化工原理课程设计分离苯甲苯混合液的筛板精馏塔.doc
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1、新疆工业高等专科学校课程设计说明书题目名称:分离苯-甲苯混合液的筛板精馏塔系 部: 化学工程系 专业班级: 石化09-4(1)班 学生姓名: 指导教师: 完成日期: 2011.06.30 新疆工业高等专科学校课程设计评定意见设计题目: 分离苯-甲苯混合液的筛板精馏塔 学生姓名: 评定意见:评定成绩: 指导教师(签名): 年 月 日新疆工业高等专科学校课程设计任务书 2010-2011学年 2学期 2011 年 06 月30 日专业石油化工生产技术班级09-4(1)班课程名称化工原理设计题目分离苯-甲苯混合液筛板精馏塔指导教师起止时间2011.06.25-2011.06.30周数一周设计地点学校
2、设计目的:1学会从资料、手册中查找相关的计算公式和数据;2;进行一系列的精馏塔单元过程的计算,并通过准确、严密的分析、论证,表达出自己的设计思想;3能根据工艺计算结果确定精馏塔结构尺寸;4能根据自己对设备的安排和计算结果,对设备内所进行的过程进行流体力学条件的校核;5能从理论上的正确性、技术上的可能性和经济上的合理性等方面对设计结果进行可行性和先进性的评价;6学习绘制设备的工艺条件图;7学习编制设计说明书。设计任务:在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的处理量为4500kg/h,组成为0.38(笨的质量分数),要求塔顶流出液的组成0.95,塔釜液的组成0.01。设计进度与要
3、求:2011.06.25-27理论计算2011.06.28-30录入整理打印主要参考书及参考资料: 1 、汪恺主编,机械设计标准应用手册,第1版, 机械工业出版社,1997 2 、陆美娟、张浩勤主编,化工原理,第二版;北京;化学工业出版社,2006.10 3 、化工原理课程设计,化工原理教研室教研室主任(签名) 系(部)主任(签名) 年 月 日摘要本设计对苯甲苯分离过程筛板精馏塔装置进行了设计,主要进行了以下工作:1、对主要生产工艺流程和方案进行了选择和确定。2、对生产的主要设备筛板塔进行了工艺计算设计,其中包括:精馏塔的物料衡算;塔板数的确定;精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算;精馏塔的塔
4、体工艺尺寸计算;精馏塔塔板的主要工艺尺寸的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理,能满足初步生产工艺的需要,有一定的实践指导作用。关键词:苯甲苯;分离过程;精馏塔 目录1. 板式精馏塔设计任务11.1. 设计题目11.2. 设计任务及操作条件11.3. 设备形式11.4. 设计内容12. 设计方案的确定22.1. 设计流程的说明:22.2. 操作方案的说明:23. 精馏塔的物料衡算33.1. 原料及塔顶产品的摩尔分率33.2. 原料液及塔顶产品的平均摩尔质量34. 塔板数的确定44.1. 理论板数的求取44.1.1. 相对
5、挥发度的求取44.1.2. 最小回流比的求取44.1.3. 精馏塔的气、液相负荷54.1.4. 操作线方程54.1.5. 用作图法计算理论塔板数54.2. 实际板层数的求取65. 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算65.1. 操作压力的计算65.2. 操作温度的计算75.3. 平均摩尔质量的计算75.3.1. 塔顶平均摩尔质量的计算75.3.2. 进料板平均摩尔质量的计算75.3.3. 精馏段的平均摩尔质量为75.4. 平均密度的计算85.4.1. 气相平均密度的计算85.4.2. 液相密度的计算85.5. 液相平均表面张力的计算85.5.1. 塔顶液相平均表面张力的计算85.5.2. 进料
6、板液相平均表面张力的计算95.5.3. 精馏段液相平均表面张力95.6. 液体平均粘度的计算95.6.1. 塔顶液相平均粘度的计算95.6.2. 进料板平均粘度的计算95.6.3. 精馏段平均粘度96. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算106.1. 塔径的计算106.2. 精馏塔有效高度的计算117. 塔板主要工艺尺寸的计算117.1. 溢流堰装置计算117.1.1. 堰长lw117.1.2. 溢流堰高度hw117.1.3. 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af127.1.4. 降液管底隙高度ho127.2. 塔板计算127.2.1. 塔板的分块127.2.2. 边缘区宽度确定127.2.3. 开孔区面积
7、计算127.2.4. 筛孔计算与排列138. 塔板流体力学验算138.1. 塔板的压降138.1.1. 干板的阻力计算138.1.2. 气体通过液层的阻力的计算138.1.3. 液体表面张力的阻力计算148.2. 液面落差148.3. 液沫夹带148.4. 漏液148.5. 液泛159. 塔板负荷性能图159.1. 漏液线159.2. 液沫夹带线169.3. 液相负荷下限线169.4. 液相负荷上限线169.5. 液泛线1710. 筛板塔设计计算结果1911. 本设计中符号的说明2011.1. 英文字母:2011.2. 下标:2111.3. 希腊字母 :211. 板式精馏塔设计任务1.1. 设
8、计题目苯甲苯溶液连续精馏塔设计。1.2. 设计任务及操作条件 (1)进精馏塔的料液含苯38%(质量),其余为甲苯。(2)塔顶产品的苯含量不得低于95%(质量) (3)塔底产品的苯含量不得高于0.01(质量) (4)混合液处理量为4500Kg/h (5)操作条件 (A)精馏塔顶压强4kpa(表压) (B)饱和液料进料 (C)回流比R/Rmin=2 (D)间接蒸汽加热 (E)单板压降不大于0.8Kpa。1.3. 设备形式设备形式为筛板塔。1.4. 设计内容1.设计方案的确定及流程说明。2.塔的工艺计算。3.塔和塔板主要工艺尺寸的设计。 (1)塔高,塔径及塔板结构尺寸的确定。 (2)塔板的流体力学验
9、算。 (3)塔板的负荷性能图。4.设计结果概一览表。5.设计符号说明。6.对本设计的评述及致谢。 2. 设计方案的确定本设计任务为分离苯-甲苯溶液混合物。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送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,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2倍。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。2.1. 设计流程的说明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凝器等设备。热量自塔釜输入,物料在塔内经
10、多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离,由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中,热能利用率很低,为此,在确定流程装置时应考虑余热的利用,注意节能。另外,为保持塔的操作稳定性,流程中除用泵直接送入塔原料外,也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响塔顶冷凝装置根据生产状况以决定采用全凝器,以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料,则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面,合理的兼顾设备,操作费用操作控制及安全因素。2.2. 操作方案的说明本设计任务为分离苯甲苯混合物。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,降原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶
11、上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡点下一部分回流到塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比去最小回流比的两倍。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品冷却送到储罐。3. 精馏塔的物料衡算3.1. 原料及塔顶产品的摩尔分率苯的摩尔质量为:78.11kg/kmol甲苯的摩尔质量为: 92.13kg/kmol=(0.38/78.11)/(0.38/78.11+0.62/92.13)=0.42xD=(0.95/78.11)/(0.95/78.11+0.05/92.13)=0.957xw=(0.01/78.11)/(0.01/78.11+0.99/92.13)=
12、0.012 3.2. 原料液及塔顶产品的平均摩尔质量MF=0.4278.11+92.13(1-0.42)=86.24kg/kmolMD=0.95778.11+92.13(1-0.957)=78.71kg/kmolMw=0.01278.11+92.13(1-0.012)=91.96 kg/kmol则可知:原料的处理量:F=4500/86.24=52.18kmol/h由总物料衡算:F= D+W以及: xFF= xDD+Wxw容易得出: D=22.53 kmol/h W=29.65 kmol/h4. 塔板数的确定4.1. 理论板数的求取4.1.1. 相对挥发度的求取苯-甲苯的饱和蒸汽压数据如下表3-
13、1。表4-1t/80.28896104110.4P0B/Kpa 101.33127.59160.52199.33233.05P0B/Kpa39.9950.665.6683.33101.33相平衡方程为:4.1.2. 最小回流比的求取由于是饱和液体进料,有q=1,q线为一垂直线,故,根据相平衡方程有最小回流比为回流比为最小回流比的2倍,即4.1.3. 精馏塔的气、液相负荷 4.1.4. 操作线方程精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 4.1.5. 用作图法计算理论塔板数作图如下1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
14、 0.8 0.9 1.0 图4-1理论塔板数画法 总理论板数为13(包括蒸馏釜),精馏段理论板数为5,提馏段为13-1-5=7块,第6块板为进料板。4.2. 实际板层数的求取由于全塔效率是52%,则精馏段塔板数:N精=5/0.52=9.610块提馏段塔板数:N提=7/0.52=3.514块实际进料板在第11块板。5. 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算5.1. 操作压力的计算塔顶操作压力: PD=101.3+4=105.3Kpa 每层板压力: P=0.7KPa 进料板压力: PW=105.3+100.7=112.3KPa 精馏段平均压力:Pm=(105.3+112.3/2=108.8KPa5
15、.2. 操作温度的计算 查常压苯-甲苯的气液平衡数据,由内插法计算得 塔顶温度 tD=82.3进料板温度 tF=93.5 精馏段平均温度 tm=(82.3+93.5)/2=87.95.3. 平均摩尔质量的计算5.3.1. 塔顶平均摩尔质量的计算 由相平衡方程计算过程可知,, 5.3.2. 进料板平均摩尔质量的计算 由理论板的计算过程可知, 5.3.3. 精馏段的平均摩尔质量为 5.4. 平均密度的计算5.4.1. 气相平均密度的计算由理想气体状态方程得 Vm=PmMvw/RTm =(108.880.65)/8.314(273.15+87.9) =2.92kg/m35.4.2. 液相密度的计算查
16、不同温度下的密度,塔顶密度,可得tD=82.3时 A812.4kg/m3 B=807.7kg/m3 LDm= =1/(0.95/812.4+0.05/807.7) =841.4kg/m3 进料板液相密度当tF=93.5时 A799.8kg/m3 B=796.7kg/m3 LFm =1/(0.38/799.8+0.62/796.7) =798.0kg/m3 精馏段液相平均密度为Lm=(841.4+798.0)/2=819.7kg/m35.5. 液相平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算 即: Lm=xii5.5.1. 塔顶液相平均表面张力的计算 由tD=82.3查手册得 A=21.22m
17、N/m B=21.40mN/m LDm=0.9521.22+0.0521.40=21.23 mN/m5.5.2. 进料板液相平均表面张力的计算 由tF=93.5查手册得 A=19.64mN/m B=20.21N/m LFM=0.3819.64+0.6220.21=20.0 mN/m5.5.3. 精馏段液相平均表面张力Lm=(21.23+20.0)/2=20.62 mN/m5.6. 液体平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算 即:lgLm=xilgi5.6.1. 塔顶液相平均粘度的计算 由tD=82.3查手册得 A=0.302mPa.s B=0.301mPa.s lgLDm=0.95lg(0.30
18、2)+0.05lg(0.301) 解得LDm=0.302mPa.s5.6.2. 进料板平均粘度的计算 由tF=93.5查手册得 A=0.272mPa.s B=0.279mPa.s lgLFm=0.38lg(0.272)+0.62lg(0.279) 解得LFm=0.276mPa.s5.6.3. 精馏段平均粘度 Lm=(0.302+0.276)/2=0.289mPa.s6. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算6.1. 塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 VS=VMVm/3600Vm=(87.4280.65)/(36002.92)=0.671m3/sLS=LMLm/3600Lm=(64.8982.87)/
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