苯-甲苯篩板精餾塔課程設計報告

.3.河西學院HexiUniversity化工原理課程設計題目:苯-甲苯篩板式精餾塔設計學院:化學化工學院專業(yè):化學工程與工藝學號:姓名:指導教師:20XX12月6日TOC\o"1-3"\h\u目錄化工原理課程設計任務書1.概述 51.1序言51.2再沸器51.3冷凝器52.方案的選擇及流程說明63.塔的工藝計算63.1原料及塔頂塔底產(chǎn)品的摩爾分率73.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量73.3物料衡算74.塔板數(shù)的確定74.1理論塔板數(shù)74.2最小回流比及操作回流比84.3精餾塔的氣、液相負荷84.4操作線方程94.5圖解法求理論塔板數(shù)94.6實際板層數(shù)95.精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)95.1操作壓力95.2操作溫度105.3平軍摩爾質(zhì)量105.4平均密度115.5液體平均表面張力125.6液體平均黏度126.精餾塔的塔體工藝尺寸136.1塔徑136.2空塔氣速136.3實際空塔氣速146.4精餾塔有效高度157.踏板主要工藝尺寸的設計157.1塔板布置187.2.塔板布置………….188.篩板的流體力學驗算198.1塔板壓降198.2液面落差208.3液沫夾帶208.4漏液218.5液泛219.塔板負荷性能圖229.1漏液線229.2液沫夾帶線229.3液相負荷下限線239.4液相負荷上限線249.5液泛線2410.板式塔常見附件2610.1進料罐線管徑2711.附屬設備3011.1塔頂空間3011.2塔底空間. 3011.3人孔3011.4塔高3012.設計篩板塔的主要結果匯總：30參考文獻32設計心得體會32成績評定：33化工原理課程設計任務書一、設計題目苯-甲苯板式精餾塔設計二、設計任務及操作條件1.設計任務生產(chǎn)能力〔進料量100000噸/年操作周期7000小時/年進料組成56%〔苯質(zhì)量分率,下同塔頂產(chǎn)品組成≥98.5%塔底產(chǎn)品組成≤1.5%2.操作條件操作壓力4kPa進料熱狀態(tài)泡點進料加熱蒸汽低壓蒸汽3.設備型式篩板塔4.廠址天津=3\*CHINESENUM3三、設計內(nèi)容=1\*Arabic1.設計方案的選擇及流程說明2.塔的工藝計算3.主要設備工藝尺寸設計=1\*GB2⑴.塔徑塔高及板結構尺寸的確定=2\*GB2⑵.塔板的流體力學校核=3\*GB2⑶.塔板的負荷性能圖=4\*GB2⑷.總塔高總壓降及接管尺寸的確定4.輔助設備選型與計算5.設計結果匯總6.工藝流程圖及精餾工藝條件圖7.設計評述概述1.1序言化工原理課程設計是綜合運用《化工原理》課程和有關先修課程〔《物理化學》,《化工制圖》等所學知識,完成一個單元設備設計為主的一次性實踐教學,是理論聯(lián)系實踐的橋梁,在整個教學中起著培養(yǎng)學生能力的重要作用。通過課程設計,要求更加熟悉工程設計的基本內(nèi)容,掌握化工單元操作設計的主要程序及方法,鍛煉和提高學生綜合運用理論知識和技能的能力,問題分析能力,思考問題能力,設計能力等。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,在化工,煉油,石油化工等工業(yè)中得到廣泛應用。精餾過程在能量劑驅動下〔有時加質(zhì)量劑,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)度的不通,使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉移難揮發(fā)組分由氣相向液相轉移,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,精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的,有些特殊的物系還可以采用恒沸精餾或萃取精餾等特殊方法進行分離。本設計得題目是苯-甲苯連續(xù)精餾板式塔的設計,即需設計一個精餾塔用來分離一會發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯,采用連續(xù)操作方式,需設計一板式塔將其分離。1.2再沸器作用：用以將塔底液體部分汽化后送回精餾塔,使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳得以進行。本設計采用立式熱虹吸式再沸器,它是一垂直放置的管殼式換熱器。液體在自下而上通過換熱器管程時部分汽化,由在殼程內(nèi)的載熱體供熱。1.3冷凝器用以將塔頂蒸氣冷凝成液體,部分冷凝液作塔頂產(chǎn)品,其余作回流液返回塔頂,使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進行,最常用的冷凝器是管殼式換熱器。2.方案的選擇及流程說明精餾是通過多級蒸餾,使混合氣液兩相經(jīng)多次混合接觸和分離,并進行質(zhì)量和熱量的傳遞,使混合物中的組分達到高程度的分離,進而得到高純度的產(chǎn)品。流程如下：原料〔丙稀和丙烷的混合液體經(jīng)進料管由精餾塔中的某一位置〔進料板處流入塔內(nèi),開始精餾操作；當釜中的料液建立起適當液位時,再沸器進行加熱,使之部分汽化返回塔內(nèi)。氣相沿塔上升直至塔頂,由塔頂冷凝器將其進行全部或部分冷凝。將塔頂蒸氣凝液部分作為塔頂產(chǎn)品取出,稱為餾出物。另一部分凝液作為回流返回塔頂?；亓饕簭乃斞厮飨?在下降過程中與來自塔底的上升蒸氣多次逆向接觸和分離。當流至塔底時,被再沸器加熱部分汽化,其氣相返回塔內(nèi)作為氣相回流,而其液相則作為塔底產(chǎn)品采出。多為分離苯—甲苯混合物。對于二元混合物的分離,應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料,將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi),其余部分經(jīng)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,取操作回流比為最小回流比的2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。圖1篩板精餾塔操作流程圖3.精餾塔的工藝計算3.1原料及塔頂塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量：甲苯的摩爾質(zhì)量：3.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3.3物料衡算原料液處理：總物料衡算：苯物料衡算：聯(lián)立解得：4精餾塔塔板數(shù)的確定4.1理論塔板數(shù)苯-甲苯屬理想物系,可采用圖解法求理論塔板數(shù)。繪制苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)繪制圖,如下：表1苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)表苯〔x00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.9231甲苯〔y00.1280.3040.4530.5960.7200.8300.9221圖2苯-甲苯物系的氣液平衡圖4.2最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖4-2中對角線上,自點e<0.6,0.6>作垂線ed即為進料線〔q線,該線于平衡線的交點坐標為故最小回流比為操作回流比為4.3精餾塔的氣、液相負荷精餾段：液相負荷：氣相負荷：提餾段：液相負荷：氣相負荷：4.4操作線方程精餾段操作線為提餾段操作線方程為4.5圖解法求理論塔板數(shù)采用圖解法求理論板數(shù),如圖1所示。求解結果為：總理論板層數(shù)：14.2<包括再沸器>進料板位置：74.6實際板層數(shù)精餾段實際板層數(shù)：提餾段實際板層數(shù)：所以實際板層數(shù)：塊5.精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)5.1操作壓力塔頂壓力：每層塔板壓降塔底壓力：進料板壓力精餾段平均壓力：提餾段平均壓力：5.2操作溫度由內(nèi)插法求塔頂溫度：進料板溫度：塔底溫度：所以精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：5.3平均摩爾質(zhì)量5.3.1塔頂平均摩爾質(zhì)量由,查平衡曲線,得塔頂氣相平均摩爾質(zhì)量為塔頂液相平均摩爾質(zhì)量為進料板氣相平均摩爾質(zhì)量為由圖知進料板液相平均摩爾質(zhì)量為同理得：5.3.2平均摩爾質(zhì)量精餾段;氣相平均摩爾質(zhì)量為液相平均摩爾質(zhì)量為提餾段：5.4平均密度5.4.1氣相平均密度由理想氣體狀態(tài)方程計算,即5.4.2液相平均密度液相平均密度依下式計算,即塔頂液相密度的計算由,內(nèi)插法得進料板液相平均密度計算由,得進料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度為同理提餾段液相平均密度為5.5液體平均表面張力液體平均表面張力依下式計算,即5.5.1塔頂液相平均表面張力由,得5.5.2進料板液相平均表面張力由,得精餾段液相平均表面張力為同理得：提餾段液相平均表面張力為5.6液體平均黏度液體平均黏度依下式計算,即5.6.1塔頂液相平均黏度由,得3.6.進料板液相平均黏度由,得精餾段液相平均黏度為6.精餾塔的塔體工藝尺寸6.1塔徑6.1.1精餾塔的氣、液相體積流速分別為同理得提餾段6.2空塔氣速空塔氣速是指在沒有塔板和液體的空塔中的流動速度,可定性反映氣流在穿越塔板數(shù)及液層時的速度。在流量一定的條件下,空塔氣速越大,則氣流穿越塔板的速度越快,塔徑越小,氣液兩相的接觸時間越短,板效率越低,所需的塔板數(shù)越多,同時易發(fā)生過量液沫夾帶等不正常操作現(xiàn)象；反之亦然。因此,操作空塔氣速必須合理確定。由C—蒸汽負荷因子,--液相密度,kg--氣相密度,kg式中C由上式計算,其中的由史密斯關聯(lián)查圖可知取板間距,板上液層高度,則6.2.1精餾塔塔徑查史密斯關聯(lián)圖得,精餾段取安全系數(shù)為0.75,則空塔氣速為所以精餾塔的塔徑為按標準塔徑圓整為6.3實際空塔氣速塔的截面積為實際空塔氣速為同理得：6.4精餾塔有效高度6.4.1精餾段有效高度6.4.2提餾段有效高度在進料板上方開一入口,其高度為0.7m故精餾塔的有效高度為：7.塔板主要工藝尺寸的設計7.1溢流裝置為提高傳熱和傳質(zhì)的效果,降低液面落差,減少傾向性的可能行,液體在塔板上常采用不同的溢流方式。主要有單溢流,雙溢流,階梯溢流,u型流等幾種形式。確切的選擇方式見下表：表2液體負荷與溢流類型表塔徑液體流量〔U型流單溢流雙溢流階梯溢流100074514009702000119090~160300011110110~200200~300400011110110~230230~350500011110110~250250~400600011110110~250250~450因塔徑,可選用單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤。各項設計如下：7.1.1堰長是維持板上液位,保證兩相接觸時間的裝置,一般有平堰與齒堰兩種,多采平堰?。?.1.2溢流裝置高度由：選用平直堰,堰上液層高度由下式計算,即近似取,則同理得：取板上清液層高度：故：同理得：7.1.3弓形降液管寬度和截面積由：故：依下式計算液體在降液管中的停留時間,即故降液管設計合理。若不滿足,則需通過加大板間距及他竟的方法解決。7.1.4降液管底隙高度取：則：同理得：故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受溢盤,深度：。7.2塔板布置7.2.1塔板的分塊因,故塔板采用分塊式。查表7-4得,塔板分為4塊。分塊式塔板即降液管區(qū)以外的部分是由若干塊鋼板組裝而成,裝焊與塔體內(nèi)壁的塔板支撐上,塔身為焊制整體圓筒,不分節(jié)。表3踏板分塊參考表塔徑/mm塔板分塊數(shù)34567.2.2邊緣區(qū)的寬度開孔區(qū)面積,7.2.3開孔區(qū)面積開孔區(qū)面積按下式計算,即其中：故：7.2.4篩孔計算及排列苯-甲苯物系無腐蝕性,可選用碳鋼板,取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列,取孔中心距t為篩孔數(shù)目為開孔率為氣體通過篩孔的氣速為8.篩板的流體力學驗算8.1塔板壓降8.1.1干板阻力干板阻力由下式計算,即由,查手冊可知,故：液柱8.1.2液體通過液層的阻力氣體通過液層的阻力由下式計算,即查手冊,得。故：液柱同理得：〔液柱8.1.3液體表面張力的阻力液體表面張力所產(chǎn)生的阻力按下式計算,即液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算,即液柱氣體通過每層塔板的壓降為〔設計允許值液柱液柱〔設計允許8.2液面落差對于本篩板精餾塔,液面落差小,且本塔的塔徑和液流量不大,所以可忽略液面落差的影響。8.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計算,即故：故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。同理得：8.4漏液對篩板塔,漏液點氣速可由下式計算,即實際孔速：穩(wěn)定系數(shù)為故在本設計中無明顯漏液。8.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高度應服從下述關系,即苯-甲苯物系屬一般無系,取,則液柱液柱而：采用凹形液盤,一般不設進口堰,可由下式計算,即液柱∴液柱液柱故本設計中不會發(fā)生漏液現(xiàn)象。9.塔板負荷性能圖為保證設計出的篩板塔具有可操作性,這就要求有一定的可調(diào)節(jié)范圍。即在保證不發(fā)生異?，F(xiàn)象的前提下,要允許流量在一定范圍內(nèi)波動。將允許的最高氣量與最低氣量的比值稱操作彈性。顯然,操作彈性越大,則塔的課調(diào)節(jié)范圍越寬,可操作性越強。工程上規(guī)定,一設計合理的篩板塔,其操作彈性應介于3~4之間。9.1漏液線精餾段:由：整理得：在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出值,計算結果列于表表4。表4精餾段漏液線數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0050.8760.8910.9050.917由上表數(shù)據(jù)即可做出漏液線1。提餾段：表5提餾段漏液線數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0050.7730.7880.8010.813由上表數(shù)據(jù)即可做出漏液線。9.2液沫夾帶線精餾段：以為限,求關系如下：由：故：整理得：在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出處值,計算結果列于下表表6精餾段液沫夾帶數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0053.2543.1633.0833.010由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線5。提餾段：表7提餾段液沫夾帶數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0053.3483.2613.1833.111由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。9.3液相負荷下限線對于平直堰,取堰上液層高度作為最小液負荷標準得：?。?則故：據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。9.4液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限,由式可得故：據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。9.5液泛線精餾段：令：由：聯(lián)立得：忽略,將與,與,與的關系代入上式,整理得式中：將有關數(shù)據(jù)代入,得故：或：在操作范圍內(nèi),任取幾個值,依上式計算出值,計算結果列于下表：表8精餾段液泛線數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0053.2173.1573.1023.045由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。提餾段：表9提餾段液泛線數(shù)據(jù)表0.0020.0030.0040.0053.0402.9842.9292.872由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線。根據(jù)以上各線方程,可作出篩板塔的負荷性能圖,如圖4所示。圖4精餾段負荷性能查該圖得故操作彈性為圖5提餾段負荷性能圖查該圖得故操作彈性為10.板式塔常見附件10.1進料罐線管徑選擇原料液流速：管直徑：查表取10.1.1回流管采用直管回流管,取1.6,查表取10.1.2釜液出料管：體積流率：取管內(nèi)流速為：,直徑為：查表取10.1.3塔頂蒸汽出料管體積流量：取管內(nèi)流速：,則查表取10.1.4加熱管體積流量：取管內(nèi)流速為：查表取10.1.5冷凝器則：由：得：又氣體流量：塔頂被冷凝量：冷凝的熱量：聯(lián)傳熱系數(shù)：則傳熱面積：冷凝水流量：10.1.6再沸器塔底溫度用的蒸汽,釜液出口溫度則：由查液體比熱汽化共線圖得又氣體流量：塔頂被冷凝量：冷凝的熱量：取傳熱系數(shù)：則傳熱面積：加熱蒸汽量：11.附屬設備板式塔內(nèi)裝有塔板降液管各物流的進出口管及人孔〔手孔基座除沫器附屬裝置。除一般塔板按設計板間距安裝外,其他處根據(jù)需要決定其間距。11.1塔頂空間塔頂空間指塔內(nèi)最上層板與塔頂?shù)拈g距。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降,此段遠高于板間距〔甚至高出一倍以上,本塔塔頂空間取：11.2塔底空間.塔底空間指塔內(nèi)最下層塔底間距。其值有以下兩個因素決定。=1\*GB3①塔底駐液空間依貯存液量停留3~5min或更長時間而定。=2\*GB3②塔底頁面至最下層塔板之間有1~2m的間距,大塔可大于此值。本塔?。?1.3人孔一般每隔6~8層塔板設計一人孔。設孔處的板間距等于或大于600mm,人孔直徑一般為450~500mm,其伸出塔體的筒體長為200~250mm,人孔中心距操作平臺約800~1200mm。本塔每7塊塔板設一人孔,共三個,即：11.4塔高12.設計篩板塔的主要結果匯總：序號項目數(shù)值1平均溫度84.862平均壓力108.83氣相流量1.7394液相流量0.00435實際塔板數(shù)226塔的有效高度8.77塔徑1.68板間距0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形管11堰長1.212堰高0.04313板上液層高度0.0614堰上液層高度0.01715降液管底隙高度0.02916安定區(qū)寬度0.09117邊緣區(qū)寬度0.05018開孔區(qū)面積1.47419篩孔數(shù)目〔個756720孔中心距0.01521開孔率10.122空塔氣速0.86523篩孔氣速11.6824穩(wěn)定系數(shù)1.9425單板壓強0.64326負荷上限液泛控制27負荷下限漏液控制28液沫夾帶0.01729氣相負荷上限2.9130氣相負荷下限0.83431弓形降液管0.16532弓形降液管截面積0.096333精餾段操作彈性3.48934提餾段操作彈性3.410參考文獻[1]夏清,賈紹義·化工原理第二版〔上冊和下冊[M]·天津大學出版社,2012[2]馬江權,冷一欣·化工原理課程設計第二版[M]·中國石油出版社,2011[3]潘紅良·過程設備與機械基礎·華東理工出版社,2006[4]劉光啟,馬連湘,劉杰·化學化工物性手冊〔有機卷·化學工業(yè)出版社,2002設計評價本次課程設計通過給定的生產(chǎn)操作工藝條件自行設計一套苯－甲苯物系的分離的篩板式連續(xù)精餾塔設備。通過近兩周的團隊努力,反經(jīng)過復雜的計算和優(yōu)化,我們?nèi)私M終于設計出一套較為完善的篩板式連續(xù)精餾塔設備。其各項操作性能指標均能符合工藝生產(chǎn)技術要求,而且操作彈性大,生產(chǎn)能力強,達到了預期的目的。通過這次課程設計我經(jīng)歷并學到了很多知識,熟悉了大量課程內(nèi)容,懂得了許多做事方法,可謂是我從中受益匪淺,我想這也許就是這門課程的最初本意。從接到課題并完成分組的那一刻起我們就立志要盡最大努力把它做全做好。首先,我們?nèi)D書館借閱了大量有關書籍,并從設計書上了解熟悉了設計的流程和方法。通過查閱資料我們從對設計一無所知變得初曉門路,而進一步的學習和討論使我們使我們具備了完成設計的知識和方法