采用連續(xù)精餾流程對(duì)二元混合物的分離的設(shè)計(jì)書

1 采用連續(xù)精餾流程對(duì)二元混合物的分離的設(shè)計(jì)書 1 設(shè)計(jì)流程 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離 苯 _甲苯 混合物。對(duì)于二元混合物的分離，采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系 ，操作回流比用作圖法比對(duì)選取合適值 R=釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。 連續(xù)精餾 塔 流程 流程圖 連 續(xù)精餾流程 附圖 圖 1程圖 2 設(shè)計(jì)思路 說明 在本次設(shè)計(jì)中，我們進(jìn)行的是苯和甲苯二元物系的精餾分離，簡(jiǎn)單蒸餾和平衡蒸餾只能達(dá)到組分的部分增濃，如何利用兩組分的揮發(fā)度的差異實(shí)現(xiàn)高純度分離，是精餾塔的基本原理。實(shí)際上，蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器、蒸餾 2 釜、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按操作方式不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾，我們這次所用的就是浮閥式連續(xù)精餾塔。蒸餾是物料在塔內(nèi)的多次部分汽化與多次部分冷凝所實(shí)現(xiàn)分離的。熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中， 熱能利用率很低，有時(shí)后可以考慮將余熱再利用，在此就不敘述。要保持塔的穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。 塔頂冷凝器 采用全凝器 ， 因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確的控制回流比。此次設(shè)計(jì)是在常壓下操作。 因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)采用間接加熱，所以需要再沸器?；亓鞅仁蔷s操作的重要工藝條件。選擇的原則是使設(shè)備和操作費(fèi)用之和最低。在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要選定回流比。 圖 1設(shè)計(jì)思路 流程圖 1、本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾操作方式。 2、常壓操作。 3、泡點(diǎn)進(jìn)料。 4、間接蒸汽加熱。 5、選 R=6、塔頂選用全凝 器。 7、選用浮閥塔 。 在此使用浮閥塔，浮閥塔 塔 板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，其 突出優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)氣體的流量自行調(diào)節(jié)開度，這樣就可以避免過多的漏液。另外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，制造方便，塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備，其多用不銹鋼板或合金 。近年來所研究開發(fā)出的新型浮閥進(jìn)一步加強(qiáng)了流體的導(dǎo)向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動(dòng)接觸更加有效，可顯著提高操作彈性和效率。 從苯 甲苯的相關(guān)物性中可看出它們可近似地看作理想物系。而且浮閥與塔盤板 之間的流通面積能隨氣體負(fù)荷的變動(dòng)而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而在較寬的氣體負(fù)荷范圍內(nèi)，均能保持穩(wěn)定操作。氣體在塔盤板上以水平方向吹出，氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)，霧沫夾帶量少，液面落差也較小。 3 第一章 塔板的工藝設(shè)計(jì) 礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 4 5 料衡算 的物料衡算 處理量： 75000t/Y ,年開工 330 天。 （ 1） 苯的摩爾質(zhì)量： /kg M=kg 42/8/D= 99/+99/ 2） 原料液及 塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量： D=g/W=g/ 3） 物料衡算 F=75000*103/330*24*h 總物料衡算： 即 +W 得 ： D=h W=h F=h 小回流比 的確定 由 系圖，如下： 6 f=m i 9 9 0 . 6 1 8 1 . 4 00 . 4 8 9 0 . 3 9 7 取操作回流 比 R= . 8 5 0 . 7 5 1 4 2 . 1 /L R D k m o l h ( 1 ) ( 2 . 8 1 ) 5 0 . 7 5 1 9 2 . 8 5 /V R D k m o l h 1 4 2 . 1 1 1 0 . 5 2 2 5 2 . 6 2 /L L F k m o l h 1 9 2 . 8 5 /V V k m o l h 7 論板求取 如上圖可算出 總 理論板數(shù)為 65 塊 ，第 7 塊板為進(jìn)料板。 精餾段操作線方程為：1 2 . 4 5 0 . 9 91 1 2 . 4 5 1 2 . 4 5 1Dn n x 1 0 . 7 1 0 0 . 2 8提餾段操作線方程為：1 1 . 3 1 0 . 0 0 3 1 wn n x 8 塔效率 T/N 又 16lg m m = + 由苯與甲苯不同溫度下的平衡組成作出其二元液相圖。 由附錄 18 用內(nèi)插法可以求得 ( 查表可得 ： A = B =m =所以 16lg m =2% 際板數(shù)的求取 精餾段實(shí)際板層數(shù) （ L ） 查苯 甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù) ，由內(nèi)插法求得 8 9 精餾段平均溫度： 1 ( 8 0 . 1 9 3 . 0 8 ) 8 6 . 5 92提餾段平均溫度：2 ( 9 3 . 0 8 1 1 0 . 6 3 ) 1 0 1 . 8 62m 作壓強(qiáng) 塔頂壓強(qiáng) =每層塔板壓降 P= 進(jìn)料板壓強(qiáng)： =20 底壓強(qiáng)：022.3 精餾段平均操作壓力： 2= 提餾段平均操作壓力 ： 2=116均摩爾質(zhì)量的計(jì)算 頂： 1=10 . 9 9 7 8 . 1 1 (1 0 . 9 9 ) 9 2 . 1 3 7 8 . 2 5 k g m o 進(jìn)料板： 1 6 1 2 7 8 . 1 1 ( 1 0 . 6 1 2 ) 9 2 . 1 3 9 1 . 2 k g m o 4 3 2 7 8 . 1 1 ( 1 0 . 3 4 3 2 ) 9 2 . 1 3 9 4 . 3 6 k g m o 塔釜： 0 1 7 8 . 1 1 0 . 9 9 9 2 . 1 3 8 5 . 6 8 k g m o 精餾段平均 摩爾質(zhì) 量： . 2 5 9 1 . 2 8 4 . 7 2 5 g m o 提餾段平均 摩爾質(zhì)量 ： . 6 8 9 4 . 7 2 5 9 0 . 2 k g m o 10 均密度計(jì)算 （ 1） 氣相平均密度算理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 v,m= 解得 Pv,m=m （ 2） 液相平均密度算 由式 1m i L A L B 求相應(yīng)的液相密度。 解得 m （ 3） m， 79.9 kg/m （ 4） 對(duì)于進(jìn)料板： t=用內(nèi)插法求得下列數(shù)據(jù) 338 0 0 . 6 9 / , 7 9 7 . 9 2 /g m k g m30 . 4 6 0 . 5 41 / ( ) 7 9 7 . 1 9 /8 0 0 . 6 9 7 9 7 . 9 2L F m k g m 精餾段平均密度： 0 6 . 5 4 g m L F k 提 餾段平均密度： 8 9 . 5 4 k g m L F /vm T =3kg m 體平均表面張力計(jì)算 液體表面張力 M 由 查手冊(cè)得 11 - 1 - 12 1 . 1 9 m N m , 2 1 . 6 8 m N L B 9 9 2 1 . 1 9 (1 0 . 9 9 ) 2 1 . 6 8 2 1 . 1 9 m N m 由 查手冊(cè)得 - 1 - 11 9 . 6 3 m N m , 2 0 . 6 3 m N L B 4 3 2 1 8 . 9 5 0 . 5 6 8 1 9 . 5 8 1 9 . 7 5 m N m 由 查手冊(cè)得 - 1 - 11 7 . 4 4 m N m , 1 8 . 3 2 m N L B 0 1 1 7 . 4 4 (1 0 . 0 1 ) 1 8 . 3 2 1 8 . 3 1 m N m 精餾段平均表面張力： 9 . 7 5 2 1 . 1 9 2 0 . 4 7 m N 提餾段平均表面張力 ： 9 . 7 5 1 8 . 3 1 1 9 . 0 3 m N 餾塔 塔體 工藝尺寸的計(jì)算 徑的計(jì)算 精餾段氣液相體積流率為 精餾段 31111 9 2 . 8 5 9 1 . 2 1 . 5 1 7 m 0 0 3 6 0 0 3 . 2 2 提餾段 312 2 . 1 9 4 . 3 6L 0 . 0 0 4 6 6 m 0 0 3 6 0 0 7 9 9 . 1 9 因?yàn)?V=V,所以可以認(rèn)為精餾段和提餾段塔徑相等。 12 （ 1） 塔徑計(jì)算 ，由 m a x （由式 0 )20 ） 20密斯關(guān)系圖 查圖的橫坐標(biāo)為 . 2 0 . 220 2 0 . 5( ) 0 . 0 7 4 ( ) 0 . 0 7 4 32 0 2 0 選板間距 板上液層高度 故 6=,到20 0 )20 = 0） m a x 1 . 1 7 4 / m s 取安全系數(shù)為 則空塔速度為 u=s 塔徑 4 4 1 . 5 1 7 1 . 5 3 3 1 4 1 6 0 . 8 2 2 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整為 D=面積 D/4= *4=實(shí)際空塔氣速： U=s 餾塔有效高度的計(jì)算 精餾段有效高度為 Z 精 =（ N 精 * 12*餾段有效高度為 Z 提 =（ N 提 * 18*進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為 13 故精餾塔的有效高度為 Z= Z 提 + Z 精 +2m 板主要工藝尺寸的計(jì)算 流裝置計(jì)算 因塔徑 D=降液管設(shè)計(jì)合理。 （ 4） 降液管底隙高度 液體通過降液管底隙的流速0u為 s 依式計(jì)算降液管底隙高度 h0=qv,l/360014 32=降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理 板布置及 浮閥數(shù)目、浮閥排列 （ 1） 預(yù)先選取閥孔動(dòng)能因子 F 10 ,由 F0=0可求閥孔氣速 u ， 即 u =00 10 5 . 5 7 /3 . 2 2m s 每層塔板上浮閥個(gè)數(shù)為 22001 . 5 1 7 229( 0 . 0 3 9 ) 5 . 5 744 取邊緣寬度 沫區(qū)寬度 鼓泡面積 2 2 2 12 ( s i n )180a xA x r x r r 1 . 6 ( 0 . 1 9 8 0 . 0 7 ) 0 . 5 3 2 6 0 . 0 6 0 . 7 4 閥的排列 ， 考慮到各分塊的支承與銜接要占去一部分鼓泡區(qū)面積 ， 閥孔排列采用等腰三角形叉排方式 。 現(xiàn) 按 t=等腰三角形叉排方式排列 t=t=29*標(biāo)準(zhǔn)取 t=下圖，可算出實(shí)際閥孔數(shù)為 213 個(gè) 2201 . 5 1 7 5 . 9 6 /2 1 3 0 . 7 8 5 ( 0 . 0 3 9 )4m 00 0 5 . 9 6 3 . 2 2 1 0 . 6 9 15 所以閥孔動(dòng)能因子變化不大，仍在 912 的合理范圍內(nèi)，故此閥孔實(shí)排數(shù)適用。 2200 0 . 0 3 9/ ( ) 2 1 3 ( ) 0 . 1 2 61 . 6T N D 此 開孔率在 5%15%范圍內(nèi)，符合要求。 所以這樣開孔是合理的 16 板流體力學(xué)驗(yàn)算 算氣相通過浮閥塔板的靜壓頭降c lh h h h 計(jì)算。 (1)=0 ， 可用 算干板靜壓頭降，即 2)計(jì)算塔板上含氣液層靜壓頭降取充氣系數(shù) ，已知板上液層高度 ,h 所以依式Ll mh l (3)計(jì)算液體表面張力所造成的靜壓頭降服鼓泡時(shí)液體表面張力的阻力很小，所以可忽略不計(jì)。這樣，氣流 經(jīng) 一層，浮閥塔板的靜壓頭降P c lh h h h = p= l*g=506設(shè)計(jì)允許值 ) 塔 式液體通過降液管的靜壓頭降以可用式 d=17 為了防止液泛，按式： )( ，取校正系數(shù) ，選定板間距 , 所以（ HT+=合防止液泛的要求。 算霧沫夾帶量1） 霧沫夾帶量0%的合理范圍內(nèi)，是通過計(jì)算泛點(diǎn)率1 點(diǎn)率的計(jì)算時(shí)間可用式： %和 %利用公式 1可計(jì)算出 為避免霧沫夾帶過量，對(duì)于大塔，泛點(diǎn)需控制在 80%以下。從以上計(jì)算的結(jié)果可知，其泛點(diǎn)率都低于 80%，所以霧沫夾帶量能滿足 干氣）（液） / k g (1.0 的要求。 餾段 塔板負(fù)荷性能圖 沫夾帶 上限線 對(duì)于苯 甲苯物系和已設(shè)計(jì)出塔板結(jié)構(gòu)，霧沫夾帶線可根據(jù)霧沫夾帶量的上限值 干氣）（液） / k g (1.0 所對(duì)應(yīng)的 泛點(diǎn)率1F(亦為上限值 ),利用式 %和 %便可作出此線。由于塔徑較大，所以取泛點(diǎn)率1 80F 整理后得 qv,v=l 即為負(fù)荷性能圖中的線 (1) 此式便為霧沫夾帶的上限線方程 ， 對(duì)應(yīng)一條直線。所以在操作范圍內(nèi)任取兩個(gè)qv,v 算出相應(yīng)的用兩點(diǎn)確定一條直線，便可在負(fù)荷性能圖中得到霧沫夾帶的上限線。 18 泛線 由式 )( ，f c lh h h 聯(lián)立。即 )(式中， 板靜 壓 板 靜20 ， 板上液層靜壓頭降 Ll 從式知， 示板上液層高度 ， 所以板上 32000 液 層層靜壓頭 降 液體表面張力所造成的靜壓頭h 可忽略 液體經(jīng)過降液管的靜壓頭降可用式 則（ 00 1)( 3202020 （ 式中閥孔氣速 2004式中各參數(shù)已知或已計(jì)算出，即 3300 . 5 ; 0 . 4 0 ; 0 . 0 4 2 ; 0 . 5 ; 3 . 2 2 / ; 8 0 6 . 5 4 / ; 2 1 3 ;T w v lH m h m k g m k g m N 0 5 /U m s；0 0 入上式。 整理后便可得 3222 7 1 此式即為液泛線的方程表達(dá)式。在操作范圍內(nèi)任取若干3222 7 1 19 上述坐標(biāo)點(diǎn)便可在中的 (2)。 相負(fù)荷上限線 為了使降液管中液體所夾帶的氣泡有足夠時(shí)間分離出，液體在降液管中停留時(shí)間不應(yīng)小于 3 5s。所以對(duì)液體的流量須有一個(gè)限制，其最大流量必須保證滿足 上述條件。 由式 秒 53 可知，液體在降液管內(nèi)最短停留時(shí)間為 3 5 秒。取5s 為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，所對(duì)應(yīng)的則為液體的最大流量 即液相負(fù)荷上 限于是可得3m a x m a 1 4 5 0 . 4 00 . 0 1 1 6 /5 5 5f T f A HL m s L 顯 然 由 式所得到的液相上限線是 一條與氣相負(fù)荷性能無(wú)關(guān)的豎直線，即負(fù)荷性能圖中的線 (3)。 液線 對(duì)于 重閥，因0故裙座壁厚取 16 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 1 6 0 0 2 1 6 ) 4 0 0 1 2 3 2 m m 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 1 6 0 0 2 1 6 ) + 4 0 0 2 0 3 2 m m 經(jīng)圓整后裙座取 基礎(chǔ)環(huán)厚度考慮到腐蝕余量去 慮到再沸器，裙座高度取 腳螺栓直徑取 孔 人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于人進(jìn)出任何一層塔板。由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難以達(dá)到要求，一般每隔 1020 塊板才設(shè)一個(gè)孔，本塔 中共 30 塊板，需設(shè)置 2個(gè)人孔， 每個(gè)人孔直徑為 450間距為 400座上應(yīng)開 2 個(gè)人孔，直徑為 450人孔深入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓 ，人孔法蘭的密封面形狀及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同，本設(shè)計(jì)也是如此 。 25 總體高度的設(shè)計(jì) 的頂部空間高度 塔的頂部空間高 度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一塊板的距離為 600頂部空間高度為 1200 的底部空間高度 塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤到塔底下封頭切線的距離，釜液停留時(shí)間取 5 B s v t L 6 0 R ) / A ( 0 . 5 0 . 7 ) = ( 5 0 . 0 0 4 6 6 6 0 0 . 1 4 2 ) / 2 . 0 1 0 . 6 1 . 2 2 5 m 立體高度 1 N 5 1 5 0 4 0 0 ( 3 0 1 ) 5 1 5 0 1 1 5 5 0 m m = 1 1 . 5 5 m B+ H + H + H + H 1 1 . 5 5 2 . 2 1 . 2 2 0 . 4 2 5 1 . 2 1 6 . 5 4 5 1 頂 裙封 26 結(jié)束語(yǔ) 在兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)時(shí)間里，通過顧老師的辛勤不倦指點(diǎn)和查閱文獻(xiàn)、計(jì)算數(shù)據(jù)以及 上機(jī)敲電子版，化工原理課程設(shè)計(jì)的基本工作已經(jīng)完成，并得出了可行的設(shè)計(jì)方案，全部計(jì)算過程已在前面的章節(jié)中給以體現(xiàn)。 課程設(shè)計(jì)是對(duì)以往學(xué)過的知識(shí)加以檢驗(yàn)，能夠培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，尤其是這次精餾塔設(shè)計(jì)更加深入了對(duì)化工生產(chǎn)過程的理解和認(rèn)識(shí)，使我們所學(xué)的知識(shí)不局限于書本，并鍛煉了我們的邏輯思維能力，同時(shí)也讓我深深地感受到工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及我了解的知識(shí)的狹隘性。所有的這些為我今后的努力指明了具 體的方向。設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)了我的自學(xué)能力，設(shè)計(jì)中的許多知識(shí)都需要查閱資料和文獻(xiàn)，并要求加以歸納、整理和總結(jié)。通過自學(xué)及老師的指導(dǎo)，不僅鞏固了所學(xué)的化工原理知識(shí) ,更極大地拓寬了我的知識(shí)面，讓我更加認(rèn)識(shí)到實(shí)際化工生產(chǎn)過程和理論的聯(lián)系和差別，這對(duì)將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作無(wú)疑將起到重要的作用 . 在此次化工原理設(shè)計(jì)過程中，我的收獲很大 ,感觸也很深，更覺得學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的重要性 。同時(shí)通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深地體會(huì)到與人討論的重要性。因?yàn)橥ㄟ^與同學(xué)或者是老師的交換看法很容易發(fā)現(xiàn)自己認(rèn)識(shí)的不足，從而讓自己少走彎路。 在此，特別感 謝化工原理 顧 老師以及 我的 同組成員 ，通過與他們的交流使得我的設(shè)計(jì)工作得以圓滿完成。在此我向他們表示衷心的感謝！ 27 參考文獻(xiàn) 1陳敏恒 ,從德滋 ,方圖南等 上冊(cè) 第二版 )化學(xué)工業(yè)出版社 ,1999 2陳敏恒 ,從德滋