苯甲苯分離過程浮閥板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)院 系： 化學(xué)化工學(xué)院專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝班 級： 11級化工2班姓 名： 李 釗學(xué) 號： 2011321216指導(dǎo)教師： 武 蕓 2013年12月15日2014年01月3日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目苯-甲苯分離過程浮閥板精餾塔設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1.原料名稱:苯-甲苯二元均相混合物；2.原料組成：含苯42%（質(zhì)量百分比）；3.產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品中苯含量不低于97%，塔釜中苯含量小于1.0%；4.生產(chǎn)能力：年產(chǎn)量5萬噸/年；5.設(shè)備形式：浮閥塔；6.生產(chǎn)時(shí)間：300天/年，每天24h運(yùn)行；7.進(jìn)料狀況：泡點(diǎn)進(jìn)料；8.操作壓力：常壓；9.加熱蒸汽壓力：270kpa10.冷卻水

2、溫度：進(jìn)口20，出口45；三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)方案的選定及流程說明2.精餾塔的物料衡算3.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算（加熱物料進(jìn)出口溫度、密度、粘度）4.塔板數(shù)的確定5.精餾塔塔體工藝尺寸的計(jì)算6.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算7.塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算8.塔板負(fù)荷性能圖9.換熱器設(shè)計(jì)10.餾塔接管尺寸計(jì)算11.繪制生產(chǎn)工藝流程圖（帶控制點(diǎn)、機(jī)繪，a2圖紙）12.繪制板式精餾塔的總裝置圖（包括部分構(gòu)件，a1圖紙）13.撰寫課程設(shè)計(jì)說明書一份四、設(shè)計(jì)要求1.工藝設(shè)計(jì)說明書一份2.工藝流程圖一張，主要設(shè)備總裝配圖一張（采用autocad繪制）五、設(shè)計(jì)完成時(shí)間2013年12月16日2014年01月01

3、日 目 錄概述6第一章 塔板的工藝設(shè)計(jì)7第一節(jié) 精餾塔全塔物料衡算7第二節(jié) 基本數(shù)據(jù)8第三節(jié) 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算 15第四節(jié) 塔徑的初步計(jì)算16第五節(jié) 溢流裝置17第六節(jié) 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列19第二章 塔板的流體力學(xué)計(jì)算21第一節(jié) 氣體通過浮閥塔的壓降21第二節(jié) 液泛21第三節(jié) 霧沫夾帶22第四節(jié) 塔的負(fù)荷性能圖23第三章 塔附件設(shè)計(jì)28第一節(jié) 接管28第二節(jié) 筒體與封頭30第三節(jié) 塔的總體高度31第四章 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)33第一節(jié) 原料預(yù)熱器33第二節(jié) 塔頂冷凝器34第三節(jié) 再沸器34第四節(jié) 泵的計(jì)算與選型35參考文獻(xiàn)37概述本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。對于該二元均相混合物的分離，應(yīng)采用連

4、續(xù)精餾過程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)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1.22倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。本設(shè)計(jì)的目的是分離苯甲苯二元均相混合物，選用板式浮閥塔。工藝流程確定及說明1. 塔板類型精餾塔的塔板類型有三種：泡罩塔板，篩孔塔板，浮閥塔板。浮閥塔板具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，且開孔率大，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，汽液接觸時(shí)間長，因此塔板效率高。本設(shè)計(jì)采用板式浮閥塔2. 加料方式本精餾塔加料選擇

5、泵直接加料，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，而且可以引入自動控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量及流速。3. 進(jìn)料狀況本精餾塔選擇泡點(diǎn)進(jìn)料。4. 塔頂冷凝方式苯與甲苯不反應(yīng)，且容易冷凝，故本精餾塔塔頂選擇全凝器，用水冷凝。5. 回流方式本設(shè)計(jì)處理量大，所需塔板數(shù)多，塔較高，回流冷凝器不適宜塔頂安裝，故采用強(qiáng)制回流。6. 進(jìn)料狀況加熱方式可分為：直接蒸汽加熱和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱在一定的回流比條件下，塔底蒸汽對回流液有一定的稀釋作用，從而使理論板數(shù)增加，設(shè)備費(fèi)用上升，所以本設(shè)計(jì)采用間接蒸汽加熱（135）。7. 操作壓力苯-甲苯在常壓下相對揮發(fā)度較大，因此在常壓下也比較容易分離，故本設(shè)計(jì)采用常壓精餾。第一章 塔板的工

6、藝設(shè)計(jì)第一節(jié) 精餾塔全塔物料衡算1.原料液級塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率已知苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量原料液組成xf (摩爾分?jǐn)?shù)，下同) 塔頂組成 塔底組成 2. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3. 物料衡算一年以300天，一天以24小時(shí)計(jì)，計(jì)算可得塔頂產(chǎn)品流率： d=5100001000（78.4730024）=88.50kmol/h全塔物料衡算：f=88.50w f0.4607=88.500.9744w.0118解的f189.78kmol/h w101.28kmol/h第二節(jié) 基本數(shù)據(jù)1.各種定性溫度由下表中的數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插法計(jì)算一下溫度(液相溫度) 得92.39 得80.52 得1

7、09.81精餾段的平均溫度為： =86.46提餾段的平均溫度為： =101.10精餾段：=86.46 由表1內(nèi)差法可得=69.44% =85.86%精餾段液相平均摩爾質(zhì)量：=82.39kg/kmol精餾段氣相平均摩爾質(zhì)量：=80.09 kg/kmol 提餾段：=101.10 由表1內(nèi)差法可得=22.96% =40.99%提餾段液相平均摩爾質(zhì)量：=88.91kg/kmol提餾段氣相平均摩爾質(zhì)量：=86.38kg/kmol 表1 苯-甲苯汽液平衡數(shù)據(jù)2.密度表2不同溫度苯-甲苯的密度對于混合液體的密度 ：（其中為質(zhì)量分率）對于混合氣體的密度 ：（其中m為平均摩爾質(zhì)量）精餾段： =86.46由表2內(nèi)

8、差法可得 =0.658=0.342由計(jì)算得 =806.40由計(jì)算得 =2.72 提餾段： =101.10由表2內(nèi)差法可得 =0.2017=0.7983由計(jì)算得 =783.34由計(jì)算得 =2.82 3.粘度表3不同溫度苯-甲苯的密度由內(nèi)差法分別求得精餾段與提餾段平均溫度下苯和甲苯的粘度精餾段： =86.46計(jì)算得 =0.289mpas =0.295 mpas 則精餾段平均粘度為： =0.291mpas提餾段： =101.10計(jì)算得 =0.251mpas =0.262 mpas 則提餾段平均粘度為：=0.260 mpas4.表面張力表4不同溫度苯-甲苯的表面張力液相平均表面張力依下式計(jì)算，即： 精

9、餾段： =86.46由內(nèi)差法計(jì)算得 =20.88mn/m =20.98 mn/m精餾段平均表面張力為：=20.90 mn/m提餾段： =101.10由內(nèi)差法計(jì)算得 =18.72 mn/m =19.77 mn/m提餾段平均表面張力為：=19.23mn/m5.相對揮發(fā)度查相關(guān)化工手冊可得苯的安托因常數(shù)為：a=6.0355 b=1211.033 c=220.79甲苯的安托因常數(shù)為：a=6.07954 b=1344.8 c=219.482精餾段 =86.46（a代表苯，b代表甲苯，下同） 則提餾段 =101.10 則全塔的相對揮發(fā)度為：6.實(shí)際回流比由于是泡點(diǎn)進(jìn)料，有q=1，q線為一垂直線，x=xf=

10、0.4607根據(jù)相平衡方程有=0.6828則最小回流比為=1.31取實(shí)際回流比為最小回流比的1.6倍: r=1.61.31=2.0967.精餾塔的氣、液相負(fù)荷精餾段液相流量 ： 氣相流量 ：液相體積流量：氣相體積流量：餾段操作線方程：提餾段液相流量： 氣相流量： 液相體積流量：氣相體積流量：提餾段操作線方程： 表5精餾段提餾段數(shù)據(jù)匯總項(xiàng)目精餾段提餾段平均溫度86.46101.10液相平均組成x0.69440.2296氣相平均組成y0.85860.4099液相平均摩爾質(zhì)量kg/kmol82.3988.91氣相平均摩爾質(zhì)量kg/kmol80.0986.38液相平均密度kg/m3806.40783.

11、34氣相平均密度kg/m32.722.82平均粘度mpas0.2910.260平均表面張力mn/m20.9119.53液相平均摩爾流量kmol/h185.50375.28氣相平均摩爾流量kmol/h274.00274.00液相平均體積流量m3/s0.005270.01118氣相平均體積流量m3/s2.2412.331相對揮發(fā)度2.562.44第三節(jié) 實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算1.理論塔板數(shù)由芬斯克方程可知 = =7.80=0.254由吉利蘭圖可查的0.415 (天大化工原理下冊p37)解得n=14.76 圓整n=15（不包括再沸器）精餾段最小理論塔板數(shù)： = =3.04前面已計(jì)算得0.415 n=6.61

12、5所以進(jìn)料板為自塔頂向下第7塊板精餾段理論板數(shù)為7塊，提餾段理論板數(shù)為8塊（不包括再沸器）2.實(shí)際塔板數(shù)精餾段和提餾段粘度的平均值為：=（0.291+0.260）/2=0.275mpas全塔效率估算: =53.9%精餾段實(shí)際板數(shù)為：提餾段實(shí)際板數(shù)為：（不包括再沸器）此精餾塔實(shí)際塔板數(shù)為 n=13+15=28塊（不包括再沸器）第四節(jié) 塔徑的初步計(jì)算本精餾塔設(shè)計(jì)：板間距取ht=0.44m 板上液層高度取hl=0.06m ht-hl=0.39m精餾段查史密斯關(guān)聯(lián)圖(天大化工原理下冊p158)得：=0.082物系表面張力修正：取提餾段查史密斯關(guān)聯(lián)圖(天大化工原理下冊p158)得：=0.077物系表面張

13、力修正：取經(jīng)圓整取d=1750mm，則塔截面積為=2.4041m2精餾段實(shí)際空塔氣速為：餾段實(shí)際空塔氣速為：第五節(jié) 溢流裝置1.堰長由計(jì)算的塔徑及塔內(nèi)液體流量，本精餾塔選用單溢流，弓形降液管，溢流堰選擇平直堰。單溢流: 系數(shù)取0.7，則對于平直堰，堰上液層高度為：，對于苯-系統(tǒng)e1降液管有關(guān)參數(shù)精餾段：堰高：=0.06-0.0176=0.0424m：提餾段堰高：=0.06-0.0291=0.0309m2.降液管寬度及橫截面查圖得 精餾段停留時(shí)間為：提餾段停留時(shí)間為：3.降液管底隙高度精餾段：提餾段：第六節(jié) 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列本次設(shè)計(jì)采用浮閥式塔板，根據(jù)機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)jb1118-68，選用f

14、1型重閥，孔徑39mm，選擇碳鋼材料制作浮閥，其厚度為2mm。1.浮閥的數(shù)目與排列孔速可由公式求的，其中為閥孔的動能因子，一般取812，本設(shè)計(jì)中，取10。則閥數(shù)為為保證塔板的強(qiáng)度，需留有一定的邊緣區(qū)和安定區(qū)，在邊緣區(qū)內(nèi)不設(shè)置浮閥。取邊緣區(qū)寬度=0.05m，安定區(qū)寬度=0.1m。 =0.825單溢流塔板鼓泡區(qū)面積為：=1.68m2精餾段：孔速：閥數(shù)： 取同排孔心距t=0.075m，則考慮到塔的直徑較大，必須用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡面積，因此排間距應(yīng)該小于0.0723m，取t=60mm。按照t=0.075m，t=60mm以等腰三角形叉排方式作圖，排得n=272個(gè)。實(shí)際孔

15、速為：動能因子為：=11.3812,符合要求開孔率提餾段：孔速：閥數(shù)： 取同排孔心距t=0.075m，則考慮到塔的直徑較大，必須用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡面積，因此排間距應(yīng)該小于0.068m，取t=60mm。按照t=0.075m，t=60mm以等腰三角形叉排方式作圖，排得n=272個(gè)。實(shí)際孔速為：動能因子為：=1212,符合要求開孔率第二章 塔板的流體力學(xué)計(jì)算第一節(jié) 氣體通過浮閥塔的壓降氣體通過每層塔板的壓降其中為干板阻力，為板上充氣液層阻力，為液體表面張力造成的阻力，可忽略。1.干板阻力的計(jì)算精餾段=0.044m 提餾段=0.048m 第二節(jié) 液泛（淹塔）為防止塔內(nèi)

16、發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式所表示的關(guān)系，即：，其中，為液體通過降液管的壓頭損失。塔板上不設(shè)進(jìn)液口，精餾段苯甲苯物系屬一般物系，取，則：，符合防止淹塔的要求提餾段苯甲苯物系屬一般物系，取，則：，符合防止淹塔的要求第三節(jié) 霧沫夾帶霧沫夾帶率有兩個(gè)公式可以計(jì)算： 或 二者結(jié)果取最大值，保證，即f80%.其中板上液體流徑長度：=1.225m板上液流面積：=2.4041-2*0.2212=1.96m2苯-甲苯按正常系統(tǒng)物性系數(shù)k=1.0，查泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)圖可得=0.127精餾段 f=54.7%80% 滿足要求。提餾段 f=58.8%800mm，故裙座壁厚取16mm基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)外徑：圓整 基礎(chǔ)

17、環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm 考慮到再沸器，裙座高度取3m， 地角螺栓直徑取m30第三節(jié) 塔的總體高度1. 塔頂部的空間高度頂部空間是指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂?shù)拈g距。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，同時(shí)考慮到安裝除沫器的需要，取除沫器到第一塊塔板的距離為800mm（此處有一人孔），塔頂空間高度取1500mm。2. 進(jìn)料板高度為了便于進(jìn)料和安裝進(jìn)料管，在進(jìn)料板處，管間距應(yīng)大一些，由于設(shè)有人孔，古取為800mm。3. 設(shè)有人孔的塔板間距本精餾塔在塔頂，進(jìn)料板，塔釜處各設(shè)一人孔，在設(shè)有人孔的塔板處，板間距設(shè)為800mm，人孔內(nèi)徑為650mm。4. 封頭高度封頭高度包括曲面高度和直

18、邊高度，h=350+40=390mm。5. 裙座高度在求取裙座參數(shù)時(shí)已得:裙座高度為3m。6. 塔底空間高度塔底空間高度是指塔底最底層的塔板到塔底下封頭切線的距離（包括一人孔），其影響因素有： 塔底儲液停留時(shí)間，此處取釜液停留時(shí)間為5min； 再沸器的安裝方式及安裝高度； 塔底液面到最下層塔板之間的間距，此處取1.3m；所以塔底空間高度為：7. 精餾塔總高度第四章 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)第一節(jié) 原料預(yù)熱器因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是采用泡點(diǎn)進(jìn)料，設(shè)原料液溫度為20，因此需要一臺原料預(yù)熱器。本預(yù)熱器的熱流體采用135的水蒸氣。苯-甲苯混合液：2592.39水蒸氣： 135135苯-甲苯混合液進(jìn)出口溫度的平均值為：查表可得

19、4.07kj/(kg) ， 3.93kj/(kg) kj/(kg)所以傳熱系數(shù)k取1400w/（m2）查135水蒸汽的汽化潛熱為2155.8kj/kg加熱蒸汽的質(zhì)量流量第二節(jié) 塔頂冷凝器塔頂溫度，冷凝水 時(shí)，查圖得， 又氣體流量vh=1.582m3/s塔頂被冷凝量 冷凝的熱量取傳熱系數(shù)k=600w/m2k，則傳熱面積冷凝水流量第三節(jié) 再沸器塔底溫度tw=109.81 用t0=135的蒸汽，釜液出口溫度t1=109.81 由tw=109.81 查液體比汽化熱共線圖得又氣體流量vh=2.331m3/s 密度則取傳熱系數(shù)k=600w/m2k，則傳熱面積加熱蒸汽的質(zhì)量流量第四節(jié) 泵的計(jì)算及選型 進(jìn)料溫

20、度tq=92.39 進(jìn)料的質(zhì)量流量為：f=189.78kmol/h=189.7886.24/3600kg/s=4.546kg/s 取管內(nèi)流速則故可采用gb3091-93 683.5的油泵則內(nèi)徑d=68-3.52=61mm 代入得取絕對粗糙度為則相對粗糙度為摩擦系數(shù) 由 得=0.0343進(jìn)料口位置高度h=140.45+3+2.9+0.8=13m揚(yáng)程查y型離心油泵性能表，可選擇泵為65y-60b參考文獻(xiàn)1 譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理(上、下冊) .第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,19982 陳敏恒等.化工原理.第二版化.學(xué)工業(yè)出版社.1999 3 李功樣,陳蘭英,崔英德主編.常用化工單元設(shè)備設(shè)

21、計(jì).廣州:華南理工大學(xué)出版社,20034 賈紹義,柴誠敬主編.化工原理課程設(shè)計(jì).天津:天津大學(xué)出版社,20025 涂偉萍,陳佩珍,程達(dá)芬主編.化工工程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20006 化工設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊，第1篇化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；第8篇傳熱設(shè)備及工業(yè)生產(chǎn).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19867 化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì).廣州：華南工學(xué)院出版社，19868 阮奇，葉長，黃詩煌.化工原理優(yōu)化設(shè)計(jì)與解題指南.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20019 錢頌文主編.換熱器設(shè)計(jì)手冊.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,200210 姚玉英.化工原理例題與習(xí)題.第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998課程設(shè)計(jì)說明書摘

22、要： 作為化工系學(xué)生，我們應(yīng)該較為系統(tǒng)掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，是我們在查閱資料，迅速進(jìn)行工程計(jì)算，用簡潔的文字，清晰的圖表表達(dá)自己設(shè)計(jì)結(jié)果等方面能力的提高，這就是本次設(shè)計(jì)的目的。塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為板式塔和填料塔。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)目的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上液層進(jìn)行質(zhì)熱傳遞，氣液相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求是：（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳熱、傳質(zhì)效率高；（3）氣流的摩擦阻力??；（4）操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；（5）結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外，還要求不易堵塞、耐腐蝕等。板式塔大致可分為兩類：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮閥、篩板、導(dǎo)向篩板、新型垂直篩板、蛇形、s型、多降液管塔板；（2）無降液管的塔板，如穿流式篩板（柵板）、穿流式波紋板等。工業(yè)應(yīng)用較多的是有降液管的塔板，如浮閥、篩板、泡罩塔板等。 浮閥塔廣泛用于精餾、吸收和解吸等過程。其主要特點(diǎn)是在塔板的開孔上裝有可浮動的浮閥，氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進(jìn)入塔板上液層進(jìn)行兩相接觸。浮閥可根據(jù)氣體流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。 浮閥有盤式、條式等多種，國內(nèi)多用盤式浮閥，此型又分為f1型（v1型）、v4型、十字架型、