化工设计实训模板-乙醇水筛板塔.docx

钦 州 学 院化 工 设 计 设计题目： 苯甲苯二元筛板精馏塔设计 设计者： 学号： 专业： 化学工程与工艺（石油化学工程） 班级： 指导教师： 设计时间： 目录设计任务书1第一章前期工作21.1物料理化性质31.2物料衡算及能量衡算结果51.3 精馏塔设计结果81.3.1 筛板塔设计计算结果汇总81.3.2 塔总体高度计算9第二章 附属设备的计算与选型112.1 换热器设计112.2进料泵选型152.3储罐的选型20设备一览表23第三章 设备布置图24第四章 工艺管道布置图26总 结27参考文献28设计任务书题目：苯甲苯二元筛板精馏塔设计在一常压操作的连续精馏塔内分离苯甲苯混合物。要求年处理量为3.6万吨，组成为苯0.43（质量分率，下同），馏出液组成为0.96，塔釜液组成为0.009。加料热状况q=1，塔顶全凝器为泡点回流，回流比 RRmin=1.4。塔釜加热方式：间接蒸汽加热，采用120水蒸气；塔顶冷凝水采用钦州江河水源，温度T25。条件：常压，泡点进料，塔顶全凝器泡点回流，单板压降不大于0.7kPa，热源为低压饱和水蒸气（120），冷源为当地水（钦州地区）。操作压力 进料热状态 回流比 单板压降 进料热源 建厂地址常压 q=1 R/Rmin=1.4 0.7kpa 393.15k 钦州地区工作日每年300天，每天24小时连续运行设计任务：1.列出物料理化性质；2.对分离系统进行物料衡算、热量衡算，绘制工艺物料流程图； 3. 选择控制方案，绘制PID图；3.对精馏塔工艺数据进行汇总，填写计算数据汇总表、绘制塔工艺条件图；4.对附属设备进行设计，确定设备的工艺设计参数，确定设备型号，完成设备一览表；泵：类型，流量，扬程，轴功率，允许吸上高度，备用率；换热器：类型，材质，热负荷，换热面积，冷、热载体的种类，冷（或热）流体的流量、温度和压力；贮罐：类型，材质，容积，基本尺寸。5.对设备进行布置确定各设备在平面与里面上的准确具体位置，绘制设备布置图。要求布置紧凑整齐，符合建筑设计防火规范、化工企业安全卫生设计规定等法律法规要求，具体见教材及资料。6.对工艺管道进行布置 选择管道材料，计算管径、选择壁厚，选择阀门管件；对工艺管道进行布置，绘制工艺管道布置图。7.撰写设计第一章 前期工作在本次设计中，我们进行的是苯和甲苯二元物系的精馏分离，简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓，如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。实际上，蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、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，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我们这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，有时后可以考虑将余热再利用，在此就不叙述。要保持塔的稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器连种不同的设置。在这里准备用全凝器，因为可以准确的控制回流比。此次设计是在常压下操作。 因为这次设计采用间接加热，所以需要再沸器。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。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入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。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1.4倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。工艺流程如下：图1-21.1物料理化性质（苯A ； 甲苯B）表11 苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量沸点临界温度临界压强AC6H678.1180.1288.54833.2BC6H5CH392.13110.6318.574107.7 表12 液相密度kg/m3温度8090100110120A815803.9792.5780.3768.9B810800.2790.3780.3770.0表13 表面张力mN/m温度8090100110120A21.2720.0618.8517.6616.49B21.6920.5919.9418.4117.31 表14 粘度LmPa温度8090100110120A0.3080.2790.2550.2330.215B0.3110.2860.2640.2540.228 表15 汽化热kJ/kg温度8090100110120A394.1386.9379.3371.5363.2B379.9373.8367.6361.2354.6苯的物理性质 苯的沸点为80.1，熔点为5.5，在常温下是一种无色、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水重，。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。苯的化学性质 最简单的芳香烃。分子式C6H6。为有机化学工业的基本原料之一。无色、易燃、有特殊气味的液体。熔点5.5，沸点80.1，相对密度0.8765（204）。在水中的溶解度很小，能与乙醇、乙醚、二硫化碳等有机溶剂混溶。甲苯物理性质甲苯(Toluene）是最简单、最重要的芳烃化合物之一。在空气中甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ，沸点为111 。甲苯带有一种特殊的芳香味，与苯的气味类似，在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体、密度为0.866 g/cm;对光有很强的折射作用，折射率1.4961。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)但可以和二硫化碳、酒精、乙醚以任意比例混溶在氯仿、丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0.6 mPas也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg、闪点为4 、燃点为535 。甲苯的化学性质甲苯是有机化合物属芳香烃结构简式为C6H5CH3。在常温下呈液体状、无色、易燃。它的沸点为110.8、凝固点为95、密度为0.866 g/cm。甲苯温度计正是利用了它的凝固点比水很低可以在高寒地区使用而它的沸点又比水的沸点高,可以测110.8以下的温度。因此从测温范围来看它优于水银温度计和酒精温度计。另外甲苯比较便宜,故甲苯温度计比水银温度计也便宜。甲苯与苯的性质很相似，是化工工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害危害等级为乙类使用和生产时要防止它进入呼吸器官。1.2物料衡算及能量衡算结果化工原理课程设计任务书中的计算汇总得到精馏塔的物料和能量衡算如下表表16 物料衡算表组分物料（输入）物料塔顶（输出）物料塔底(输出)进料（kmol/h）质量分数/%进料（kmol/h）质量分数/%进料（kmol/h）质量分数/%苯25.134327.04960.270.9甲苯33.32571.13430.0199.1合计58.4510028.1710030.28100压力/KPa109101.3111.8温度/92.1780.75109.81体积流量/m3/h6.252.723.57表17 能量衡算表项目输入输出进料Qf再沸器塔顶馏出液Qd塔底残液Qw冷凝器热量Q/(kJ/h)1139421.513998612.97402289.39782789.633954464.46合计/(kJ/h)5139543.485139859.48工艺物料流程图由物料和能量衡算，绘制出工艺物料流程图图1-3管道仪表流程图根据选择的控制方案，绘制出PID图图1-41.3 精馏塔设计结果1.3.1 筛板塔设计计算结果汇总筛板塔设计计算结果汇总见下表：表1-8 筛板塔设计计算结果汇总表序号项目计算数据备注精馏段提馏段1塔径/m1.51.52板间距/m0.40.43塔板类型单溢流弓形降液管整块式塔板4空塔气速/(m/s)0.8410.5955堰长/m0.90.96堰高/m0.0430.0437板上层高度/m0.060.068降液管底隙高度/m0.0260.0389筛板数/个7176正三角形叉排10筛孔气速/(m/s)4.654.6511筛板动能因子11.5610.7812临界筛板气速/(m/s)5.995.8713孔心距/m0.0750.075同一横排孔心距14排间距/m0.0710.066相邻横排中心距离15单板压降/KPa0.5230.50816降液管内清液层高度/m0.18570.127117泛点率/%47.0649.0018汽相负荷上限(m3/s)1.071.09雾沫夹带控制19汽相负荷下限(m3/s)0.250.27漏液控制20操作弹性4.284.041.3.2 塔总体高度计算塔总体高度利用下式计算： （式1）塔顶封头封头分为椭圆形、蝶形封头等几种。本设计采用椭圆形封头，由公称直径DN=1000mm，查书附录2得曲面高度,直边高度,内表面积,容积。则封头高度。塔顶空间设计中塔顶间距,考虑到需要安装除沫器，所以选取塔顶空间1.2m。塔底空间塔底空间高度HB是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则： （式2） =人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于人进出任何一层塔板。由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔6-8块板开设一个孔，本塔分别在第6、12、20、24块板处（从上往下数）开设一个人孔，即可。在设置人孔处，每个人孔直径为450mm，板间距为HP=800mm，人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆。进料板处板间距考虑在进口处安装防冲设施，取进料板处板间距HF=800mm。裙坐塔底常用裙坐支撑，本设计采用圆筒形裙坐。由于裙坐内径800mm,故桾座壁厚取16mm。基础环内径：基础环外径：圆整后：考虑到再沸器，取裙坐高H2=2.5m。由上述数据可以算出塔体总高度 =24-1-4-10.4+10.8+20.6+1.2+1.5+2.9+2.5=17.3图1-5第二章 附属设备的计算与选型2.1 换热器设计2.1.1换热器材料由于物料是苯与甲苯的混合溶液，所以选用一般的碳钢材料。2.1.2冷凝器有机蒸汽冷凝器设计选用总传热系数一般范围为.本设计取K=700kcal/=2926KJ/出料液温度80.97（饱和气）80.97（饱和液）冷却水2035逆流操作,则根据全塔热量衡算得:Qc=2868054.9 KJ/h传热面积 A1=QcKtm=2868054.9292653.12=18.45 m2 由传热面积A1查表可得换热器为公称直径为450mm，管长2m，管子数n=126，2管程，单壳程的固定管板式换热器。再取安全系数1.04，则所需传热面积A=18.451.04=19.18 m2其型号为BEM-450-pt-19.18-2/25-2I2.1.2.1 传热系数核算（1）壳程表面传热系数由克恩法计算可得 其中 壳程流体的热导率，；当量直径，；管外流动雷诺数；流体在定性温度下的普朗特数；流体在定性温度下的粘度，；流体在壁温下的粘度，。则管子为正三角形排列时的当量直径为：壳程的流通截面积为：壳层流速：则壳程流体的雷诺数为：公式中Re的适应范围为2(103106)，符合公式要求。普朗特数为：粘度矫正 则壳程表面传热系数：Ko( 1o Rsobdowdm Rsidodi doidi ) =1/( 1447.6472 1.7210-4 0.0020.01916.50.0173o 1.07210-4 0.0190.015 0.0190.0151396.0573 ) =272.7352 W/(m2.)。（2）管程流体传热系数计算此公式的适用范围是：低粘度流体 ；雷诺数 ；普朗特数 ；管长管径之比 ；管程流体被冷却，n=0.3。管程流体的流通截面积A1为：流速 雷诺数,所以，流体流动为湍流形式。 普朗特常数的计算以上各物性数据符合公式的适用范围，可用于计算管程表面传热系数。则管程表面传热系数：K( 1o Rsobdowdm Rsidodi doidi ) =1/( 1447.6472 1.7210-4 0.0020.01916.50.0173o 1.07210-4 0.0190.015 0.0190.0151396.0573 ) =280.17452 W/(m2.)（3）污垢热阻和管壁热阻对于有机物流体，污垢热阻一般取0.176。管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 此换热器管程选用较高级冷拔碳钢传热管材料，其热导率约为50，则管壁热阻为：总传热系数K的确定：K( 1o Rsobdowdm Rsidodi doidi ) =1/( 1447.6472 1.7210-4 0.0020.01916.50.0173o 1.07210-4 0.0190.015 0.0190.0151396.0573 ) =272.7352 W/(m2.)经计算得到K=272.7352W/(m2.oC)700W/(m2. oC)，选用换热器时，要求过程的中传热系数为220.9321 W/(m2.)，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的Ko=272.7352 W/(m2.)，所选择的换热器的安全系数为： 272.7352-220.9321220.9321o =23.4475%则该换热器传热面积的裕度符合要求。2.1.3 再沸器选用120饱和水蒸气，总传热系数取料液温度 水蒸气温度 逆流操作,则根据全塔热量衡算得：传热面积 A2=QBKtm=3674037.0329269.95=126.20 m2 由传热面积A2查表可得换热器为公称直径为900mm，管长3m，管子数n=554，4管程，双壳程的固定管板式换热器。再取安全系数1.04，则所需传热面积其型号为BEM-900-pt-131.24-3/25-2I由总传热系数Ko校核Ko( 1o Rsobdowdm Rsidodi doidi ) =1/( 1902.0768 1.7210-4 0.0020.01916.50.0173o 1.7210-4 0.0190.015 0.0190.015672.2872 ) =284.2516 W/(m2.)选用换热器时，要求过程的中传热系数为251.8235 W/(m2.)，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的Ko=284.2516 W/(m2.)，所选择的换热器的安全系数为： 284.2516-251.8235221.8235o =13.1044%则该换热器传热面积的裕度符合要求。2.2 进料泵选型2.2.1 泵选型要求泵选型需要满足以下要求：（1）必须满足流量、扬程、压力、温度、汽蚀余量等工艺参数的要求；（2）必须满足介质特性的要求：对输送易燃、易爆、有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄露泵，如屏蔽泵、磁力驱动泵、隔膜泵等；对输送腐蚀性介质的泵，要求过流部件采用耐腐蚀材料；对输送含固体颗粒介质的泵，要求过流部件采用耐磨材料，必要时轴封应采用清洁液冲洗。（3）必须满足现场的安装要求：对安装在有腐蚀性气体存在场合的泵，要求采取大气腐蚀的措施；对安装在室外环境温度低于-20一下的泵，要求考虑泵的冷脆现象，采用耐低温材料；对安装在爆炸区域的泵，应根据爆炸区域等级，采用防爆电动机。表2-1 泵的特性编号指标叶片式容积式离心泵轴流泵旋涡泵往复泵转子泵1流量1.1均匀性均匀不均匀比较均匀1.2稳定性不恒定，随管道情况变化而变化恒定1.3范围/(m3/h)1.6300001502450000.410060016002扬程2.1特点对应一定流量，只能达到一定的扬程对应一定流量可达到不同扬程，由管道系统确定2.2范围102600m220m8150m0.2100MPa0.260MPa3效率3.1特点在设计点最高，偏离越远，效率越低扬程高时，效率降低较小扬程高时，效率降低较大3.2范围(最高点)0.50.80.70.90.250.50.70.850.60.84结构特点结构简单，造价低，体积小，重量轻，安装检修方便结构复杂，振动大，体积大，造价高同离心泵5操作与维修5.1流量调节方法出口节流或改变转速出口节流或改变叶片安装高度不能用出口阀调节，只能用旁路调节同旋涡泵，另外还可调节转速和行程同旋涡泵，另外还可调节转速5.2自吸作用一般没有没有部分型号有有有5.3启动出口阀关闭出口阀全开出口阀全开5.4维修简便麻烦简便6适用范围黏度较低的各种介质特别适用于大流量、低扬程，黏度较低的介质特别适用于小流量、较高压力的低黏度的清洁介质特别适用于高压力、小流量的清洁介质(含悬浮液或要求完全无泄漏可用隔膜泵)适用于中低压力、中小流量尤其适用于黏性高的介质7性能曲线：H扬程；Q流量；效率；N轴功率； 表2-2 典型化工用泵的特点和选用要求泵名称特点选用要求进料泵(包括原料泵和中间给料泵)流量稳定；一般扬程较高；有些原料黏度较大或含固体颗粒；泵入口温度一般为常温，但某些中间给料泵的入口温度也可大于100；工作时不能停车一般选用离心泵；扬程很高时，可考虑用容积式泵或高速泵；泵的备用率为100%回流泵(包括塔顶、中段及塔底回流泵)流量变动范围大，扬程低；泵入口温度不高，一般为3060；工作可靠性要求高一般选用离心泵；泵的备用率为50% 100%塔底泵流量变动范围大(一般用液位控制流量)；流量较大；泵入口温度较高，一般大于100；液体一般处于气液两相态，NPSHa小；工作可靠性要求高；工作条件苛刻，一般有污垢沉淀一般选用离心泵；选用低汽蚀余量泵，并采用必要的灌注头；泵的备用率为100%循环泵流量稳定，扬程较低；介质种类繁多选用离心泵；按介质选用泵的型号和材料；泵的备用率为50% 100%产品泵流量较小；扬程较低；泵入口温度低(塔顶产品一般为常温，中间抽出和塔底产品温度稍高)；某些产品泵间断操作宜选用离心泵；对纯度高或贵重产品，要求密封可靠，泵的备用率100%；对连续操作的产品泵，备用率为50% 100%；对间歇操作的产品泵，一般不设备用泵。注入泵流量很小，计量要求严格；常温下工作；排压较高；注入介质为化学药品、催化剂等，往往有腐蚀性选用柱塞或隔膜计量泵；对有腐蚀性介质，泵的过流元件通常采用耐腐蚀材料；一般间歇操作，可不设备用泵排污泵流量较小，扬程较低；污水中往往有腐蚀性介质和磨蚀性颗粒；连续输送时要求控制流量选用污水泵、渣浆泵；常需采用耐腐蚀材料；泵的备用率为50% 100%燃料油泵流量较小，泵出口压力稳定(一般为1.01.2MPa)；黏度较高；泵入口温度一般不高根据不同黏度，选用转子泵或离心泵；泵的备用率为100%润滑油泵和封液泵润滑油压力一般为0.1 0.2MPa；机械密封封液压力一般比密封腔压力高0.050.15MPa一般均随主机配套供应；一般均为螺杆泵和齿轮泵，但离心压缩机组的集中供油往往使用离心泵2.2.1泵材料由于物料是苯与甲苯的混合溶液，所以选用一般的碳钢材料。2.2.2选型计算表2-3 P101A/B操作条件操作介质苯-甲苯混合液流体密度()794.2587流量Q ()6.25入口压力(Pa)200000流体粘度 (Pa/s)0.0002522出口压力 (Pa)500000操作温度T ()32 最大流量取流量的1.1倍，则，流速取：u=1m/s，得： 即管径 圆整后取d=150mm 计算的流速结果在误差范围内。 已知混合流体的粘度=0.0002522 PaS雷诺准数： 根据项目的管道选型，管道绝对粗糙度取0.3mm则相对粗糙度为： 根据化工原理（第二版，夏清、贾绍义主编）的摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系图中查得摩擦系数为=0.025 管路损失：=0.024*(l+le)=0.3862（l+le）压头损失： 其中： pg=5105-3105794.35879.81=16.498 根据工艺要求u=0 位差Z=8m 根据工艺要求，取 因此，Hg=8+16.498+0.024120.150.851229.81=22m使用由化学工业出版社出版的智能选泵系统对泵的种类进行选取，其选取过程如下：(1) 将泵的参数数据输入软件，进行系统智能选泵泵的装配图泵的工作曲线依据上述的选泵数据和工作条件、工艺特点。查询表可以选出使用的泵的型号为IS50-32-125,并得出其轴功率为0.96。 2.3储罐的选型2.3.1储罐材料由于物料是苯与甲苯的混合溶液，所以选用一般的碳钢材料。2.3.2 原料罐储罐容积计算原料罐设计半天的体保有量，起进料缓冲作用。容积V=进液体积流量停留时间 则进料罐体积容积V1=6.2512= 75 m3设装量系数=0.75原料罐容积V=V1=750.75=100 m3储罐基本尺寸查表罐储罐尺寸表HG5-1580-85 卧式储罐尺寸表容积主要尺寸储罐重量公称全容积筒体直径筒体封头支座位置总长度kg容积壁厚长度厚度L1L21001053200101150014998076013208128002.3.3 回流罐储罐容积计算苯回流罐设计10min的一体保有量，做冷凝器液封之用。回流罐容积V=进液体积流量停留时间 则回流罐体积容积V1=3.61/6=0.6 m3设装量系数=0.75回流罐容积V=V1=0.60.75=0.8 m3储罐基本尺寸查表罐储罐尺寸表HG5-1580-85 卧式储罐尺寸表容积主要尺寸储罐重量公称全容积筒体直径筒体封头支座位置总长度kg容积壁厚长度厚度L1L20.80.8700518006150015022122902.3.4 产品罐储罐容积计算苯产品罐设计1周的一体保有量。产品罐罐容积V=进液体积流量停留时间 则产品罐体积容积V1=2.72247=456.96 m3设装量系数=0.75产品罐罐容积V=V1=456.960.75=609.28 m3储罐基本尺寸查表罐储罐尺寸表HG21502.1-92 钢制圆筒形固定顶储罐系列公称全容积筒体筒体高度拱顶高度设备拱顶中幅板边缘板材料容积直径总高1001105200520055457545.566Q235-B2002206550650070072505.5663003307500720080583055.5664004408250825088791375.5665005508920892097298925.566600660950093151023103385.5667007701020094251112105375.56680088010500101651132112975.5661000110011500106501241118915.5671500164513500115001468129685.5672000222015780113701721130915.5673000330018900117602049138095.569选用全容积660的储罐。设备一览表表2-4换热器设备选型一览表设备型号类型管程物流壳程物流用途冷凝器BEM-450-pt-19.18-2/25-2I固定管板式换热器循环水工艺流体冷凝再沸器BEM-900-pt-131.24-3/25-2I固定管板式换热器工艺流体饱和水蒸汽再沸表2-4 泵设备选型一览表设备扬程效率电机功率转速汽蚀余量质量材料备注进料泵22472.229001.2296碳钢一用一备表2-5储罐选型一览表原料罐选用钢制卧式圆筒形储罐，材料为碳钢，公称容积为100m3立式储罐一个，直径3200mm，筒体长度11500mm,储罐总长13208mm，封头为标准椭圆形封头回流罐选用钢制卧式圆筒形储罐，材料为碳钢，公称容积为0.8m3立式储罐一个，直径600mm，筒体长度1600mm,储罐总长1962mm，封头为标准椭圆形封头产品储罐选用选用钢制立式圆筒形固定顶储罐，材料为碳钢，公称容积为660m3立式储罐一个，直径9500mm，筒体高度9315mm,储罐高10338mm，封头为标准椭圆形封头第三章 设备布置图确定各设备