化工原理課程設計---利用浮閥塔分離正戊烷與正己烷的工藝設計

1、安徽理工大學 化工原理課程設計安徽理工大學課程設計說明書設計題目： 化 工 原 理 課 程 設 計 學院、系： 機械工程學院 專業(yè)班級： 過程裝備與控制工程11-2 學生姓名： 指導教師： 李雪斌 成 績： 2013年12月23日設計任務書（1） 設計題目: 利用浮閥塔分離正戊烷與正己烷的工藝設計分離要求：試設計一座正戊烷正己烷連續(xù)精餾浮閥塔，要求年產(chǎn)純度98%的正己烷4.0萬噸，塔頂餾出液中含正己烷不得高于2%，塔底釜液含正己烷不低于98%，原料液中含正戊烷60%（以上均為質(zhì)量分數(shù)）。（二）操作條件：塔頂壓力：4kPa（表壓）進料狀態(tài)：泡點進料回流比：1.4Rmin塔釜加熱蒸汽壓力：0.5M

2、Pa（表壓）單板的壓降：0.7kPa全塔效率：52%（3） 塔板類型：浮閥塔板（F1型)（4） 工作日： 330天/年（一年中有一個月檢修）（5） 廠址：淮南地區(qū)（六）設計內(nèi)容精餾塔的物料衡算塔板數(shù)的確定精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算塔體工藝條件尺寸塔板負荷性能圖目錄第1章 序言3第2章 精餾塔的物料衡算62.1. 物料衡算62.2. 常壓下正戊烷正己烷氣、液平衡組成與溫度的關系7第3章 塔板數(shù)的確定83.1. 理論板數(shù)的確定83.2. 實際板數(shù)的確定9第4章 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)94.1. 操作壓力的計算94.2. 密度的計算104.3. 表面張力的計算114.4. 混合物的

3、粘度124.5. 相對揮發(fā)度12第5章 塔體工藝條件尺寸135.1. 氣、液相體積流量計算135.2. 塔徑的初步設計145.3. 溢流裝置165.4. 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列17第6章 塔板負荷性能圖206.1. 物沫夾帶線206.2. 液泛線216.3. 液相負荷上限226.4. 漏液線226.5. 液相負荷下限23第7章 結(jié)束語2425正戊烷正己烷連續(xù)精餾浮閥塔的設計第1章 序言精餾是分離液體混合物，一種利用回流使液體混合物得到高度分離的蒸餾方法，是工業(yè)上應用最廣的液體混合物分離操作，廣泛應用與石油、化工、輕工、食品、冶金等部門。精餾過程在能量劑的驅(qū)動下，使氣液兩相多次直接接觸和分離，

4、利用液相混合物中各組分揮發(fā)度不同，使揮發(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分離。該過程是同時進行傳質(zhì)傳熱過程。精餾塔分為板式塔填料塔兩大類。板式塔又有篩板塔、泡罩塔、浮閥塔等。本次設計任務是設計雙組份連續(xù)精餾浮閥塔，實現(xiàn)從正戊烷、正己烷的混合溶液中分離出一定純度的正己烷。本次設計選用浮閥塔。本次設計基本流程：原料液（正戊烷、正己烷混合液，泡點進料），經(jīng)過預熱器預熱達到指定溫度后，送入精餾塔的進料板上，進料中的液體和上塔段下來的液體逐板溢流，最后流入塔底再沸器中，經(jīng)過再沸器得到汽化，蒸汽沿塔上升，余下的液體作為塔底產(chǎn)品。進料中的蒸汽和下塔段來的蒸汽一起沿塔逐

5、板上升，上升的蒸汽進入冷凝器，部分蒸汽得到冷凝返回塔頂，其余鎦出液作為塔頂產(chǎn)品。在整個精餾塔中，氣液兩相逆流接觸，進行相互傳質(zhì)。液相中的易揮發(fā)組分進入汽相，汽相中的難揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相。在每層板上，回流液與上升蒸氣互相接觸，進行使熱和使質(zhì)過程。操作時，連續(xù)地從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（斧殘液），部分液體氣化，產(chǎn)生生升蒸氣，依次通過各層塔板。塔頂蒸氣進入冷凝器中被全部冷凝，并將部分冷凝液送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)冷卻器冷卻后被送出作為塔頂產(chǎn)品（餾出液）。 本次設計主要內(nèi)容是物料衡算、塔板數(shù)的確定、精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算、塔板負荷性能圖和生產(chǎn)工藝流程圖。精餾塔工藝流程圖基礎

6、數(shù)據(jù)表1.組分的飽和蒸汽壓Pio (mmHg)溫 度 （）36.140455055606568.7Pio正戊烷101.33115.62136.05159.16185.18214.35246.89273.28正己烷31.9837.2645.0254.0564.6676.3689.96101.33x10.820.620.450.310.180.070y10.930.830.710.570.380.170表2.組分的液相密度（kg/m3）溫 度 （）20406080100正戊烷626.2605.5583.7560.3535.0正戊烷657.2638.9620600.2579.3表3.表面張力()溫

7、度 （）020406080100正戊烷18.2016.0013.8511.769.7197.752正己烷20.1018.0215.9913.2312.0610.18表4.混合物的粘度（mpa.s）溫度 （）0255075100正戊烷6.236.807.377.968.50正己烷6.006.547.107.668.20第2章 精餾塔的物料衡算2.1. 物料衡算F:原料液流量(kmol/h) xF:原料組成（mol%）D:塔頂產(chǎn)品流量(kmol/h) xD：塔頂組成（mol%）W:塔底殘液流量(kmol/h) xW：塔底組成（mol%）正戊烷與正己烷的相對摩爾質(zhì)量分數(shù)分別為72kg/ kmol和8

8、6 kg/ kmol1原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的摩爾分率正戊烷的摩爾質(zhì)量 正己烷的摩爾質(zhì)量 2原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3物料衡算原料處理量 總物料衡算 正戊烷物料衡算 聯(lián)立解得 2.2. 常壓下正戊烷正己烷氣、液平衡組成與溫度的關系溫度：利用表1中的數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得tF、tD、tW.tF: tF=44.5tD: tD =36.47tW: tW=67.43精餾段的平均溫度： = =40.485提鎦段的平均溫度： =40.485時的x1及y1時的x2及y2第3章 塔板數(shù)的確定3.1. 理論板數(shù)的確定由 查得： 精餾段操作線方程提餾段操作線方程根據(jù)相對揮發(fā)度的求取得： 5 精餾段有

9、5塊塔板，第6塊為進料板，全塔共有13塊理論板。3.2. 實際板數(shù)的確定全塔效率為ET=0.52精餾段實際板數(shù)： 全塔實際板數(shù)： 即：全塔板數(shù)為N=13/ 0.52=25（塊）第4章 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)4.1. 操作壓力的計算塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進料板壓力 精餾段平均壓力 塔底操作壓力 提餾段平均壓力 4.2. 密度的計算已知：混合液密度： (質(zhì)量分率，為平均相對分子質(zhì)量)，不同溫度下正戊烷和正己烷的密度見表2.混合氣體密度：精餾段： =40.485時，液相x1=0.77氣相y1=0.90液相：氣相：提留段：時，液相x2=0.28氣相y2=0.52液相：氣相： tD =36

10、.47時 tF=55.965時 精餾段氣相平均密度精餾段 提留段平均氣相密度提餾段 精餾段液相平均密度提留段的液相平均密度4.3. 表面張力的計算精餾段的平均溫度 =40.485時的表面張力 提留段的平均溫度的表面張力 4.4. 混合物的粘度 =40.485時 時 4.5. 相對揮發(fā)度tD =36.47時 tW=67.43時 第5章 塔體工藝條件尺寸5.1. 氣、液相體積流量計算已知：精餾段：提餾段：5.2. 塔徑的初步設計精餾段由橫坐標數(shù)值：取板間距：查圖可知安全系數(shù)取0.8取整 =1.6m空塔氣速：提餾段：橫坐標數(shù)值：取板間距：查圖可知安全系數(shù)取0.8取整 =1.6m空塔氣速：5.3. 溢

11、流裝置（1）堰長取出口堰高：本設計采用平直堰，堰上液高度按下式計算： 近似取E=1精餾段：提餾段：（2）弓形降液管的寬度和橫截面積查圖得： 則：驗算降液管內(nèi)停留時間：精餾段：提餾段：（3）降液管底隙高度精餾段：取降液管底隙的流速提餾段：取降液管底隙的流速因為不小于20mm，故滿足要求。5.4. 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列（1） 塔板分布本設計塔徑1.6m，采用分塊式塔板，以便通過人孔裝拆塔板。閥孔臨界速度精餾段 提餾段 上下兩段相應的閥孔動能因子為：均屬正常操作范圍。（2） 浮閥數(shù)目與排列精餾段取閥孔動能因子則孔速為：取邊緣區(qū)寬度Wc0.055m,安定區(qū)寬度，開孔區(qū)面積提餾段取邊緣區(qū)寬度Wc0.

12、030m,安定區(qū)寬度，開孔區(qū)面積其中，（3）浮閥數(shù)與開孔率F1 型浮閥的閥孔直徑為39mm閥孔氣速，其中取F0=10浮閥數(shù)目開孔率精餾段 提留段 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一橫排的孔心距t=0.075m，則排間距為精餾段 提留段 考慮到塔的直徑較大，故采用分塊式塔板，而各分快板的支撐與銜接將占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距應小于計算值，故取=80mm=0.08m重新計算孔速及閥數(shù)精餾段 提留段 由此可知，閥孔動能因數(shù)變化不大第6章 塔板負荷性能圖6.1. 物沫夾帶線泛點率據(jù)此可作出負荷性能圖中的物沫夾帶線，按泛點率80%計算：精餾段：查物性系數(shù)K=1.0 整理得：由上式可知物沫夾帶線

13、為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個值算出提餾段：整理得：精餾段0.0020.012.22852.0663提餾段0.0020.012.03931.89086.2. 液泛線由此確定液泛線，忽略式中的取0.5 取0.5而精餾段：整理得：提餾段:整理得：在操作范圍內(nèi)任取兩個值，算出相應的精餾段0.0010.0030.0040.0077.67397.09416.81095.8897提餾段0.0010.0030.0040.0078.05397.57127.36866.81586.3. 液相負荷上限液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于35秒。液體降液管內(nèi)停留時間以作為液體在降液管內(nèi)停留時間的下限，則：6.

14、4. 漏液線對于型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則精餾段：提餾段：6.5. 液相負荷下限取堰上液層高度作為液相負荷下限條件作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關的豎直線。 取E=1.0由以上15作出塔板負荷性能圖精餾塔的負荷性能圖由塔板負荷性能圖可以看出：（1） 在任務規(guī)定的氣、液負荷下的操作點處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置；（2） 塔板的氣相負荷上限完全由物沫夾帶控制，操作下由漏液控制；第7章 結(jié)束語通過本塔的負荷性能圖可以看出，操作線分別與液沫夾帶線和漏液線相交，是以上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。若操作點位于操作區(qū)內(nèi)的適中位置時可獲得穩(wěn)定良好的操作效果。但本塔的操作點偏于漏液線，

15、在操作區(qū)偏下方。使塔的正常操作受到一定影響?？梢酝ㄟ^減少塔板開孔率使漏液線下移，使操點位于操作區(qū)中心位置。提高塔的操作效果。精餾塔操作的基本要求是在連續(xù)定態(tài)和最經(jīng)濟的條件下處理更多的原料液，達到預定的分離要求或組分的回收率，即在允許范圍內(nèi)采用較小的回流比和比較大的再沸器傳熱量。所以在設計精餾塔的過程中，必須保持精餾定態(tài)操作的條件如：塔壓穩(wěn)定;進、出塔系統(tǒng)的物料量平衡和穩(wěn)定；進料組成和熱狀況穩(wěn)定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的傳熱條件穩(wěn)定；塔系統(tǒng)與環(huán)境間散熱穩(wěn)定等 因此在設計當中就要考慮主要的因素來進行合理的設計。兩周的化工原理課程設計，使我對于雙組分連續(xù)精餾篩板塔的設計有了更深刻的認識。在設計實踐過程中，我收獲了很多并有一種強烈的成就感。首先，在于設計計算，參考課本所學理論知識，并聯(lián)系生產(chǎn)實際情況，對設計有了整體性的把握。查找一些有關參數(shù)的時候，我通過很多途徑參考并合理的運用到設計中。大量的計算也特別鍛煉我們的計算能力及考驗我們的認真程度。同時我對于精餾這章的熟悉也便于對化工生產(chǎn)更高層次的學習。其次，CAD畫圖方面的能力也有了很大的進步，對各種畫圖工具的運用更加熟練自如。這項工作需要很強的毅力，甚至是通宵達旦的設計，這其中也感受到了設計工作的艱辛。在老師的指導和同學之間相互交流中，我通過自己的努力認真完成了設計。也許設計的結(jié)果還有錯誤，設計的過程還存在不足，希望老師能多多指導給予