苯、乙苯精馏塔设计化工原理课程设计

1、“化工原理”课程的一个总结性教学环节,是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练,在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用,通过课程设计就以下几个方面要求学生加强训练。1.查阅资料选用公式和搜集数据的能力?。2.树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意到操作时的劳动 条件和环境保护的正确设计思想,在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。?3.迅速准确的进行工程计算(包括电算)和计算机绘图的能力。?4.用简洁文字清晰表达自己设计思想的能力。2.设计题目 一台分离苯和乙苯双组分均相混合液常压1atm连续精馏浮阀塔项目

2、分子式分子量沸点临界温度临界压强Pa饱和蒸汽压为P*苯和乙苯的饱和蒸汽压可用Antoire方程计算即?P*A-其中P* 单位为mmHg,T 单位为K 表2.组分ABC(mN/m)t/20406080100120140 mpa?st/020406080100120140L(kg/m3)t/20406080100120140L乙苯867.7849.88(kj/kg)t/20406080100120140板间距Ht/mm200-300250-350300-450350-600400-600 本方案主要是采用浮阀塔。?精馏设备所用的设备及其相互联系,总称为精馏装置,其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔

3、和填料塔两类,通称塔设备,和其他传质过程一样,精馏塔对塔设备的要求大致如下:1:生产能力大:即单位塔截面大的气液相流率,不会产生液泛等不正常流动。2:效率高:气液两相在塔内保持充分的密切接触,具有较高的塔板效率或传质效率。?3:流体阻力小:流体通过塔设备时阻力降小,可以节省动力费用,在减压操作是时,易于达到所要求的真空度。?4:有一定的操作弹性:当气液相流率有一定波动时,两相均能维持正常的流动,而且不会使效率发生较大的变化。?5:结构简单,造价低,安装检修方便。?6:能满足某些工艺的特性:腐蚀性,热敏性,起泡性等。浮阀塔的优点是:?1.生产能力大,由于塔板上浮阀安排比较紧凑,其开孔面积大于泡罩

4、塔板,生产能力比泡罩塔板大?20%40%,与筛板塔接近。?2.操作弹性大,由于阀片可以自由升降以适应气量的变化,因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔,泡罩塔都大。?3.塔板效率高,由于上升气体从水平方向吹入液层,故气液接触时间较长,而雾沫夹带量小,塔板效率高。?4.气体压降及液面落差小,因气液流过浮阀塔板时阻力较小,使气体压降及液面落差比泡罩塔小。?5.塔的造价较低,浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的?50%80%,但是比筛板塔高?20%30%。?但是,浮阀塔的抗腐蚀性较高(防止浮阀锈死在塔板上),所以一般采用不锈钢做成,致使浮阀造价昂贵,推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展,各

5、种新型填料,高效率塔板的不断被研制出来,浮阀塔的推广并不是越来越?广。?近几十年来,人们对浮阀塔的研究越来越深入,生产经验越来越丰富,积累的设计数据比较完整,因此设计浮阀塔比较合适。?流程示意图?:?冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐乙苯?回流 原料原料罐原料预热器精馏塔?回流?再沸器?塔底产品冷却器苯的储罐乙苯?5.工艺计算及主体设备设计.FD+WFxFDxD+Wxw原料液及塔顶,塔底产品的摩尔分率:苯的摩尔质量:MA78.11 kg/kmol乙苯的摩尔质量:MB106.16 kg/kmol原料液及塔顶,塔底产品的平均摩尔质量MF0.559×78.11+1-0.559×106.

6、1690.48 kg/kmolMD0.992×78.11+1-0.992×106.1678.33 kg/kmolMW0.027×78.11+1-0.027 ×106.16105.40 kg/kmolxF0.559 kmol/hxD 0.992 kmol/hxW0.027 kmol/h XF、XD、XW原料产品、残液的摩尔分数苯和乙苯在某些温度t下蒸汽压PA°,PB°及所对应的,对于理想溶液PA°/PB°表8 txy?101.316.836.01116136.232947604.3300相对挥发度可取表中x0的几何平

7、均值5.1.3.平衡线,q线,精馏段操作线,提馏段操作线方程的确定平衡线方程:y q线方程:x0.559 ××提馏段质量流量:液相 LL+qF5.991+1×17.670 23.66 kmol/h 汽相 Vl/h由于提馏段操作线方程yNmin应用吉科兰关联求理论板数NX由YN块先求精馏段的最少理论板数Nmin,1在温度tm下查液体黏度共线图得 苯0.235mpa?s乙苯0.310mpa?s因为LxiLiLf 0.559×0.235+1-0.559×0.3100.268 mPa?s全塔液体的平均粘度:××故实际塔板数N实14+

8、1327进料板在第14快。由公式A+BT+CT2+DT3 +ET4 其中T单位为K,其中常数为ABCDE×××10-8×496×10-6?由此计算得: 则LxD苯+1-xD×G液相平均摩尔质量:Mw105.40kg?kmol-1塔底温度tm 查得乙苯764.07 kg/m3l苯 xw+1-xw××G kg/m3VGm3/sVL5.2.3塔径的计算由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大,为便于制造,取两端的塔径相等.由上述计算可得到下述结果:汽塔的平均蒸汽流量:VSVg+Vg/20.128+0.144/20.136m

9、3?s-1汽塔的平均液相流量:LS(Ln+Ln)/2(1 .486+9.4)/25.443m3?s-1汽相平均密度:VV精+液相平均密度:LL精+塔径 D由于适宜的空塔气速 (0.6-0.8), 因此,需先计算出最大允许气速 c时液体表面张力 苯(mN/m)18.0 mN/m乙苯(mN/m)20.176 mN/m18.996 mN/m根据公式CC20故气速×取×按标准塔径圆整为500mm. 塔的截面积AT 塔高: ZHD+N-2-SHT+SHT、+HF+HW已知实际塔板数为N27块,板间距HT0.3,由于料液清洁,无须经常清洗,可取每隔7块板设一个手孔,则手孔数目S为S-1

10、2个进料处板空间高度HF0.6m,那么全塔Z1.5+27-2-2×0.3+2×溢流装置:选用单溢流弓形降液管,不设进口堰:× hwhL-how采用平直堰堰上液层高度可由 堰高hW一般在0.03到0.05范围内,因此符合要求5.3.3弓形降液管宽度Wd 和面积AfWm验算:液体在精馏段降液管内的停留时间××10-420.19>5s故降液管可用取底隙内液体流速为uo0.08m?s-1则hoLs/lW uo可取ho0.025m,小塔一般取25到30mm,故符合要求5.3.5采用F1型阀,重量为33克,孔径为39mm浮阀数目 N4VS/0d02又

11、气体通过阀孔时的速度uoF/(V)1/2 uo5.84 m?s-1又F为811,可取F10 N19.5 20个取无效边缘区宽度Wc35,安全区宽度Ws65mm采用等边三角形叉排。若同一横排的阀孔中心距t75mm,那么相邻两排间阀孔中心距t'为 t'=d0取'80mm即可满足要求 5.3.7 校核 气体通过阀孔的实际速度 U0 阀孔动能因数F0变化不大,仍在8到11之间 5.3.8开孔率:6. 塔板的流体力学验算6.1气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)hphc+h1+6.1.1干板阻力 浮阀由部分全开转为全开临界速度取板上液层充气程度因素0.5,则hl×m表面

12、张力引起的阻力(此阻力很小可忽略)单板压降6.2 漏夜验算取动能因素F05,相应的气相最小负荷Vsmin/4d02Nu0min其中u0minF0/(故Vsmin/4×(0.039)2×20×可见不会产生过液漏夜。6.3 液泛验算溢流管内的清液层高度Hdhp+hd+hl+其中hhd0.2Ls/Lwh020.2×为防止液泛,通常Hd不大于(HT+hw) 取校正系数0.5,则有×(0.3+0.04)0.17>Hd故不会产生液泛泛点率F1 其中K1.0,则F159.8<80?可见雾沫夹带在允许范围内在操作范围内,任取几个值,依上式计算出,列

13、表由于存在hw+how+hd+hpHT+hw 取同样列表7.3液体负荷上限线:LsAfHT/t停7.4液体负荷下限线:×10-3×ELsmin/lw2/30.06 取E1即Lsmin0.000137/s作性能图如下:)塔底苯蒸汽的摩尔潜热rv1塔底乙苯蒸汽的摩尔潜热rv2所以塔底上升蒸汽的摩尔潜热rvrv1yw+rv2故再沸器热流量Qrkj/sV57kg/s)××0.008379.4 kj/kg××378.983.22 kg/s因为水的定压比热容Cckj/kgk4.174,冷却水进口温度为30,出口温度为45×45-301.

14、329 kg/s9设计结果一览表浮阀塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注塔径D,m0.5板间距HT,m0.3塔板型式单流型弓形塔板空塔气速u,m/s0.693溢流堰长度hw,m0.3板上液层高度hl,m0.06浮阀数N,个20等边三角形叉排阀孔气速u0,m/s5.695阀孔动能因素F010孔心距t,m0.08同一横排孔心距排间距t,m0.08 阀孔直径,m0.039降液管内的清夜高度Hd,m0.11溢流堰高度hw,m0.04气相负荷上限(Vs)0.149气相负荷下限(Vs)min0.0697开孔率?12.16操作弹性2.14单降压板/m0.063液柱降液管面积,m20.01降液管宽,m0.05

15、510.对设计的评述和有关问题的分析讨论10.1?对设计的评述本设计是一次常规的练习设计,目的在于掌握设计的过程和分析问题的能力,必定有许多不足之处,希望老师多多批评。?10.2. 对设计的讨论在实际的生产中除满足生产需求外还应注意塔的成本费,腐蚀损耗,折旧率等问题。符号意义单位符号意义单位符号意义单位M摩尔质量Kg/kmolF1泛点率ML液相平均摩尔质量Kg/kmolx液相中易挥发组分的摩尔分数dit管口直径mtm平均温度y汽相中易挥发组分的摩尔分数Gc冷却水的质量流量kg/sMv气相平均摩尔质量Kg/kmolD塔顶产品流率Kmol/hCc水的定压比热容kj/kgkv气相平均密度Kg/m3F进料流率Kmol/hQc冷凝器的热流量kj/sVs平均蒸汽流量m3/sW塔底产品流率Kmol/hrv上升蒸汽的摩尔潜热Kj/kgLs平均液相流量m3/s相对挥发度Vsv上升蒸汽体积流量m3/sL液相平均密度Kg/m3t孔心距mVsw釜残液的体积流量m3/s最大允许速度密度Kg/m3Lsf进料体积流量m3/sLw堰长mm表面张力mN/mhL清液层高度mmAf降液管面积m2R回流比C20气相负荷因子Wc无效边缘区宽度mmRmin最小回流比液体表面张力mN/mWs泡沫区宽度mmHT板间距mZ塔高mhw堰高mN浮阀数个