苯甲苯连续精馏塔机械设计.doc

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1、目 录第一章 绪论11.1 设计题目11.2 精馏及精馏流程11.3 精馏的分类11.4 精馏塔的工作原理21.5 精馏操作的特点21.6 塔板的类型与选择3第二章 精馏塔的设计任务42.1 精馏塔的工艺参数42.2 设计内容42.3 工艺流程设计方案5第三章 精馏塔的工艺设计计算63.1 设计方案的确定63.2 精馏塔的物料衡算63.2.1 原料液、塔顶和塔釜产品的摩尔分数63.2.2 原料液、塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量63.2.3 物料衡算63.3 塔板数的确定73.3.1 理论塔板数的确定73.3.2 求实际塔板数103.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算103.4.1 操作压力

2、103.4.2 操作温度103.4.3 平均摩尔质量103.4.4 平均密度113.4.5 液相平均表面张力113.4.6 液相平均黏度123.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算123.5.1 塔径的计算123.5.2 精馏塔有效高度的计算133.6 塔板主要工艺尺寸的计算143.6.1 溢流装置计算143.6.2 塔板布置及浮阀数目与排列163.7 塔板流体力学验算183.7.1 气相通过浮阀塔板的压降183.7.2 淹塔203.7.3 雾沫夹带203.8 塔板负荷性能图223.8.1 雾沫夹带线223.8.2 液泛线223.8.3 液相负荷上限线233.8.4 漏液线233.8.5 液相负荷下限

3、线243.9 计算结果汇总25第四章 精馏塔机械设计274.1 选材274.2 塔器壁厚及质量计算274.2.1 塔器壁厚计算274.2.2 塔的质量计算284.3 塔体强度与稳定性校核324.3.1 塔的基本自振周期计算324.3.2 地震载荷计算324.3.3 风载荷的计算354.3.4 各种载荷引起的轴向应力384.3.5 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核404.3.6 筒体和裙座水压试验应力校核414.4 基础环厚度计算434.5 地脚螺栓计算444.5.1 地脚螺栓计算承受的最大压力444.5.2 地脚螺栓直径444.5.3 裙座与塔壳连接焊缝验算444.6 开孔与孔补强计算45

4、4.6.1 填料上下塔段连接部位的补强计算454.6.2 有效补强范围464.6.3 有效补强面积464.7 接管的选用474.8 接管法兰的选取48第五章 塔设备的制造及安装505.1 制造要求505.2 组装要求515.3 封口前的检查52心得体会53参考文献55第一章 绪论1.1 设计题目苯甲苯连续精馏塔的工艺设计（浮阀塔）1.2 精馏及精馏流程精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:

5、（1）获得馏出液塔顶的产品；（2）将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；（3）脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知

6、，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。1.3 精馏的分类按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。多组分精馏的特点：能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大；流程短，设备投资费用少；耗能量低，收率高，操作费用低；操作管理方便。1.4 精馏塔的工作原理塔设备的工作原理是通过内部结构使气液两相或液液之间充分接触，实现质量传递和热量传递。它是一种重要的单元操作设备，在石油化工、炼油、医药及环境保护等工业部门应用广泛。蒸馏装置包括

7、精馏塔，原料预热器，蒸馏釜（再沸器），冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多种组分物系的初步分离。本设计主要内容，主要是工艺设计部分，塔板的类型和选择、操作压力的选择、精馏塔的物料衡算、确定塔高、塔径、理论塔板数、全塔效率、塔顶及塔底产品的预分配、溢流装置的设计、塔板流体力学验算、气相通过筛板塔的压强降等。本次设计的题目是苯甲苯连续精馏塔的工艺设计，选用筛板式塔。此塔具有生产能力较大、操作弹性大、液面落差也

8、较小、压力降小、结构简单、造价低等特点，发展前途广泛，主要应用于石油、化工、轻工、医药及环境保护等领域。1.5 精馏操作的特点 从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：（1)沸点升高 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。（2)物料的工艺特性 精馏溶液本身具有

9、某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。（3)节约能源 精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。1.6 塔板的类型与选择 塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类 ，工业应用以错流式 塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。我们应用的是浮阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。它具有结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔

10、率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。第二章 精馏塔的设计任务2.1 精馏塔的工艺参数1. 进精馏塔的料液含苯35%(质量)，其余为甲苯。2. 产品的苯含量不得低于98%（质量）。3. 釜液中苯含量不得高于3.0%（质量）。4. 生产能力为年（8000小时）产16万吨98%（质量）的苯产品。5. 操作条件（1）精馏塔塔内压强 常压（2）进料热状态 泡点（3）回流比 自选（4）加热蒸汽 低压饱和蒸汽（5）单板压降 0.7kPa（6）塔顶压强 35kPa（表压）6. 设备型式 浮阀塔7.厂址为锦州地区。2.2 设计内

11、容1.确定精馏装置流程2.精馏塔的工艺设计塔板数基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论，塔板效率，实际塔板数，板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置，流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性等等。3. 精馏塔的机械设计选材，壁厚质量计算，载荷的校核，如地震载荷风弯距计算等，开孔补强等等。4. 主要附属设备设计计算及选型2.3 工艺流程设计方案工艺流程：原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将

12、冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。第三章 精馏塔的工艺设计计算3.1 设计方案的确定 本设计任务为分离苯和甲苯二元混合物，故采用常压下的连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽用全凝器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内进一步精馏，其余部分作为产品经冷却器冷却后送

13、入储罐。该物系属易分离物系，故采用的最小回流比较小，操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔釜产品经冷却后送入储罐。3.2 精馏塔的物料衡算3.2.1 原料液、塔顶和塔釜产品的摩尔分数苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 3.2.2 原料液、塔顶和塔釜产品的平均摩尔质量3.2.3 物料衡算原料处理量 对苯进行物料衡算 联立解得， 3.3 塔板数的确定3.3.1 理论塔板数的确定 苯-甲苯属二元理想物系，采用图解法求理论塔板数。苯-甲苯气液平衡与温度关系，见附表一表1-苯-甲苯气液平衡与温度关系表苯的摩尔分数温度/苯的摩尔分数温度/液相汽相液相汽相0.00.0110.659.278.9

14、89.48.821.2106.170.085.386.820.037.0102.280.391.484.430.050.098.690.395.782.339.761.895.295.097.981.248.971.092.1100.0100.080.2（1）由苯-甲苯气液平衡数据绘图，见附图1。附图1(2) 求最小回流比和操作回流比 由附图1可知 ，则最小回流比为 操作回流比 （3） 求精馏塔的汽液相负荷(4) 操作线方程精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：（5）图解法求理论塔板数 由附图1可知，总理论塔板数，其中，（不包括再沸器）。 (6) 估算全塔效率因塔顶为全凝器，则塔顶第一块塔板处气

15、相组成 ，由附图1知第一块塔板处液相组成，进料板处液相组成，气相组成，塔底液相组成 ，气相组成 ，则塔顶、进料板和塔底相对挥发度为 解得， 塔内平均相对挥发度为 由气液平衡数据估算温度 ， ， 则塔内平均温度 进料液组成，在94时苯和甲苯黏度分别为 由法得全塔效率3.3.2 求实际塔板数精馏段塔板数 提馏段塔板数 3.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.4.1 操作压力塔顶操作压力 进料板处压降 塔底压降 精馏段平均压降 3.4.2 操作温度 依据操作压力，由泡点方程，通过试差计算出泡点温度，其中，苯-甲苯的饱和蒸汽由安托尼方程计算，计算过程略，故塔顶、进料板和塔底温度分别为： 精馏段

16、平均温度 3.4.3 平均摩尔质量塔顶气相和液相平均摩尔质量，其中，。进料板处气相和液相平均摩尔质量，由附图1知，。精馏段气相和液相平均摩尔质量3.4.4 平均密度（1）气相平均密度由理想气体状态方程计算，即（2）液相平均密度 液相平均密度计算公式： 塔顶液相平均密度：由 查得 ，。塔顶液相的质量分数 进料板液相平均密度：由 查得，。进料板液相的质量分数 精馏段液相平均密度： 3.4.5 液相平均表面张力液相平均表面张力计算公式： 塔顶液相平均表面张力：由 查得，进料板液相平均表面张力：由 查得，精馏段液相平均表面张力： 3.4.6 液相平均黏度液相平均黏度计算公式： 塔顶液相平均黏度： 由

17、查得，进料板液相平均黏度：由 查得，精馏段液相平均黏度：3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.5.1 塔径的计算(1) 最大空塔气速和空塔气速 最大空塔气速计算公式 精馏段气、液相体积流率为由 关联图查，其中横坐标为取板间距，板上液层高度，则查化工原理课程设计图3-3得，则 空塔气速，取安全系数为0.6，则（2） 塔径按标准化圆整取 。塔截面积为 实际空塔气速为 3.5.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度 提馏段有效高度 在进料板、精馏段和提馏段各开一个人孔，有人孔处板间距均为0.8m，故精馏塔的有效高度塔体总高度计算公式 式中 塔顶空间高度，通常取，m；塔底空间高度，m；塔板间距，m；开有人孔的塔板间距，m；进料板处空间高度，m；实际塔板数，个；人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔），个。3.6 塔板主要工艺尺寸的计算3.6.1 溢流装置计算单流型是最简单也是最常用的一种液流型式，此种液流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，广泛应用于直径2.2m以下的塔中，本次结构设计选用单溢流弓形降液管，凹型受液盘。各项工艺尺寸计算如下：（1）堰长 单溢流堰长取 则（2）堰高 堰高计算公式 选用平直堰，堰上液层高度计算公式 查液流收缩系数见附图2,其中横坐标