苯甲苯精馏塔设计方案.docVIP

(一) 设计方案的确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。应用连续精馏流程。设计中采用泡点进料。将原料通过预热器加热至泡点后进入连续精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，部分回流，其余部分经产品冷却后送至储罐。操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔内采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（二）精馏塔的物料衡算1. 原料液及塔顶塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量：=78.11 Kg/Kmol甲苯的摩尔质量：=92.13 Kg/Kmol 2. 原料液及塔顶塔底产品的摩尔质量：3. 物料衡算 （三）塔板数的确定 1. 理论塔板数的求取 苯和甲苯属理想物系，可采用M.T.图解法求（1）根据苯和甲苯的气液平衡数据作y-x图，参图1和图2。（2）求最小回流比及操作回流比R。因泡点进料，q=1在图1中对角线上自点e(0.228，0.228)作垂线即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为，该点就是最小回流比时操作线与平衡线的交点坐标。 最小回流比：操作回流比：故取操作回流比R=4.41（3）求理论板数精馏段操作线方程 q线方程为如图1所示，做图法求得：=18块（不包括再沸器），第11块为进料板。2塔效率的确定=0.17-0.616lg 根据塔顶、塔釜液相组成，利用表格中的数据由拉格朗日插值法可求t，x,%y,%t，x,%y,%110.560.000.0090.1155.075.5109.911.002.5088.8060.079.1108.793.007.1187.6365.082.5107.615.0011.286.5270.085.7105.0510.020.885.4475.088.5102.7915.029.484.4080.091.2100.7520.037.283.3385.093.698.8425.044.282.2590.095.997.1330.050.781.1195.098.095.5835.056.680.6697.098.894.0940.061.980.2199.099.6192.6945.066.780.01100.0100.091.4050.071.3精馏段的平均温度 提馏段的平均温度 混合物的黏度精馏段89.825时， 进料板99.68C时， 提馏段109.80时， 精馏段塔板效率 提馏段塔板效率 精馏段塔板数 提馏段塔板数 全塔总效率 （四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1. 操作压力的计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 塔底操作压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 2. 操作温度的计算 （计算板效率时已算出）塔顶温度 进料温度 塔底温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 3. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算 由，查平衡曲线得： 进料板平均摩尔质量 由图解理论板得 ： 查平衡曲线得塔底平均摩尔质量 查图得精馏段的平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量 4. 平均密度的计算（1）气相平均密度的计算 由理想气体状态方程计算，精馏段 提馏段（2）液相平均密度的计算液相平均密度依 进行计算a) 塔顶平均密度的计算 由查手册得，b) 进料板液相平均密度的计算 ，查手册得 ，进料板的液相质量分率： c) 塔底液相平均密度的计算 ，查手册得 ，塔底的液相质量分率： 精馏段液相平均密度 提馏段液相平均密度 5. 液相平均表面张力的计算液相平均表面张力按公式 进行计算l 塔顶液相平均表面张力的计算 由查手册得，l 进料板液相平均表面张力的计算 ，查手册得 ，l 塔底液相平均表面张力的计算 ，查手册得 ， 精馏段液相平均表面张力 提馏段液相平均表面张力 6. 液相平均黏度的计算（前面已经计算过）精馏段液相平均黏度 提馏段液相平均黏度 （五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算1.塔径的计算（1）精馏段的气液相体积流率为C由式计算出， 可由史密斯关联图查出，横坐标数值：取板间距=0.50m，板上液层高度=0.07m，则查图得，取安全系数为0.6，则空塔气速为，按标准塔径圆整为塔截面积为 实际空塔气速为 （2）提馏段的气液相体积流率为可由史密斯关联图查出，横坐标数值：取板间距，板上液层高度，则查图得取安全系数为0.75，则空塔气速为，按标准塔径圆整为塔截面积为 实际空塔气速为 2 精馏塔有效高度的计算（1）精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为 （六）塔板主要工艺尺寸的计算1溢流装置计算因塔径为2000mm可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：、精馏段（1） 堰长 ，取 （2） 溢流堰高度，由，选用平直堰，堰上液层高度因为，查液流收缩系数计算图，得E=1.02,则取板上层清液高度 =70mm，故 提馏段（1）堰长 ，取 （2）溢流堰高度，由， 因为，查液流收缩系数计算图，得近似取E=1,则取板上层清液高度 =80mm，故 （3） 弓形降液管宽度和截面积由 查图得，故 依式验算液体在降液管中的停留时间精馏段提馏段故降液管设计合理。 （4） 降液管底隙高度 精馏段 ，所以降液管底隙高度设计合理 提馏段 所以降液管底隙高度设计合理 2.塔板布置及浮阀数目及排列（1）塔板的分块：因D800mm ，故采用分块式，塔板分为5块。（2）浮阀数目与排列 取阀孔动能因子，则孔速，（3）每层板上的筛孔数N 取， 取边缘宽度，破沫区宽度，计算塔板上的鼓泡区面积，即：，其中 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一模块排的孔心距，则排间距，考虑到板间距的影响排间距应小些，故，画图并以等腰三角形方式作用排得浮阀数为384 ，在912之间.塔板开孔率为% 提馏段：（1）因，故塔板采用分块式，共分为5块. （2）浮阀数目与排列 取阀孔动能因子，则孔速，（3）每层板上的筛孔数N 取， 取边缘宽度，破沫区宽度，计算塔板上的鼓泡区面积，即：，其中 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一模块排的孔 心距，则排间距考虑到板间距的影响排间距应小些，故，画图并以等腰三角形方式作用排得浮阀数为384.，在912之间.塔板开孔率为孔区面积计算：开孔区面积按式计算，式中=m，m，故（七）塔板的流体力学校核 1.气相通过浮阀塔板的压降 精馏段：（1） 干板阻力 （2） 液层阻力 取充气系数，（3） 液体表面张力所产生的阻力可以忽略 ，则单板压降，符合设计要求。提馏段：（1）干板阻力 （2）液层阻力 取充气系数，（3）液体表面张力所产生的阻力可以忽略 ，则单板压降，符合设计要求。 2.淹塔 为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管高度 精馏段：与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰，板上液层高度：，则，取，则，可见，符合防止淹塔要求。 提馏段：与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰，板上液层高度：，则，取，则，可见，符合防止淹塔要求。 3.雾沫夹带 精馏段：板上液体流径长度： 板上液流面积：，查图,泛点率= ，苯和甲苯为正常系统，可按表查物性系数K=1.0，由图查泛点负荷系数,或由上两式计算出泛点率均小于80%，故可知雾沫夹带量能够满足要求。提馏段：板上液体流径长度： 板上液流面积：，查图,泛点率= ，苯和甲苯为正常系统，可按表查物性系数K=1.0，由图查泛点负荷系数,或由上两式计算出泛点率均小于80%，故可知雾沫夹带量能够满足要求。 4.塔板负荷性能图 （1）雾沫夹带线 精馏段：依下式计算：泛点率=，按泛率为80%计算如下： 整理得：(1) 以（1）式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，依（1）式算出相应的列于下表，作出雾沫夹带线（1） 0.00320.0084.274.12 提馏段：依下式计算：泛点率=，按泛率为80%计算如下： 整理得：(1) 以（1）式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，依（1）式算出相应的列于下表，作出雾沫夹带线（1） 0.0040.0103.893.72 （2）液泛线 精馏段：，由上式确定液泛，线，忽略式中 .代入数据化简得：0.0020.0040.0060.0085.2365.0744.9264.780提馏段：，由上式确定液泛，线，忽略式中 .代入数据化简得：0.0020.0040.0084.9224.7774.504液相负荷上限 精馏段：液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3-5秒，液体在降液管内停留时间，以作为液体在降液管中停留时间得下限，则： 提馏段：液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3-5秒，液体在降液管内停留时间，以作为液体在降液管中停留时间得下限，则： 漏液线 精馏段：对于型重阀，依计算，则,又知 提馏段：对于型重阀，依计算，则,又知 液相负荷下限精馏段：取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，该线为与气体流量无关的竖直线，取E=1.02，则： 提馏段：取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，该线为与气体流量无关的竖直线，取E=1.0，则：由以上（1）（5）式分别作出塔板负荷性能图上（1）（2）（3）（4）（5）五条线。精馏段：提馏段：由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气液负荷下的操作点P处在适宜得操作区内对于精馏段，塔板得气相负荷上限完全由雾沫夹带和漏液线控制，对于提馏段，则由液泛线控制，操作下限由漏液控制。按照固定得液气比，由本例附图查出塔板得气相负荷上限和气相负荷下限知，精馏段的操作弹性为K= 3.02,提馏段为K=2.53（十）塔板主要计算结果汇总表及塔设备附件浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位计算数据精馏段提馏段塔径Dm2.02.0板间距m0.50.5塔板类型浮阀单溢流弓形降液管 分块式塔板全塔气速um/s0.540.398堰长m1.41.4堰高m0.04770.0377板上液层高度m0.070.08浮阀数N个384384阀孔气速m/s5.765.41阀孔动能因子1212临界阀孔气速m/s孔心距tm0.0750.075排间距tm0.0650.065单板压降KPa0.53570.53184液体在降液管内的停留时间s17.47.7降液管内液层高度m0.2190.2169泛点率%52.9560.31液相负荷上限0.02890.0289气相负荷下限1.3111.220操作弹性K3.022.53塔附件的设计一 接管 1.进料管得结构类型很多，由直管进料，弯管进料，T型进料管，本设计采用直管进料 ,取，进料板液相平均密度，则： ， 查标准系列选取108mm 2.回流管 采用直管回流管，取 回流流量,查表取80 3.塔釜出料管 取，直管出料， ，查表取 4.塔顶蒸气出料管 直管出气，取出口气速，查表取5.塔釜蒸汽出料管 取 查表取400mm 6.法兰 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同得公称直径选用相应的法兰（1） 进料管接管法兰 HG 20592 法兰 PL 108-1.0 RF Q235B （2） 回流管接管法兰 HG 20592 法兰 PL 80-1.0 RF Q235B （3） 塔釜出料管接管法兰 HG 20592 法兰 PL 80-1.0 RF Q235B （4） 塔顶蒸气管接管法兰 HG 20592 法兰 PL 450-1.0 RF Q235B （5） 塔釜蒸气进气接管法兰 HG 20592 法兰 PL 400-1.0 RF Q235B 冷凝器唐山最高月平均温度t1=35 水在35到20的平均比热容冷却剂选用深井水，冷却水出口温度一般不超过25取t2=20泡点回流温度为79.97 塔顶蒸汽温度79.97 计算冷却水流量kJ/hGc=Kg/h因为冷凝器选择列管式，逆流式换热 K=500kJ/(kmol*h*K)QC=1.465 且操作弹性为1.2 A=1.2A=67.482 再沸器（1） 再沸器的选择釜式再沸器对直径较大的塔，一般将再沸器置于塔外，其管束可抽出，为保证管束浸于沸中，管束末端设溢流堰，堰外空间断出料液的缓冲区。其液面以上空间为气液分离空间，釜式再沸器的优点是气化率高，可达80以上。（2） 加热蒸汽消耗量 塔体总高度设计1. 塔顶空间高度：2. 塔底空间高度：塔的底部高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线得距离，釜液停留时间取5 3. 人孔 每68层塔板开一个人孔，共6个人孔，开人孔出板间距，人孔直径为450，则：塔高机械强度校核一 塔设备机械设计条件1.塔体内径=2000mm，筒体高度取H=22.5。2 设计压力，P=0.101 MPa3设置地区基本风压值q=350N/m；地震设防烈度为8度；场地土类为二类；地面粗糙度为B类。4塔内装有37层筛板塔板，每块塔盘存留介质高度 =47.7，=37.7介质密度为794.385 沿塔高开设6个人孔，有6个平台。6 塔外保温层厚度为100mm,保温材料比重为500kg/m3 9 塔体与封头壁厚附加量取C=2mm，裙座壁厚附加量取C=2mm。二、设备质量载荷的计算1.塔体圆筒、封头、裙座质量圆筒质量：塔筒体高度，壁厚查手册得圆筒的质量为695/m圆筒质量封头质量： ，壁厚，曲面深度500，直边高度25查手册得 封头的质量为486封头质量裙座质量： 因裙座与塔体材料相同，所以取则 2.塔内构件的质量查知塔板塔盘每质量为3.保温层质量保温层厚度100 ，比重500 4.平台扶梯质量本设计采用笼式扶梯，质量为40/m，选钢制平台，设置6个平台，质量为150，平台宽0.9 m，高1 m。 5.操作物料质量塔板层数N=37，则塔釜圆筒部分深度h=1.77m， 查得封头容积V=1.13，则 6.附件质量 取 7.充水质量全塔操作质量 偏心载荷，塔设备的最大质量发生在水压实验时，塔设备的最小质量发生在设备吊装时，塔段011223344顶合计塔段长度/mm10002000700010000602526025开孔数012216三地震载荷及弯矩计算1 地震载荷每一直径和壁厚相等的一段长度间的质量，可处理为作用在该段1/2段高度的集中载荷。容器自振周期的计算 式中 容器总高度，； 容器操作质量，； 材料（Q235B）在设计温度下的弹性模量，MPa； 容器壳体的有效壁厚，； 容器的内径，； 容器自振周期，s;=2地震弯矩的计算等直径、等壁厚容器的底部截面00处地震弯矩 式中 结构综合影响系数，圆筒直立时，=0.5； 地震影响系数； 的最大值；计算截面距地面高度0-0截面：h=01-1截面：h=10002-2截面：h=3000当容器高径比大于15或高度大于或等于20米时，须考虑高振型影响，在进行稳定或其他验算时，所取的地震弯矩值可取上列计算值的1.25倍等直径、等壁厚容器的底部截面1-1处地震弯矩等直径、等壁厚容器的底部截面2-2处地震弯矩四、风载荷及弯矩计算有风的时候发生弯曲变形，吹到塔设备迎风面上的风压值，随塔设备高度的增加而增加。风压值按塔设备高度分为几段。假设每段风压值各自均布于塔设备的塔体上。1.风压值按下式计算：式中 空气动力系数，对圆筒型设备，=0.7； 风振型系数，当H20m时，=1.70；当20时， 本地区（唐山）的风压值，取=350Pa； 高度变化系数； 第i段高度；脉动增大系数， 当量直径；=操作平台的附加厚度，m以23段高度进行举例计算：=对每一段数据列表如下：塔段0-11-22-33-44-顶0.70.70.70.70.71.0541.0181.3021.8932.271/Pa 3503503503503500.200.601.001.251.206/100020007000100006025/25003380229432103099/N129.11011.66685.41.862.风弯矩（1）等直径、等壁厚容器的底部截面00处风弯矩 (2)等直径、等壁厚容器的底部截面1-1处风弯矩 (3)等直径、等壁厚容器的底部截面2-2处风弯矩五、各种载荷引起的轴向应力1.设计压力引起的轴向应力 2.操作质量引起的轴向应力（1）（2）查手册得 （人孔截面积）=703.60 = 3. 最大弯矩引起的轴向应力（1）取两者中较大值，= （人孔截面模数）（2）取两者中较大值， 查手册得（人孔截面模数）= ，（3）取两者中较大值，, 六、塔体与裙座危险截面的强度与稳定校核1.塔体的最大组合轴向应力校核塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的截面11处，可以满足校核要求。2. 塔体与裙座危险截面的稳定校核查得 ，, 取两者中较小值 塔体的最大组合轴向压应力发生在停车操作时的截面11处，校核满足要求，校核满足要求，校核满足要求七 塔体水压试验和吊装时的应力校核（一）水压试验时各种载荷引起的应力1 实验压力和静液柱引起的环向应力2由试验压力引起的轴向拉应力3由水压试验时最大质量引起的轴向压应力4由弯矩引起的轴向应力（二）水压试验时应力校核1筒体环向应力校核2最大组合轴向压应力校核，（三）吊装时应力校核按最不利的吊装条件进行校核，八、基础环设计（用低碳钢）1.基础环尺寸 基础环外径，； 基础环内径，；2.基础环应力校核 基础环截面积； 截面参数；1 2 取以上两者中较大者，选用75号混凝土，其许用应力 0,所以必须设置地脚螺栓。选取地脚螺栓个数，用4的倍数，取n=28;查手册得M42的根径，故选用28个M24 的地脚螺栓可以满足要求