础数据参见设计指导书）1 、设计方案的确定及流程说明2 、塔的工艺计算3 、塔和塔板主要工艺尺寸的计算 塔板、塔径及塔板结构尺寸的确定 塔板的流体力学验算 塔板的负荷性能图4 、设计结果概要或设计一览表5 、换热器的选型与计算6 、生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图及筛板布置图7 、对本设计的评述或有关问题的分析讨论六、按要求编制相应的设计说明书七、主要参考资料化工原理、化工原理课程设计指导书、化工工艺设计手册、物理化学手册八、指导老师组织人：刘和秀指导老师：杨明平、仇明华、刘和秀九、时间2012.12.24-2013.1.4前言化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品几乎都是有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纯态的物质。芳香族化合物是化工生产中的重要的材料，可用来制备染料、树脂、农药、合成药物、合成橡胶，合成纤维和洗涤等等；苯与甲苯都是重要的化工原料，苯 - 甲苯混合溶液的分离技术一直是一个重要的课题。如何获得较大的生产率，较大的经济效益，较高的安全系数和设计方案的较强可操作性仍然是技术难题。本设计正是以优化的理念进行估算设计核算力求达到较高要求而进行的方案设计。甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以来制造三硝酸甲苯、苯甲酸、对苯二甲酸、防腐剂、染料、泡沫塑料、合成纤维等。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、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，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。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精馏塔， 实现苯 甲苯的分离。鉴于设计任务的处理量不大，苯 甲苯体系比较易于分离，待处理料液清洁的特点，设计决定选用筛板塔。塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。筛板塔是生产中最常用的板式塔之一。板式塔具有机构简单、制造和维修方便、生产能力大、塔板压降小、踏板效率高等优点。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算、热量衡算、工艺计算、结构设计和校核。在本次课程设计过程中，老师和同学给了我很大的帮助，在此致以深切地感谢。限于编者水平所限，不当之处，诚请老师及读者提出宝贵意见和建议！编者2012 年 12 月目 录一、设计任务书2二、前言3三、符号说明5四、设计内容7第一节方案的确定及流程说明8一、装置流程的确定8二、操作压强的选择8三、进料热状态的选择8四、加热方式8五、回流比的选择9第二节塔的工艺计算10一、主要基础数据10二、塔的物料衡算11三、塔板数的确定12四、塔的工艺条件及物性数据计算15第三节塔和塔板主要工艺尺寸的计算18一、塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定18二、筛板的流体力学验算21三、塔板负荷性能图22第四节筛板塔的工艺设计计算结果总表27第五节板式塔的结构与附属设备的计算29一、塔体结构29二、附属设备的计算30 五、评述及有关有关问题的分析讨论34六、参考文献35 第1节 设计方案的确定及流程说明一、 装置流程的确定精馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将于热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。塔顶冷凝装置根据生产情况以决定采用分凝器或全凝器。一般，塔顶分凝器对上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油等工业中获取液相产品时往往采用全凝器，以便于准确的控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。总之，确定流程时要较全面、合理地兼备设备、操作费眼睛操作控制及安全诸因素。二、操作压强的选择精馏操作可在常压、减压和加压下进行。操作压强长取决于冷凝温度。一般，除热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷凝剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2 ，而将其加热到102 以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；脱丙烷丙烯塔操作压强提高到1765kP a时，冷凝温度约50 ，便可用江河水或循环水进行冷凝冷却，则运转费用减少；石油气常压呈气态，必须采用加压蒸馏分离。三、 进料热状态的选择进料热状态已进料热状态参数 q 表达，即 有五种进料状态，即 q1.0 时，为低于泡点温度的冷却进料； q=1.0 为泡点下的饱和液体；q=0 为露点下的饱和蒸汽；1q0 为介于泡点与露点间的汽液混合物；q5s符合要求） 降液管底隙高度取液体通过降液管底隙的流速为依式计算降液管底隙高度，即 （3）塔板布置取边缘区宽度，安定区宽度计算开孔区面积 （4）筛孔数 n 与开孔率取筛孔的孔径为为5mm，正三角形排列，一般碳钢的厚度为 3mm ，取 故孔中心在计算塔板上的筛孔数 n 和开孔区的开孔率，即 每层塔板上的开孔面积为 气体通过筛孔的气速 （5） 塔有效高度Z（精馏段） （6） 塔高计算 ( 见换热器计算部分 )二、筛板的流体力学验算（1）气体通过筛板压降相当的液柱高度依式 干板压降相当的液柱高度依 ，查图 4-13 （干筛孔的流量系数图），得，故干板阻力 气流穿过板上液层压降相当的液柱高度 查图 4-14 （充气系数与的关联图），取板上液层充气系数，故 克服液体表面张力压降相当的液柱高度 故 单板压降 （2）雾沫夹带量的验算 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（3） 漏液的验算 筛板的稳定系数故在设计负荷下不会发生过量漏液（4）液泛验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式计算即 取 故在设计负荷下不会发生液泛。 根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。三、塔板负荷性能图（1）雾沫夹带线 式中 -(a) 近似取 -(b)取物沫极限值 已知 并将（a)、(b)式代入 得下式 整理得 在操作范围内任取几个值，依（1）式算出相应的值列于附表 1 中4.510-1.211.1481.091.0481.005依表中数据在图中作出雾沫夹带线（1），如图所示（2） 液泛线（2） 联立以上两式，得 近似取 ，故 故 -(c)又 由4-37及（c)式 故 -(d) 由 4-45 -（e)将 整理得下式： 在操作范围内任取几个值，依（2）式算出相应的值，列于附表2中，依表中数据作出液泛线（2），如图中（2）所示。1.2111.1641.1211.0781.032（3）液相负荷上限线 取液体在降液管中停留时间为 4 秒，由式 4-29 液相负荷线在图上为与气体流量无关的垂直线，如图 4-24 所示。（4）漏液线（气相负荷下限线）将 代入漏液点气速式： 前已算出为,代入上式并整理，得 此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取 n 个值，依（4）式计算相应的值，列于附表 3 ，依附表中数据作气相负荷下限线（4），如图中线（4）所示。0.29130.30210.55080.57570.5983（5）液相负荷下限线 取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依式 4-25 ，取,则 整理上式得 依此值在图上作线（5）即为液相负荷下限线，如图所示。将以上 5 条线绘于图中，即为精馏段负荷性能图。 5 条线包围区域为精馏段塔板操作区， P 为操作点， OP 为操作线。 OP 线与线（1）的交点相应气相负荷为。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。第4节 筛板塔的工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强110.7各段平均温度88.06102.2平均流量气相0.63液相0.0016实际塔板数N块1412板间距m0.4塔的有效高度Zm5.2塔径Dm1.0空塔气速um/s0.802塔板液流型式单流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m0.66堰高m0.047溢流堰宽度m0.124管底与受液盘距离m0.0303板上清液层高度m0.06孔径mm5孔间距tmm15.0孔数n个2783每层开孔区面积0.0537筛孔气速m/s11.73塔板压降0.5965液体在降液管中停留时间s14.18降液管内清液层高度m0.1367雾沫夹带0.0147负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷1.2气相最小负荷0.26操作弹性4.6第5节 板式塔的结构与附属设备的计算一、塔体结构板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附属装置。除一般塔板按设计板间距安装外，其他处根据需要决定其间距。本塔塔径为 1.0m ，故塔板分块数取 3（1）塔顶空间塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距（甚至高出一倍以上），本塔取塔顶空间（2）塔底空间考虑以下两种因素： 塔底驻液空间依贮存液量停留 3 5min 或更长时间（易结焦物料可缩短停留时间）而定。 塔底液面至最下层塔板之间要有 1 2m 的间距，大塔可大于此值。本塔取塔底空间。（3） 人孔及人孔处的板间距本塔设计每隔 7 层塔板设一人孔，故人孔数设人孔处的板间距，设人孔处的板间距。（4）进料板处的板间距本塔取进料板处的板间距.（5）塔高塔高的计算公式为 故塔高 二、附属设备的计算（1）列管式原料预热器 含苯38% （质量）的苯与甲苯混合物在进料前进行预热，加热介质为塔釜流出的产品，因为塔釜产品温度高，故原料液通入壳程，塔釜产品通入管程。 原料液的初始温度为湘潭地区年平均水温 20 ，设出口温度为 60 ，则原料液的定性温度 。塔釜产品的初始温度即塔釜温度，根据试差法可得塔釜温度。查得原料液的物性数据：热负荷 设塔釜产品的出口温度为，则 查液体比热容共线图，试差法得 经核算可知所选换热器符合要求，其他换热器可同法计算选型。评述及有关问题的分析讨论 经初步校核验算实际设备参数，本设计方案是完全符合要求的。能够完成精馏塔设计任务书中分离苯甲苯的年产量任务，且操作弹性好、分离纯度高、造价相对低廉，符合最优化生产水准。然而，设计过程中也遇到了一些难以解决的问题。即要兼顾塔设备易于操作，又要注意工艺性的达标，导致在设备设计过程中许多设备的参数难以确定。但是，此设计要基于满足工艺要求，因而，这些是设备参数只能由工艺性来决定。在工艺性唯一的条件下，可以由多种设备参数来实现它，具体到选择恰当的参数就要经过多次取值校核验证。此次设计时间教仓促，在强调工艺性的基础上我们注意了经济性。 通过这次设计，我们认识到：作为过控专业的学生，不仅要学好化工原理，而且还要兼顾物理、化学、计算机等相关自然科学，来提升专业知识，为以后的工作打下坚实的基础。整个设计过程中要注意的问题很多，尤其是一些细节性的问题，稍有不慎将导致设计的重大错误，因而考虑问题的全面详细是至关重要的。工程上的问题以理论来衡量，存在的误差也是再所难免的。但是只要误差不超过 5% 就可以。 本次设计虽然为牛刀小试，但我们学到了很多知识，也认识到理论与实践是有差别的。既而，提升了我们对“理论高于实践，源于实践。”的理解化工原理课程设计即将结束，虽然经历了数个不眠之夜，但当一份份数据一张张图纸成型后，那种成功的喜悦是难以言语的。通过设计，我们对化工原理课程的重要性有了更为深刻的认识，知道了工程设计人员的脑力工作之重、工作量之大。同时，也知道了什么叫工程进度。还有，原理的了解需要有一定的过程。在了解了原理后，验算数据也是相当繁琐的：数据是一环套一环的，有时一个数据的错误，会使后面的数据无法继续进行验算。这就对我们的计算能力和严谨的科学态度提