化工原理课程设计-苯-甲苯精馏塔设计

资料前言化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计掌握初步掌握化工设计基础知识、设计原则和方法的各种手册的使用方法和物理性质、化学性质检索方法和技术的各种结果验证，能够绘制过程流程、架构等图形。 在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产安全性、经济合理性。化工生产常进行液体混合物分离，达到纯化或回收有用成分的目的，精馏是利用液体混合物中各成分挥发度的差异，通过多次部分气化和部分冷凝分离重要成分的方法。 塔设备一般分为阶梯接触式和连续接触式。 前者的代表是板式塔，后者的代表是填料塔。比较筛板塔和泡罩塔，具有生产能力大于10.5%、板效率提高产量的15%左右的特征的电压降可以降低30%左右，而且筛板塔的构造简单，消耗金属少，塔板的成本可以降低约40%的设置容易，清扫检查也容易。 本课程为年处理苯质量分率为36%的苯-甲苯混合液的4万吨筛选精馏塔设计，塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。 它可以使气(或蒸汽)液或液液两相间紧密接触，达到相互遗传和传热的目的。在设计过程中设计的精馏塔必须考虑到较大的生产能力满足工艺要求，并具有一定的潜力。 节约能源，综合利用馀热。 经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响冷却水的使用量。 另一方面，影响必要的传热面积的大小。 也就是说，由于操作费用和设备费用有影响，设计是否合理利用热能r等与生产过程中的经济问题直接相关。目录第一章绪论11.1精馏条件的确定11.1.1精馏的加热方式11.1.2精馏的供给状态11.1.3精馏的操作压力11.2确定设计方案11.2.1进程和操作要求21.2.2符合经济要求21.2.3保证安全生产2第二章设计计算32.1设计方案的确定32.2精馏塔的材料平衡计算32.2.1原料液供给量、塔顶、塔底摩尔分数32.2.2原料液及塔顶、塔底制品平均摩尔质量32.2.3料号馀额32.3货架计算42.3.1理论板数NT的求法42.3.2全塔效率的计算62.3.3求实际板数72.3.4计算有效塔高72.4关于精馏塔工艺条件和物性数据的计算82.4.1操作压力的计算82.4.2操作温度的计算82.4.3平均摩尔质量的计算82.4.4平均密度的计算102.4.5液体平均表面张力的计算112.4.6液体平均粘度的计算122.4.7气液负荷计算132.5塔径的计算132.6搁板主要工艺尺寸的计算152.6.1溢流装置计算152.6.2架构182.7筛板的流体力学管理搁板电压降192.7.1精馏段屏板的流体力学管理搁板电压降192.7.2提取段屏板的流体力学管理搁板电压降212.8搁板负荷性能图232.81精馏段架负荷性能图232.82萃取段架负荷性能图26第三章设计结果一览表30第四章板式塔结构314.1塔顶空间314.2塔底空间314.3人孔314.4塔高31第五章谢34参考文献35第一章绪论1.1精馏条件的确定本精馏方案适用于工业生产中苯甲苯溶液二元体系进行苯的精制。 精馏塔苯塔产品纯度高，塔顶和塔底产品要求同时合格，普通的精馏温度控制远远不满足这一要求。 因此，在实际生产过程的控制中，不采用灵敏度板控制是不能满足要求的。 苯塔采用温差控制。1.1.1精馏的加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。 有时也采用直接蒸汽加热。 但直接蒸汽加热对塔底溶液有稀释作用，当塔底挥发物的损失量相同时，塔底残液中易挥发成分的浓度必须较低，因此塔板数稍有增加。 采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力必须高于釜中的压力，以克服蒸汽喷射孔的阻力和釜中液柱静压。1.1.2精馏的供给状态供给状态直接影响供给线(q线)、操作线与平衡关系的相对位置，对塔整体的热平衡也有很大影响。 与气泡进料相比，采用冷进料时，分离要求在一定的条件下所需的理论板数少，不需要预热器，塔釜热负荷(一般采用直接蒸汽加热)基本上取得总热量的平衡，但采用进料温度的变动大、操作难以控制的露点进料时， 在分离要求一定的条件下，必要的理论板数多，进料前预热器负荷大，能耗大，同时精馏段和提取段的上升蒸汽量变化大，操作难以控制，外在条件的影响大。泡点供给在两者之间，最大的优点是外界干扰少，塔内精馏段、提取段的上升蒸汽量变化小，设计、制造和操作控制容易。 因此，设计采用泡点供应。1.1.3精馏的操作压力精馏操作在常压下进行，由于苯的沸点低，适合在不需要减压操作和加压操作的常压下操作。 同时，苯类是在高温下不易发生分解、聚合等变质反应的液体(不是混合气体)。 因此，不需要加压或减压精馏。 另一方面，加压或减压精馏的能量消耗大，常压下可操作的一般不使用加压或减压精馏。1.2确定设计方案确定设计方案总体原则是可能的条件，尽量采用科技最新成果，使生产达到技术最先进、经济最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消费的原则。 为此，应具体考虑以下方面：1.2.1程序和操作要求设计的工艺和设备，首先要保证产品符合任务规定的要求，质量稳定。 这要求各流体流量和压头稳定，进塔材料液温度和状态稳定，必须采取相应措施。 接下来规定的设计方案需要一定的操作弹性，各处的流量可以在一定范围内调节，也可以根据需要进行传热调整。 因此，在必要的位置调节阀门，在配管上安装备用支线。 传热面积的计算和操作指标的选择，也要考虑生产上的变动。 接着，考虑必要装置的仪表(温度计、压力计、流量计等)及其装置的位置，通过这些仪表观测生产过程是否正常，找出异常的原因进行应对。1.2.2符合经济要求节约热能和电能消耗，减少设备和建设费用。 如上所述，在蒸馏过程中，如果能够适当利用塔顶、塔底的废热，可以节约很多生蒸汽和冷却水，还可以减少电力消耗。 另外，冷却水出口温度的高低影响冷却水的使用量，另一方面，也影响必要的传热面积的大小，还影响操作费和设备费。 同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。1.2.3保证安全生产例如苯是有毒材料，不能使蒸汽充满工厂。 此外，塔指定在常压下操作，塔内的压力过大，或者塔被急冷而产生真空，塔被破坏，需要安全装置。以上三项原则在生产中同样重要。 但化工原理课程的设计要多考虑第一原则，定性考虑第二原则，普遍考虑第三原则。第二章设计计算2.1设计方案的确定本设计采用连续精馏工艺，采用饱和液体供应。 塔顶上升的蒸汽在全部冷凝器中冷凝，冷凝液在泡沫下方的部分回流到塔内，其馀的部分被制品冷却器冷却后送入容器。 该物质系统是容易分离的物质系统，因为最小回流比较小，所以操作回流比为最小回流比的2倍。 塔釜用饱和蒸汽间接加热，塔底产品冷却后送入储罐。2.2精馏塔的材料平衡计算2.2.1原料液供给量、塔顶、塔底摩尔分数(产能)供给量： F=85000t/年苯摩尔质量MA=78.11Kg/mol甲苯摩尔质量MB=92.13Kg/mol2.2.2原料液及塔顶、塔底制品平均摩尔质量2.2.3物料平衡计算原料处理量总物料平衡计算F=D W=137kmol/h苯物料平衡计算联合呢D=59.43Kmol/h W=77.57Kmol/h2.3搁板计算2.3.1理论板数NT的要求(1)相对挥发度的求出调查温度-组成图td=80 tw=92.6(根据表2 )td=80时td=92.6时，(2)最小回流比的求出在饱和液体供给中，q=1，q线为垂直线，因此根据相平衡方程式最小回流比平衡曲线不正常时，取回流比R=(1.1-2)RminR=1.5Rmin=2.16(3)精馏塔的气液相负荷(4)操作线方程式精馏级操作线方程馏段操作线方程式(5)按板法求出理论板数的计算过程如下所示相平衡方程式即变形：精馏级操作线方程馏段操作线方程式采用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算因此精馏段理论板数n=7利用抽取段操作线和相平衡方程继续逐板计算因此，馏段理论板数n=8(再沸器除外)2.3.2全塔效率的计算td=80 tw=92.6计算tm=93.5，根据表6调查了苯、甲苯在平均温度下的粘度内差法是平均粘度由式得到基于奥康奈尔(Oconnell )公式计算总塔效率2.3.3求出实际板数精馏段实板层数馏段实板层数全塔有28块塔板，进料板在第14块板上。2.3.4有效塔高的计算精馏段有效塔高馏段有效塔高精馏段和萃取段各设一个人孔，高度为600mm所以有效的塔高2.4精馏塔工艺条件及相关物性数据的计算2.4.1操作压力的计算塔顶操作压力P=101.3 kPa每层楼的电压降P=0.7 kPa进料板压力=101.3 0.713=110.4kPa塔底操作压力=101.3 0.715=111.8kPa精馏段平均压力=(101.3 110.4)/2=105.85 kPa馏段平均压力=(110.4 111.8)/2=111.1kPa2.4.2操作温度的计算80精馏段平均温度=(80 92.6)/2=86.3馏段平均温度=(92.6 107)/2=99.82.4.3平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算因此，x1=0.959进料板的平均摩尔质量计算从以上理论板的算法得到=0.654、=0.43塔底平均摩尔质量计算=0.01，由相平衡方程式得到=0.026精馏段平均摩尔质量馏段平均摩尔质量2.4.4平均密度的计算气相平均密度计算根据理想气态方程计算，精馏段的平均气相密度馏段平均气相密度液相平均密度计算液相平均密度通过下式计算在tD=80下查看手册求出塔顶液相质量分数得到如果在tf=92.06下调查共线图塔顶液相质量分数寻求得到c .塔底液相平均密度的计算在tw=107下塔顶液相质量分数得到精馏段液相平均密度馏段液相平均密度2.4.5液体平均表面张力的计算公式：a .塔顶液相平均表面张力的计算在tD=80下查看手册b .进料板液相平均表面张力的计算如果在tF=92.06下调查共线图c .塔底液相平均表面张力的计算如果在tw=107下调查共线图精馏段液相平均表面张力馏段液相平均表面张力2.4.6液体平均粘度的计算公式：以及从手册中得到的塔顶液相平均粘度的计算在tD=80下查看共线图a .进料板液相平均粘度的计算如果在tF=92.06下调查共线图b .塔底