分離苯～甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計方案

1、化工基礎(chǔ)課程設(shè)計-分離苯一甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計棗莊學(xué)院化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院2009級本科三班1.2組指導(dǎo)老師：戎欠欠序言課程設(shè)計是“化工基礎(chǔ)”的一個總結(jié)性教案環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課 程及有關(guān)先修課程的基本知識來解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，在整個教案劃 中它起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。精餾是分離液體混合物 含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作， 精餾過程在能量劑驅(qū)動下，使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物 中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣 相向液相轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精 餾操作可以是連

2、續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用恒沸精餾或萃取精餾 等特殊方法進(jìn)行分離。本設(shè)計的題目是苯-甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計，即需 設(shè)計一個精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式， 需設(shè)計一板式塔將其分離。目錄第一章緒論11.1精餾塔簡介11.2篩板塔的優(yōu)缺點第二章設(shè)計方案的確定22.1任務(wù)書32.2設(shè)計方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 32.2.1確定設(shè)計方案的原則 32.2.1.1滿足工藝和操作的要求32.2.1.2滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 42.2.1.3保證安全生產(chǎn) 42.2.2設(shè)計方案的選定42.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集第三章板式塔的工藝計算73.1板式塔的物料衡算 73.1.1原料

3、液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 73.1.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量及物料衡算 73.2塔板數(shù)的確定83.2.1理論板數(shù)的求取83.3全塔熱量衡算第四章板式塔主要工藝尺寸的確定 124.1塔徑的計算124.2溢流裝置的設(shè)計134.3塔板設(shè)計134.4篩板的流體力學(xué)驗算 15第五章 塔附件設(shè)計165.1篩板塔的附屬設(shè)備165.1.1冷凝器的選擇165.1.2再沸器的選擇165.2進(jìn)料管尺寸的確定 17第六章個人心得體會及改進(jìn)意見17參考文獻(xiàn)18第一章緒論1.1精餾塔簡介在煉油、化工、醫(yī)藥等工業(yè)中，精餾操作是分離液體混合物的最常見手段，其 操作原理是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同，在

4、氣液兩相接觸處時，易 揮發(fā)組分向氣相傳遞，難揮發(fā)組分向液相傳遞，使混合物達(dá)到一定程度的分離 ，用以實現(xiàn)精餾操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備即精餾塔，其基本功能是提供氣液兩相充 分的接觸機(jī)會，使物質(zhì)和熱量的傳遞充分有效的進(jìn)行；在氣液兩相接觸之后， 還使氣液兩相能及時分開，盡量減少相互夾帶。常用的精餾塔分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)裝有若干層塔板，液體依 靠重力自上而下流過每層塔板；氣體則依靠壓強(qiáng)差的推動，自上而下穿過各層 塔板上的液層而流向塔頂，氣液兩相在塔內(nèi)進(jìn)行逐級接觸。填料塔內(nèi)則裝有各 種形式的填料，氣液兩相沿塔做連續(xù)逆流接觸，其傳質(zhì)和傳質(zhì)的場所為填料的 潤濕表面。本設(shè)計任務(wù)為分離苯-甲苯混合液，對于

5、二元混合液的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。板式塔分為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔，本工藝采用板式塔中的篩板塔。1.2篩板塔的優(yōu)缺點篩板塔是在塔板上開有許多均勻分布的篩孔，上升氣流通過篩孔分散成細(xì)小的 流股，在板上液層中鼓泡而出，與液體密切接觸。篩孔在塔板上作正三角形排 列，其直徑宜為38mm,孔心距與孔徑之比在2.54.0范圍內(nèi)。塔板上設(shè)置溢流 堰以使板上維持一定厚度的液層。在正常操作范圍內(nèi)，通過篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。液體通過降液管逐板流下。篩板塔的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，金屬耗量小，造價低廉；氣體壓降小，板上液面落差也較小，其生產(chǎn)能力及板效率較泡罩塔高。主要缺點是操作彈性范圍

6、較 窄，小孔篩板容易堵塞。近年來對大孔（直徑10m m以上篩板的研究和應(yīng)用有所 進(jìn)展。大孔徑篩板塔采用氣、液錯流方式，可以提高氣速以及生產(chǎn)能力，而且 不易堵塞。第二章設(shè)計方案的確定2.1任務(wù)書一、設(shè)計任務(wù)試設(shè)計一座苯-甲苯連續(xù)篩板精餾塔，要求年產(chǎn)純度不低于 99.5%的苯2萬噸，塔頂餾出液中甲 苯含量不得超過0.5%，原料液中含苯50%以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。二、設(shè)計條件1、連續(xù)操作、中間加料、泡點回流；2、操作壓力：常壓；3、進(jìn)料狀況：泡點；4、年生產(chǎn)日:330天；5、塔釜用間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為 0.2 0.4Mpa 自選）；6塔頂冷凝用冷卻水的進(jìn)，出口溫度差為20 40C 注意考慮冬、

7、夏進(jìn)口溫度區(qū)別）；三、設(shè)計內(nèi)容1、確定設(shè)計方案（精餾裝置流程設(shè)計與論證，畫出帶基本控制點的工藝流程圖；。2、板式塔的工藝計算(1確定塔頂，塔底產(chǎn)品的質(zhì)量與流量;(2確定塔頂，塔底控制溫度；(3根據(jù)組成確定進(jìn)料溫度、進(jìn)料方程；(4求算最小回流比，確定操作回流比；(5求算理論板層數(shù)Nt，確定加料位置；(6求算塔內(nèi)溫度分布，確定靈敏板位置；(7確定實際板層數(shù)，實際加料板位置 進(jìn)料管在同側(cè))和實際靈敏板位置；(8全塔熱平衡，計算塔頂冷凝，冷卻器熱負(fù)荷及冷卻水消耗量；塔底再沸器熱負(fù)荷及加熱蒸汽消耗量；決定是否對料液進(jìn)行預(yù)熱和有關(guān)熱負(fù)荷的計算；3、板式塔主要工藝尺寸的確定：(1確定塔高、塔徑；(2塔板設(shè)計

8、，計算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)的校核計算；塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計；并畫出塔的操作性能圖；(3管路及附屬設(shè)備的計算和選型；(4抄寫說明書和繪圖。2.2設(shè)計方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集2.2.1確定設(shè)計方案的原則確定設(shè)計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低 消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點：2.2.1.1滿足工藝和操作的要求所設(shè)計出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而 需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計方案需要有一

9、定的操作彈性，各處流量 應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位 置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標(biāo) 時，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表（如溫度計、壓強(qiáng)計，流量計等 及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是 否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。221.2滿足經(jīng)濟(jì)上的要求要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費用。例如在蒸餾過程中如果能適 當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多升蒸汽和冷卻水，也能減少電能消 耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到 所需傳

10、熱面積的大小，即對操作費和設(shè)備費都有影響。同樣，回流比的大小對 操作費和設(shè)備費也有很大影響。2.2.1.3保證安全生產(chǎn)例如苯屬有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計中，對第一個原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。2.2.2設(shè)計方案的選定本設(shè)計任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器 加熱至泡點后

11、送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下 一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離 物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 1.2倍。塔底設(shè)置再沸器 采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。其中由于蒸餾過程的原理是 多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但 其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計中將其熱量作為低溫 熱源產(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。下圖是板式塔的簡略圖迖料rasF琴1T-T加熱水蒸汽再沸器$冷凝水塔底產(chǎn)幷223基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集表1苯和甲苯的物理性質(zhì)工程分子式分

12、子量M沸點C)臨界溫度tc C 臨界壓強(qiáng)Pc8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表5液體粘度卩溫度（C 8090100110120苯mP .s)0.3080.2790.2550.2330.215甲苯mP .s)0.3110.2860.2640.2540.228表6常壓下苯甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度t液相中苯的摩爾分率氣相中苯的摩爾分率Cxy110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.03

13、7.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0第三章板式塔的工藝計算3.1板式塔的物料衡算3.1.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量甲苯的摩爾質(zhì)量原料苯的

14、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%-原料液中產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù);-塔頂產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù)；-塔底產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù)。3.1.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量及物料衡算苯年產(chǎn)量2Xl07kg得 F=599.3kmol/hW=275.8kmol/hD-塔頂液相產(chǎn)品，kmol/h ;W-塔底產(chǎn)品，kmol/h ;3.2塔板數(shù)的確定3.2.1理論板數(shù) 的求取苯-甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)、由手冊查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出xy圖，見下圖圖1苯一甲苯平衡曲線圖、求最小回流比及操作回流比安托因常組 托因常數(shù)ABC苯6.0231206.35220.24甲苯6.0781343.94219.58溫度/

15、C80.1859095154苯/凹101.33116.9135.5155.7630.275甲苯/td40.046.054.063.3302.371據(jù)安托因公式得苯與甲苯的相對揮發(fā)度為 2.084當(dāng)泡點進(jìn)料時q=1氣液平衡方程為故最小回流比為取操作回流比為三、求精餾塔的氣、液相負(fù)荷I I-=其中L-精餾段液相摩爾流量,kmol/h ；V-精餾段氣相摩爾流量，kmol/h ；L-提留段液相摩爾流量，kmol/h ；V-提餾段氣相摩爾流量,kmol/h。四、求操作線方程 精餾段操作線方程為提餾段操作線方程為322實際板層數(shù)的求取當(dāng)t=154C時，當(dāng) t=85C 時，得:實際板層數(shù)為47塊，不包括再沸

16、器;實際進(jìn)料板為第27塊板。靈敏板圖由上圖得:理論靈敏板為第18塊板則實際靈敏板為第32塊板3.3全塔熱量衡算塔頂比熱容-摩爾氣化熱塔底比熱容冷卻介質(zhì)消耗量全凝器的熱負(fù)荷若再沸器的熱損失忽略不計，即一！貝卩再沸器的熱負(fù)荷1 x】廠加熱介質(zhì)消耗量r-加熱蒸汽的汽化熱第四章 板式塔主要工藝尺寸的確定4.1塔徑的計算1、精餾段由史密斯關(guān)聯(lián)圖得：-1為液體表面張力時的氣體負(fù)荷因子氣相體積流量I實際氣體負(fù)荷因子|，-液體的表面張力，-1按史密斯圖求取可能的空塔氣速設(shè)計氣速 一 1則精餾塔塔徑=I2、提餾段的平均溫度為122 E塔間距 _J氣體密度 II液體密度氣體體積流量 同以上得圓整后進(jìn)料板為第27塊

17、板則塔高為=一所以要選擇大塔徑4.2溢流裝置的設(shè)計雙流型塔板的某些參數(shù)值如下：塔徑為 2.4m時,塔截面積堰寬二X 1采用凹形受液盤弓形降液管的堰長1降液管面積 溢流堰堰上方液頭高度由液體流率，二液流收縮系數(shù)。取降液管底隙高度 I般液體流經(jīng)底隙的流速值不大于4.3塔板設(shè)計塔板布置分塊式塔板，板厚受液區(qū)和降液區(qū)入口安定區(qū)和出口安定區(qū)一般取I邊緣區(qū)一般取 III 有效傳質(zhì)區(qū).F雙流型塔板中心降液管寬度，_1有效傳質(zhì)區(qū)面積，篩孔排列，閥孔一般按等腰三角形叉排閥孔氣速=閥孔直徑 J閥孔數(shù)目相鄰兩排間的中心距亠同一排的閥孔中心距 塔板的開孔率 指閥孔總截面積與塔的截面積之比，即4.4篩板的流體力學(xué)驗算塔

18、板的流體力學(xué)計算，目的在于驗算預(yù)選的塔板參數(shù)是否能維持塔的正常操作，以便決定對有關(guān)塔板參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，最后還要作出塔板負(fù)荷性能圖。 液沫夾帶量校核：為防止液沫夾帶量過大，導(dǎo)致塔板效率過低，一般要求 I對雙流型 塔上的截留面積 一= 泛點負(fù)荷因數(shù)查表得 .則泛點率塔板阻力的計算和校核：a. 本設(shè)計塔孔全打開，則干板阻力b. 塔板充氣液層的阻力一I充氣系數(shù) 一I則 Lmlc. 克服表面張力所造成的阻力-液體表面張力， I則塔板阻力I降液管液泛校核：對降液管液面1和下塊塔板液流截面2列伯努利方程，即局部阻力系數(shù) -I則降液管中清液注咼度 .K I實為所相當(dāng)?shù)那逡鹤⒏叨龋矣袨榻狄汗苤信菽瓕拥南鄬?/p>

19、密度，取降液管液泛校核條件合理液體在降液管中停留時間校核:根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)使 不小于3-5s，則該停留時間合理漏液校核：般應(yīng)使穩(wěn)定系數(shù)|大于I第五章塔附件設(shè)計5.1篩板塔的附屬設(shè)備5.1.1冷凝器的選擇壓力不大時選擇臥式殼程冷凝器，傳熱系數(shù) 1設(shè)料液進(jìn)出口溫度差為45 C，冷卻水進(jìn)出口溫度差為30 T截面積5.1.2再沸器的選擇采用立式熱虹吸再沸器傳熱系數(shù) 1截面積5.2進(jìn)料管尺寸的確定進(jìn)料流速丄二 密度 I質(zhì)量流量則管徑 第六章個人心得體會及改進(jìn)意見課程設(shè)計是化工原理課程的一個總結(jié)性教案環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn) 用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整 個教案計劃中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。課程設(shè)計不同于平時的作業(yè)，在設(shè)計中需要我們自己根據(jù)自己的設(shè)計任務(wù)來做 出決策，確定自己的方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計算，并要 對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案 和合理的設(shè)計。所以，課程設(shè)計對于培養(yǎng)我獨立工作能力方面有很好的實踐意 義。經(jīng)過這將近兩周的設(shè)計課程不僅是我們對于課本知識的一種檢驗，而且也 讓我們學(xué)到了很多課本上沒有的知識，并學(xué)會了自己動手思考解決問題的能力 。如我們的設(shè)計