化工课程设计

PAGEPAGE12板式塔的设计学院：化学与化工学院班级：09制药工程姓名：邱志平学号：200907502125板式塔设计任务书苯—甲苯混合液筛板精馏塔设计【设计条件】年处理量：32500t（4103.5kg/h）料液浓度：52.5%（苯的质量分数）塔顶产品浓度：96.25%塔底釜液含甲苯量不低于：98.25%每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4kPa（表压）料液初温：35冷却水温：30饱和水蒸气压力：2.5kgf/cm2（表压）进料热状况：自选回流比：自选单板压降：≤0.7kPa全塔效率：ET=52.5%建厂地址：海南地区【设计计算】1、设计方案的确定本设计任务为分离苯—甲苯混合物。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，将原料通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2、精馏塔的物料衡算1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯的摩尔质量：MA=78.11kg/kmol甲苯的摩尔质量：MB=92.13kg/kmol1）料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分率2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3)物料衡算原料处理量总物料衡算：F=D+W苯物料衡算：FxF=DxD+WxW48.74×0.566=0.968D+0.0206W联立解得：D=28.06kmol/hW=20.68kmol/h3、塔板数的确定1）理论板层数NT的求取苯—甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。①由天津科学出版社出版姚玉英主编的《化工原理下册》P8-9的例1-1附表1和附表2绘出的x-y图,见下图附表1温度/℃80.1859095100105110.6P°A/kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0P°B/kPa40.046.054.063.374.386.0101.33附表2t/℃80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620②求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.566,0.566)作垂线ef即为进料线（q线方程），该线与平衡线的交点坐标为yq=0.0.766,xq=0.566故最小回流比为：取操作回流比为：R=2Rmin=2×1.01=2.02③求精馏塔的气、液相负荷L=RD=2.02×28.06=56.68kmol/hV=(R+1)D=(2.02+1)×28.06=84.74kmol/hL′=L+F=56.68+48.74=105.42kmol/hV′=V==84.74kmol/h④求操作线方程精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：⑤图解法求理论板层数1)采用图解法求理论板层数，如上图所示，求解结果为：总理论板层数：NT=12.5(包括再沸器)进料板位置：NF=52)实际板层数的求取：精馏段实际板层数N精=4/0.525=7.6≈8提馏段实际板层数N提=8.5/0.525=16.2≈174、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算1）操作压力计算塔顶操作压力：pD=101.3+4=105.3kPa每层塔板压降：△p=0.7kPa进料板压力：pF=105.3+0.7×8=110.9kPa精馏段平均压力：pm=(105.3+110.9)/2=108.1kPa2）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，安托因常数由化学工业出版社出版时均主编的《化学工程手册》第二版P1-111查得（苯）logPA°=6.03055—1211.033/(t+220.790)（甲苯）logPB°=6.07954—1344.800/(t+219.482)以苯为例，t=82℃时logPA°=6.03055—1211.033/(82+220.790)PA°=107.4kPalogPB°=6.07954—1344.800/(t+219.482)PB°=41.6kPaP=xDPA°+(1-xD)PB°=0.968×107.4+(1-0.968)×41.6=105.3kPa接近pD，所以塔顶温度tD＝82℃计算结果如下：塔顶温度：tD＝82℃进料板温度：tF＝93.3℃精馏段平均温度：tm＝（82＋93.3）/2=87.7℃3）平均摩尔质量计算①塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.968,查平衡曲线（见上图），得x1=0.928MVDm=0.968×78.11+(1-0.968)×92.13=78.56kg/kmolMLDm=0.928×78.11+(1-0.928)×92.13=79.12kg/kmol②进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图），得yF＝0.758查平衡曲线（见图），得xF＝0.558MVFm=0.758×78.11+(1-0.758)×92.13=81.50kg/kmolMLFm=0.558×78.11+(1-0.558)×92.13=84.31kg/kmol③精馏段平均摩尔质量MVm=(78.56+81.50)/2=80.03kg/kmolMLm=(79.12+84.31)/2=81.72kg/kmol4）平均密度计算①气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即ρVm＝（PmMVm)/（RTm）＝(108.1×80.03)/[8.314×(87.7+273.15)]＝2.88kg/m3②液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1/ρLm＝Σɑi/ρi塔顶液相平均密度的计算:由tD＝82℃，查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1068图21-36得ρA＝812.7kg/m3,ρB＝807.9kg/m3ρLDm＝1÷[0.9625/812.7+(1-0.9625）/807.9)]=812.5kg/m3进料板液相平均密度的计算:由tF＝93.3℃，查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1068图21-36得ρA＝803.6kg/m3,ρB＝797.0kg/m3进料板液相的质量分率ɑA＝(0.558×78.11)/[0.558×78.11+(1-0.558)×92.13]=0.517ρLFm＝1÷[0.517/803.6+(1-0.517）/797.0)]=800.4kg/m3精馏段液相平均密度为ρLm=（812.5+800.4）/2=806.5kg/m35)液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即σLm＝Σxiσi塔顶液相平均表面张力的计算:由tD＝82℃，查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1101图21-65得σA=21.24mN/m,σB=21.42mN/mσLDm=0.968×21.24+(1-0.968)×21.42=21.25mN/m进料板液相平均表面张力的计算:由tF＝93.3℃，查查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1101图21-65得σA=19.61mN/m,σB=20.41mN/mσLFm=0.558×19.61+(1-0.558)×20.41=19.96mN/m精馏段液相平均表面张力为σLm=（21.25+19.96）/2=20.61mN/m6)液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即lgμLm=Σxilgμi塔顶液相平均粘度的计算:

由tD＝81.95℃，查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1091图21-54得

μA=0.302mPa·s,μB=0.306mPa·slgμLDm=0.968×lg(0.302)+(1-0.968)×lg(0.306)解出μLDm=0.302mPa·s进料板液相平均粘度的计算:由tF＝93.3℃，查化学工业出版社出版吴德荣主编的《化学设计工艺手册》第四版P1091图21-54得μA=0.280mPa·s,μB=0.287mPa·slgμLFm=0.558×lg(0.280)+(1-0.558)×lg(0.287)解出μLFm=0.283mPa·s精馏段液相平均粘度为:μLm=(μLDm+μLFm)/2=(0.302+0.283)/2=0.293mPa·s5、精馏塔的塔体工艺尺寸计算(1)塔径的计算:精馏段的气、液相体积流量为Vs=(VMvm)/(3600ρvm)=(84.74×80.03)/(3600×2.88)=0.654m3/sLs=(LMLm)/(3600ρLm)=(56.68×81.72)/(3600×806.5)=0.0016m3/s式中C由式(5-5)计算，其中的C20由图5-1查取，图的横坐标为取板间距HT=0.40m，板上液层高度hL＝0.06m，则HT-hL＝0.4-0.06＝0.34m查图5-1得C20=0.0725取安全系数为0.7，则空塔气速为u=0.7Umax＝0.7×1.2177＝0.852m/s按标准塔径圆整后为D＝1.0m塔截面积为实际空塔气速为u=VS/AT=0.654/0.785=0.833m/s(2)精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为：Z精=(N精-1)HT=(8-1)×0.4=2.8m提馏段有效高度为：Z提=(N提-1)HT=(17-1)×0.4=6.4在进料板上方开一人孔，其高度为:0.8m故精馏塔的有效高度为:Z=Z精+Z提+0.8=2.8+6.4+0.8=10m6、塔板主要工艺尺寸的计算(1)溢流装置计算因塔径D＝1.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：①堰长lw取lw＝0.66D=0.66×1.0=0.66m②溢流堰高度hw选用平直堰，堰上液层高度hOW由式5-7计算，即近似取E＝1,则取板上清液层高度hL＝60mm则hW＝0.06-0.012=0.048m③弓形降液管宽度Wd和截面积Af由lw/D=0.66查图5-7，得Af/AT=0.0722,Wd/D=0.124，故Af=0.0722AT=0.0722×0.785=0.0567mWd=0.124D=0.124×1.0=0.124m依式(5-9)验算液体在降液管中停留时间，即>5s故降液管设计合理。④降液管底隙高度h0取降液管底隙的流速则>0.006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度(2)塔板布置①塔板的分块因D≥800mm，故塔板采用分块式。查表5-3得，塔极分为3块。②边缘区宽度确定取③开孔区面积计算开孔区面积Aa按式5-12计算，即其中故④筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用δ＝3mm的碳钢板，取筛孔直径d0＝5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为：t＝3d0＝3×5＝15mm筛孔数目n为：开孔率为:Φ=(A0/Aa)×100%=[0.907/(d0/t)2]×100%=10.1%%气体通过筛孔的气速为:u0=VS/A0=0.646/(0.101×0.532)=12.027、筛板的流体力学验算（1）塔板压降=1\*GB3①干板阻力hc计算干板阻力hc由式(5-19)计算，即由，查图5-10得，C0＝0.772故=2\*GB3②气体通过液层的阻力hl计算气体通过液层的阻力h1由式（5-20）计算，即查图5-11，得β=0.59,故=3\*GB3③液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由式（5-23）计算，即hσ＝(4σL)/(ρLgd0)＝(4×20.48×10-3)/(805.29×9.81×0.005)＝0.0021m液柱气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即气体通过每层塔板的压降为:<0.7kPa(设计允许值)(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)液沫夹带液沫夹带量由式(5-24)计算，即<0.1kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。（4）漏液对筛板塔，漏液点气速u0,min可由式(5-25)计算，即实际孔速>稳定系数为>1.5故在本设计中无明显漏液。(5)液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从式(5-32)的关,即Hd≤φ(HT+hw)苯一甲苯物系属一般物系，取，则而Hd=hP+hL+hd板上不设进口堰，hd可由式（5-30）计算，即故在本设计中不会发生液泛现象。8、塔板负荷性能图漏液线由得得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。表表3LS/m3·s-10.00060.00150.00300.0045VS/m3·s-10.31370.32380.33620.3463由上表数据即可作出漏液线l。(2)液沫夹带线以ev＝0.1kg液/kg气为限,求Vs-Ls关系如下：由ev=[(5.7×10-6)/σL]·[ua/(HT-hf)]3.2ua＝VS/(AT–Af)=VS/(0.785-0.0567)=1.373VShf=2.5hL=2.5(hw+how)hw=0.048how=(2.84/1000)×1×(3600LS/0.66)2/3=0.88LS2/3故hf=0.12+2.2LS2/3HT-hf=0.4-0.12-2.2LS2/3=0.28-2.2LS2/3ev=[(5.7×10-6)/(20.61×10-3)][1.373VS/(0.28-2.2LS2/3)]3.2=0.1得整理得:VS=1.285-10.10LS2/3在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表四：LS/m3·s-10.00060.00150.00300.0045VS/m3·s-11.2131.1531.0751.010由上表数据即可作出液沫夹带线2。(3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度hOW＝0.006m作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得how=(2.84/1000)E(3600Ls/lw)2/3取E＝1，则Ls,min=[(0.006×1000)/2.84]3/2×(0.66/3600)=0.00056m3·s-1据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。(4)液相负荷上限线以θ＝4s作为液体在降液管中停留时间的下限,由式（5-9）得θ＝(Af·HT)/LS＝4故Ls,min=(Af·HT)/4＝(0.0567×0.40)/4＝0.00567m3·s据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线4。(5)液泛线令Hd=ψ(HT+hw)Hd=hP+hL+hdhp＝hc+h1+hσh1＝βhLhL＝hw+hOW联立得ψHT+（ψ-β-1）hw＝（β+1）hOW+hc+hd+hσ忽略hσ,将hOW与Ls,hd与Ls,hc与Vs的关系式代人上式,并整理得:a’Vs2＝b’-c’Ls-d’Ls2/3式中：a’＝[0.051/(A0c0)2](ρV/ρL)b’＝ψHT+（ψ-β-1）hc’＝0.153/(lw·hO)2d’＝2.84×10-3E(β+1)(3600/lw)2/3将有关的数据代入整理，得:a’＝[0.051/(0.532×0.101×0.772)2]×(2.88/806.5)＝0.106b’＝0.5×0.4+（0.5-0.59-1）×0.048＝0.148c’＝0.153/(0.66×0.0303)2＝382.58d’＝2.84×10-