精馏塔的课程设计.doc
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1、 前言转眼间三年的大学时光已经过去了,我们学习了一年的专业课,对专业知识已经有了一定的了解。还有不到一年的时间同学们就毕业了,即将走上工作岗位了.为了让同学们能把所学的理论知识熟练的应用于实践中,让同学们毕业工作后能够很好地运用在学校期间所学的理论知识且熟练地应用于工作中,在学期最后两周我们做了课程设计,以巩固和运用所学的理论知识。课程设计是“化工原理”课程的一个总结性环节,是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练,在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用,通过课程设计是学生解决实际问题的能力得到锻炼。我做的是年产4.8万吨的精馏设备。 精馏
2、是分离液体混合物的典型单元操作。它利用各组分挥发度的不同以实现分离目的。这种分离通过液相和气相之间的传质实现,而作为气、液两相传质用的塔设备,首先必须要能使气、液两相得到充分的接触,以达到较高的传质效率。通过课程设计可以巩固我们前面学习的化工原理的知识,对化工原理这门课程有了更深的认识和了解。最重要的是通过课程设计也能提高我们对知识的运用和动手能力有所提高,独立思考和创新意识,为以后参见工作打下了坚实的基础。在课程设计过程中查阅相关书籍和网站,我们可以学到了更多更深的知识。第一章 设计方案的确定及流程说明1.1.化工原理课程设计的目的和要求:化工原理课程设计是在学习化工原理课程后,进行的综合性
3、和实践性较强的一个环节,它是理论联系实际的桥梁,进行体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计,达到综合运用化工原理课程的基本知识、基本原理和基本计算,具有初步进行工程设计的能力;达到熟悉工程设计的基本内容,掌握化工单元操作设计设计的主要程序和方法;提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力;树立正确的设计思想,培养实事求是、严肃认真、高度负责的科学工作作风,实现全面推进创新思维的开发。通过化工原理课程设计,要求达到以下几方面的训练:(1) 熟悉查阅文献资料、搜集有关数据、正确选用计算公式的能力。当缺乏必要数据时,还要通过实验测定或生产现场进行实际查定。(2) 在兼顾技术上先进性
4、、可行性、经济上合理性的前提下,综合分析设计任务,确定工艺流程,做出设备选型,提出保证过程正常、安全运行操作所需要的检测和计量仪表,同时还要考虑改善劳动条件实现环境保护的有效措施。(3) 进行准确而迅速的过程计算及主要设备的工艺设计计算的能力,特别是应用计算机进行计算的能力和计算机绘图(CAD)能力。(4) 用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表和图纸来表达自己的设计思想、计算结果和设计结果的能力,即具备工程师的能力。1.2.化工原理课程设计的内容:(1)设计方案简介:对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要的论述。说明所采取方案的先进性及其选择依据。(2)主要工艺过程及设备的设计计算:包
5、括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主要设备的工艺尺寸计算及结构设计。(3)典型辅助设备的选型计算:包括典型设备的主要尺寸计算和设备规格、型号、数量的选定。(4)工艺流程见图:以单线图的形式绘制,标出主体设备和辅助设备的物料流向,主要检测参数测量点等。(5)主体设备工艺条件图:图面上应包括主体设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。1.3概述精馏是分离液体混合物的典型单元操作。它利用各组分挥发度的不同以实现分离目的。这种分离通过液相和气相之间的传质实现,而作为气、液两相传质用的塔设备,首先必须要能使气、液两相得到充分的接触,以达到较高的传质效率。但是为了满足工业生产的要求,塔设备还须具备下列
6、各种基本要求:1 气液处理量大,即生产能力大2 操作稳定、弹性大3 流体流动的阻力小4 结构简单,材料耗用量小,制作和安装容易5 耐腐蚀和不易堵塞,方便操作、调节和检修6 塔内的滞留量要小在进行板式塔设计时,上述要求很难全部满足。因此,还要根据物系的性质和具体要求来进行选型和设计。1.4常用板式塔类型气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔,也可采用精馏塔。本章只介绍板式塔。板式塔为逐级接触型气-液传质设备,种类繁多。根据塔板上气-液接触元件的不同,塔板可分为泡罩塔、浮阀塔板、筛板塔板、舌形塔板和穿流多孔塔板等多种。本章只讨论浮阀塔的设计。1.5浮阀塔的特性浮阀塔是在泡
7、罩塔的基础上发展起来的。它主要的改进是取消了升气管和泡罩。在塔板开孔上设有浮动的浮阀,浮阀可根据气体流量上下浮动,自行调节,使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘度大的物料方面,又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。浮阀塔被广泛应用,其主要具有以下特点:1. 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加20-40%。2. 操作弹性大,约为34。3. 塔板效率高,比泡罩塔高15%左右。4. 压强小,在常压塔中每块板的压强降一般为30-50 N/。5. 液面梯度小。6. 使用周期长,粘度稍大以及有一般
8、聚合现象的系统也能正常操作。7. 结构简单、安装容易。1.6设计方案的确定1.6.1 装置流程的确定精馏装置包括精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入,无聊在塔内经多次部分冷凝进行精馏分离,由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中,热能利用率降低。为此,在确定装置流程时应考虑余热的应用,注意节能。此次设计中,为保持塔的操作稳定性,流程中选择用泵直接把原料送入塔,塔顶冷凝装置决定采用全凝器,而塔底设置再沸器为间接加热。另外,为保持塔内的正常操作,还应充分考虑到一些控制仪表的设置,总之,确定流程是要较全面、合理的兼顾设备、操作费用,操作控制及安全
9、诸因素。1.6.2 操作压强的选择 精馏操作可在常压、减压和加压下进行。操作压强常取决于冷凝温度,一般除热敏性物料以外,凡通过常压蒸馏不难实现的分离,以及能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统都应采用常压蒸馏;对热敏性物料会混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏;对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统,需提高它压或采用深井水、冷冻盐水最为冷却剂;而常压下是气态的物料必须采用加压蒸馏。而对于苯-甲苯的设计应采用常压蒸馏。1.6.3 进料热状况的选择 原料的进料热状况直接影响塔的实际板层数。塔径的大小以及其热负荷的多少,是设计中必须首先确定的一个重要参数。进料热状况有多种,应根据具体问题具体分析。一般
10、的,为使塔的操作稳定,不受季节气温的影响。原料液先经预热器预热到泡点温度后再送入塔内。此次设计的进料热状况选择泡点进料。1.6.4 回流比的选择回流比的确定,是精馏塔设计中的一个关键的问题。它确定的合理与否,直接影响到所设计的塔能否正常操作及投资的大小。选择回流比,主要是在保证正常操作的前提下,尽可能的使设备费用与操作费用之和最低。确定回流比的方法,原则上是应首先根据物系的性质及进料热状况,确定出最小回流比,再根据回流比对总费用的影响曲线确定出适宜的回流比。但由于回流比与总费用的关系较复杂,建立回流比与费用的关系模型求解较为困难。对于苯-甲苯这样的接近于理想物系。应根据最小回流比确定若干个回流
11、比,利用逐板计算法求出对应理论板数,从而找出适宜的操作回流比。 (1) 根据最小回流比选定几个回流比,通过作图或逐板计算求出相应的理论板数,从中找出适宜的操作回流比。 (2)对于接近理想溶液的物系,根据R选定若干个R值,利用吉利兰图求出对应理论板数N,做出N-R线,从中找出适宜的操作回流比。 (3)参考同类生产的R经验选定。1.7精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行:1.确定设计方案2.精馏塔的工艺计算3.塔板设计:计算塔板各主要工艺尺寸,进行流体力学校核计算。塔板结构设计并画出塔的操作性能图。4.管路及附属设备的计算与选型5.抄写说明书和绘图1.8精馏原理及其在化工生产上的应用实际生产
12、中,在精馏柱及精馏塔中精馏时,部分气化和冷凝式同时进行的。对理想液态混合物精馏时,最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质,而残夜是沸点高的A物质,精馏时多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区,温度最高;塔顶温度最低。精馏结果,塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分,纯高沸点组分则留在塔底。1.9精馏塔对塔设备的要求精馏所用的设备及其相互联系,总称为精馏装置,其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类,通称塔设备,和其他传质过程一样,精馏塔对塔设备的要求大致如下:一、 生产能力大:即单位塔截面大的气液相流率不会产生液乏等不正常流动。二、 效率高:气液两相在塔内保持充分的密切接触,具有较高的塔
13、板效率或传质效率。三、 流体阻力小:流体通过塔设备时阻力降小,可以节省动力费用,在减压操作时,易于达到所要求的真空度。四、 有一定的操作弹性:当气液相流率有一定波动时,两相均能维持正常的流动,而且不会使效率发生较大的变化。五、 结构简单,造价低,安装检修方便。六、 能满足某些工艺的特性:腐蚀性、热敏性、起泡性等。1.10 精馏塔对塔设备的要求常用板式塔类型有很多,如:筛板塔、泡罩塔、舌形塔浮阀塔等。精馏塔属气-液传质设备,气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。该塔设计生产时日要求较大,由板式塔与填料塔比较知:板式塔直径放大时,塔板效率较稳定,且持液量较大,因此本次精馏塔设备选板式塔。苯与甲
14、苯的分离式正常物系的分离,精馏的意义重大,在化工生产中应用较广泛,对于提纯物质有非常重要的意义,所以一定要做好本次课设。第二章: 塔的工艺计算设计条件: 1、原料液组成:苯:40% 甲苯:60%(质量分率) 2、塔顶的苯含量不得低于94%;残夜中苯含量不得高于2%。 3、生产能力为年产4.8万吨 94%的苯产品;每年工作日为300天, 每 天24小时连续运行。 4、操作条件:a)塔顶压力4Kpa(表压) b)进料热状态 自选 c ) 回流比 自选 d )加热蒸汽压力 0.3Mpa(表压) e )单板压降 7Kpa 5.塔板类型:浮阀塔苯和甲苯的一些物理化学性质比较:表1 苯和甲苯的物理性质项目
15、分子式分子量M沸点()临界温度tC()临界压强PC(kPa)苯A甲苯BC6H6C6H5CH378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa,kPa101.3340.0116.946.0155.763.3155.763.3179.274.3204.286.0240.0表3 常温下苯甲苯气液平衡数据 温度80.1859095100105110.6液相中苯的摩尔分率汽相中苯的摩尔分率1.0001.0000.7800.9000.5810.7770.4120.6300.2580.4560
16、.1300.26200表4 纯组分的表面张力 温度8090100110120苯,mN/m甲苯,Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表5 组分的液相密度 温度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768表6 液体粘度 温度()8090100110120苯(mP.s)甲苯(mP.s)0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228表7常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.560.000.00
17、109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.587.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.0110
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