苯甲苯板式精馏塔设计.doc

精品文档 河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计题 目: 苯-甲苯板式精馏塔设计 学 院: 化学化工学院 专 业:_ 化学工程与工艺 学 号: 2014210015 姓 名: 卢 婷 指导教师: 冯 敏 2016年11月22日 4欢迎下载4欢迎下载。精品文档化工原理课程设计任务书一、设计题目苯-甲苯分离板式精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 6万 吨/年操作周期 每年300天，每天24小时运行 进料组成 含甲苯40% （质量分率，下同）塔顶产品组成 甲苯含量低于2% 塔底产品组成 甲苯含量高于99.5% 2.操作条件操作压力 常压 进料热状态 自选 塔底加热蒸汽压力 0.5MPa(表压) 单板压降 0.7kPa 3.设备型式 筛板或浮阀塔板 4.厂址 张掖 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算：再沸器、冷凝器5.设计结果汇总6.工艺流程图及精馏塔设备条件图7.设计评述目录1.绪论11.1 精馏原理及其在化工生产上的应用11.2 塔设备简介11.3设计要求21.4精馏操作对塔设备的要求21.5常用板式塔类型及本设计的选型31.6筛板塔31.7工艺条件的确定和说明31.8确定设计方案的原则51.9物料流程简图62.精馏塔的物料衡算62.1原料液进料量、塔顶、塔底摩尔分率62.2 物料衡算72.3塔板计算72.3.1 理论塔板数求取72.4全塔效率计算92.5实际塔板数计算102.6有效塔高计算103.精馏塔有关工艺及物性数据计算103.1操作压力的计算103.2平均密度的计算113.2.1气相平均密度的计算113.2.2液相平均密度的计算113.2.3液体表面张力的计算123.2.4液相平均粘度的计算123.2.5气液负荷计算133.3塔径的计算133.4塔板主要工艺尺寸计算153.4.1溢流装置计算153.4.2塔板布置174.筛板的流体力学验算、单板压降184.1精馏段筛板的流体力学验算和单板压降184.2提馏段筛板的流体力学验算和单板压降204.4塔板负荷性能图224.4.1精馏段塔板负荷性能图224.4.2提馏段筛板负荷性能图254.5设计计算结果总结285.精馏塔附件设计305.1接管305.2筒体与封头315.3除沫器325.4裙座325.5人孔335.6塔体总高度设计335.6.1塔的顶部空间高度335.6.2塔体高度335.7附属设备设计335.7.1冷凝器的选择335.7.2再沸器的选择346.总结35参考文献36致 谢37III欢迎下载。精品文档苯-甲苯分离板式精馏塔工艺设计卢婷摘要：本设计采用筛板塔分离苯甲苯混合物，通过图解理论板法计算得出理论板数为16块，回流比为1.96，算出塔板效率0.6，实际板数为26.3块，进料位置为第16块，在筛板塔主要工艺尺寸的设计计算中得出，塔径为1.6米，塔高17.9米，每层筛孔数目为216。通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。同时还对精馏塔的辅助设备进行了选型计算。关键词：苯，甲苯，精馏，筛板塔 1. 绪论1.1 精馏原理及其在化工生产上的应用化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。广泛应用于炼油、化工、轻工等领域。蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其挥发性能不同(或沸点不同)来实现分离目的。以本设计所选取的苯-甲苯体系为例，加热苯(沸点80.1)和甲苯(沸点110.6)的混合物时,由于苯的沸点较低（即挥发度较高)。所以苯易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到苯组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将苯和甲苯分离。经过多次部分汽化部分冷凝，最终在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分。1.2 塔设备简介塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内有定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上(也有并流向下者)与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料消耗少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。1.3设计要求 设计条件： 体系：苯-甲苯体系 已知：进料量F=60000吨/年 操作周期 7200小时/年 进料组成：甲苯40% (质量分率，下同) 塔顶产品组成 甲苯含量低于2% 塔底产品组成 甲苯含量高于99.5% 操作条件：塔顶压强为常压(表压) 进料热状况为泡点进料 加热蒸汽为饱和水蒸汽（0.5MPa表压）单板压降小于0.7MPa 冷公用工程为循环水 20-40 设备形式: 筛板式精馏塔 厂 址: 张掖1.4精馏操作对塔设备的要求工业上对塔设备的主要要求:(1)生产能力大；(2)传质、传热效率高；(3)气流的摩擦阻力小；(4)操作稳定，适应性强，操作弹性大；(5)结构简单，材料消耗少；(6)制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。1.5常用板式塔类型及本设计的选型 塔设备大致可以分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如传流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。工业上应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。板式塔是化工生产中广泛采用的一种传质设备，板式塔的塔盘结构是决定塔特性的关键，常用塔板有泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形及浮动喷射形等。对于苯-甲苯体系，本设计选用筛板塔。1.6筛板塔 筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。 筛板的优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，应用日趋广泛。 (1) 筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。对于气、液恒摩尔流的塔段，只需任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常下面一块塔板进行设计。这样计算便于查取气液相物性数据。(2) 若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，若不同塔段塔板的筛孔数、空心距与筛孔直径之比可能有差异。对筛孔少、塔径大的塔段，为减少进塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径，即异径塔。1.7工艺条件的确定和说明（1）操作压力 塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则： 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸汽可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa才能使普通冷却水冷却塔顶蒸汽时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。 考虑利用较高温度的蒸汽冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。综合考虑以上因素本设计采用常压精馏。（2）进料状态精馏塔的进料情况有五种： 冷进料； 泡点进料； 气液混合进料； 饱和蒸汽进料； 过热蒸汽进料。为了便于分析，令q=(每公斤分子进料液体变成饱和蒸所需热量)/(每公斤分子进料的汽化潜热)从上式可以看出：冷进料时q1，泡点进料时q=1，气液混合进料时0q1，饱和蒸汽进料时q=0，过热蒸汽进料时q5s (符合要求)降液管底隙高度h0取液体在降液管底部流过的速度u0=0.15m/s h0=Lh3600lwu0=0.0036360036000.150.96=0.025mhw-h0=0.043-0.025=0.018m0.006m满足条件，故降液管底隙高度设计合理受液盘：采用平行受液盘，不设进堰口，深度为60mm 提馏段溢流堰长lw：单溢流区lw=（0.60.8）D，取堰长lw=0.60D=0.96 m出口堰高hw:hw=hL-howlwD=0.961.6=0.6 Lhlw2.5=0.003636000.962.5=14.35查液流收缩系数计算图：图5 液流收缩系数计算图E=1.04how=2.841000ELhlw23=2.8410001.040.003636000.9623=0.017 mhw=hL-how=0.06-0.017=0.043m降液管的宽度Wd和Af查得：WdD=0.124 AfAT=0.056Wd=0.124D=0.1241.6=0.198mAf=0.056AT=0.0563.1441.62=0.113m2液体在降液管中停留的时间：=3600ATHTLh=36000.1130.40.00863600=5.265s (符合要求)降液管底隙高度h0取液体在降液管底部流过的速度u0=0.07m/sh0=Lh3600lwu0=0.0036360036000.070.96=0.02mhw-h0=0.043-0.02=0.023m0.006m满足条件，故降液管底隙高度设计合理受液盘：采用平行受液盘，不设进堰口，深度为60mm3.4.2塔板布置塔板的分块因为D1200mm,故，塔板采用分块式，对精馏段取边缘宽度。由于小塔边缘宽度取30mm-50mm.所以，Wc=0.04m安定区宽度由于D=1.6m1.5m，故，Ws=80-110mm取 Ws=0.08m开孔区面积Aa=2xR2-x2+R2180sin-1xRR=D2-WC=1.62-0.04=0.76x=D2-Wd+Ws=1.62-0.118=0.682Aa=20.6820.762-0.6822+3.140.762180sin-10.6820.76=1.095筛孔数n与开孔率本例处理苯甲苯混合物，无腐蚀性，可算用=3mm碳钢板，取筛板直径d0=5mm,筛孔按正三角形排列，取孔中心距t=35=15mm n=1.155Aat2=5621个图6 筛孔的正三角形排列=A0Aa=0.907td02=0.101每层板上的开孔面积为A0=Aa=0.111m2筛孔气速u0=VSA0=1.640.111=14.77m/s4. 筛板的流体力学验算、单板压降4.1精馏段筛板的流体力学验算和单板压降（1）干板阻力hc计算d0=53=1.67图7 干筛孔流量系数图查干筛孔流量系数图可得：C0=0.84hc=12gvLu0C02=129.812.379809.4211.550.842=0.028m(液柱)（2）气体通过液层的阻力h1计算h1=hLua=VSAT-Af=1.732.01-0.113=0.9m/sF0=u0Vm=0.92.379=1.388 kg12sm12查充气系数关联图得：图8 充气系数关联图=0.62故 h1=hL=0.620.06=0.0372m（液柱）（3）液体表面张力的阻力计算h=4hLgd0=40.020866809.4199.810.005=0.002102m(液柱)气体通过每层塔板的液柱高度hphp=hc+h1+h=0.028+0.0372+0.002102=0.067m(液柱)气体通过每层塔板的压降Pp=hpLg=0.067809.4199.81=532.0 PaHd 所以设计中不会出现液泛现象 （6）雾沫夹带v=5.710-3LuaHT-2.5hL3.2=0.0104 kg液/kg气u0min=7.2m/s 稳定系数K=u0u0min=14.777.2=2.051.6 故，在本设计中无明显漏液现象4.2提馏段筛板的流体力学验算和单板压降1）干板阻力hc计算d0=53=1.67 查筛板塔气液负荷因子曲线图查图可得：C0=0.84hc=12gvLu0C02=129.812.723792.2711.550.842=0.033m(液柱)（2）气体通过液层的阻力h1计算h1=hLua=VSAT-Af=1.642.01-0.113=0.86m/sF0=u0Vm=0.862.723=1.42 kg12sm12=0.60故 h1=hL=0.600.06=0.036m（液柱）（3）液体表面张力的阻力计算h=4hLgd0=40.019446792.279.810.005=0.002 m(液柱)气体通过每层塔板的液柱高度hphp=hc+h1+h=0.033+0.036+0.002=0.071 m(液柱)气体通过每层塔板的压降Pp=hpLg=0.071792.279.81=551.8 PaHd所以设计中不会出现液泛现象（6）雾沫夹带v=5.710-3LuaHT-2.5hL3.2=0.005 kg液/kg气u0min=6.7 m/s稳定系数K=u0u0min=11.556.7=1.71.6故，在本设计中无明显漏液现象4.4塔板负荷性能图4.4.1精馏段塔板负荷性能图(1) 漏液线u0min=4.4C00.0056+0.13hw+how-hLvu0min=VsminA0 hL=hw+how A0=Aahow=2.841000ELhlw23联立得：Vs0,min=4.4C0A00.0056+0.13hw+2.841000ELhlw23-hLv代入数据整理得：Vs=0.523.092+27.16Ls23在操作范围内，任取几个LS值，计算得出VS表四 精馏段漏液线数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)0.940.950.9530.960.97根据以上数据，做出精馏段漏液线（2）雾沫夹带线以eV=0.1kg液/kg气,为限eV=5.710-6LuaHT-hf23how=2.841000E3600Lh0.9623=0.86LS23hf=2.5hw+how=0.108+2.2LS23HT-hf=0.4-0.108+2.2LS23=0.292-2.2LS23联立解得：VS=3.498-26.258LS23在操作范围内取几个LS，计算出VS=表五 精馏段雾沫夹带数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)3.3143.2753.2393.2063.087根据以上数据做出雾沫夹带线（3）液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006为最小液体负荷标准how=2.8410001.043600Lh0.9623=0.86LS23=0.006Ls,min=0.00058m3/s据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（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=ATHTLS=4sLs,max=0.0113 m3/s据此做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线（5）液泛线由E=1.04 lw=0.96得how=2.8410001.043600Lh0.9623=0.86LS23hc=0.051vLu0C02=0.051vLVSA0C02=0.0126VS2h1=hw+how=0.620.043+0.86LS23=0.027+0.533LS23已知h=0.002102 m (液柱)hp=hc+h1+h=0.0126Vs2+0.533Ls23+0.029102hd=0.153LSlwh02=6.38Ls2已知HT=0.4m hw=0.043m =0.5代入HT+hw=hp+hw+how+hd整理得： VS2=8.35-110.56LS23-506.34LS2在操作范围内取几个LS，计算出VS表六 精馏段液泛线数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)6.055.565.114.682.17根据以上数据做出液泛线（6）精馏段筛板负荷性能图：图9 精馏段筛板负荷性能图根据生产任务规定的气液负荷，可知精馏段操作点在正常的操作范围内。做出精馏段操作线OA，由图可知，该筛板操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。由图查得：Vs,min=0.95 m3/s Vs,max=3.2 m3/s 故操作弹性为:Vs,maxVs,min=3.334.4.2提馏段筛板负荷性能图（1）漏液线u0min=4.4C00.0056+0.13hw+how-hLvu0min=VsminA0 hL=hw+how A0=Aahow=2.841000ELhlw23联立得：Vs0,min=4.4C0A00.0056+0.13hw+2.841000ELhlw23-hLv代入数据整理得：Vs=0.522.67+23.276Ls23在操作范围内，任取几个LS值，计算得出VS表七 提馏段漏液线数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)0.920.930.950.961.01根据以上数据，做出提馏段漏液线（2）雾沫夹带线以eV=0.1kg液/kg气,为限eV=5.710-6LuaHT-hf23how=2.841000E3600Lh0.9623=0.86LS23ua=VsAT-Af=0.53Vshf=2.5hw+how=0.108+2.2LS23HT-hf=0.4-0.108+2.2LS23=0.292-2.2LS23联立解得：VS=3.42-25.77LS23在操作范围内取几个LS，计算出VS表八 提馏段雾沫夹带线数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)2.882.772.672.572.22根据以上数据做出雾沫夹带线（3）液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006为最小液体负荷标准how=2.8410001.043600Lh0.9623=0.86LS23=0.006Ls,min=0.00058m3/s据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（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=ATHTLS=5sLs,max=0.0094 m3/s据此做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线（5）液泛线由E=1.04 lw=0.96得how=2.8410001.043600Lh0.9623=0.86LS23hc=0.051vLu0C02=0.051vLVSA0C02=0.0147VS2h1=hw+how=0.620.043+0.86LS23=0.026+0.516LS23已知h=0.002 m (液柱)hp=hc+h1+h=0.0127Vs2+0.516Ls23+0.028hd=0.153LSlwh02=7.97Ls2已知HT=0.4m hw=0.043m =0.5代入HT+hw=hp+hw+how+hd整理得： VS2=10.24-93.6LS23-542.18LS2在操作范围内取几个LS，计算出VS表九 提馏段液泛线数据LS/(m3/s)0.0030.0040.0050.0060.01VS/(m3/s)8.2887.8737.497.135.841根据以上数据做出液泛线（6）提馏段筛板负荷性能图：图10 提馏段筛板负荷性能图根据生产任务规定的气液负荷，可知提馏段操作点在正常的操作范围内。做出提馏段操作线OA，由图可知，该筛板操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。由图查得：Vs,min=0.92 m3/s Vs,max=2.3 m3/s 故操作弹性为:Vs,maxVs,min=2.54.5设计计