苯甲苯筛板精馏塔分离课程设计.doc

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1、HUBEI UNIVERSITY FOR NATIONALITIES化工原理-化工设备机械基础课程设计设计题目 苯-甲苯筛板精馏塔分离 院 系 化学与环境工程学院 专 业 化学工程与工艺 指导老师 谭老师、石老师 日 期 2013、1、4 小组成员及任务分工一览表序号学号姓名具体分工备注（若为组长请标出）1041140405申 帅精馏塔设计计算以及最后的整合工作组长2041140406、041140403纪瑞雪、李茹姣精馏塔结构与机械计算成员3041140404谢恒精馏塔的工艺计算成员4041140408、041140402余晓莉、霍俊芳热量衡算成员5041140407王世龙绘图成员目录Abs

2、tractVI引 言1第一章 概述11.1板式精馏塔课程设计任务书21.2精馏塔设计方案的选定3第二章 精馏塔设计计算32.1物料计算32.1.1料液及塔顶，塔底产品的摩尔分数32.1.2全塔总物料衡算42.2逐板法求理论板42.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算72.3.1以精馏段为例进行计算72.3.2以提馏段为例进行计算92.4精馏塔的塔体工艺尺度计算112.4.1精馏段塔径的计算112.4.2精馏段塔板主要工艺尺寸的计算132.4.3提馏段塔板主要工艺尺寸的计算。21第三章板式塔得结构与机械设计293.1附件的计算293.1.1接管293.1.2冷凝器31第四章热量衡算334.1

3、塔顶热量衡算334.2塔底热量衡算344.3 焓值衡算35第五章设计结果汇总37符号说明40参考文献42致谢42摘要化工生产中所处理的物料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质，生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作, 利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本设计任务为精馏塔分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，

4、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器冷凝，冷凝液在泡点温度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，所以在设计中把操作回流比取最小回流比的1.7倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计说明书以通过物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核等一系列工作来设计一个具有可行性的合理的筛板塔以及相关辅助设备的计算。绘制了精馏塔装配图，精馏工艺流程图。关键词：筛板塔；苯；甲苯AbstractIn the chemical production processes the material, the inte

5、rmediary product, the primary product, nearly is the mixture which is composed of certain components, moreover majority is the homogeneous phase material, in the production to satisfy the storage, the transportation, the processing and the use need, often needs these mixture separation for pure or n

6、early the pure state material. Separation of distillation is the most commonly used liquid mixture of a unit operation, using liquid mixture of all the different points of the volatile, volatile components from liquid to gas transfer, difficult volatile components from gas to liquid transfer. Mixtur

7、e of raw materials to achieve the various components of the separation process is at the same time heat and mass transfer process. The design task is to separate the benzene - toluene mixture using the distillation tower. For the separation of binary mixtures, we can use a continuous distillation pr

8、ocess. In the design, we feed the raw material in the bubble point ,using preheater where the liquid can be heated up to the bubble point and then give it away to the distillation tower. Up top of the tower ,there is a total condenser which can condense the steam. Part of the condensed steam return

9、to the tower in the bubble point, and the rest product is sent to the tank through the total condenser. It is so easy to isolate material system using this system. the minimum return is relatively small, so we take the minimum reflux ratio of 1.7 times of the operating reflux ratio in our design. To

10、wer reacter is heated with indirect steam and the tower bottom product is sent to storage tanks after cooling.The design specification through the material balance, energy balance, technology, structural design and verification and a series of work to design a reasonable possibility of the sieve tow

11、er that should use the relation selective evaporation flow，and drawing assemble diagram of distillation tower and PID of distillation.Keywords：Distillation；Sieve tower；Benzene 引 言化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。蒸馏是一种常用的化工单元的操作，是工业上分离液相混合物常用的手段。蒸馏操作可以是板式塔，也可以采用填料塔。板式塔为逐步接触型，按汽液接触原件不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、舌

12、形塔、浮动喷射塔等多种。目前，从国内外实际情况来看，主要的塔板类型为浮阀塔，筛板塔及泡罩塔，前两种应用尤为广泛。作为气液两用传质用的塔的设备，首先必须保证气液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的要求，塔设备还得具备下列的基本要求：塔内滞留量小。耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节。结构简单，造价低，创造，安装，维修方便。流体流动阻力小。即流体经塔设备的压降小，可节省动力消耗，降低操作的费用。气液处理量大，即生产能力大时不至于发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。操作稳定，弹性大。即当塔设备的气液负荷在一定范围内变化时，仍能够在较高的传质效率下进行稳定的操作。

13、第一章 概述化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离苯和甲苯混合物精馏塔。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪

14、50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。1在本设计中我们使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单，造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高。采用筛板可解决堵塞问题，适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后，通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生产中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制成突

15、起的斜台状，这样可以降低进口处的速度，使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳钢的比较少。实际操作表明，筛板在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下降，其操作的负荷范围比泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到2-3。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工

16、艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能等直接关系到生产过程的经济问题。2本课程设计的主要内容是设计过程的物料衡算，塔工艺计算，塔板结构设计以及校核。1.1板式精馏塔课程设计任务书一、设计题目苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。二、设计任务(1)原料液组成为0.3（苯的质量分数，下同），其余为甲苯。(2)塔顶产品中苯含量为0.986。(3)釜液中苯含量为0.012。(4)生产能力：40000 t/y苯产品，年开工310天。三、操作条件(1

17、)精馏塔顶压强：4.0kPa(表压) (2)进料热状态：饱和液体进料（q=1）(3)回流比：R=1.3Rmin。 (4)单板压降压：0.7kPa 四、设计内容及要求(1)设计方案的确定及流程说明(2)塔的工艺计算(3)塔和塔板主要工艺尺寸的设计塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。(4)编制设计结果概要或设计一览表(5)辅助设备选型与计算(6)绘制塔设备结构图：采用绘图纸徒手绘制试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计1.2精馏塔设计方案的选定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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

18、人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内，其余部分产品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，故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，塔底产品经冷却后送至储罐。第二章 精馏塔设计计算2.1物料计算2.1.1料液及塔顶，塔底产品的摩尔分数原料：苯甲苯混合物 XF=0.3.产品：XD=0.986（摩尔分数） XW=0.012（摩尔分数）.相对挥发度：=2.5 . 进料热状态：q=1.塔板效率：80% . 原料温度：50 .生产能力：4万吨每年 . 开工时间：310天/年 .冷却水进口温度：25 . 操作压力：塔顶常压 .加热蒸

19、汽压力：1.0KPa . 塔顶压力：4KPa(表压) .单板压降：0.7kPa . 建厂地址：武汉地区 .平均摩尔质量：苯的摩尔质量： MA=78.11Kg/Kmol 甲苯的摩尔质量：MB=92.13Kg/Kmol （其中A、B分别代表苯和甲苯）.原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量：ML,F=0.378.11+(1-0.3)92.13= 87.92 Kg/KmolML,D=0.98678.11+(1-0.986)92.13= 78.31 Kg/KmolML,W=0.01278.11+(1-0.012)92.13=91.96Kg/Kmol.2.1.2全塔总物料衡算总物料衡算 F = D + W

20、 （3-1）易挥发组分（苯）物料衡算 F XF = D XD + W XW （3-2）式中 F、D、W分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；XF、XD、XW分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。结合（3-1）、（3-2）得：F=400001000/(87.9231024)=61.15 kmol/hD= 18.08kmol/hW=43.07 kmol/h2.2逐板法求理论板1.求最小回流比及操作回流比Xq=0.3 Yq=0.517Rmin=2.16R=1.3Rmin=2.812.求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=2.1618.08=39.05 Kmol/hV=(R+1)D

21、=(2.16+1)18.08=57.13 Kmol/hL=L+F=39.05+61.15=100.02 Kmol/hV=V=57.13 Kmol/h3.精馏段操作线方程4.提溜段操作线方程用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算 = 0.986 ， =0.966973.0312.0.0.68412=+=xy， .0.9195.15.22=-=y2y2x941.0.0.312.0.68423=+=xy， 864.05.1.2.533=-=yy3x.0.903312.0.0.68434=+=xy， 788.05.15.244=-=yy4x.0.851312.0684.045=+=xy， .0.696

22、5.15.255=-=yy5x.0.788312.0684.056=+=xy， .0.5985.15.266=-=yy6x.0.721312.0684.067=+=xy，.0.5085.15.277=-=yy7x659.0312.0684.078=+=xy，.0.4365.15.288=-=yy8x610.0312.0684.089=+=xy，.0.3855.15.299=-=yy9x575.0312.0684.0910=+=xy，.0.3515.15.21010=-=yy10x552.0312.0684.01011=+=xy，.0.3045.15.21111=-=yy11x.0.520312

23、.0684.01112=+=xy .0.3015.15.21212=-=yy12x.0.518312.0684.01213=+=xy .0.30015.15.21313=-=yy13x.0.517312.0684.01314=+=xy .0.2995.15.21414=-=yy14x因为, 3.0.0.29914=Fxx故精馏段理论板 n=13，用提留段操作线和相平衡方程继续逐板计算.0.216009.0.0.7511415=-=xy，.0.0995.15.21515=-=yy15x.0.065009.0751.01516=-=xy，.0.0275.15.21616=-=yy16x.0.011

24、009.0751.01617=-=xy，.0.0045.15.21717=-=yy17x因为，012.0004.017=Wxx故精馏段理论板 n=4,总的理论板数，进料板位置5.实际板层数的求取精馏段实际板层数：提留段实际板层数：2.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算2.3.1以精馏段为例进行计算1.操作压力计算塔顶操作压力KPa每层塔板压降KPa进料板压力KPa精馏段平均压力KPa2.操作温度的计算XF=0.3 XD=0.986由内插值法求得：进料板温度 塔顶温度精馏段平均温度3.平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量的计算由，再由平衡曲线得=0.966kg/kmol kg/kmol进料板的

25、平均摩尔质量计算查平衡曲线得 kg/kmol kg/kmol精馏段平均摩尔质量 kg/kmol kg/kmol4.平均密度计算(1).气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即= (2).液相平均密度计算塔顶液相平均密度计算由,查手册得，进料板平均密度的计算由进料板液相平均密度的计算由，进料板液相的分率计算：精馏段液相平均密度为2.3.2以提馏段为例进行计算1.操作压力的计算每层塔板压降KPa进料板压力KPa精馏段平均压力KPa2.操作温度的计算XF=0.3 Xw=0.012由内插值法求得：进料板温度 塔顶温度精馏段平均温度3.平均摩尔质量的计算塔釜平均摩尔质量的计算由，再由平衡曲线得=0.0

26、05进料板平均摩尔质量计算有图解理论板查平衡曲线得 .提馏段平均摩尔质量4.平均密度计算(1).气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即= (2).液相平均密度计算塔釜液相平均密度计算由进料板液相的分率计算：提馏段液相平均密度为2.4精馏塔的塔体工艺尺度计算2.4.1精馏段塔径的计算1.精馏段的气液相体积流率为：取板间距，板上液层高度， 图2-2 斯密斯关联图查图2-2，得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为D1.0m塔截面积为实际空塔气速为2.提溜段塔径的计算提馏段的气液相体积流率为：取板间距，板上液层高度，查图2-2，得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为D1

27、.0m塔截面积为实际空塔气速为3.精馏塔有效高度计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一个人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为2.4.2精馏段塔板主要工艺尺寸的计算1.溢流装置计算因塔径D=1.0m,，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：(1).堰长取=0.66D=0.661.0=0.66m(2).溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1,则取板上清液层高度，故(3).弓形降液管宽度和截面积 图2-3弓形浆液管的参数由，查图2-3，得故依式验算液体在降液管中停留时间，即故降液管设计合理(4).降液管底隙高度则选用凹形受液盘，深度2.塔板布置

28、(1).边缘区宽度确定 取(2).开孔区面积计算开孔区面积按式（5-12）计算，即(3).筛孔计算及其排列物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目个开孔率为气体通过筛孔的气速为3筛板的流体力学验算(1)塔板压降干板阻力计算干板阻力计算：由，查图5-10得故液柱气体通过液层的阻力计算 查图2-6，得液柱液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力计算：液柱气体通过每层塔板得液柱高度可按下式计算：液柱气体通过每层塔板的压降（设计允许）(2)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，可忽略(3)液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内(4)漏液对筛板塔，漏液点气速计

29、算= 实际孔数稳定系数为(5)液泛为防止塔内发生液泛，降压管内液层高苯-甲苯物系属一般物系，取，则板上不设进口堰，计算，即液柱液柱故在本设计中不会发生泛液现象4塔板负荷性能图(1)漏液线 由在操作范围内，任取n个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2-2表2-2精馏段漏液线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()0.3420.3510.3620.371由此表数据即可做出漏液线1(2)液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求VsLs关系如下；由=2.5 =2.5(+),=0.052, = =0.13+2.2 , =0.27-2.2 Vs=

30、1.23-10.02在操作范围内，任取n个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2-3表2-3精馏段液沫夹带线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()1.1591.0991.0220.957由此表数据即可做出液沫夹带线2。(3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.008m作为最小液体负荷标准。由式得=取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下线限了3。见图2-4(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。(5)液泛线令由联立得 +=（）+忽略，将与Ls，与Ls

31、，与Vs的关系式代入上式并整理得式中将有关数据代入得故0.108Vs=0.139-878.1Ls-1.47Ls或Vs=1.28-8130.6Ls-13.61Ls表2-4精馏段液泛线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()1.1801.0830.9240.744由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程可求出筛板塔的精馏段的负荷性能图。见图2-441A523图2-4 塔板负荷性能图2.4.3提馏段塔板主要工艺尺寸的计算。1、溢流装置计算 因塔径D=1.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：(1)堰长取=0.66D=0.66 1

32、.0=0.66m(2)溢流堰高度 由=，选用平直堰，堰上液层高度 近似取E=1，则=0.015m 取板上清液层高度=60mm,故(3)弓形降液管宽度和截面积 由，查图2-3，得故 依式（5-9）验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理(4)降液管底隙高度 取，则选用凹形受液盘，深度2塔板布置(1)塔板的分块 因D800mm，故塔板采用分块式，查表5-3得，塔板分为3块(2)边缘区宽度确定 取(3)开孔区面积计算 开孔区面积按式（5-12）计算，即 其中 故(4)筛孔计算及其排列物系无腐蚀性，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 筛孔数目：个开孔率为气体通过筛孔的气速

33、为3.筛板的流体力学验算(1)塔板压降干板阻力计算干板阻力计算：=0.051 图2-5 干筛孔的流量系数图 由，查图2-5得故液柱气体通过液层计算 图2-6充气系数关联图 查图2-6，得 液柱液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力由式计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算： 液柱体通过每层塔板的压降为（设计允许）(2)液面落差对于筛板塔、液面落差很小、可忽略(3)液沫夹带 故在本设计中，液沫夹带量在允许范围内(4)漏液对筛板塔，漏液点气速计算实际孔速稳定系数为(5)液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高即 苯-甲苯物系属一般物系，取，则 板上不设进口堰，计算，即 液柱液柱 故

34、在本设计中不会发生液泛现象4、塔板负荷性能图(1)漏液线由得整理得 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2-5表2-5提馏段漏液线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00450.3090.3170.3280.337由此表数据即可作出漏液线1(2)液沫夹带线以为限，求关系如下：由表2-6提馏段液沫夹带线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00451.2261.1671.0911.028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，得 取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液

35、相负荷下限线3(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故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4(5)液泛线全由联立得忽略，将与，与的关系式代入上式，并整理得式中 将有关的数据代入，得故表2-7提馏段液泛线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00451.111.0370.9370.845由上表数据即可作出液泛线5，见图2-7根据以上各线方程，可作出提馏段筛板塔的负荷性能图B13425图2-7提留段筛板负荷性能图第三章板式塔得结构与机械设计3.1附件的计算3.1.1接管(1)进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T形进料管。本设计采用直管

36、进料管。F=61.15Kg/h , =869Kg/ 则体积流量 sVFM/m00172.03600869.61.1587.92e=进进管内流速则管径60.4mmm0604.014.36.000172.044=puVd取进料管规格652.5 则管内径d=60mm进料管实际流速smudV/61.02206.014.300172.044=p(2)回流管 采用直管回流管L=DR=18.082.81=50.80kmol/h，回流管的回流量平均密度3/4.876mkg=r则液体流量smVeLML/00126.0336004.876.31.7880.50=取管内流速则回流管直径mmmduVL7.320327

37、.014.35.100126.044=p可取回流管规格352.5 则管内直径d=30mm回流管内实际流速smudV/78.12203.014.300126.044=p(3)塔顶蒸汽接管则整齐体积流量V=D（R+1）=18.08（2.81+1）=68.88kmol/h=（68.8878.31）/（1.883600）=0.797m3/s取管内蒸汽流速则mduV260.014.315797.044=p可取回流管规格2706 则实际管径d=258mm塔顶蒸汽接管实际流速smudV/162140.2582.3.040.7094=(4)釜液排出管塔底w=43.07kmol/h 平均密度e=866kg/m 平均摩尔质量kmolkg/96.91M=体积流量：smVewM/00127.0336004.866.43=.0791.96取管内流速则mduV0569.014.35.000127.044=p可取回流管规格602.5 则实际管径d=55mm塔顶蒸汽接管实际流速smudV/54.022055.014.300127.044=p(5)塔顶产品出口管径D=18.08koml/h 相平均摩尔质量kmolkg