筛板精馏塔课程设计(苯-甲苯)(共38页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上荆楚理工学院化工原理课程设计题 目： 化工原理课程设计学生院系： 化学工程与工艺学生姓名： 吴俊杰学 号： 24专业班级： 11级工艺（2）班指导老师： 李巫山 2013年12月4日 目录一、 序言课程设计是化工原理课程的一个非常重要的实践教学内容。不仅能够培养学生运用所学的化工生产的理论知识，解决生产中实际问题的能力，还能够培养学生的工程意识。健全合理的知识结构可发挥应有的作用。 此次化工原理设计是精馏塔的设计。精馏塔是化工生产中十分重要的设备。精馏塔内装有提供气液两相逐级接触的塔板，利用混合物当中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，塔釜产生的蒸汽沿塔板之间上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，气液两相在塔内实现多次接触，进行传质传热过程，轻组分上升，重组分下降，使混合物达到一定程度的分离。精馏塔的分离程度不仅与精馏塔的塔板数及其设备的结构形式有关，还与物料的性质、操作条件、气液流动情况等有关。本设计我们使用筛板塔。其突出优点为结构简单，造价低板上液面落差小，气体压强低，生产能力较大，气体分散均匀，传质效率较高。筛板塔是最早应于手工业生产的设备之一。合理的设计和适当的操作筛板塔能够满足要求的操作弹性而且效率高。采用筛板塔可解决堵塞问题适当控制漏夜实际操作表明，筛板在一定程度的漏液状态下，操作是板效率明显降低，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的筛板塔其操作弹性仍可达到标准。 精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合物中各组分的分离。该过程是同时进行传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。由这些设备、仪表等构成精馏过程的生产系统，即本次所设计的精馏装置。 课程设计是让同学们理论联系实践的重要教学环节，是对我们进行的一次综合性设计训练。通过课程设计能使我们进一步巩固和加强所学的专业理论知识，还能培养我们独立分析和解决实际问题的能力。更能培养我们的创新意识、严谨认真的学习态度。 当代大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务，为毕业论文等奠定基础。更为将来打下一个稳固的基础。二、 筛板精馏塔设计任务书一、设计题目苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。二、设计任务(1)原料液中苯含量：质量分率32，其余为甲苯。(2)塔顶产品中苯含量不得低于96%(质量)。(3)残液中苯含量不得高于2(质量)。(4)进料处理量：5.0 t/h苯产品。三、操作条件(1)精馏塔顶压强：4.0kPa(表压) (2)进料热状态：50(3)加热蒸气：0.5Mpa（表压）的饱和蒸气(4)回流比：自选。 (5)单板压降压：不大于0.7kPa四、厂址：荆门地区（年平均水温20）五、设计内容及要求(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塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。(4)主要附属设备计算（再沸器、塔顶冷凝剂、原料加热器）。(5)编制设计结果概要或设计一览表。(6)对本设计的评述或有关问题分析讨论。(7)蒸馏塔的工艺条件图。(8)通过化工过程模拟软件与自己的结果比较。(9)绘制精馏塔的简图六、按要求编制相应的设计说明书。七、主要参考资料 化工原理、化工原理课程设计指导书、化工工艺设计手册、物理化学手册八、 指导老师：李文波三、设计计算3.1设计方案的选定及基础数据的搜集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。设计中采用进料热状况为50ºC的混合物，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。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。该物系属于易分离物系，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。3.2精馏塔的物料衡算(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 (2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (3) 物料衡算原料处理量 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 3.3 精馏塔的实际板数及工艺条件和有关物性数据的计算3.3.1塔板数的确定1) 理论板层数的求取苯甲苯属于理想物系，可采用图解法求理论版层数。先绘制t-x-y图和x-y图由手册查的苯甲苯物系的气液平衡数据 苯甲苯气液平衡苯（101.3KPa）/%（mol）t/ºC80.184889296100104108110.6x10.8160.6150.5040.3730.2560.1520.0570y10.9190.8250.7170.5940.4550.30.1250由上表用CAD绘制的t-x-y图如下：1. 查得苯甲苯物系的气液平衡数据，绘出yx图，见下图所示1. 求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图中的q线与平衡线的交点为q（0.367,0.588），q线为，故最小回流比为：取操作回流比为：2. 求精馏塔的气、液相负荷。 3. 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. 用图解法求理论板层数，如上图所示。求解结果为：总理论板层数(包括再沸器)进料板位置，精馏段理论板层数为5层，提馏段理论板层数为7.1层。2) 实际板层数的求取全塔效率假设为0.54。精馏段实际板层数提馏段实际板层数实际进料板位置为实际总塔板数层数3.3.2精馏塔的工艺条件以及有关物性数据的计算 操作压力的计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 塔底操作压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法求出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托万方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量的计算由，查平衡曲线得进料板平均摩尔质量的计算由图解理论板，得查平衡曲线（上图），得塔釜平均摩尔质量的计算由图解理论板，得查平衡曲线，得精馏段平均摩尔质量：提馏段平均摩尔质量：平均密度的计算气相平均密度计算。由理想气体状态方程计算，即：精馏段： 提馏段： 液相平均密度的计算。t/8090100110120814805791778763809801791780768苯和甲苯的液相密度液相平均密度依下式计算，即： 塔顶液相平均密度的计算。由，查手册得： 进料板液相平均密度的计算。由，查手册得： 进料板液相的质量分率 塔釜液相平均密度的计算。由，查手册得： 精馏段液相平均密度为： 提馏段液相平均密度为： 液体平均表面张力计算苯和甲苯纯组分的表面张力t/809010011012021.22018.817.516.221.720.619.518.417.3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：由，查手册得： 进料板液相平均表面张力的计算：由，查手册得： 塔釜液相平均表面张力的计算：由，查手册得： 精馏段液相平均表面张力为： 提馏段液相平均表面张力为： 液体平均黏度的计算苯和甲苯的液体粘度t/80901001101200.3080.2790.2550.2330.2150.3110.2860.2640.2540.228液体平均黏度依下式计算，即：塔顶液相平均黏度的计算：由，查手册得 解得进料板液相平均黏度的计算：由，查手册得： 解得精馏段液相平均黏度为：提馏段液相平均黏度为：3.3.3全塔效率的计算全塔液相平均黏度计算塔顶液相平均黏度：塔釜液相平均黏度的计算查苯-甲苯的温度-组成相图可得 ，查手册得： 查平衡曲线得倒数第二块板的，故： 解得全塔液相平均黏度全塔平均相对挥发度的计算相对挥发度的计算依照下式，即： 塔顶相对挥发度的计算，由，查手册得： 由，查手册得： 故平均相对挥发度全塔效率的计算全塔效率由Oconnell法计算，计算公式如下：实际的全塔效率为：此结果与假设值相当接近，故假设正确。3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算塔径的计算精馏段的气、液相的体积流率为：提馏段的气、液相的体积流率为：图（3-2）式中C由式（3-5）计算，其中的由查取，图3-2的横坐标为：提馏段为：取板间距，板上液层高度，则：查图3-2得（提馏段跟精馏段相同）提馏段：精馏段：提馏段：取安全系数为0.7，则空塔气速为：提馏段：精馏段：提馏段：按标准塔径圆整后为塔截面积为：精馏段： 提馏段： 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： 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为：3.5塔板主要工艺尺寸的计算溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长取溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即：近似取E=1，则提馏段：取板上清液层高度为故提馏段：故弓形降液管宽度和截面积：由查下图得：则：， 依下式验算液体在降液管中停留时间，即：提馏段：故降液管设计合理。降液管底隙高度：取降液管底隙的流速，则：提馏段：故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。塔板布置塔板分块数塔径，mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456塔板的分块。因，故塔板采用分块式。查手册得，塔板分为3块。边缘区宽度确定：取 ， 开孔区面积计算。开孔区面积按下式计算，即：其中 故 筛孔计算及其排列。本例所处理的物系无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距为：筛孔数目n为：开孔率为：气体通过筛孔的气速为：筛孔气速 提馏段为：筛孔气速 3.6筛板的流体力学验算塔板压降干板阻力计算。干板阻力由下式计算，即：由查干筛孔的流量系数图得，提馏段：气体通过液层的阻力的计算。气体通过液层的阻力由下式计算，即：查图充气系数关联图得，。提馏段：查图充气系数关联图得，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，即：提馏段为：气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即： 提馏段为： 气体通过每层塔板的压降为：提馏段为：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由于，所以液面落差符合要求。提馏段为：由于,所以液面落差符合要求。液沫夹带液沫夹带由下式计算，即：提馏段：故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算。 提馏段为： 实际孔速提馏段：实际孔速精馏段稳定系数提馏段稳定系数故在本设计中无明显漏液。液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式关系，即苯甲苯物系属一般物系，取，则：提馏段：而 板上不设进口堰，可由下式计算，即：精馏段：提馏段：由于，故在本设计中不会发生液泛现象。3.7塔板负荷性能图漏液线 得： 整理得提馏段：整理得在操作范围内，取任几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表中。0.00060.00150.00300.00450.4320.4450.4600.473提馏段：0.00060.00150.00300.00450.4150.4270.4410.453由上表数据可作出漏液线1。液沫夹带线以气为限，求关系如下：由 整理得 提馏段： 整理得 在操作范围内，任取几个的值，依上式计算出值，计算结果如下表。0.00060.00150.00300.00452.0982.0211.9221.839提馏段：0.00060.00150.00300.00452.0501.9751.8781.797由上表数据可作出液沫夹带线2。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。由下式得：据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限。故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。液泛线令 由 联立得忽略，将与与与的关系式代入上式，并整理得：式中：将有关的数据代入整理，得提馏段：式中：将有关的数据代入整理，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。0.00060.00150.00300.00451.7221.6791.6171.556提馏段：0.00060.00150.00300.00451.6281.5871.5271.467由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图所示。在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由上图可以看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查出： 故操作弹性为：提馏段的负荷性能图为：由上图查得： 故操作弹性为：四、设计结果一览表序号项目数值精馏段提馏段1平均温度89.2106.72平均压力108.8113.83气相流量0.7120.7144液相流量0.00210.00205塔的有效高度44.56实际塔板数10117塔径1.21.28板间距0.450.459溢流形式单溢流10降液管形式弓型11堰长0.7920.79212堰高0.0470.04813板上液层高度0.060.0614堰上液层高度0.0130.01215降液管底隙高度0.0330.03216安定区宽度0.0650.06517边缘区宽度0.0350.03518开孔区面积0.5320.53219筛孔直径0.0050.00520筛孔数目1873206021孔中心距12.512.522开孔率14.514.523空塔气速0.6300.63224筛孔气速9.239.2625稳定系数1.561.6226单板压降0.70.727负荷上限液泛控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带0.00380.004130气相负荷上限1.5531.48231气相负荷下限0.4430.42332操作弹性3.5063.504五、 板式塔得结构与附属设备5.1附件的计算5.1.1接管进料管进料管采用采用高位槽送料入塔，料液速度可取，取料液速度，则查参考数据选常用管道推荐尺寸选取。回流管塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速可取。取，则查参考数据选常用管道推荐尺寸选取。塔顶蒸气出料管操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速为，蒸气管的直径为，取。塔顶气相密度： 查参考数据选常用管道推荐尺寸选取。塔釜进气管取，塔底气相密度： 查参考数据选常用管道推荐尺寸选取。塔釜出料管一般可取塔底出料管的料液流速为，循环式再沸器取 ，本设计取塔底出料管的料液流速。用可计算塔釜出料管的管径。查参考数据选常用管道推荐尺寸选取。5.1.2冷凝器的选择塔顶回流全凝器通常采用管壳式换热器，因为所选精馏塔处理量大，且塔板数较多，为了避免给安装和检修带来不便，选择强制循环式。热负荷苯、甲苯的汽化潜热 温度20406080100120 苯431.1420.0407.7394.1379.3363.2甲苯412.7402.1391.0379.4367.1354.2塔顶，查该温度下苯的汽化潜热为392.5，甲苯的汽化潜热为378.1，故平均汽化潜热为：冷却水用量取冷却水的进口温度为，出口温度为。水的平均比热容为，则总传热系数查资料，K取为。泡点回流时的平均温差换热面积由换热面积选取的换热器规格如下：工称直径公称换热面积管程数管数管长管子直径管子排列方式正三角形换热器的实际换热面积该换热器所要求的总传热系数5.1.3再沸器的选择因精馏塔的直径较大，故选用罐式再沸器，将再沸器置于塔外采用间接蒸汽加热，塔底温度，取加热蒸汽温度为，出再沸器时的温度为。取,最后一块实际板上组成。查图得，故 塔底组成可近似看成纯甲苯，则故 所以，换热面积为:5.1.4原料加热器原料为的苯-甲苯混合物料，先需将其加热至泡点进料。由查图可知进料时泡点温度为查手册得该温度下苯和甲苯的平均比热容故加热器所需热值为故换热面积六、 参考书目化工原理课程设计（第二版）/马江权，冷一欣主编.-2版.北京石化出版社化工原理上册（第四版）/谭天恩，窦梅主编.-4版.北京化学工业出版社化工原理下册（第四版）/谭天恩，窦梅主编.-4版.北京化学工业出版社刘光启，马连湘，刘杰 . 化学化工物性数据手册（有机卷）. 北京：化学工业出版社.物理化学手册/姚允斌主编.-4.上海科学技术出版社.七、 设计心得体会通过两周的课程设计，不仅仅是让我学会了如何设计筛板型精馏塔，而且让我学会了很多软件的使用方法，虽然这是一个很复杂的过程，但是我却很满足，而且会觉得很充实。首先，课程设计对于我们是一次严峻的考验，综合检验了学过的知识，培养了我们理论联系实际的能力。帮助我们更加深入的理解了化工生产单元操作以及设计要求，使我们所学的知识不局限于书本，锻炼了我们工程设计思维能力。通过对这次化工原理的课程设计使我增长了许多实际的知识，也在大脑中确立了一个关于化工生产的一个轮廓。其次，本次化工原理的课程设计使我对化工行业有了一个更深层次的认识。在设计中锻炼了我查阅资料和文献的能力，提高了我对知识进行归纳、整理和总结的本领，培养了我勤奋思考、努力专研、艰苦奋斗、持之以恒等许多优秀的品质。我相信这在我以后的工作必将成为一笔不可或缺的财富。当然在这次设计中的收获还不止这些，更主要的是它给了我一种设计的思想，使我们认识到了实际化工生产过程和基础理论的联系与差别，教我如何面对自己在实际中遇到的问题。 在此次化工原理设计过程中，我的收获很大,感触也很深，更觉得学好基础知识的重要性。在此次的设计过程中，使我认识到了实际化工生产过程和基础理论的联系与差别. 我国的化工事业还不是很发达，而且相对外国来说还很落后，因此对我们每一位将来从事化工行业的大学生来说，现在丰富自己的知识，为以后工作能得心应手做好准备，也为我国的化工事业的发展贡献自己的一份力量。现在的我百感交加。这一路走来虽累，但很有价值，痛并快乐着。通过几周的化工原理的课程设计，让我感触最深的是：纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行。理论很好的运用于实际是我们学习的目的，因此在实践中充分锻炼自己运用知识的能力是我们面临就业的学生的当务之急。在本次设计中将以前学过的知识加以综合运用，不仅培养了我的自学能力，也提高了我对复杂问题的分析能力。通过这次学习与设计实践，加深了我对化工生产过程的理解和认识，也对以往学过的知识加以巩固。此次设计不仅巩固了所学的的化工原理知识,更极大拓宽了我的知识面，让我认识了实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计无疑将起到重要的作用。但因自己学识有限，设计中一定有很多疏漏和错误之处，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，并将继续努力改正。八、 附录筛板精馏塔的工艺条件图工艺条件图附表测温接管250.6测压接管250.6人孔8000排空管500.60自控液位接管200.60液位指示接管200.60排液管600.6塔顶蒸汽出口管2700.6塔底蒸汽返回2650.6釜液循环管400.6回流接管800.6接管 进料管1250.6接管符号说明公称直径公称压力板式精馏塔工艺条件图设计者指导者（日期）班号备注黄乐李文波2013.12.311级化工工艺2班专心-专注-专业