产3万吨苯甲苯板式精馏塔课程设计.doc

新疆工业高等专科学校课程设计说明书题目名称：年产3万吨苯-甲苯板式精馏塔课程设计 系 部： 化学工程系 专业班级： 应化10-5(2) 班 学生姓名： 张翔 指导教师： 杨智勇 完成日期： 2012/6/24 格式及要求1、摘 要 1)摘要正文 (小四，宋体) 摘要内容200300字为易，要包括目的、方法、结果和结论。2）关键词 XXXX；XXXX；XXXX (38个主题词) (小四，黑体) 2、目录格式 目 录(三号，黑体，居中) 1 XXXXX（小四，黑体） 1 1.l XXXXX(小四，宋体) 2 1.1.1 XXXXX(同上) 33、说明书正文格式： 1. XXXXX (三号，黑体)11 XXXXX(四号，黑体)1.1.1 XXXXX(小四，黑体) 正文：XXXXX(小四，宋体)（页码居中）4、 参考文献格式：列出的参考文献限于作者直接阅读过的、最主要的且一般要求发表在正式出版物上的文献。参考文献的著录，按文稿中引用顺序排列。参考文献内容(五号，宋体)示例如下： 期刊序号作者1，作者2，作者n题(篇)名，刊名(版本)，出版年，卷次(期次)。图书序号作者1，作者2，作者n书名，版本，出版地，出版者，出版年。5、.纸型、页码及版心要求： 纸 型： A4，双面打印 页 码： 居中，小五版心距离：高：240mm(含页眉及页码)，宽：160mm相当于A4纸每页40行，每行38个字。6、量和单位的使用： 必须符合国家标准规定，不得使用已废弃的单位。量和单位不用中文名称，而用法定符号表示。s课程设计任务书11-12学年 下 学期 12年 6 月24日专业应用化工生产技术班级10-5（2)班课程名称化工原理设计题目年产5万吨苯-甲苯板式精馏塔设计指导教师 杨智勇起止时间12.6.1-12.6.24周数2周设计地点化工系机房设计目的：1.培养和锻炼学生查阅资料，收集数据，选用公式能力； 2.培养和锻炼正确选择操作参数； 3.不仅正确而且要迅速进行工程计算； 4.掌握化工原理课程设计基本程序。设计任务或主要技术指标：完成精馏塔工艺方案设计，运用最优化方法确定最佳操作参数，并在此基础上完成工艺设计计算；精馏设备工艺结构设计，有关附属设备的计算和选型，绘制带控制点工艺流程图，塔板结构见图和塔板负荷性能图，编制工艺设计说明书。设计进度与要求：1.查阅资料1天，计算2天，说明书撰写1天，整理半天，课程设计答辩半天2.本课程设计一律要求用A4稿主要参考书及参考资料：化工原理第二版 化学工业出版社 张浩勤 主编化工原理 高等教育出版社 杨祖荣 主编化工原理课程设计 天津大学出版社 贾绍义 柴诚敬 主编教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日摘 要本设计采用筛板精馏塔，塔高17.3米，塔径1.2米，计算理论板数为21。算得全塔效率为0.52。塔顶使用全凝器，部分回流。精馏段实际板数为15，提馏段实际板数为21。通过板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算，均在安全操作范围内。关键词：分离 苯_甲苯 筛板塔 设备结构目录1、苯-甲苯分离过程筛板板式精馏塔设计任务- 1 -1.1设计题目- 1 -1.2操作条件和基础数据- 1 -1.2.1操作条件- 1 -1.2.2基础数据- 1 -1.3设计内容- 1 -2、设计方案的选定及说明- 2 -3、精馏塔的物料衡算- 3 -3.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率- 3 -3.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量- 4 -3.3物料衡算- 4 -4、塔板数的确定- 4 -4.1理论塔板层数的求取- 4 -4.1.1绘图- 4 -4.1.2最小回流比及操作回流比的确定- 5 -4.1.3精馏塔气、液相负荷的确定- 6 -4.1.4求操作线方程- 6 -4.1.5图解法求理论板层数- 6 -4.2实际塔板数- 6 -4.2.1全塔效率- 6 -4.2.2实际塔板数（近似取两段效率相同）- 7 -5、精馏塔的工艺条件及有关物性的计算- 7 -5.1操作压力计算- 7 -5.2操作温度- 7 -5.3平均摩尔质量计算- 7 -5.4平均密度计算- 8 -5.4.1气象平均密度计算- 8 -5.4.2液相平均密度计算- 8 -5.5液相平均表面张力计算- 8 -5.6液体平均黏度计算- 9 -6、精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 9 -6.1塔径的计算- 9 -6.2精馏塔有效高度的计算- 10 -7、塔板主要工艺尺寸的计算- 11 -7.1溢流装置计算- 11 -7.1.1堰长- 11 -7.1.2溢流堰高- 11 -7.1.3弓形降液管宽度与截面积- 11 -7.1.4降液管底隙高度- 11 -7.2塔板布置- 12 -7.2.1踏板分布- 12 -7.2.2边缘区宽度确定- 12 -7.2.3开孔区面积计算- 12 -7.2.4筛孔计算及其排列- 12 -8、筛板的流体力学验算- 13 -8.1塔板压降- 13 -8.1.1干板阻力计算- 13 -8.1.2气体通过液层的阻力计算- 13 -8.1.3液体表面张力的阻力计算- 13 -8.2液面落差- 14 -8.3液沫夹带- 14 -8.4漏液- 15 -8.5液泛- 15 -9、塔板负荷性能图- 15 -9.1漏液线- 15 -9.2液沫夹带线- 16 -9.3液相负荷下限线- 17 -9.4液相负荷上限线- 17 -9.5液泛线- 17 -10、塔板主要结构参数表- 19 -11、主要工艺接管尺寸的计算和选取- 21 -11.1进料管- 21 -11.2回流管- 21 -11.3塔顶蒸汽接管- 22 -12、板式塔结构- 22 -12.1塔顶空间- 22 -12.2塔底空间- 22 -12.3人孔- 23 -12.4塔高- 23 -13、设计实验评论- 23 -14、附图（工艺流程简图、立体设备设计条件图）- 24 -15、参考文献- 26 -1、苯-甲苯分离过程筛板板式精馏塔设计任务1.1设计题目年产3万吨苯-甲苯板式精馏塔设计1.2操作条件和基础数据1.2.1操作条件塔顶压力：4KPa(表压)进料热状况：泡点进料回流比：1.4倍塔底加热蒸汽压力：2.5（表压）单板压降1.2.2基础数据进料中苯含量（质量分数）40%塔顶苯含量（质量分数）98%塔釜苯含量（质量分数）2%生产能力（万吨/年） 1.3设计内容(1)设计方案的确定及工艺流程说明；(2)精馏塔的物料衡算； (3)塔板数的确定； (4)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； (5)精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (6)塔板主要工艺尺寸的计算； (7)塔板的流体力学验算； (8)塔板负荷性能图； (9)精馏塔接管尺寸计算； (10)绘制生产工艺流程图； (11)绘制精馏塔设计条件图； (12)绘制塔板施工图(可根据实际情况选作)； (13)对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计方案的选定及说明 本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点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，故操作回流比取最小回流比的1.4倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为38mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： （1） 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 （2）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 （3） 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 （4）压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是： （1）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 （2）操作弹性较小(约23)。 （3）小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图：3、精馏塔的物料衡算3.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率笨的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 3.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3.3物料衡算原料处理量 物料衡算 F=D+W 联立得 D=19.0Kmol/h ，W=25.1Kmol/h4、塔板数的确定4.1理论塔板层数的求取苯甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数4.1.1绘图 由手册1查得笨-甲苯物系的气液平衡数据沸点/110.56105.71101.7898.2595.2492.43气相组成0.020.837.250.761.971.3液相组成0.010.020.030.040.050.0沸点/89.8287.3284.9782.6181.2480.01气相组成79.185.791.295.998.0100.0液相组成60.070.080.090.095.0100.04.1.2最小回流比及操作回流比的确定 采用作图法求最小回流比，是因为泡点进料，则 ,在图二中对角线上，自点（0.440,0.440）作垂线即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为 故最小回流比为则操作回流比为 R=1.4=1.41.361=1.914.1.3精馏塔气、液相负荷的确定4.1.4求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为4.1.5图解法求理论板层数求解结果为:总理论塔板数(包括再沸器),进料位置 4.2实际塔板数4.2.1全塔效率 选用=0.17-0.616公式计算。该式适用于液相黏度为0.071.4mPa·s的烃类物系，式中的为全塔平均温度下以进料组成表示的平均黏度。塔的平均温度为 ;在此平均温度下查化工原理附录得：,4.2.2实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块 提馏段：块总塔板数 =块5、精馏塔的工艺条件及有关物性的计算5.1操作压力计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏塔平均压力 5.2操作温度由图一得出塔顶温度 :进料板温度: 精馏段平均温度:5.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由，查图二得 精馏段平均摩尔质量 5.4平均密度计算5.4.1气象平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 5.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1/塔顶液相平均密度计算有,查手册（2）得,进料板液相平均密度计算有, 查手册2得, 精馏段液相平均密度为:5.5液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算有,查手册2得 , 进料板液相平均表面张力的计算有, 查手册2得 , 精馏段液相表面张力为: 5.6液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即:解出得进料板液相平均黏度的计算由,查化工原理附录得 , 解出 精馏段平均黏度:6、精馏塔的塔体工艺尺寸计算6.1塔径的计算 踏板间距的选择很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等有关，可参照下表所示经验关系选取。 表 板间距与塔径关系塔径0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距200300250350300450350600400600精馏段的气液相体积流率为 由,式中, 史密斯关联4可得其中，横坐标为取板间距，板上液层高度,则查史密斯关联图可得,取安全系数为,按标准圆整后为 D=800mm 塔截面积为,空塔气速 6.2精馏塔有效高度的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0.80m则精馏塔的有效高度为 7、塔板主要工艺尺寸的计算7.1溢流装置计算精馏段因塔径D=1.2m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘。对精馏段各项计算如下：7.1.1堰长取7.1.2溢流堰高由，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，则7.1.3弓形降液管宽度与截面积由 ，查手册弓形降液管的参数图4得 ， 则验算液体在降液管中停留时间，即 s>5s故降液管设计合理7.1.4降液管底隙高度 取，则 m>0.006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹型受液盘，深度7.2塔板布置7.2.1踏板分布因D=1.2>0.8m，所以采用分块试。查手册得，塔板分为3块7.2.2边缘区宽度确定取7.2.3开孔区面积计算开孔区面积按下式计算其中 则 7.2.4筛孔计算及其排列 苯-甲苯体系处理的物系无腐蚀性，选用碳钢板，取筛孔直径，筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为：开孔率为气体通过阀孔的气速为 8、筛板的流体力学验算8.1塔板压降8.1.1干板阻力计算干板阻力可由下式计算：由， 查手册干筛孔的流量系数图，可得故液注8.1.2气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力通过下式计算 ， 查手册充气系数关联图可得=0.60则液注8.1.3液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由下式计算 液注气体通过每层塔板的液注高度由下式得 气体通过每层塔板的压降为<700Pa（设计允许值）8.2液面落差液面落差由下式计算：平均液流宽度：塔板上鼓泡层高度：内外堰间距离：液相流量故 < 0.5所以液面落差符合要求8.3液沫夹带液沫夹带量由下式计算则 Kg液、Kg气<0.1Kg液/Kg气所以本设计中液沫夹带在允许的范围内。8.4漏液对筛板塔，漏液点气速由下式算的 实际孔速>，稳定系数为 >1.5故在本设计中无明显漏液8.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式： 苯甲苯物系属一般物系，取=0.5，则又 ， 板上不设计进口堰，可由下式算得 液注 液注，<，则本设计中不会发生液泛现象。9、塔板负荷性能图9.1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，计算结果如下：表二，0.00070.0010.0020.005，0.200.210.220.24由上表作出漏液线19.2液沫夹带线以为，求关系如下：由 , 故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果如下：表三，0.00070.0010.0020.005，1.721.711.701.68由上表可作出液沫夹带线29.3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，由下式,取E=1，则,则可以作出与气体流量无关的垂直线液相负荷下限线39.4液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由公式得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线49.5液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与的关系代入上式，并整理得,式中 , 将有关数据代入，得 则即在操作范围内，任取几个值，依下式计算出值，计算结果如下： 表四，0.00070.0010.0020.005，0.530.510.480.37由上表数据可以作出液泛线5根据以上各线方程，可以作出筛板塔的负荷性能图，如下： 精馏段筛板负荷性能图由图可知 则操作弹性为10、塔板主要结构参数表 表5 筛板塔设计计算结果表 项目符号单位计算数据各段平均压强KPa108.55各段平均温度87.05平均流量气相0.41液相0.0010实际总塔板数N 块36板间距m0.40塔的有效高度Zm14.4塔径Dm0.8空塔气速um/s0.82塔板液流形式单流型溢流管型式弓形堰长m0.64堰高m0.051溢流堰高度m0.16 管底与受液盘距离m0.006板上清液层高度m0.06孔径mm5.0孔间距tmm15孔数n个1544开孔面积0.30筛孔气速m/s13.67塔板压降KPa0.07液体在降液管中停留的时间s32降液管内清液层高度m0.16雾沫夹带Kg液/Kg气0.012负荷上限液泛控制负荷下限漏液控制气相最大负荷1.15气象最小负荷0.45操作弹性2.611、主要工艺接管尺寸的计算和选取11.1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。本设计用直管进管。 F=44.1Kmol/h,则体积流量: 取管内流速u=1.6m/s则管径取进料管规格，则管内径d=28mm进料管实际流速11.2回流管采用直管回流管，回流管的回流量L=36.3Kmol/h塔顶液相平均摩尔质量M=79.09Kg/Kmol，平均密度则 液体流量取管内流速u=1.5m/s则回流管直径 可取回流管规格,则管内直径=25mm回流管内实际流速: 11.3塔顶蒸汽接管总体积流量:去管内蒸汽流速u=15m/s,则可取回流管规格 则管内直径 d=234mm塔顶蒸汽接管实际流速12、板式塔结构 板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔（手孔）、基座、涂沫器等附属装置。除一般踏板设计板间距安装外，其他处根据需要决定间距。12.1塔顶空间 塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距（甚至高出一倍以上），本塔塔顶空间取=0.1m12.2塔底空间塔底空间指塔内最下层塔底间距，甚至由如下两个因素决定。塔底驻液空间依储存液量停留35min或更长时间（易结焦 物料可缩短停留时间）而定。塔底液面至最下层塔板之间要有12的间距，大塔课大于此值。本塔取12.3人孔 一般每隔68层塔板设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600mm，人孔直径一般为450500mm，其伸出塔体的筒体长200250mm，人孔中心距操作平台约8001200mm，本塔设计每20块板设一个人孔，共2个，即（个）12.4塔高 13、设计实验评论苯是由煤干馏、石油催化裂解、催化重整得到，常含有芳香族同系物、噻吩及饱和烃等，常采取精馏的方法分离提纯苯。苯为无色透明液体，有芳香族特有的气味，难用于水。苯的危险特性属第3.2类中闪点易燃液体。苯的蒸气对人有强烈的毒性，急性中毒时出现酒醉状态、晕眩、瞳孔放大、网膜出血、皮肤苍白、体温和血压下降、脉搏微弱，终因呼吸麻痹、痉挛而死亡。工业上常用作合成燃料、医药、农药、照相胶片以及石油化工制品的原料，清漆、硝基纤维的稀释剂、脱漆剂、树脂、人造革等溶剂。本设计进行苯和甲苯的分离，采用直径为2m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点： 1）操用、调节、检修方便；2）制造安装较容易；3）处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；4）操作弹性较大。该设计的缺点：设备的计算及选型都有较大的误差存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性。14、附图（工艺流程简图、立体设备设计条件图） 15、参考文献1 程能林.溶剂手册,北京,化学工业出版社,20022 刘光启等.化工物性算图手册, 20023 杨祖荣.化工原理.北京,化学工业出版社,20094 贾邵义,柴诚敬.化工原理课程设计,天津,天津大学出版社,20025 国家医药管理局上海医药设计院.化学工艺设计手册,第二版,上册,北京,化学工业出版社,1996,2-200新疆工业高等专科学校课程设计评定意见设计题目： 年产3万吨苯-甲苯板式精馏塔课程设计 学生姓名： 张翔 评定意见：评定成绩：指导教师（签名）： 年 月 日