化工原理课程设计苯甲苯(文档良心出品)

化工原理课程设计-19--绪论化工原理课程设计的目的和要求课程设计是《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选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。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1.查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)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的能力；4.用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。5.学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工艺尺寸图6.学会编写设计说明书。第一节概述1.1精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。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。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液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是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（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，材料耗用量少；（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，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。1.2板式塔类型气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论筛板塔的设计。1.2.1筛板塔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10～15％。(3)塔板效率高，比泡罩塔高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高，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。1.3原始数据年处理量：60000吨/年进料温度：泡点进料状况：泡点料液浓度：18%（苯质量分率）82%（甲苯质量分率）产品组成：塔顶产品浓度≥99.5%（苯质量分率）塔底釜液含甲苯量不低于99.9%(质量百分比)每年实际生产天数：8000小时（剩下的时间为设备检修）操作压力：塔顶为全凝器常压操作加热方式：间接蒸汽加热设备型式：筛板塔回流比：R=（1.2~2）Rmin设计方案的确定2.1流程示意图冷凝器→塔顶产品冷却器→苯的储罐→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→甲苯的储罐→甲苯2.1.1流程的说明首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。2.2操作条件的确定本精馏方案适用于工业生产中分离苯-甲苯溶液二元液体混合物。精馏塔的产品要求纯度很高，达99.5％以上，而且要求塔顶、塔底产品同时合格，以及两塔顶温度相同，普通的精馏温度控制远远达不到这个要求。故在实际生产过程控制中只有采用灵敏板控制才能达到要求。故采用温差控制。2.2精馏操作在常压下进行，因为苯沸点低，适合于在常压下操作而不需要进行减压操作或加压操作。同时苯物系在高温下不易发生分解、聚合等变质反应且为液体（不是混合气体）。所以，不必要用加压减压或减压精馏。另一方面，加压或减压精馏能量消耗大，在常压下能操作的物系一般不用加压或减压精馏。2.2.2进料状态直接影响到进料线（q线）、操作线和平衡关系的相对位置，对整个塔的热量衡算也有很大的影响。和泡点进料相比：若采用冷进料，在分离要求一定的条件下所需理论板数少，不需预热器，但塔釜热负荷（一般需采用直接蒸汽加热）从总热量看基本平衡，但进料温度波动较大，操作不易控制；若采用露点进料，则在分离要求一定的条件下，所需理论板数多，进料前预热器负荷大，能耗大，同时精馏段与提馏段上升蒸汽量变化较大，操作不易控制，受外界条件影响大。泡点进料介于二者之间，最大的优点在于受外界干扰小，塔内精馏段、提馏段上升蒸汽量变化较小，便于设计、制造和操作控制。2.2蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于酒精水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表压）。饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。同时，饱和水蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。但若要求加热温度超过180℃当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高传热效率，但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求。同时对于釜液的沸腾，温度差过大，形成膜状沸腾，反而对传热不利。2.2.4冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃2.2精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。若不计进料、馏出液和釜液间的焓差，塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量，其数量是相当可观的。然而，在大多数情况，这部分热量由冷却剂带走而损失掉了。如果采用釜液产品去预热原料，塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一些的物料，可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可以取得节能的效果。例如，采用中间再沸器和中间冷凝器的流程，可以提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。2.3确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：(1)满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。(2)满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。例如，在缺水地区，冷却水的节省就很重要；在水源充足及电力充沛、价廉地区，冷却水出口温度就可选低一些，以节省传热面积。(3)保证安全生产例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。板式精馏塔的工艺计算3.1物料衡算苯—甲苯的物性常数如下表3--1物质摩尔质量(Kg/mol)进口质量组成(%)塔底出口组成(%)塔顶出口组成(%)苯78.11180.199.5甲苯92.148299.90.5表3—1已知:D=60000吨/年进料量F塔顶馏出液D塔底残留液W的计算则:（2）计算、、根据公式（3）原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量=78.11×0.18＋92.14×0.82=89.614kg=0.995×78.11＋0.005×92.14=78.1805=0.001×78.11+0.999×92.14=92.12597摩尔流率：同理：同理：3.2相对挥发度的计算：Antoine蒸汽压方程

lnP°=A-

式中P°——在T时的饱和蒸汽压，mmHg；

T——温度，K；

A、B、C——安托因（Antoine）常数

Tmax、Tmin——应用安托因方程的最低和最高温度限，查《化工原理》附录常用物质的物性和热力学数据表得ABC苯6.030551211.033220.79甲苯6.079541344.8219.482各温度下苯和甲苯的饱和蒸汽压列表：1mmHg=133.3Pa温度℃5060708090100苯1.55831.71761.86592.00442.13392.2553甲苯1.08911.26771.43391.58901.73411.8701计算各温度下的苯对甲苯的相对挥发度：计算公式为：α=温度℃5060708090100α1.43081.35491.30131.26141.23062.5920③计算平均相对挥发度：=1.52853.3回流比的确定精馏塔操作是在某一适宜回流比下进行的，适宜回流比的数值在全回流与最小回流比的数值之间，一般取R=（1.1~2）Rmin，在此取R=1.6Rmin泡点进料，最小回流比：3.4操作线方程Ⅰ精馏段操作线方程式中χn——精馏段内第n层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率；Уn+1——精馏段内第n+1层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分率。以第一块塔板作为计算依据因为所以Ⅱ提留段操作线方程式中：χ’m——提馏段内第m层板下降液体中易挥发组分摩尔分率；У’m+1——提馏段内第m+1层板上升蒸汽中易挥发组分摩尔分率。泡点进料以塔釜作为计算依据因为：所以：3.5理论塔板数的确定先交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程计算如下：Y=X=0.9957相平衡X=0.9934y=X+操作线

Y=0.994X=0.991Y=0.992X=0.988Y=0.990X=0.985Y=0.919X=0.881＜所以本设计共有五块精馏板，第六块为进料板。精馏段液相质量流量：L=R×D=2.854×2.083=5.946kg精馏段气相质量流量：V=(R+1)×D=3.854×2.083=8.028kg提馏段液相质量流量：L’=L+q×F=5.946+1×11.568=17.515kg提馏段气相质量流量：V’=V－(1－q)×F=8.028kg则提馏段的操作线方程为：y=x－以下交替使用相平衡方程和提馏段操作线方程计算如下：Y=0.864X=0.753

Y=0.765X=0.645

Y=0.694X=0.584

Y=0.602X=0.512Y=0.586X=0.488Y=0.499X=0.379Y=0.389X=0.309Y=0.290X=0.299Y=0.201X=0.101Y=0.191X=0.0102Y16=0.132X16=0.00996Y17=0.099X17=0.00912Y18=0.023X18=0.00869Y19=0.0097X19=0.00963＜0.001179所以共需十九块塔板，其中精馏段五块，提馏段十四块。3.6精馏塔塔效率的计算查化工原理附录常用物质的物性和热力学数据表得苯的沸点是353.25K甲苯的沸点是383.78K塔的平均温度为Tm=368.515K苯的粘度系数：甲苯的粘度系数：粘度计算公式：lg=-则液相在此温度下的平均粘度为：则精馏段的效率为：3.6.1实际塔板数计算精馏段：N精=6/0.4=15取15块提馏段：N提=7/0.4=27.5取28块3.7精馏塔塔顶、塔底、进料板温度计算因纯苯塔操作属于常压操作，两组分的物理化学性质特别是两组分的化学结构比较接近，所以该混合物为完全理想体系。相平衡常数：Ki=式中p—系统的压力，mmHgpi0组分的饱和蒸气压，mmHg已知：塔顶操作绝对压强：P顶=763mmHg塔釜操作绝对压强：P釜=933mmHg查常压下两组分的沸点，苯：TA=80.10℃；甲苯：TB=110.63（1）塔顶温度的求取已知：，塔顶采用全凝器，P顶=763mmHg；P底=933mmHg根据InPi0=Ai-Antoine公式查得：苯和甲苯的基础物性数据见表2-2表2-2苯和甲苯的基础物性数据ABC苯15.90082788.51-52.36甲苯16.01733096.52-53.67采用试差法求塔顶温度：ⅰ设塔顶温度为80.10℃PAS=759.96mmHgPBS=293.27mmHgKA=PAS/P=759.96/763=0.9960KB=PBS/P=293.27/763=0.3844与塔顶气相相平衡的液相组成：则：该温度不符合要求，，>1所设温度偏低。ⅱ设塔顶温度为81.4℃（354.55K）该温度不符合要求，，>1所设温度偏高。ⅲ设塔顶温度为80.65℃（353.8K）根据得：该温度符合要求，。因此，塔顶温度（2）塔釜温度的求取已知：根据InPio=Ai-Antoine公式ⅰ设塔釜温度为117.00℃PAS=2091.51mmHgPBS=911.0642mmHgKA=PAS/P=2091.51/933=2.2417KB=PBS/P=911.0642/933=0.9765与塔釜液相相平衡的气相组成：则：该温度不符合要求，∑yi〈1所设温度偏低。ⅱ设塔釜温度为117.77℃（390.92K）同理得：该温度符合要求。所以塔釜温度390.92K（3）进料板温度的确定已知：P顶=763mmHg；P底=933mmHgP进料=（P顶+P底）/2=（763+933）/2=848mmHg根椐InPio=Ai-Antoine公式设进料板温度为89.63℃PAS=1010.0721mmHgPBS=403.3343mmHgKA=PAS/P=1010.0721/848=1.1911228KB=PBS/P=403.3343/848=0.47563泡点进料，与液相相平衡的气相组成：则：该温度符合要求。所以进料板温度第四节塔和塔板主要工艺尺寸的设计计算4.1塔径计算这里取精馏段则塔径根据标准塔径圆整为：D=0.8m=800mm查表得，当塔径为0.8m时，所设可用，塔横截面积空塔气速：提馏段则塔径根据标准塔径圆整为：D=1.2m=1200mm查表得，当塔径为1.2m时，板间距可取400mm，则所设可用。塔横截面积空塔气速：4.2精馏塔高度计算已知:进料板温度为查图吉利兰关联图查得:N=7.70第16块板进料HD—1.0~2.0m取1.5mNP取4个取4.3塔板结构尺寸的设计计算Ⅰ精馏段堰高筛孔数目与排列规定塔板上筛孔为正三角形排列取孔径孔间距开孔率：开孔数：Ⅱ提留段堰高筛孔数目与排列规定塔板上筛孔为正三角形排列取孔径孔间距开孔率：开孔数：4.4热量衡算①塔顶苯蒸汽带出热量②塔底残液带出热量（以甲苯为计算依据）③塔体散热量则④总输出热量⑤原料带入热量⑥回流带入热量⑦塔底再沸器供热量间接蒸汽压力取（绝对压强），查得相应饱和水蒸汽温度为饱和蒸气的比汽化焓为第五节辅助设备选型计算5.1换热器的确定ⅰ换热面积的计算则：换热面积按20％的裕量考虑，实际需换热面积：选用再沸器规格为：其型号为：即FA-500-80-16-2ⅱ换热面积的计算（1）冷凝段换热面积取冷凝段总传热系数（2）冷却段换热面积冷却器选用单壳程，温度修正系数换热面积则总传热面积：按25％的裕量考虑，实际需换热面积：选用冷凝却器的规格为：其型号为：即FB-600-95-16-25.2管道尺寸的确定5.2.1原料入口管取5.2.2塔顶蒸汽管取5.2.3再沸器升气管取5.3加热蒸气鼓泡管加热蒸气鼓泡管（又叫蒸气喷出器）若精馏塔采用直接蒸气加热时，在塔釜中要装开孔的蒸气鼓泡管。使加热蒸气能均匀分布与釜液中。其结构为一环式蒸气管，管子上适当的开一些小孔。当小孔直径小时，汽泡分布的更均匀。但太小不仅增加阻力损失，而且容易堵塞。其孔直径一般为5～10mm，孔距为孔径的5～10倍。小孔总面积为鼓泡