苯-甲苯筛板精馏塔课程设计

河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计 题 目: 苯-甲苯筛板式精馏塔设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 姓 名: 指导教师: 2014年12月6日 目录化工原理课程设计任务书1.概述51.1序言51.2再沸器51.3冷凝器52.方案的选择及流程说明63.塔的工艺计算63.1原料及塔顶塔底产品的摩尔分率73.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量73.3物料衡算74.塔板数的确定74.1理论塔板数74.2最小回流比及操作回流比84.3精馏塔的气、液相负荷84.4操作线方程94.5图解法求理论塔板数94.6实际板层数95.精馏塔的工艺条件及有关物性数据95.1操作压力95.2操作温度105.3平军摩尔质量105.4平均密度115.5液体平均表面张力125.6液体平均黏度126.精馏塔的塔体工艺尺寸136.1塔径136.2空塔气速136.3实际空塔气速146.4精馏塔有效高度157.踏板主要工艺尺寸的设计157.1塔板布置187.2.塔板布置.188.筛板的流体力学验算198.1塔板压降198.2液面落差208.3液沫夹带208.4漏液218.5液泛219.塔板负荷性能图229.1漏液线229.2液沫夹带线229.3液相负荷下限线239.4液相负荷上限线249.5液泛线2410.板式塔常见附件2610.1进料罐线管径2711.附属设备3011.1塔顶空间3011.2塔底空间.3011.3人孔3011.4塔高3012.设计筛板塔的主要结果汇总：30参考文献32设计心得体会32成绩评定：33化工原理课程设计任务书一、设计题目苯-甲苯板式精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量）100000 吨/年操作周期 7000 小时/年进料组成 56% （苯质量分率，下同）塔顶产品组成 98.5% 塔底产品组成 1.5% 2.操作条件操作压力 4kPa 进料热状态 泡点进料 加热蒸汽 低压蒸汽 3.设备型式 筛板塔 4.厂址 天津 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计.塔径塔高及板结构尺寸的确定.塔板的流体力学校核.塔板的负荷性能图.总塔高总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.工艺流程图及精馏工艺条件图7.设计评述1. 概述1.1序言化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实践的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，设计能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不通，使易挥发组分由液相向气相转移难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可以采用恒沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计得题目是苯-甲苯连续精馏板式塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离一会发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。1.2再沸器作用：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传得以进行。本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。1.3冷凝器 用以将塔顶蒸气冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器。2.方案的选择及流程说明精馏是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，使混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高纯度的产品。流程如下：原料（丙稀和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。多为分离苯甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，取操作回流比为最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热塔底产品经冷却后送至储罐。 图1 筛板精馏塔操作流程图3.精馏塔的工艺计算3.1原料及塔顶塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量： 甲苯的摩尔质量： 3. 2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3. 3物料衡算原料液处理： 总物料衡算： 苯物料衡算： 联立解得： 4精馏塔塔板数的确定4.1理论塔板数苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论塔板数。绘制苯-甲苯物系的气液平衡数据绘制图，如下： 表1 苯-甲苯物系的气液平衡数据表苯（x）00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.9231甲苯（y）00.1280.3040.4530.5960.7200.8300.9221 图2 苯-甲苯物系的气液平衡图4.2最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。在图4-2中对角线上，自点e(0.6，0.6) 作垂线ed即为进料线（q线），该线于平衡线的交点坐标为 故最小回流比为 操作回流比为 4.3精馏塔的气、液相负荷精馏段： 液相负荷：气相负荷： 提馏段： 液相负荷： 气相负荷：4.4操作线方程 精馏段操作线为 提馏段操作线方程为 4.5图解法求理论塔板数 采用图解法求理论板数，如图1所示。 求解结果为： 总理论板层数：14.2(包括再沸器) 进料板位置：74.6实际板层数 精馏段实际板层数： 提馏段实际板层数：所以实际板层数：块5.精馏塔的工艺条件及有关物性数据5.1操作压力 塔顶压力： 每层塔板压降 塔底压力：进料板压力精馏段平均压力： 提馏段平均压力：5.2操作温度由内插法求 塔顶温度： 进料板温度： 塔底温度： 所以精馏段平均温度： 提馏段平均温度：5.3平均摩尔质量5.3.1塔顶平均摩尔质量由，查平衡曲线，得 塔顶气相平均摩尔质量为 塔顶液相平均摩尔质量为 进料板气相平均摩尔质量为 由图知 进料板液相平均摩尔质量为 同理得：5.3.2平均摩尔质量精馏段; 气相平均摩尔质量为 液相平均摩尔质量为 提馏段： 5.4平均密度5.4.1气相平均密度由理想气体状态方程计算，即 5.4.2液相平均密度液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相密度的计算 由,内插法得 进料板液相平均密度计算由,得 进料板液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 同理 提馏段液相平均密度为 5.5液体平均表面张力液体平均表面张力依下式计算，即 5.5.1塔顶液相平均表面张力 由,得 5.5.2进料板液相平均表面张力 由，得 精馏段液相平均表面张力为 同理得： 提馏段液相平均表面张力为5.6液体平均黏度液体平均黏度依下式计算，即 5.6.1塔顶液相平均黏度由，得 3.6.进料板液相平均黏度 由,得 精馏段液相平均黏度为 6.精馏塔的塔体工艺尺寸6.1塔径6.1.1精馏塔的气、液相体积流速分别为 同理得提馏段 6.2空塔气速空塔气速是指在没有塔板和液体的空塔中的流动速度，可定性反映气流在穿越塔板数及液层时的速度。在流量一定的条件下，空塔气速越大，则气流穿越塔板的速度越快，塔径越小，气液两相的接触时间越短，板效率越低，所需的塔板数越多，同时易发生过量液沫夹带等不正常操作现象；反之亦然。因此，操作空塔气速必须合理确定。由 C蒸汽负荷因子， -液相密度，kg -气相密度，kg 式中C由上式计算，其中的由史密斯关联查图可知 取板间距，板上液层高度，则 6.2.1精馏塔塔径查史密斯关联图得，精馏段 取安全系数为0.75，则空塔气速为 所以精馏塔的塔径为 按标准塔径圆整为 6.3实际空塔气速塔的截面积为实际空塔气速为 同理得：6.4精馏塔有效高度6.4.1精馏段有效高度6.4.2提馏段有效高度在进料板上方开一入口，其高度为0.7m 故精馏塔的有效高度为：7.塔板主要工艺尺寸的设计7.1溢流装置为提高传热和传质的效果，降低液面落差，减少倾向性的可能行，液体在塔板上常采用不同的溢流方式。主要有单溢流，双溢流，阶梯溢流，u型流等几种形式。确切的选择方式见下表： 表2 液体负荷与溢流类型表塔径液体流量（）U型流单溢流双溢流阶梯溢流1000 7 451400 9 702000 11 90901603000 11 1101102002003004000 11 1101102302303505000 11 1101102502504006000 11 110110250250450因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项设计如下：7.1.1堰长是维持板上液位，保证两相接触时间的装置，一般有平堰与齿堰两种，多采平堰 取：7.1.2溢流装置高度 由： 选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即 近似取,则 同理得： 取板上清液层高度： 故：同理得： 7.1.3弓形降液管宽度和截面积 由： 故：依下式计算液体在降液管中的停留时间，即 故降液管设计合理。若不满足，则需通过加大板间距及他竟的方法解决。7.1.4降液管底隙高度 取：则：同理得： 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受溢盘，深度：。7.2塔板布置7.2.1塔板的分块因，故塔板采用分块式。查表7-4得，塔板分为4块。分块式塔板即降液管区以外的部分是由若干块钢板组装而成，装焊与塔体内壁的塔板支撑上，塔身为焊制整体圆筒，不分节。 表3 踏板分块参考表 塔径/mm塔板分块数34567.2.2边缘区的宽度开孔区面积，7.2.3开孔区面积开孔区面积按下式计算，即 其中： 故： 7.2.4筛孔计算及排列苯-甲苯物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目为 开孔率为 气体通过筛孔的气速为 8.筛板的流体力学验算8.1塔板压降8.1.1干板阻力干板阻力由下式计算，即 由，查手册可知， 故： 液柱8.1.2液体通过液层的阻力气体通过液层的阻力由下式计算，即 查手册，得。故： 液柱 同理得： （液柱）8.1.3液体表面张力的阻力液体表面张力所产生的阻力按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值） 液柱 液柱 （设计允许）8.2液面落差对于本筛板精馏塔，液面落差小，且本塔的塔径和液流量不大，所以可忽略液面落差的影响。8.3液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故： 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。同理得：8.4漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速： 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。8.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下述关系，即 苯-甲苯物系属一般无系，取，则 液柱 液柱 而： 采用凹形液盘，一般不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱 液柱 故本设计中不会发生漏液现象。9.塔板负荷性能图为保证设计出的筛板塔具有可操作性，这就要求有一定的可调节范围。即在保证不发生异常现象的前提下，要允许流量在一定范围内波动。将允许的最高气量与最低气量的比值称操作弹性。显然，操作弹性越大，则塔的课调节范围越宽，可操作性越强。工程上规定，一设计合理的筛板塔，其操作弹性应介于34之间。9.1漏液线精馏段: 由： 整理得：在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表表4。 表4 精馏段漏液线数据表0.0020.0030.0040.0050.8760.8910.9050.917由上表数据即可做出漏液线1。 提馏段： 表5 提馏段漏液线数据表0.0020.0030.0040.0050.7730.7880.8010.813 由上表数据即可做出漏液线。9.2液沫夹带线精馏段： 以为限，求关系如下： 由： 故： 整理得： 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出处值，计算结果列于下表表6 精馏段液沫夹带数据表 0.002 0.003 0.004 0.005 3.254 3.163 3.083 3.010由上表数据即可作出液沫夹带线5。提馏段： 表7 提馏段液沫夹带数据表0.0020.0030.0040.0053.3483.2613.1833.111由上表数据即可作出液沫夹带线2。9.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液负荷标准得： 取：,则 故： 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。9.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由式可得 故： 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。9.5液泛线精馏段： 令： 由： 联立得： 忽略，将与，与，与的关系代入上式，整理得 式中： 将有关数据代入，得 故： 或：在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表： 表8 精馏段液泛线数据表0.0020.0030.0040.0053.2173.1573.1023.045由上表数据即可作出液泛线5。提馏段： 表9 提馏段液泛线数据表 0.0020.0030.0040.0053.0402.9842.9292.872由上表数据即可作出液泛线。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图4所示。 图4 精馏段负荷性能查该图得 故操作弹性为 图5 提馏段负荷性能图查该图得 故操作弹性为 10.板式塔常见附件10.1进料罐线管径选择原料液流速： 管直径： 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：体积流率： 取管内流速为：，直径为： 查表取10.1.3塔顶蒸汽出料管体积流量： 取管内流速： ，则 查表取10.1.4加热管体积流量： 取管内流速为： 查表取10.1.5冷凝器则： 由： 得： 又气体流量： 塔顶被冷凝量： 冷凝的热量： 联传热系数： 则传热面积： 冷凝水流量：10.1.6再沸器 塔底温度用的蒸汽，釜液出口温度 则： 由查液体比热汽化共线图得 又气体流量： 塔顶被冷凝量： 冷凝的热量： 取传热系数：则传热面积： 加热蒸汽量：11.附属设备板式塔内装有塔板降液管各物流的进出口管及人孔（手孔）基座除沫器附属装置。除一般塔板按设计板间距安装外，其他处根据需要决定其间距。11.1塔顶空间 塔顶空间指塔内最上层板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距（甚至高出一倍以上），本塔塔顶空间取： 11.2塔底空间. 塔底空间指塔内最下层塔底间距。其值有以下两个因素决定。 塔底驻液空间依贮存液量停留35min或更长时间而定。 塔底页面至最下层塔板之间有12m的间距，大塔可大于此值。本塔取： 11.3人孔一般每隔68层塔板设计一人孔。设孔处的板间距等于或大于600mm，人孔直径一般为450500mm，其伸出塔体的筒体长为200250mm，人孔中心距操作平台约8001200mm。本塔每7块塔板设一人孔，共三个，即： 11.4塔高 12.设计筛板塔的主要结果汇总：序号项目数值1平均温度 84.862平均压力 108.83气相流量1.7394液相流量0.00435实际塔板数 226塔的有效高度 8.77塔径 1.68板间距 0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形管11堰长 1.212堰高 0.04313板上液层高度 0.0614堰上液层高度 0.01715降液管底隙高度 0.02916安定区宽度 0.09117边缘区宽度 0.05018开孔区面积 1.47419筛孔数目 （个）756720孔中心距 0.01521开孔率 10.122空塔气速 0.86523筛孔气速 11.6824稳定系数1.9425单板压强 0.64326负荷上限液泛控制27负荷下限漏液控制28液沫夹带 0.01729气相负荷上限 2.9130气相负荷下限 0.83431弓形降液管 0.16532弓形降液管截面积0.096333精馏段操作弹性3.48934提馏段操作弹性3.410参考文献1夏清，贾绍义化工原理第二版（上册和下册）M天津大学出版社，20122马江权，冷一欣化工原理课程设计第二版M中国石油出版社，20113潘红良过程设备与机械基础华东理工出版社，20064刘光启，马连湘，刘杰化学化工物性手册（有机卷）化学工业出版社，2002设计评价本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的筛板式连续精馏塔设备。通过近两周的团队努力，反经过复杂的计算和优化，我们三人组终于设计出一套较为完善的筛板式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。 通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。首先，我们去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了设计的流程和方法。通过查阅资料我们从对设计一无所知变得初晓门路，而进一步的学习和讨论使我们使我们具备了完成设计的知识和方法，这使我们对设计有了极大的信心，我们确定了设计方案和具体流程及设计时间表，然后就进入了正是的设计工作当中。万事开头难，除了最小回流我们从最简单的物料衡算开始，把设计题目中的操作条件转化为化工原理课程物料衡算相关的变量最终把物料衡算正确的计算出来。然后是回流比的确定，我们应用分离工程中的计算式出了最小回流比，然后通过分析确定了放大倍数求出了实际回流比。同样理论塔板数的计算也是通过复杂但有序的计算得出。接下来塔的工艺尺寸计算，筛板流体力学验算，塔板负荷性能图计算等一个接一个的被我们拿下，当然这一路下来并不是一帆风顺的。在验算漏液时我们发现得出的验算值小于规定值，这一下打乱了我们的行进步骤。通过讨论分析，我们整理出可能几条导致这一问题原因，在对这几个因素逐一分析后我们把目标转向了最大的“疑犯”筛板孔心距。原来是我们把孔心距取值取得偏小了，因为我们这个塔的生产能力比较大，太小的孔心距会导致板上液层压力大于板下气流产生的压力就会导致漏液的产生。在重新取了一个稍大的孔心距后通过验算漏液问题得到顺利解决。塔的设计工作按计划完成后我们开始整理草稿并装订成本，为下一步的文档编辑做好准备。文档的编辑我们是分工完成的，我负责论文主体部分的前半部的编辑工作，这个工作虽然不是很费神但也不能小视，因为里面涉及到大量公式和函数的输入，为此我专门下载了公式编辑器配合我的编辑工作。最后我们三人合理完成了文本的编辑。这次历时近两周的的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，也使我们自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我们提供了很大的发挥空间，我们积极发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据和标准，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间紧密协作，相互配合的能力，才可能在有限的时间内设计出合理的设计方案。总之，这次课程设计不仅锻炼了我们应用所学知识来分析解决问题的能力，也提高了我们自学，检索资料和协作的技能。最后，我们还要感谢邱老师在这次课程设计中给予我们的敦促和指导工作。对于设计中我们问题遇到的问题她给予了我们认真明确耐心的指导，这极大的鼓励了我们完成设计的决心，因此，我们要再次感谢老师和班级同学给予的帮助。综合成绩评定表：答辩组成员：答辩记录： 记录人：指导教师评语：成绩评定：学号姓名组员互评10%组长评分15%论文成绩40%答辩成绩35%总评成绩 指导教师： 年 月 日 48