分離苯～甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計(jì)

1、化工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)-分離苯甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計(jì) 棗莊學(xué)院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院 2009級(jí)本科三班1.2組 指導(dǎo)老師：戎欠欠序言 課程設(shè)計(jì)是“化工基礎(chǔ)”的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)先修課程的基本知識(shí)來解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，在整個(gè)教學(xué)劃中它起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，精餾過程在能量劑驅(qū)動(dòng)下，使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的

2、或間歇的，有些特殊的物系還可采用恒沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分離。本設(shè)計(jì)的題目是苯-甲苯混合液的篩板塔工藝設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計(jì)一板式塔將其分離。目錄第一章 緒論.1 1.1 精餾塔簡(jiǎn)介.1 1.2 篩板塔的優(yōu)缺點(diǎn).1第二章 設(shè)計(jì)方案的確定.2 2.1 任務(wù)書.3 2.2 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集.3 2.2.1 確定設(shè)計(jì)方案的原則.3 2.2.1.1 滿足工藝和操作的要求.3 2.2.1.2 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求.4 2.2.1.3 保證安全生產(chǎn).4 2.2.2 設(shè)計(jì)方案的選定.4 2.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集.5第三章 板式

3、塔的工藝計(jì)算.7 3.1 板式塔的物料衡算.7 3.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率.7 3.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量及物料衡算.7 3.2 塔板數(shù)的確定.8 3.2.1 理論板數(shù)的求取.8 3.3 全塔熱量衡算.11第四章 板式塔主要工藝尺寸的確定.12 4.1 塔徑的計(jì)算.12 4.2 溢流裝置的設(shè)計(jì).13 4.3 塔板設(shè)計(jì).13 4.4 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算.15第五章 塔附件設(shè)計(jì).16 5.1 篩板塔的附屬設(shè)備.16 5.1.1 冷凝器的選擇.16 5.1.2 再沸器的選擇.16 5.2 進(jìn)料管尺寸的確定.17第六章 個(gè)人心得體會(huì)及改進(jìn)意見.17參考文獻(xiàn).18

4、 第一章 緒論1.1 精餾塔簡(jiǎn)介 在煉油、化工、醫(yī)藥等工業(yè)中，精餾操作是分離液體混合物的最常見手段，其操作原理是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同，在氣液兩相接觸處時(shí)，易揮發(fā)組分向氣相傳遞，難揮發(fā)組分向液相傳遞，使混合物達(dá)到一定程度的分離，用以實(shí)現(xiàn)精餾操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備即精餾塔，其基本功能是提供氣液兩相充分的接觸機(jī)會(huì)，使物質(zhì)和熱量的傳遞充分有效的進(jìn)行；在氣液兩相接觸之后，還使氣液兩相能及時(shí)分開，盡量減少相互夾帶。 常用的精餾塔分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)裝有若干層塔板，液體依靠重力自上而下流過每層塔板；氣體則依靠壓強(qiáng)差的推動(dòng)，自上而下穿過各層塔板上的液層而流向塔頂，氣液兩相在塔內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)

5、接觸。填料塔內(nèi)則裝有各種形式的填料，氣液兩相沿塔做連續(xù)逆流接觸，其傳質(zhì)和傳質(zhì)的場(chǎng)所為填料的潤濕表面。本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯-甲苯混合液，對(duì)于二元混合液的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。板式塔分為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔，本工藝采用板式塔中的篩板塔。1.2 篩板塔的優(yōu)缺點(diǎn) 篩板塔是在塔板上開有許多均勻分布的篩孔，上升氣流通過篩孔分散成細(xì)小的流股，在板上液層中鼓泡而出，與液體密切接觸。篩孔在塔板上作正三角形排列，其直徑宜為38mm，孔心距與孔徑之比在2.54.0范圍內(nèi)。塔板上設(shè)置溢流堰以使板上維持一定厚度的液層。在正常操作范圍內(nèi)，通過篩孔上升的氣流,應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。液體通過降液管逐板流下。

6、 篩板塔的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，金屬耗量小，造價(jià)低廉；氣體壓降小，板上液面落差也較小，其生產(chǎn)能力及板效率較泡罩塔高。主要缺點(diǎn)是操作彈性范圍較窄，小孔篩板容易堵塞。近年來對(duì)大孔(直徑10mm以上)篩板的研究和應(yīng)用有所進(jìn)展。大孔徑篩板塔采用氣、液錯(cuò)流方式，可以提高氣速以及生產(chǎn)能力，而且不易堵塞。第二章 設(shè)計(jì)方案的確定2.1 任務(wù)書一、設(shè)計(jì)任務(wù) 試設(shè)計(jì)一座苯-甲苯連續(xù)篩板精餾塔，要求年產(chǎn)純度不低于99.5%的苯2萬噸，塔頂餾出液中甲苯含量不得超過0.5%，原料液中含苯50%（以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。二、設(shè)計(jì)條件 1、連續(xù)操作、中間加料、泡點(diǎn)回流 ； 2、操作壓力: 常壓 ； 3、進(jìn)料狀況: 泡點(diǎn)； 4、年

7、生產(chǎn)日:330 天； 5、塔釜用間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為 0.20.4Mpa（自選）； 6、塔頂冷凝用冷卻水的進(jìn),出口溫度差為 2040 （注意考慮 冬、夏進(jìn)口溫度區(qū)別）；三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、確定設(shè)計(jì)方案 ( 精餾裝置流程設(shè)計(jì)與論證，畫出帶基本控制點(diǎn)的工藝流程圖；)。 2、板式塔的工藝計(jì)算 (1) 確定塔頂，塔底產(chǎn)品的質(zhì)量與流量； (2) 確定塔頂，塔底控制溫度； (3) 根據(jù)組成確定進(jìn)料溫度、進(jìn)料方程； (4) 求算最小回流比，確定操作回流比； (5) 求算理論板層數(shù) NT ，確定加料位置； (6) 求算塔內(nèi)溫度分布，確定靈敏板位置； (7) 確定實(shí)際板層數(shù)，實(shí)際加料板位置（進(jìn)料管在同側(cè)）

8、和實(shí)際靈敏板位置； (8) 全塔熱平衡，計(jì)算塔頂冷凝，冷卻器熱負(fù)荷及冷卻水消耗量；塔底再沸器熱負(fù)荷及加熱蒸汽消耗量；決定是否對(duì)料液進(jìn)行預(yù)熱和有關(guān)熱負(fù)荷的計(jì)算； 3、板式塔主要工藝尺寸的確定： (1) 確定塔高、塔徑； (2) 塔板設(shè)計(jì)，計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)的校核計(jì)算；塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并畫出塔的操作性能圖； (3) 管路及附屬設(shè)備的計(jì)算和選型； (4) 抄寫說明書和繪圖。 2.2 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集2.2.1 確定設(shè)計(jì)方案的原則 確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的

9、原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)：2.2.1.1 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測(cè)生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措

10、施。2.2.1.2 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。例如在蒸餾過程中如果能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多升蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。2.2.1.3 保證安全生產(chǎn)例如苯屬有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)

11、原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。2.2.2 設(shè)計(jì)方案的選定 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。由于對(duì)物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)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)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)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1.2倍。塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。其中由于蒸餾過程的原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不

12、能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計(jì)中將其熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。下圖是板式塔的簡(jiǎn)略圖2.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集表1 苯和甲苯的物理性質(zhì)項(xiàng)目分子式分子量M沸點(diǎn)（）臨界溫度tc（）臨界壓強(qiáng)Pc（kPa）苯A甲苯BC6H6C6H5-CH378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7表2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓溫度80.1859095100105110.6,kPa，kPa1013340.0116.946.0135.554.0155.763.3179.274.3204.286.0240.0表3 純組分的表面張力 溫度809

13、0100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表4 組分的液相密度 溫度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768表5 液體粘度µ 溫度()8090100110120苯（mP.s）甲苯（mP.s）0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228表6常壓下苯甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度t液相中苯的摩爾分率x氣相中苯的摩爾分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.

14、007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0第

15、三章 板式塔的工藝計(jì)算3.1 板式塔的物料衡算3.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 原料苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 -原料液中產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù)； -塔頂產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù)； -塔底產(chǎn)品組成，摩爾分?jǐn)?shù)。3.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量及物料衡算苯年產(chǎn)量2×107kg即 得 F=599.3kmol/h W=275.8kmol/hD-塔頂液相產(chǎn)品，kmol/h；W-塔底產(chǎn)品，kmol/h；3.2 塔板數(shù)的確定3.2.1 理論板數(shù)的求取苯-甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。一、由手冊(cè)查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x y圖，見下圖圖1

16、苯甲苯平衡曲線圖二、求最小回流比及操作回流比安托因常數(shù)組分ABC苯6.0231206.35220.24甲苯6.0781343.94219.58溫度/80.1859095154苯/101.33116.9135.5155.7630.275甲苯/40.046.054.063.3302.371據(jù)安托因公式得苯與甲苯的相對(duì)揮發(fā)度為2.084當(dāng)泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)q=1進(jìn)料方程為 氣液平衡方程為 故最小回流比為 取操作回流比為 三、求精餾塔的氣、液相負(fù)荷其中 L-精餾段液相摩爾流量，kmol/h； V-精餾段氣相摩爾流量，kmol/h； L'-提留段液相摩爾流量，kmol/h； V'-提餾段氣相摩爾

17、流量，kmol/h。四、求操作線方程精餾段操作線方程為提餾段操作線方程為3.2.2 實(shí)際板層數(shù)的求取當(dāng)t=154時(shí)， 當(dāng)t=85時(shí)， 即 由得：由 得：實(shí)際板層數(shù)為47塊，不包括再沸器；實(shí)際進(jìn)料板為第27塊板。靈敏板圖由上圖得：理論靈敏板為第18塊板計(jì)算的實(shí)際靈敏板為，則實(shí)際靈敏板為第32塊板3.3 全塔熱量衡算塔頂比熱容 摩爾氣化熱 塔底比熱容 摩爾汽化熱 冷卻介質(zhì)消耗量全凝器的熱負(fù)荷若再沸器的熱損失忽略不計(jì)，即則再沸器的熱負(fù)荷 加熱介質(zhì)消耗量 r-加熱蒸汽的汽化熱第四章 板式塔主要工藝尺寸的確定4.1 塔徑的計(jì)算1、精餾段由史密斯關(guān)聯(lián)圖得：為液體表面張力時(shí)的氣體負(fù)荷因子塔間距氣相體積流量實(shí)

18、際氣體負(fù)荷因子 ，-液體的表面張力，。按史密斯圖求取可能的空塔氣速設(shè)計(jì)氣速 則精餾塔塔徑2、提餾段的平均溫度為122塔間距氣體密度 液體密度氣體體積流量同以上得 圓整后進(jìn)料板為第27塊板則塔高為所以要選擇大塔徑4.2 溢流裝置的設(shè)計(jì)雙流型塔板的某些參數(shù)值如下：塔徑為2.4m時(shí)，塔截面積 弓形降液管的堰長(zhǎng) 堰寬 堰寬降液管面積溢流堰堰上方液頭高度由得液體流率，液流收縮系數(shù)。取降液管底隙高度 采用凹形受液盤一般液體流經(jīng)底隙的流速值不大于4.3 塔板設(shè)計(jì)塔板布置分塊式塔板，板厚受液區(qū)和降液區(qū)入口安定區(qū)和出口安定區(qū)一般取邊緣區(qū)一般取有效傳質(zhì)區(qū)當(dāng)塔板為雙流型時(shí)， 雙流型塔板中心降液管寬度，有效傳質(zhì)區(qū)面積

19、，篩孔排列，閥孔一般按等腰三角形叉排閥孔氣速 閥孔直徑閥孔數(shù)目相鄰兩排間的中心距同一排的閥孔中心距塔板的開孔率指閥孔總截面積與塔的截面積之比，即4.4 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 塔板的流體力學(xué)計(jì)算，目的在于驗(yàn)算預(yù)選的塔板參數(shù)是否能維持塔的正常操作，以便決定對(duì)有關(guān)塔板參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，最后還要作出塔板負(fù)荷性能圖。液沫夾帶量校核：為防止液沫夾帶量過大，導(dǎo)致塔板效率過低，一般要求。對(duì)雙流型 塔上的截留面積泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)查表得 則泛點(diǎn)率 塔板阻力的計(jì)算和校核：a.本設(shè)計(jì)塔孔全打開，則干板阻力 b.塔板充氣液層的阻力 充氣系數(shù) 則c.克服表面張力所造成的阻力 -液體表面張力，則塔板阻力 降液管液泛校核：對(duì)降液

20、管液面1和下塊塔板液流截面2列伯努利方程，即 -液面落差，局部阻力系數(shù) 局部阻力 則降液管中清液注高度實(shí)為所相當(dāng)?shù)那逡鹤⒏叨?，且有則 為降液管中泡沫層的相對(duì)密度，取降液管液泛校核條件 合理液體在降液管中停留時(shí)間校核：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)使不小于3-5s，則該停留時(shí)間合理漏液校核：一般應(yīng)使穩(wěn)定系數(shù)大于。第五章 塔附件設(shè)計(jì)5.1 篩板塔的附屬設(shè)備5.1.1 冷凝器的選擇壓力不大時(shí)選擇臥式殼程冷凝器，傳熱系數(shù)設(shè)料液進(jìn)出口溫度差為45，冷卻水進(jìn)出口溫度差為30截面積5.1.2 再沸器的選擇采用立式熱虹吸再沸器傳熱系數(shù) 截面積 5.2 進(jìn)料管尺寸的確定進(jìn)料流速 密度質(zhì)量流量 則管徑 第六章 個(gè)人心得體會(huì)及改進(jìn)意見課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要我們自己根據(jù)自己的設(shè)計(jì)任務(wù)來做出決策，確定自己的方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)對(duì)于培養(yǎng)我獨(dú)立工作能力方面有很好的實(shí)踐意義。經(jīng)過這將近兩周的設(shè)計(jì)課程不僅是我們對(duì)于課本知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也讓我們學(xué)到了