1、 化工原理课程设计苯甲苯精馏塔设计 年级专业设计者姓名设计单位指导老师 完成日期2目录概述 3浮阀塔设计任务书 3设计计算 43.1 设计方案的选定 43.2 精馏塔的物料衡算 .43.3.53.3.1 理论板层数 NT 的求取 .53.3.2 确定实际板数 .83.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .93.4.1 操作温度计算 .93.4.2 平均摩尔质量计算 .93.4.3 平均密度计算 .103.4.4 液体平均表面张力计算 123.4.5 液体平均粘度计算 .123.4.6 气液负荷计算 .133.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .143.6 塔板主要工艺尺寸的计算 .163.7
2、 塔板的流体力学校核 .183.8 塔板负荷性能图 .20设计结果一览表 23塔附件设计 24苯甲苯精馏塔的工艺流程图 25结束语 26参考文献 263概述蒸流和精馏是化工生产中常用的一种混合物分离方法。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到化工企业的经济效益。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。本设计是针对苯甲苯的分离而专门设计
3、的塔设备。根据设计条件以及给出的数据描述出塔温度的分布，求得最小回流比以及塔顶的相对挥发度、塔釜的相对挥发度、全塔平均相对挥发度，又根据物料平衡公式分别计算出精馏段和提馏段的汽、液两相的流量。之后，计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行了塔板结构的设计等。计算和设计这些之后进行了有关的力学性能计算和一系列的校核。浮阀塔设计任务书一、工艺要求与数据1、料液为苯甲苯混合液，含苯 0.4（质量分率，下同） ；2、产品含苯不低于 94%，残液含苯不高于 3%3、生产能力：50000 吨/年（按进料算）二、设计条件连续操作、中间加料、泡点回流。操作压力：常压进料状况：泡点进料生产时间：330 天/年塔
4、釜间接蒸汽加热三、设计内容精馏装置流程设计与论证精馏过程的工艺计算浮阀塔主要工艺尺寸的确定塔盘设计流体力学条件校核、作负荷性能图主要辅助设备的选型四、设计成果设计说明书一份设计图纸，包括流程图，负荷性能图，塔盘布置图，浮阀塔工艺条件图。4设计计算3.1 设计方案的选定 本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品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，故操作回流比取最
5、小回流比的 1.7 倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。浮阀塔特点：1.处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 20%40%，而更接近于筛板塔；2.操作弹性大，一般约为 59，比筛板、泡罩和舌形踏板的操作性要大得多；3.塔板效率高，比泡罩塔高 15%
6、；4.压力小，在常压塔中每块板的压降一般为 400660N/；5.液面梯度小；6.使用周期长；7.结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔的 60%80%,为筛板塔的 120%130%。3.2 精馏塔的物料衡算(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 0.4/7810.4692.3Fx9094781.D.30.352.Wx5（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 0.478.105692.1385.6FMkgmol97D.3.4Wkl（3）物料衡算 原料处理量75.013.3248.96Fmolh总物料衡算 73.44 =DW苯物料衡算 73.440.440.949
7、D0.035 W联立解得 D32.54 kmolhW=40.90 kmolh式中 F-原料液流量D-塔顶产品量W-塔底产品量3.3 塔板数的确定 3.3.1 理论板层数 NT 的求取 （1）由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出 x y 图，见下图（2）求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点 e（0.44,0.44）作垂线 ef即为进料线(q 线)，该线与平衡线的交点坐标为 60.653, 0.44qyqx故最小回流比为 min0.94.6531.4qDyRx取操作回流比为 in1.72.8（3）求精馏塔的气、液相负荷 2.83.54.LRDkolh(1
8、)71069Vm(泡点进料：q=1) ()./qFkl 2.83547.8/LRDkolh（4）求操作线方程 精馏段操作线方程为 10.69.201DnnnxRyx提馏段操作线方程为 1.38.1mwmLWyxxV（5）逐板法求理论板又根据 可解得min(1)dDFfxR=2.475 相平衡方程 2.4751()1xxy= 0.949 1Dyx111 0.83()2.475()yxy7210.69.0.9DxRy22 0.792(1)yx32.842yx33 0.682(1)yx430.69.0.765yx44 .5()yx542.8yx55 0.468(1)yx610.9.0.61yx66
9、.39()yx因为 精馏段理论板 。进料板位置在第 6 快塔板。6f =5N精160.39x 120.5.38.29yx222 0.31()y23.418333 .5(1)yx 340.1.8.9yx444 0.6()yx45.18yx555 .8(1)yx 560.1.38.6yx5556 0.4()yx67.5xy80.h故降液管底隙高度设计合理。 (2) 塔板布置及浮阀数目与排列因 D800mm，故塔板采用分块式。查下表得，塔极分为 3 块。分块式塔板数目塔径/mm 8001200 14001600 18002000 22002400分块数目 3 4 5 6a) 取边缘区宽度 , c0.
10、6(570)Wm:安定区宽度 ， （当 D1.5m 时，W s=6075mmsb) 由2式 345： 计算开空区面积RxxRAa 122in80，1.06.542CDRWm.20.7.3dsx2212.20.3540.3.54sin0.65918aA m c) 阀孔数 与开孔率 ：n本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用 3 mm 碳钢板，取阀孔直径 5 mm。 阀孔按正三角形排列，取孔中心距 t 为 t3 3 515mm18阀孔数目 n 为 n = = =3266 个a21.5At2.150.69开孔率= 0.907（ ） = 0.907（ ） =10.05%td0.气体通过阀孔的气速为 u =
11、 02200.9=14.0m/s5364sVdN塔板布置如图：3.7 塔板的流体力学校核 塔板的流体力学验算，目的在于检验以上初步估计的各项工艺尺寸的计算是否合理是否能保证塔的正常操作。若有不合理者，应调整参数使之合理。7.1 塔板压降 p气体通过塔板的压降 可按下式计算：phpc1=+ha) 干板压降 ：可由2 3-70 式 计算，ch20.5VcLC由 531.67，查2图 3-12 流量系数图得，C 0=0.772192 2014.0.6.51.50.5784VcLh mCb)液层压降 ：可由2 3-53 式 计算l w0+loLhh（ ），0.9.875/126SaTf msA .87
12、52.61.43aVFu由2 与 关联图查得板上液层充气系数 =0.60， o0Fo.06.3loLhc)克服液体表面张力压降 ：因本设计采用浮阀塔，其 值很小，可忽略。 h故 0.56.3.92phm则单板压强： 087.49125.70.9PpLhgPak(2) 雾沫夹带 3.265.71avTfeH3.263.0.8015kg/0.1/kg246ve液 气 液 气故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(3) 漏液由式 VLowhC/13.056.4.0m/s807.21.726=64o塔板的稳定性系数 ，故在设计负荷下不会产014.2.956OWK:生过量漏液。(4) 液泛为防止降液管液泛
13、的发生，应使降液管中清液层高度 wTdhH依式 ， dlpdhH而 2 200.1.153().153().0684sdwLhl20H =0.092+0.036+0.0006=0.128md取 ，则5.00.54.70.236Tw dhmH故在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏塔各项工艺尺寸是适合的。3.8 塔板负荷性能图 (1) 漏液线 由 得： VLowhC/13.056.4.02/300 2/32/3.84. 087.44.7(.560.170.6)630 wwLVSsu ElLL 20,min4wVodNu2/3,i.356.SL在操作范围内，任取几个
14、Ls 值，依上式计算出 Vs 值，计算结果列于下表Ls (m3/s) 0.001 0.003 0.006 0.009Vs/(m3/s) 0.430 0.446 0.463 0.477由上表数据即可作出漏液线 1。 (2) 雾沫夹带线 以 ev0.1kg 液/kg 气为限，求 Vs-Ls 关系如下： 由 3.265.710avLTfueHhu =0.875Vas212.5.fLwohhh =0.047wh = = 0.766Lo2/3602.8410.84ss3/2故 23.75.9f sLH - h =0.283-1.92LTf s3/e = =0.1v3.263/0.875.1204219s
15、VL整理得 2/3.57.SSVL在操作范围内，任取几个 Ls 值，依上式计算出 Vs 值，计算结果列于下表。 Ls/(m3/s) 0.001 0.003 0.006 0.009Vs/(m3/s) 0.746 0.735 0.722 0.711由上表数据即可作出液沫夹带线 2。 (3) 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度 作为最小液体负荷标准。0=.6whm由 得 2/3,in062.841swwLhEl43,min.9sL据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线 3。 (4) 液相负荷上限线 液体的最大流量应保证液体再降液管中停留 35s。以 5s 作为液体在降液管中停留时间的下
16、限 3,max40.98.0785fTSAHLms22据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线 4。 (5) 液泛线 由 确定液泛线，将各式代入dTwpLdciw0（ H+h） =h+h得：22 2/30 00 602.84)5.34.153()(1)1()vs sw wLw wu Lgl lT（将有关的数据代入整理，得 222/3.689.5.6SssVL在操作范围内，任取几个 Ls 值，依上式计算出 Vs 值，计算结果列于下表。 Ls/(m3/s) 0.001 0.003 0.006 0.009Vs/(m3/s) 0.789 0.744 0.675 0.593由上表数据即可作出液泛线
17、5。 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。 精馏段筛板负荷性能图 23在负荷性能图上，作出操作点 P，连接 OP，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 Vs,max=1.064 m3/s Vs,min=0.44 m3/s故操作弹性为 Vs,max / Vs,min=2.37设计结果一览表项目 数值及说明 备注塔径 D/m 1.2塔间距 /mTH0.4塔板型式 单溢流弓形降液管空塔气速 u/(m/s) 0.975堰长 /mwl 0.84堰高 /mh0.047板上液层高度 /mL0.06降液管底隙高度 /m00.031浮阀数 N/个 3
18、266阀孔气速 0u14.04临界阀孔气速 /()cms6.41孔心距 /t 15单板压降 paP725.57液体在降液管停留时间 /s18.67降液管内清液层高度 dHm0.128气液负荷上限 axV1.064气液负荷下限 min0.44操作弹性 2.37分块式塔板正三角形排列雾沫夹带控制漏液控制24塔附件设计1 进料管进料体积流量 3373.485.967./0.2/01fSfFMVmhs取适宜的输送速度 ，故2./fums404Sfifd经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格： 573m实际管内流速： 2086/57fus2 冷凝器按冷凝器与塔的位置，可分为：整体式、自流式和强
19、制循环式。可根据需要选型。（1）整体式将冷凝器与精馏塔作成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。（2）自流式将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。（3）强制循环式当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情况下，冷凝器采用卧式，因为卧式的冷凝液膜较薄，故对流传热系数较大，且卧式便于安装和维修。3 再沸器精馏塔底
20、的再沸器可分为：釜式再沸器、热虹吸式再沸器及强制循环再沸器。可根据需要选型。25（1）釜式式再沸器卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，再进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面，部分液体则通过再沸器内的垂直挡板，作为塔底产物被引出。液体的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留 810 分钟，以分离液体中的气泡。为减少雾沫夹带，再沸器上方应有一分离空间，对于小设备，管束上方至少有300mm 高的分离空间，对于大设备，取再沸器壳径为管束直径的 1.31.6 倍。夹套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，一般液面维持在容积的 70%左右。夹套式再
21、沸器，常用于传热面较小或间歇精馏中。（2）热虹吸式再沸器它是依靠釜内部分汽化所产生的汽、液混合物其密度小于塔底液体密度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器又称自然循环再沸器。这种型式再沸器汽化率不大于 40%，否则传热不良。（3）强制循环再沸器对于高粘度液体和热敏性气体，宜用泵强制循环式再沸器，因流速大、停留时间短，便于控制和调节液体循环量。原料预热器和产品冷却器的型式不象塔顶冷凝器和塔底再沸器的制约条件那样多，可按传热原理计算。 苯甲苯精馏塔的工艺流程图 26结束语课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某
22、一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。参考文献陈敏恒, 丛德滋，方图南，齐鸣斋等编 化工原理上下册（第三版） ，化学工业出版社，2006.5 申迎华，郝小刚等编化工原理课程设计 ，化学工业出版社，2009 大连理工大学主编化工原理下册，高等教育出版社，2002.12 谭天恩，李伟等编著过程工程原理 ，化学工业出版社，2004.8 大连理工大学化工原理教研室主编化工原理课程设计 。 汤金石等著化工原理课程设计 ，化学工业出版社，1990.6
