化工课程方案苯甲苯筛板精馏塔分离

1、化工原理课程设计 苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计目录一 序 言 3二 板式精馏塔设计任务书五 4三 设计计算 51.1 设计方案的选定及基础数据的搜集 51.2 精馏塔的物料衡算 71.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 121.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 161.5 塔板主要工艺尺寸的计算 181.6 筛板的流体力学验算 201.7 塔板负荷性能图 23四 设计结果一览表 29五 板式塔得结构与附属设备 305.1 附件的计算 305.1.1 接管 305.1.2 冷凝器 325.1.3 再沸器 325.2 板式塔结构 33六 参考书目 3.5.七 设计心得体会 35八 附录 36 一

2、序言化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践 教案，是理论联系实际的桥梁，在整个教案中起着培养学生能力的重要作用。 通过课程设计，要求更加熟悉项目设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的 主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析 能力，思考问题能力，计算能力等。精馏是分离液体混合物 含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥 发度的不同，使易挥发组分由

3、液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转 移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以 是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法 进行分离。本设计的题目是苯 -甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏 塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式 塔将其分离。二板式精馏塔设计任务书一、设计题目 苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。二、设计任务（1原料液中苯含量：质量分率=75% （质量，其余为甲苯。（2塔顶产品中苯含量不得低于 98（ 质量。（3残液中苯含量不得高于 8.5%（质量。(4生产能力： 90000 t/y 苯产

4、品，年开工 310 天。三、操作条件(1精馏塔顶压强： 4.0kPa( 表压 (2 进料热状态：自选(3回流比：自选。(4单板压降压：0.7kPa四、设计内容及要求(1 设计方案的确定及流程说明(2塔的工艺计算(3塔和塔板主要工艺尺寸的设计 塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能 图。(4编制设计结果概要或设计一览表(5辅助设备选型与计算(6绘制塔设备结构图：采用绘图纸徒手绘制五、时间及地点安排(1 时间：2018620 2018.7.3(第 18 周第 19周(2地点：明德楼A3181)教室六、参考书目1 谭天恩?化工原理 (第二版下册?北京：化学工业出版社，

5、19982 何潮洪, 冯霄?化工原理 ?北京：科学出版社， 20013 柴诚敬, 刘国维?化工原理课程设计 ?天津：天津科学技术出版社， 19944 贾绍义, 柴敬诚?化工原理课程设计 ?天津：天津大学出版社， 2002三设计计算1.1 设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。因为对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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人精馏塔内。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，其余部分经产品冷却器冷却后送 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

6、最小回流比 的 1.8 倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 其中因为蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶 冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本 次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之 一，充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设 备，它的主要优点有：(1 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80左右。(2 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 1015%

7、。(3 塔板效率咼，比泡罩塔咼15%左右。(4 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30%左右。筛板塔的缺点是：(1 塔板安装的水平度要求较咼，否则气液接触不匀。(2 操作弹性较小 (约 2 3。(3 小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图：Vn-1冷凝器Vn塔顶产品(或冷凝为谓出液)冷凝水回涼蜒进料t FTT3Elmt ty up Z- t tt- 勺u二盘去匸竺加热水蒸汽再沸器 aL，m迥7t冷凝水塔底产品 或残液)板式精谓塔表1苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点c)临界温度tcC)临界压强PckPa)苯AC6Ho78.1180.1288.56833.4甲苯BC6H5 CH92.1311

8、0.6318.574107.7表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度回80.1859095100105110.6列,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0IdkPa40.046.054.063.374.386.0表3常温下苯一甲苯气液平衡数据温度8090100110120苯，mN/m21.22018.817.516.2甲苯，Mn/m21.720.619.518.417.3温度（C 8090100110120苯,kg/凶814805791778763甲苯,kg/到809801791780768表6液体粘度卩8090100110120苯 mP .s )0.3080.

9、2790.2550.2330.215甲苯 原料苯的液及塔顶、塔底产品的摩尔分率摩尔质量 = 78JUg/WLJ甲苯的摩尔质量_-_1底 产 品平均摩尔质3原料处理量联立解得式中f原料液流量D塔顶产品量W-塔底产品量NT3 塔板数的确定 1) 苯一甲苯属理想物系，可采逐板计算求理论板层数。 求 最 小 回 流 比 及 操 采用恩特伍德方程求最小回流比。解得，最小回流比取操作回流比为 求 精 馏 塔 的 气求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为2）逐板法求理论板相平衡方程可解得=2.47变形得用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算=0.983因为，故精馏段理论板n=5 ,用提留段操作线和

10、相平衡方程继续逐板计算因为,所以提留段理论板n=5不包括塔釜)【提留段的操作线方程错误】(3)全塔效率的计算查温度组成图得到，塔顶温度 TD=80.94C，塔釜温度TW=10&，全塔平均温度Tm =92.97 C。分别查得苯、甲苯在平均温度下的粘度平均粘度由公式，得全塔效率Et(4)求实际板数精馏段实际板层数提馏段实际板层数进料板在第11块板。1.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算V1)操作压力计算塔顶操作压力P= 4+101.3 kPa每层塔板压降 P= 0.7 kPa进料板压力 也=105.3+0.7 X 10= 112.2 kPa塔底操作压力=119.3 kPa精馏段平均压力 P m

11、1 = 105.3+112.3 )/2= 108.8 kPa提馏段平均压力 P m2 =112.3+119.3) /2 =115.8 kPa2)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 C进料板温度=85.53 C塔底温度=105.0 C精馏段平均温度= 80.9.+85.53 ) /2 = 83.24 C提馏段平均温度=85.53+105.0) /2 =95.27C 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t d =80.94 C , 查 手 册 得进

12、 料 板液 相 平 均 表 面 张 力 的 计 算 由tF =85.53 C ,查 手 册 得塔 底 液 相 平 均 表 面 张 力 的 计 算 由tw =105.0 C , 查 手 册 得精 馏 段 液 相 平 均 表 面 张 力 为提 馏 段 液 相 平 均 表 面 张 力 为(6 液体平均粘度计算液相平均粘度依下：式计算即11Lm=xii塔顶液相平均粘度的计算 算由t D=80.94查手册得=V 进料板液相平均粘度的计算 算由tF=85.53查手册得=V 1塔底液相平均粘度的计算 算由tw=105.0查手册得精 馏 段 液 相 平 均 粘 度 为提 馏 段 液 相 平 均 粘 度 为塔径

13、的计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的 操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取。表7板间距与塔径关系塔径DT，m0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.42.4 4.0板间距200300250350300450350600400600HT，mm对精馏段：初选板间距) ，取板上液层咼度I = |故查史密斯关联图得C2=O.O7O ;依式校正物系表面张力为时可取安全系数为0.7，则 安全系数0.6 0.8）， 故按标准,塔径圆整为2.0m,则空塔气速0.66m/s。 对提馏段：初选板间距，取板上液层高度亠I=0.0690.0

14、717查2:图 3 8 得 G0=0.068 ;依式校正物系表面张力为丄 时EHJ按标准,塔径圆整为2.0m,则空塔气速1.56m/s。将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致，根据塔径的选择规 定，对于相差不大的二塔径取二者中较大的，因此在设计塔的时候塔径取 2.0m。1.5塔板主要工艺尺寸的计算第I条溢流装置计算精馏段因塔径D= 2.0m,可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精馏段各项计算如下：a溢流堰长 ：单溢流去Iw=0.60.8 ） D,取堰长 为 0.60D=0.60 X2.0=1.20mb出口堰高卜： I 丨故|c降液管的宽度与降液管的面积F.：由 一 =1查2 :

15、I 图 313）得利用（2:丨式310计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,大于5s，符合要求）d降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速I :e受液盘采用平行形受液盘，不设进堰口，深度为60mm同理可以算出提溜段相关数据如下：a溢流堰长 ：单 溢流去1用0.60.8 ) D,取堰长 为0.66D=0.8 X1.6=1.056mb出口堰高：查知E=1.04,依式可得c降液管的宽度与降液管的面积F.：查图得,故计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,即=15.16大于5s，符合要求)d降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速)0.036m)符合 (2塔板布置精塔因D 800mm故塔

16、板采用分块式。塔极分为 4块。对精馏段: a)取边缘区宽度=一： 安定区宽度b|计算开空区面积解得，ric筛孔数 与开孔率：取筛空的孔径 为 F，正三角形排列，一般碳的板厚为I,取匸三3.5 ,故孔中心距5X 5=17.5mm筛孔数则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为1.6筛板的流体力学验算塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常 操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷性能 图。(1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算精馏段:,查干筛孔的流量系(5)干板压降相当的液柱高度：依数图得，C0=0.84由式b气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：由

17、 与 关联图查得板上液层充气系数 =0.66，依式c克服液体表面张力压降相当的液柱高度：依式故则单板压强：f F1(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。(3 雾沫夹带故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带(4 漏液由式筛板的稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式取十，贝U1故 一 在设计负荷下不会发生液泛根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是 适合的。同精馏段公式计算，提溜段各参数计算如下: （1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算 a）干板压降相当的液柱高

18、度：b气体穿过板上液层压降相当的液柱高度:由 与_1关联图查得板上液层充气系数 =0.65，依式c克服液体表面张力压降相当的液柱高度:则单板压降:0.0030.0040.0050.006Vs /(m 3/s4.5064.3784.2614.151由上表数据即可作出雾沫夹带线(2液泛线由 E=1.04,l v=1.2 得：已算出代入,整理得:3-20。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 表10Ls /(m 3/s0.0030.0040.0050.0063Vs /(m /s4.0673.9843.9023.821由上表数据即可作出液泛线 2。(3液相负荷上限线以9 =

19、 4s作为液体在降液管中停留时间的下限,据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线0.0163m3/s )(4漏液线整理得: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3-21 表11Ls /(m 3/s0.0030.0040.0050.0063Vs /(m /s1.1921.2111.2291.245由上表数据即可作出液泛线 4 (5液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度 hO辟0.006m作为最小液体负荷标准。E=1.04据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示图1精馏段筛板负荷性能图LsOVsS在负荷性能图

20、上，作出操作点 P，连接OP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。同精馏段，得出提馏段的各曲线为:(1)雾沫夹带线整理得：(2)液泛线已知E=1.06 lw=1.2，同理精馏段得:由此可作出精馏段液泛线2。(3漏液线整理得:据此可作出漏液线3。(4液相负荷上限线以9 = 5s作为液体在降液管中停留时间的下限,据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线0.013(5液相负荷下限线以how= 5s作为液体在降液管中停留时间的下限,整理得：厂由此可作出液相负荷下限线 5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。四设计结果一览表符号单位计算数据项曰精馏段

21、提留段各段平均压强PmkPa108.8115.8各段平均温度tmC83.2495.27平均流量气相VSm/s2.082.02液相Lsm/s0.00430.0092实际塔板数N块1010板间距HTm0.400.40塔的有效高度Zm3.63.6塔径Dm22空塔气速um/s0.660.643塔板液流形式单流型单流型溢流管型式弓形弓形堰长l wm1.21.2堰咼hwm0.0440.044溢流堰宽度wm0.20.2管底与受业盘距离hom0.0360.0767板上清液层咼度hLm0.060.06孔径domm5.05.0孔间距tmm17.517.5孔数n个96609660开孔面积2 m0.1850.185筛

22、孔气速Uom/s11.2610.92塔板压降hpkPa0.5910.591液体在降液管中停留时间Ts7.097.09降液管内清液层高度Hdm0.1210.121雾沫夹带eVkg液/kg气0.007320.00657负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控 制负荷下限漏液控制漏液控制气相取大负何Vs maxm*/s3.6气相最小负荷Vs minm*/s1.2操作弹性3.1五板式塔得结构与附属设备5.1附件的计算接管T形进料管。本设计(1进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、采用直管进料管。F=149Kg/h ,=807.9Kg/则体积流量管内流速则管径取进料管规格 95X2.5则管内径d=

23、90mm进料管实际流速(2回流管采用直管回流管，回流管的回流量塔顶液相平均摩尔质量,平均密度则液体流量取管内流速则回流管直径可取回流管规格65X 2.5回流管内实际流速(3塔顶蒸汽接管则整齐体积流量则管内直径d=60mm取管内蒸汽流速则可取回流管规格430X 12则实际管径d=416mm塔顶蒸汽接管实际流速(4釜液排出管塔底w=30kmol/h平均密度平均摩尔质量取管内流速可取回流管规格54X 2.5则实际管径d=49mm塔顶蒸汽接管实际流速(5塔顶产品出口管径D=119koml/h 相平均摩尔质量溜出产品密度则塔顶液体体积流量：取管内蒸汽流速则可取回流管规格58X 2.5则实际管径d=53m

24、m塔顶蒸汽接管实际流速冷凝器塔顶温度tD=80.94C 冷凝水ti=20C t2=30C由tD=80.49C 查液体比汽化热共线图得又气体流量 V=2.134m3/s塔顶被冷凝量冷凝的热量取传热系数K=600W/nk,则传热面积冷凝水流量再沸器塔底温度tw=105.0C用to=135C的蒸汽，釜液出口温度ti=112C由tw=105.0C 查液体比汽化热共线图得又气体流量Vh=2.374m3/h密度2取传热系数K=600W/nk,则传热面积加热蒸汽的质量流量5.2板式塔结构板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔 手孔)、基座、除沫器等附属装置。除一般塔板按设计板间距安装外，其他处根

25、据需要决定其间 距。(1) 塔顶空间塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距 甚至高出一倍以上），本塔塔顶空间取1 = 1（2）塔底空间塔底空间指塔内最下层塔底间距。其值由如下两个因素决定。塔底驻液空间依贮存液量停留 35min或更长时间 易结焦物料可缩短停留时 间）而定。塔底液面至最下层塔板之间要有12m的间距，大塔可大于此值。本塔取I 】（3）人孔一般每隔68层塔板设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600mm，人孔直径一般为450500mm,其伸出塔体得筒体长为200250mm,人孔中心距操作平台约8001200mm。本塔设计每7块板设一个人孔

26、，共两个，即（4）塔咼故全塔高为11.3m,另外因为使用的是虹吸式再沸器，可以在较低位置安置,所 以 裙 板 取 了1.5m六参考书目1 张新战，化工单元过程及操作 ?北京：化学工业出版社， 19982 何潮洪, 冯霄?化工原理 ?北京：科学出版社， 20013 柴诚敬, 刘国维?化工原理课程设计 ?天津：天津科学技术出版社， 19944 贾绍义, 柴敬诚?化工原理课程设计 ?天津：天津大学出版社， 20025 陈均志，李雷 ?化工原理实验及课程设计 ?北京：化学工业出版社， 20086 马江权，冷一欣 ?化工原理课程设计 ?北京：中国石化出版社， 2009七设计心得体会本次课程设计通过给定的

27、生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离 的塔板式连续精馏塔设备。通过近两周的团队努力，反经过复杂的计算和优化， 我们三人组终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备。其各项操作性能 指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的 目的。通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许 多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。从 接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。首先， 我们去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了设计的流程和方 法。通过查阅资料我们从对设计一无所知变得初晓门路，而进一步的学习和讨论 使我们使我们具备了完成设计的知识和方法，这使我们对设计有了极大的信心， 我们确定了设计方案和具体流程及设计时间表，然后就进入了正是的设计工作当 中。万事开头难，出了最小回流我们从最简单的物料衡算开始，把设计题目中的操 作条件转化为化工原理课程物料衡算相关的变量最终把物料衡算正确的计算出 来。然后是回