食工原理课程设计甲苯乙苯连续精馏塔设计.doc

甲苯-乙苯的精馏工艺设计 合 肥 学 院HEFEI UNIVERSITY食工原理课程设计题 目: 甲苯-乙苯连续精馏塔设计 系 别: 生物与环境工程系 专 业: 12食品科学与工程 学 号: 1202061011 姓 名: 方平 指导教师: 于宙 二零一四年十 月 二十七 日目录第一部分 设计任务书 1、设计题目 52、设计概述 53、设计内容 6 第二部分 精馏塔的设计1 精馏塔的物料衡算 7 1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 8 1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 8 1.3物料衡算 82 塔板数的确定 9 2.1甲苯、乙苯的温度-组成10 2.2确定操作的回流比R 11 2.3求操作线方程 12 2.4图解法求理论塔板层数133 塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算14 3.1操作压力计算 14 3.2操作温度计算 14 3.3平均摩尔质量计算 15 3.4平均密度计算15 3.5液体平均表面张力计算183.6液体平均粘度计算 204 精馏塔的气、液相负荷计算22 4.1精馏段气、液相负荷计算224.2提馏段气、液相负荷计算225 精馏塔的塔体工艺尺寸计算23 5.1塔径的计算 23 5.2精馏塔有效高度的计算 256 塔板主要工艺尺寸的计算25 6.1溢流装置计算25 6.2塔板布置277 筛板的流体力学验算30 7.1塔板压降 30 7.2液面落差 32 7.3液沫夹带 32 7.4漏液 33 7.5液泛 338 塔板负荷性能图34 8.1精馏段塔板负荷性能图35 8.2提馏段塔板负荷性能图379 精馏塔的设计计算结果汇总一览表4110 精馏塔接管尺寸计算42 10.1塔顶进气管 4210.2塔顶回流液管 4310.3进料管4310.4塔釜出料管4310.5塔釜进气管4311 主要辅助设备的选型 4411.1冷凝器的设计 4411.1.1确定设计方案 4411.1.2确定物性数据4411.1.3计算热负荷45（1）壳程液流量45（2）壳程流体的汽化潜热45（3）热负荷4611.1.4逆流平均温差4611.1.5冷却水用量 4611.1.6估算传热面积 4711.1.7换热器的工艺结构尺寸4711.1.8换热器核算4811.1.9换热器主要结构尺寸和计算结果5111.2再沸器的设计5211.2.1有关物性的确定5211.2.2估算传热面积、初选换热器型号5311.2.3传热能力核算 5511.2.4循环流量的校核 61（1）计算循环推动力61（2）循环阻力61（3）循环推动力与循环阻力的比值 6311.2.5再热器主要结构尺寸和计算结果63 第三部分 其它1 对设计过程的评述、有关问题的讨论和设计自我评价 642 参考文献 653 致谢 664 绘制工艺流程图、设备图 66第一部分 设计任务书1、 设计题目：甲苯-乙苯连续精馏塔的设计 2、 设计概述在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，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。筛板塔是传质过程常用的塔设备，是1932年提出的，当时主要用于酿造。它的主要优点有： () 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。 () 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是： () 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 () 操作弹性较小(约23)。() 小孔筛板容易堵塞。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。1精馏是化工分离中经常遇到的环节。本设计是采用筛板塔对组成结构和性质相似的甲苯和乙苯进行精馏分离。本文详细的介绍了甲苯和乙苯筛板精馏分离的设计过程，画出了工艺流程图和精馏塔主要设备图形象直观的展现了设计的结果。三、设计条件：(一)操作条件1、生产产量： 11000 （吨/年）。2、进料组成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的质量分数为60%。3、进料状态： 冷液进料 4、回流比：R=2.624 5、料液初温 ： 20 6、冷却水的温度： 30 7、采用间接蒸汽加热塔底加热，蒸汽压力0.5 MPa（表压） 8、精馏塔塔顶压强: 4 KPa(表压) 9、单板压降不大于 0.7 kPa 10、分离要求：塔顶的甲苯含量不小于98%(质量分数),塔底的甲苯含量不大于2%(质量分数)。（二）塔板类型:筛板塔（三）工作日：每年工作日为300天，每天24小时连续运行 （四）厂址：安徽省合肥市 （五）设计内容1. 设计说明书的内容1） 精馏塔的物料衡算；2） 塔板数的确定；3） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5） 塔板主要工艺尺寸的计算；6） 塔板的流体力学验算；7） 塔板负荷性能图；8） 精馏塔接管尺寸计算；9） 主要辅助设备的选型；10） 对设计过程的评述、有关问题的讨论和设计自我评价。2. 设计图纸要求：1） 绘制生产工艺流程图（A2号图纸)；2） 绘制精馏塔设计条件图（A1号图纸）。 第二部分 精馏塔的设计1、 精馏塔的物料衡算表1 甲苯的物理性质分子质量：92.14 沸点：110.625温度() 密度（kg/m3）汽化热（KJ）比热容Kg/(mol黏度mPa.s表面张力110780.335.2390.1860.24518.41120770.032.6310.1910.22817.34130759.532.0040.1940.21316.27140748.831.3590.1980.20015.23表2 乙苯的物理性质2分子质量：106.17 沸点：136.186温度() 密度（kg/m3）汽化热（KJ）比热容（Kg/(mol.)黏度mPa.s表面张力110785.837.5470.2170.27819.86120776.236.9360.2210.25918.81130766.636.3120.2250.24217.81140756.735.6420.2290.22616.82(一)、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲苯的摩尔质量MA=92.14 kg/kmol 乙苯的摩尔质量MB=106.17 kg/kmol （二）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 MF=0.633592.14(10.6335)106.17=97.2820 /kmol MD=0.982692.14(10.9826)106.17=98.3841 kg/kmol MW=0.023092.14(10.0230)106.17=105.8473 kg/kmol（三）、物料衡算 对于甲苯-乙苯双组分的连续精馏塔，根据总物料衡算及甲苯的物料衡算可求得进料流量F及残液流率W。 馏出液流率D= 联立解得W=8.9803 kmol/h , F=24.6849 kmol/h以塔顶易挥发组分为主要产品，则回收率为式中:F、D、W分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液的摩尔流量(kmol/h),、分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液组成的摩尔分率二、塔板数的确定 表3 按托尼方程常数Antoine方程常数物质ABC温度范围甲苯6.079541344.8219.4826137乙苯6.082081424.255213.0626163表4 甲苯乙苯气液平衡2t/110.62113116119122101.3089 108.3452 117.7550 127.7931 138.4878 48.0712 51.7611 56.7318 62.0770 67.8163 x1.0000 0.8755 0.7303 0.5969 0.4738 y1.0000 0.9364 0.8490 0.7530 0.6477 t/125128131134136.324149.8675 161.9614 174.7988 188.4096 199.5043 73.9700 80.5590 87.6044 95.1280 101.2991 x0.3601 0.2548 0.1571 0.0662 0.0000 y0.5327 0.4074 0.2710 0.1231 0.0000 1、甲苯、乙苯的温度-组成 甲苯-乙苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 根据（A、B、C为Antoine方程常数由手册已查得如表1）求得一系列温度下甲苯和乙苯的蒸气压、。 再根据泡点方程和露点方程得到各组t-x(y)数据，绘出甲苯、乙苯的温度-组成图及平衡曲线。 图 1 2、确定操作的回流比R 由于是饱和液体进料， 有q=1、xq=xf=0.6335在xy图上查得yq=0.7845。则最小回流比如下： 而一般情况下R=(1.12)Rm ,考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍。 即：R=2Rm=2.6240 图2 3、求操作线方程 精馏段操作线方程为： 提馏段操作线方程为 （1）对于某些进料热状态，当泡点进料时,，则有,所以=2.106, 由于68 精馏段：=X1=0.9826,y2=0.9826 X2=0.9640,y3=0.9691X3=0.9370,y4=0.9496 X4=0.8995,y5=0.9224X5=0.8495,y6=0.8862 X6=0.7871,y7=0.8410X7=0.7152,y8=0.7889 X8=0.6395,y9=0.7342提馏段：X9=0.5674,y10=0.6532 X10=0.4721,y11=0.5461X11=0.3636，Y12=0.4198 X12=0.2557,Y13=0.2941X13=0.1652,Y14=0.1886 X14=0.0994，Y15=0.1120X15=0.1120,Y16=0.0620 X16=0.0304，Y17=0.0306X17=01481.5 提馏段： 实际孔速uo211.41613 m/suOM2 稳定系数为K2=uo2/uOM2=11.41613/5.4372=2.11.5 （故在本设计中无明显漏液）。 (五) 、液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从Hd(HT+hW) 苯一甲苯物系属一般物系，取0.5，则 (HT+hW)=0.5(0.40+0.04394)=0.22197 m 而Hd=hP+hL+hd，板上不设进口堰，本设计采用平直堰=0，hd可由计算，即 精馏段： 故Hd1=0.08953+0.06+0.0009641=0.1505 m液柱 。 提馏段： 故Hd2=0.08805+0.06+0.00223=0.1503 m液柱 。 因Hd1和Hd2都小于(HT+hW),故在本设计中不会发生液泛现象。 通过流体力学验算，可认为精馏段和提馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计，在此不再赘叙。8图8 塔板负荷性能图Vs ,m3/sLs ,m3/s(1)雾沫夹带线(2)液泛线(3)液相上限线(4)漏夜线(5)液相负荷下限线A Vs,minP操作点B Vs,maxO8、 塔板负荷性能图塔板负荷性能图Vs ,m3/sLs ,m3/s(1)雾沫夹带线(2)液泛线(3)液相上限线(4)漏夜线(5)液相负荷下限线A Vs,minP操作点B Vs,maxO（一）、精馏段塔板负荷性能图 1、液相负荷上限线 2、液相负荷下限线 取平堰堰上液层高度m，。 3、雾沫夹带线式中 代入数据得简化得： 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.040.030.020.010.000.120.320.530.791.23依据表中数据作出雾沫夹带线 4、液泛线 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.0100.0080.0060.0040.0020.0000.700.810.890.971.041.13 依据表中数据作出液泛线 5、漏液线（气相负荷下限线）漏液点气速 ，整理得： 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：，m3/s0.040.030.020.010.00Vs了，min，m3/s0.440.420.390.360.29依据表中数据作出漏液线 6、操作弹性 操作气液比 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=将所得上述五个方程绘制成精馏段塔板负荷性能图（二）、提馏段塔板负荷性能图 1、液相负荷上限线 2、液相负荷下限线取平堰堰上液层高度m，。 3、雾沫夹带线式中 代入数据得简化得： 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.040.030.020.010.000.0950.290.520.781.24依据表中数据作出雾沫夹带线 4、液泛线 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.010.0080.0060.0040.0020.580.710.810.900.97 依据表中数据作出液泛线 5、漏液线（气相负荷下限线）漏液点气速 ，整理得： 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：1040.040.030.020.010Vs了，min，m3/s0.420.400.370.330.27依据表中数据作出漏液线 将所得上述五个方程绘制成提馏段塔板负荷性能图 6、操作弹性 操作气液比 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=9 图 9 图 10九、精馏塔的设计计算结果汇总一览表表11 精馏塔的设计计算结果汇总一览表项 目符 号单 位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强PkPa110.2121.05平均温度T114.34126.655平均密度气相kg/m33.20723.6536液相774.9196762.2819平均流量气相Vsm3/s0.46210.4341液相Lsm3/s0.0019370.002438实际塔板数31块1417板间距HTm0.40.4塔段的有效高度Em5.26.4塔径Dm1.01.0空塔气速m/s1.06690.9846塔板液流型式单流型单流型溢流装置溢流管型式堰长m0.70.7堰高hWm0.046440.04413溢流堰宽度hom0.110.11底隙高度m0.029170.03337板上清液层高度hLm0.060.06孔径d0mm55孔间距tmm1515孔数n个27552755开孔面积Aam20.53530.5353筛孔气速uom/s12.433711.41613塔板压降PpkPa0.67910.6596液体在降液管中的停留时间s14.589611.591