化工原理课程设计-苯-甲苯筛板精馏塔的设计.doc

化工原理课程设计说明书 淮 阴 工 学 院课程设计说明书作 者:学 号：1091601223系 (院):生命科学与化学工程学院专 业:化学工程与工艺题 目:苯-甲苯筛板精馏塔的设计 指导者： 2012年6月化工原理课程设计说明书中文摘要精馏是利用混合液中组分挥发度的差异，实现组分高纯度分离的多级蒸馏操作，即同时实现多次部分汽化和部分冷凝的过程。实现精馏操作的主体设备是精馏塔。塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备，广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。我国石油工业具有一定的水平，但还是一个发展中的国家,摆在我们石油工作者面前的任务是繁重的。因此必须坚持独立自主、自力更生，革新挖潜，全面提高，综合利用，大搞化工原料，赶超世界先进水平。关键词 ：精馏塔 塔板 苯甲苯 塔板负荷淮 阴 工 学 院化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书专业： 化学工程与工艺班级： 化工1092 姓名： 翟必赢 学号： 设计日期： 2012 年 6 月 11 日 至 2012 年 7 月 22 日设计题目：苯-甲苯筛板精馏塔的设计设计条件：进料量F= 280 kmol/h进料组成xF= 0.58 （摩尔分率）进料温度tF= 泡点温度 产品要求xD= 96% 回收率= 93% 设计内容:1、精馏塔的物料衡算；2、塔板数、压降的计算；3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4、精馏塔的相关工艺尺寸计算；5、绘制精馏塔设计条件图。 指导教师： 胡 涛 2012年 6 月 6 日目 录1. 绪论 61.1 设计背景 6 1.1.1 塔设备的分类6 1.1.2 塔设备在化工生产中的作用和地位 61.2 设计条件 61.3 问题研究 62. 板式塔的设计 62.1 工业生产对塔板的要求62.2 设计方案的确定 7 2.1.1 装置流程的确定7 2.2.2 操作压力的选择 7 2.2.3 进料热状况的选择 7 2.2.4 加热方式的选择 7 2.2.5 回流比的选择 73. 工艺流程图 74. 工艺计算及主体设备的计算84.1 精馏塔的物料衡算9 4.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率9 4.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量9 4.1.3 物料衡算94.2 塔板数的确定 10 4.2.1 理论板层数NT的求取10 4.2.2 实际板层数的求解 114.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算 11 4.3.1 操作压力的计算11 4.3.2 操作温度计算12 4.3.3 平衡摩尔质量的计算12 4.3.4 平均密度的计算 13 4.3.5 液体平均表面张力计算 13 4.3.6 液体平均粘度计算 144.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算15 4.4.1 塔径计算15 4.4.2 精馏塔有效高度的计算164.5. 塔板主要工艺尺寸的计算16 4.5.1 溢流装置计算16 4.5.2 塔板布置174.6. 筛板的流体力学验算18 4.6.1 塔板压降18 4.6.2 液面落差19 4.6.3 液沫夹带19 4.6.4 漏液20 4.6.5 液泛204.7 塔板负荷性能图21 4.7.1 漏液线21 4.7.2 液沫夹带21 4.7.3 液相负荷下限线22 4.7.4 液相负荷上限线22 4.7.5 液泛线235. 辅助设备的草图及选型 255.1 回流冷凝器 255.2 再沸器 26总结28致谢29参考文献301.绪论1.1 设计背景 为了加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都在加大塔的研究力度。如今在我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等。填料种类出拉西、环鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。更加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进口一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作，加速了我国塔技术的开发。 经过我国这些年的努力，在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断的减小。1.1.1 塔设备的分类塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备，广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射的方式穿过板上的液层，进行传质于传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上(有时也采用并流向下)流动，气体两相密切接触进行传热与传质。在正常操作过程中，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属于微分接触逆流操作过程。 1.1.2 塔设备在化工生产中的作用和地位精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。1.2 设计条件进料量每小时160千摩尔，原料中含苯55%（摩尔分率），以沸点状态送入塔内。要求塔顶馏出物含苯96%（摩尔分率），塔釜残液中含苯不大于4%，操作回流比取最小回流比的2.5倍。1.3 问题研究本设计是针对苯甲苯的分离而专门设计的塔设备。根据设计条件以及给出的数据描述出塔温度的分布，求得最小回流比以及塔顶的相对挥发度、塔釜的相对挥发度、全塔平均相对挥发度，又根据物料平衡公式分别计算出精馏段和提馏段的汽、液两相的流量。之后，计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行了塔板结构的设计等。计算和设计这些之后进行了有关的力学性能计算和一系列的校核。2板式塔的设计2.1 工业生产对塔板的要求： 通过能力要大，即单位塔截面能处理的气液流量大。 塔板效率要高。 塔板压力降要低。 操作弹性要大。 结构简单，易于制造。在这些要求中，对于要求产品纯度高的分离操作，首先应考虑高效率；对于处理量大的一般性分离（如原油蒸馏等），主要是考虑通过能力大。2.2设计方案的确定2.2.1装置流程的确定精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同，可分为连续精馏和间歇精馏两种流程。在本次的设计中，是为分离苯甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应该采用连续精馏流程。2.2.2操作压力的选择 蒸馏过程按操作压力不同，可分为常压蒸馏，减压蒸馏和加压蒸馏。一般除热敏性物系外，凡通过常压 分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用 常压精馏。 根据本次任务的生产要求，应采用常压精馏操作。2.2.3进料热状况的选择蒸馏操作有五种进料热状况，它的不同将影响塔内各层塔板的汽、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体进料，通常用釜残液预热原料。所以这次采用的是泡点进料。2.2.4加热方式的选择 由于采用泡点进料，将原料液加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝气冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。2.2.5回流比的选择 回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费用和操作费用之和最低。 苯甲苯混合液是属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2.0倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔顶产品经冷却后送至储罐。3.工艺流程图板式塔主要由筒体、封头、塔内构件（包括塔板、降液管和受液盘）、人孔、进出口管和群座等组成。按照塔内气、液流动的方式，可将塔板分为错流与逆流塔板两类。工业应用以错流式塔板为主，常用的由泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等。此次设计按照要求选用筛板塔来分离苯-甲苯系。4工艺计算及主体设备的计算4.1 精馏塔的物料衡算 苯的摩尔质量=78.11 kg/kmol甲苯的摩尔质量=92.13 kg/kmol原料处理量F=280 kmol/h进料苯的摩尔分率=0.58塔顶苯的摩尔分率=0.96塔顶易挥发组分的回收率=93%总物料衡算： F = D + W 易挥发（苯）组分衡算：塔顶易挥发组分（苯）的回收率： 联立解得 4.2 塔板数的确定4.2.1理论板层数的求取苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见图1。 求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。在图1中对角线上，自点e（0.58，0.58）作垂线ef即为进料线(q线)，该线与平衡线的交点坐标为 = 0.77 = 0.58故最小回流比为 取操作回流比为 求精馏塔的气、液相负荷求操作线方程精馏段操作线方程提留段操作线方程图解法求理论塔板数采用图解法求理论塔板数，如图1所示。求解结果为：总理论板层数 N = 10.5(包括再沸器)进料板位置 N = 5图1 图解法求理论板层数4.2.2实际板层数的求解 精馏段实际板层数 N= =7.698提留段实际板层数 N=12.5134.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算以精馏段为例进行计算4.3.1操作压力的计算设塔顶表压 P= 4 MPa塔顶操作压力 PD=101.3+4=105.3kPa设每层塔板压 P=0.7kPa进料板压力 PF=105.3+0.78=110.9kPa精馏段平均压力 P = = 108.1kPa4.3.2操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下： 塔顶温度 tD81.7 进料板温度 t=泡点温度确定在110.9kPa下溶液的泡点需采用试差法。经过几次试差后，得到泡点 t = 94.6 进料板温度 t = 94.6精馏段平均温度 t（81.794.6）/2 = 88.154.3.3 平衡摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算 由x= y= 0.96, 查平衡曲线（见图1），得 x = 0.885 M = 0.9678.11 + (1-0.96)92.13 = 78.67kg/kmol M =0.88578.11 + (1-0.885)92.13 = 79.72kg/kmol进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板(见图1)，得 y = 0.670查平衡曲线 （见图1），得 x = 0.477 M = 0.670 78.11 + (1-0.670)92.13 =82.74kg/kmol M =0.477 78.11 + (1-0.477)92.13 = 85.44kg/kmol精馏段平均摩尔质量 M =( 78.67+82.74)/2 = 80.71kg/kmol M =(79.72 + 85.44)/2 = 82.58kg/kmol4.3.4平均密度的计算气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 = = = 2.90kg/m液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算 由t81.7，查手册得 = 813.1 kg/m = 808.3 kg/m = =812.9kg/m 进料板液相平均密度的计算 由tF94.6，查手册得 = 798.7 kg/m = 795.6 kg/m进料板液相的质量分率 a= = 0.436 = = 796.9 kg/m精馏段液相平均密度为 =（812.9+796.9）/2 = 804.9kg/m34.3.5液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算 由t81.7，查手册得 =21.24 mN/m =21.42 mN/m = 0.9521.24+0.0521.42 = 21.25mN/m进料板液相平均表面张力的计算 由t94.6，查手册得 =19.82mN/m =20.61mN/m = 0.47719.82+0.52320.61 = 22.23mN/m精馏段液相平均表面张力为 =（21.25+20.23)/2 = 20.74mN/m4.3.6液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即塔顶液相平均粘度的计算由tD81.7，查手册得=0.302 mPas =0.306 mPas= 0.96lg(0.302)+(1-0.96)lg(0.306)=0.302 mPas进料板液相平均粘度的计算由tF94.6，查手册得 =0.276 mPas =0.283mPas=0.477lg(0.276)+0.5231lg(0.283)=0.280 mPas精馏段液相平均粘度为 = （0.302 +0.280）/2 = 0.291mPas4.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算4.4.1塔径计算精馏段的气、液相体积流量为 m3/sm3/s由 u = C 式中C由式5-5计算，其中的由图5-1查取，图的横坐标为 =( = 0.0409取板间距H=0.40m，板上液层高度h= 0.06m,则 H- h = 0.40-0.06 = 0.34m查图5-1得，C = 0.072C = C( = 0.072( = 0.0725 u = 0.0725 = 1.203m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为u = 0.7 u= 0.71.203=0.842 D = = m按标准塔径圆整后为D2.4m 塔截面积为 A = D= 2.4=4.52m实际空塔气速为u = 4.4.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 Z精=(N精-1)HT=(8-1)0.40=2.8m提馏段有效高度为 Z提=(N提-1)HT=(13-1)0.40=4.8m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 Z=Z精+Z提+0.8 = 2.8+4.8+0.8=8.4m4.5.塔板主要工艺尺寸的计算4.5.1溢流装置计算 因塔径D2.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长lW取 lW= 0.66D = 0.662.4= 1.584m溢流堰高度hw由 选用平直堰，堰上液层高度h由式5-7计算，即 h =E近似取E1,则 = 10.021m取板上清液层高度=0.06m故 弓形降液管宽度和截面积由 查图5-7，得 Af=0.0722AT=0.07224.52=0.326m2Wd=0.124D=0.1242.4=0.297m依式5-9验算液体在降液管中停留时间，即 = = 故降液管设计合理。降液管底隙高度 取 =0.18/m/s 0.006m 故降液管底隙高度设计合理 选用凹形受液盘，深度=50mm4.5.2塔板布置塔板的分块 因D800mm，故塔板采用分块式。查表5-3得，塔板分为3块。边缘区宽度确定取 W = W= 0.065m , W = 0.035m开孔区面积计算 开孔区面积Aa按式5-12计算，即 其中 x = - (W+ W) = r =- W= 故 A =3.535m 筛孔计算及其排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用 3 mm碳钢板,取筛孔直径do5 mm筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 t3do3515mm筛孔数目n为 n = = 个开孔率为 = 0.907（）= 0.907（）=10.1%气体通过筛孔的气速为 u = = 4.6. 筛板的流体力学验算4.6.1 塔板压降干板阻力hc计算干板阻力hc由式5-19计算，即由 1.67，查图5-20得，0.772故 h = 0.051() () =0.0322m 液柱气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力h1由式5-20计算，即 u= = m/s F = 0.87 = 1.482kg/(sm)查图5-11，得=0.60故 h=(hh) = 0.60(0.039+ 0.021)=0.036m液柱液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由式5-23计算，即 h= = =0.0021m液柱气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即 h= 0.0322+0.036+0.0021 = 0.0703m液柱气体通过每层塔板的压降为P= = 0.0703804.99.81= 555.1Pa0.7kPa(设计允许值)4.6.2 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 4.6.3 液沫夹带 液沫夹带量由式5-24计算，即 h =2.5h = 2.50.06 =0.15m故 = kg液/kg气u稳定系数为 K=1.686 1.5故在本设计中无明显漏液4.6.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从式5-32的关系，即 苯一甲苯物系属一般物系，取0.5，则 =0.5(0.40+0.039)=0.220m而 板上不设进口堰，可由式5-30计算，即h=0.513=0.153(0.16)=0.00392m液柱=0.0703+0.06+0.00392=0.134m液柱故在本设计中不会发生液泛现象4.7. 塔板负荷性能图 4.7.1漏液线由 h =得 =4.40.7720.1013.535 整理得20.2在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表1表1L,m/s0.00150.010.020.03V m/s,1.9592.0172.3272.452由上表数据即可作出漏液线l4.7.2液沫夹带线以0.1kg液/kg气为限，求 Vs-Ls关系如下由 u= = = 0.238V h =0.039h= = 0.491L故 h= 0.098 +1.228 L H- h=0.302-1.228 L e=0.1整理得 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2表2L,m/s0.00150.010.020.03V m/s,7.5856.5005.6124.867由上表数据即可作出液沫夹带线24.7.3液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度=0.006m作为最小液体负荷标准。由式5-7得 h= =0.006取E=1，则L= ()= 0.00135据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 4.7.4 液相负荷上限线 以4s作为液体在降液管中停留时间的下限 =4故 L=0.0326 m/s据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线4。4.7.5 液泛线 令 由 ；联立得 忽略，将与LS，与LS，与VS的关系式代人上式，并整理得 式中 = = H+( -1)h =0.153/(lh) =2.84(1+)将有关数据代入，得 =0.00242 =0.50.157 =49.78 =2.840.78故 0.00242V=0.157-49.78L-0.78L或 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表3 表3L,m/s0.00150.010.020.03V m/s,7.7856.9185.7363.905由上表数据即可作出液泛线 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图2查得 Vs,mas=6.087m3/s Vs,min=2.012m3/s故操作弹性为 所设计筛板的主要结果汇总于表4序号项目数值序号项目数值1平均温度tm,87.0517边缘区宽度,m0.0352平均压力pm,kPa 108.118开孔区面积,m23.5353气相流量VS,(m3/s)3.64919筛孔直径,m0.0054液相流量LS,(m3/s)0.0089720筛孔数目 181465塔的有效高度Z,m1021孔中心距,m0.0156实际塔板数 2122开孔率,%10.17塔径,m2.423空塔气速, m/s0.8078板间距 0.424筛孔气速, m/s10.229溢流型式 单溢流 25稳定系数 1.68610降液管型式 弓型 26单板压降,kPa0.555111堰长,m1.58427负荷上限 液泛控制 12堰高,m0.03928负荷下限 漏夜控制 13板上液层高度,m0.0629液沫夹带,kg液/kg气 0.01514堰上液层高度,m0.01830气相负荷上限, m3/s6.08715降液管底隙高度,m0.03131气相负荷下限, m3/s2.01216安定区宽度,m0.06532操作弹性 3.0255.辅助设备的草图及选型5.1回流冷凝器按冷凝器与塔的位置，可分为：整体式、自流式和强制循环式。（1）整体式如图3(a)和(b)所示。将冷凝器与精馏塔作成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。图3 冷凝器的型式（2）自流式如图3（c）所示。将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。（3）强制循环式如图3（d）、（e）所示。当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情况下，冷凝器采用卧式，因为卧式的冷凝液膜较薄，故对流传热系数较大，且卧式便于安装和维修。 5.2再沸器精馏塔底的再沸器可分为：釜式再沸器、热虹吸式再沸器及强制循环再沸器。（1）釜式式再沸器如图4（a）和（b）所示。（a）是卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，再进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面，部分液体则通过再沸器内的垂直挡板，作为塔底产物被引出。液体的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留810分钟，以分离液体中的气泡。为减少雾沫夹带，再沸器上方应有一分离空间，对于小设备，管束上方至少有300mm高的分离空间，对于大设备，取再沸器壳径为管束直径的1.31.6倍。（b）是夹套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，一般液面维持在容积的70%左右。夹套式再沸器，常用于传热面较小或间歇精馏中。（2）热虹吸式再沸器如图4（c）、（d）、（e）所示。它是依靠釜内部分汽化所产生的汽、液混合物其密度小于塔底液体密度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器又