浮閥精餾塔工藝設計書

1 浮閥精餾塔工藝設計書 第一章 設計方案的選擇和論證 1、設計流程 本設計任務為分離苯、甲苯混合物。對于二元混合物的分離，采 用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至 泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點 下一部分回流至塔內，其余部分經(jīng)產品冷凝器冷卻后送至儲罐。該物 系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 精餾工藝流程圖 2、設計要求 總的要求是在符合生產工藝條件下，盡可能多的使用新 技術，節(jié) 約能源和成本，少量的污染。精餾塔對塔設備的要求大致如下： 生產能力大，即單位塔截面大的氣液相流率，不會產生液泛等不 正常流動。 效率高，氣液兩相在塔內保持充分的密切接觸，具有較高的塔板 效率或傳質效率。 3、設計思路 在本次設計中，我們進行的是苯和甲苯二元物系的精餾分離，簡 單蒸餾和平衡蒸餾只能達到組分的部分增濃， 如何利用兩組分的揮發(fā) 度的差異實現(xiàn)高純度分離，是精餾塔的基本原理。實際上，蒸餾裝置 包括精餾塔、原料預熱器、蒸餾釜、冷凝器、釜液冷卻器和產品冷卻 器等設備。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。 蒸餾是物料在塔內的多次部分汽化與多次部分 2 冷凝所實現(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將余熱帶走。 在此過程中，熱能利用率很低，有時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。 塔頂冷凝器可采用全凝器、分凝器 這里準備用全凝器，因為可以準確的控制回流比。此次設計是在常壓 下操作。 因為這次設計采用間接加熱，所以需要再沸器?；亓鞅仁?精餾操作的重 要工藝條件。選擇的原則是使設備和操作費用之和最 低 塔板工藝計算 流體力學驗算 4 塔負荷性能圖 。在設計時要根據(jù)實際需要選定回流比。 冷凝器與再沸器的選型 塔附屬設備計算 圖 1計思路流程圖 本設計采用連續(xù)精餾操作方式、常壓操作、泡點進料、間接蒸汽 加熱、選 R=頂選用全凝器、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上 發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點，其突出優(yōu)點是可以根據(jù)氣體的流 量自行調節(jié)開度， 這樣就可以避免過多的漏液。 另外還具有結構簡單， 造價低 ，制造方便，塔板開孔率大，生產能力大等優(yōu)點。浮閥塔一直 成為化工生中主要的傳質設備，其多用不銹鋼板或合金 。近年來所 研究開發(fā)出的新型浮閥進一步加強了流體的導向作用和氣體的分散 作用， 使氣液兩相的流動接觸更加有效， 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荷的變動而自動調節(jié)， 因而在 較寬的氣體負荷范圍內，均能保持穩(wěn)定操作。氣體在塔盤板上以水平 方向吹出，氣液接觸時間長，霧沫夾帶量少，液面落差也較小。 3 圖 14 5 6 第二章 塔板的工藝設計 7 塔物料衡算 根據(jù)工藝的操作條件可知 : 料液流量 F=(9)t/h=s =h 料液中易揮發(fā)組分的質量分數(shù) (30+9)%=塔頂產品質量分數(shù) 98%, 摩爾分數(shù)為 塔底產品質量分數(shù) 2%, 摩爾分數(shù)為 由公式 : F=D+W F*入數(shù)值解方程組得 : 8 塔頂產品 (餾出液 )流量 D=h=s; 塔底產品 (釜液 )流量 W=h=g/s. . 泡點方程 根據(jù) 化工原理 6 1 查出相應的溫度 根據(jù)以上三個方程 ,運用試差法可求出 當 ,假設 t=92 b*= 當 ,假設 t= b*= 當 ,假設 t=108 b*=t=92 ,既是進料口的溫度 , t=塔頂蒸汽需被冷凝到的溫度 , t=108是釜液需被加熱的溫度 . 根據(jù)衡摩爾流假設 ,全塔的流率一致 ,相對揮發(fā)度也一致 a*/t=) 所以平衡方程為 y=1+(x=1+最小回流比 xd/(1(所以 R=所以精餾段液相質量流量 L(Kg/s)=精餾段氣相質量流量 V(Kg/s)=(R+1)D=所以 ,精餾段操作線方程 =R*R+1)+R+1)=所以進料熱狀態(tài) q=1 所以 ,提餾段液相質量流量 L(Kg/s)=L+*提餾段氣相質量流量 V(Kg/s)=所以 ,提 餾段操作線方程 = LVV=論塔板數(shù)的計算 9 (1)聯(lián)立精餾段和提餾段操作線方程解得 前面已算得 (2)用逐板計算法計算理論塔板數(shù) 第一塊板的氣相組成應與回流蒸汽的組成一致 ,所以 y1=后可以根據(jù)平衡方程可 得 第二塊板開始應用精餾段操作線方程求 平衡方程求 直到 合要求 . 底隙流速 ,ub(m/s) =Ls/lw/且不大于 合要求 . 塔盤及其布置 由于直徑較大 ,采取分塊式 ,查表得分三塊 ,厚度取位 4降液區(qū)的面積按 算 ,取為 , 受液區(qū)的面積按 算 ,取為 , 入口安定區(qū)得寬度 一般為 50 100,本設計取為60. 出口安定區(qū)得寬度 一般為 50 100,本設計取為 60. 邊緣區(qū)寬度 bc(一般為 50 75,本設計取為 50, 有效傳質區(qū) ,Aa(m2)= 2*x*(r2)0.5+r2*x/r)=塔板結構如下兩圖 浮閥數(shù)排列 選擇 重型 32g 的浮閥 閥孔直徑給定 ,d0(39動能因子 般取為 8 12,本設計取為 閥孔氣速 ,uo(m/s)= v 閥孔數(shù) n=,取 104. 實際排列時按等腰三角形排 ,中心距取為 75固定底邊尺寸 B( 70,所以 實際排出 104 個閥孔 ,與計算個 數(shù)基本相同 . 所以 ,實際閥孔氣速uo(m/s)=,F0= v開孔率 =n*d0*,一般 10% 14%,符合要求 板的流體力學 (1) 液沫夾帶量校和核 液體橫過塔板流動的行程 ,Z(m)=板上的液流面積 ,Ab(m2) =d=性系數(shù) ,K,查表得 =1 泛點負荷因數(shù) ,下頁圖 . v/( v)*, s* v/( v), 泛點率 合格 . 液體在降液管中停留時間較核 平均停留時間 =t/ 不小于 3 5 s),合格 . 14 嚴重泄漏較核 泄漏點氣速 v=0=5, 穩(wěn)定系數(shù) ,k=u0/ 2,合格 . 塔優(yōu)化 (如下圖 ) 曲線 1 是過量液沫夾帶線 ,根據(jù) v/( v)*,方程 曲線 2 是液相下限線 ,根據(jù) Lh(m3/h)=曲線 3 是嚴重漏液線 , 根據(jù) *do*0*n/( v 得 Vh(m3/h)= 曲線 4 是液相上限線 ,根據(jù) d* *3600 0hh2)曲線 5 必過的五點 (0, 5461)(10,5268)(20,5150)(0, 5461)(10,5268)(20,5150) 作圖如下 m3/h)= 4779,m3/h)= 1349 操作彈性 =于 2,小于 4,合格 14 高 規(guī)則塔體高 h=t=開人孔處 (中間的兩處人孔 )塔板間距增加為 料處塔板間距增加為 塔兩端空間 ,上封頭留 下封 頭留 釜液停留時間 為 20 填充系數(shù) =所以體積流量 V(m3/h)= / l/ = =5s 得 Lh(m3/h)= , 得 曲 線 5 是 降 液 管 泛 線 , 根 據(jù) 裙座壁厚取 16 基礎環(huán)內徑： (1400 + 2 16) 10 = 1132 基礎環(huán)外徑： (1400 + 2 16) + 10 = 1732整 1200 2000礎環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取 18慮到再沸器，裙座高度取 地角螺栓直徑取 用 孔數(shù)目 人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。 對于處理不 38 需要經(jīng)常清洗的物料， 可隔 8 10 塊塔板設置一個人孔； 對于易結垢、 結焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔 4 6 塊塔板開一個人孔。人孔 直徑 通常為 450設計選擇 孔，其中人孔處塔板間距為 600孔數(shù)一共 2 個。 塔總體高度的設計 塔的頂部空間高度為 1200m （取除味器到第一塊板的距離為 600 23 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，取塔底空間為 總體高度 H=H 底 +H 有效 +H 裙 +H 封 +h 頂=+三章 安全與環(huán)保 1、安全注意事項 苯類產品是易燃、易爆、有毒的無色透明液體，其蒸汽與空 氣 混合能形成爆炸性混合物，因此，應特別注意防火，強化安全措施。 不準有明火和火花，設備必須密封，以減少苯蒸汽揮發(fā)散發(fā)入容 器中，設備的放散管應通入大氣，其管口用細金屬網(wǎng)遮蔽，使貯槽或 蒸餾設備中的苯類產品不致因散出蒸汽回火而引起燃燒， 廠房應設有 良好的通風設備，防止苯類蒸汽的聚集。 所有金屬結構應按規(guī)定在幾個地點上接地， 為防止液體自由下落 而引起靜電荷的產生， 將引入貯槽中所有管道均應安裝到接近貯槽的 底部，電動機應放在單獨的廠房內。 應設有泡沫滅火器和蒸汽滅火裝置，不能用水滅火。 工人進入貯槽或設備 進行清掃或修理前 ,油必須全部放空 ,所有 管道均需切斷 ,設備應用水蒸汽徹底清掃后才允許進入并注意通風 , 檢修人員沒有動火證嚴禁在生產區(qū)域內動火。 進入生產區(qū)域或生產無關人員，不得亂動設備和計量儀表等。 39 及時清除設備管線泄漏情況， 嚴防中毒著火、 爆炸等事故的發(fā)生。 泄漏應急處理迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至安全區(qū)，并進行隔離， 嚴格限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器， 穿消防防護服。盡可能切斷泄漏源，防止進入下水道、排洪溝等限制 性空間。小量泄漏：用活性炭或其它惰性材料吸收。也可以用不燃性 分散劑制成的乳液刷洗，洗液稀釋后放入廢水系統(tǒng)。大量泄漏：構筑 圍堤或挖坑收容；用泡沫覆蓋，抑制蒸發(fā)。用防爆泵轉移至槽車或專 用收集器內，回收或運至廢物處理場所處置。 2、環(huán)境保護 認真執(zhí)行環(huán)境保護方針、政策、堅持污染防治設施與生產裝置同 時設計、同時施工、同時投產。現(xiàn)將 “三廢 ”治理措施分析述如下： 廢水：各設備間 24 接冷卻水回收用于煉焦車間熄焦用，工藝產品分 離水送往生化裝置進行處理。 設備沖洗水經(jīng)初步沉淀和油水分離后送 入生化處理。 廢氣：水凝氣體回收引入列管戶前燃燒，產品貯槽加水噴淋裝置 和氮密封措施，防 止揮發(fā)污染大氣環(huán)境。 廢渣：生產過程中生產的廢渣送往回收工段作為原料使用。 定期檢測個生產崗位苯含量和生產下水中各污染均含量， 嚴防超標現(xiàn) 象的發(fā)生。 第四章 設計過程的評述和討論 1、回流比的選擇 回流是保證精餾塔連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件之一， 且回流比是影 響精餾操作費用和投資費用的重要因素。 總費用中最低所對應的回流 比即為適宜回流比。 在精餾設計中，一般并不進行詳細的經(jīng)濟衡算，而是根據(jù)經(jīng)驗選 取。通常，操作回流比可取最小回流比的 倍。我計算的回流比 為 取的回流比 R= 40 2、塔高和塔徑 影響塔板效率的因素有很多， 概括起來有物性性質塔板結構及 操作條件三個方面。 物性性質主要是指黏度密度表面張力擴散 系數(shù)及相對揮發(fā)度等。 塔板的結構主要包括塔板類型板間距堰高及開 孔率等。操作條件是指溫度壓強氣體上升速度及氣液流量比等。影響 塔板效率的因素多而復雜，很難找到各因素之間的定量關系。設計中 所用的板效率數(shù)據(jù)， 一般是從相近的生產裝置或中式裝置中取得經(jīng)驗 數(shù)據(jù)。因此，我通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)和查表在綜合算得塔徑為 高 為 3、進 料狀況的影響 由于不同進料狀況的影響， 使從進料板上升蒸汽量及下降液體量 發(fā)生變化， 也即上升到精餾段的蒸汽量及下降到提留段的液體量發(fā)生 了變化。4、熱量衡算和節(jié)能 對連續(xù)精餾裝置的熱量衡算， 可以求得冷凝器和再沸器的熱負荷 以及冷卻介質和加熱介質的消耗量， 并為設計這些換熱設備提供基本 數(shù)據(jù)。從傳質角度而言，宜將熱量加入塔底，即選擇冷進料，這樣可 提供更多的氣相回流。 25 隨著進料帶入熱量增加，塔底再熱器供熱必將減少，加熱蒸汽消 耗量降低，但全塔總的耗熱量是一定的。從廢熱回收利用和能量回收 品味而言，加熱原料 所需的品味較低，且多可利用廢熱。因此我們采 用熱進料。 精餾過程需要消耗大量的能量，我們采取的降低能耗的具體措施 如下： 4 選擇經(jīng)濟合理的回流比； 回收精餾裝置的余熱，以用作本裝置和其他裝置的熱源； 對精餾過程進行優(yōu)化控制，減小操作裕度，使其在最佳狀況下操 作，可確保過程能耗為最低。 5、精餾塔的操作和調節(jié) 對于我們的精餾塔和物系，保持精餾穩(wěn)態(tài)操作采取的措施是： 1)塔壓穩(wěn)定； 2)進出塔系統(tǒng)物料平衡和穩(wěn)定； 3)進料組成和熱狀況穩(wěn)定； 4)回流比恒定； 5)再沸器和冷凝器的傳熱條件穩(wěn)定； 6)塔系統(tǒng)和環(huán)境 間散熱穩(wěn)定等。 、 參考文獻 1陳英男、劉玉蘭 M東理工大學出版社