苯—甲苯二元物系板式精馏塔的设计(共36页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工原理课程设计任务书设计题目 : 苯甲苯二元物系板式精馏塔的设计2设计条件 :常 压: (绝压) 处理 量: 85Kmol/h 进料组成: 馏出液组成: 釜液组成: (以上均为摩尔分率) 塔顶全凝器 泡点回流 回流比: 加料状态: 单板压降: 3设 计 任 务 :1.完成该精馏塔的工艺设计(包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算)。2绘制带控制点的工艺流程图、塔板负荷性能图、精馏塔工艺条件图。精馏塔设备条件图。3撰写精馏塔的设计说明书(包括设计结果汇总)。专心-专注-专业目 录前 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
2、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
3、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
4、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
5、文等奠定基础。更为将来打下一个稳固的基础。摘 要本次设计是针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等,是较完整的精馏设计过程。我们对此塔进行了工艺设计,包括它的辅助设备及进出口管路的计算,画出了塔板负荷性能图,并对设计结果进行了汇总。此次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计的精馏装置包括精馏塔,再沸器,冷凝器等设备,热量自塔釜输入,物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离,由塔顶产品冷凝器中的冷却介质将余热带走。本文是精馏塔及其进料预热的设计,分离摩尔分数为0.45的苯甲苯溶液,使塔顶产品苯的摩尔含量达到98%,塔底釜液摩尔分数为3.0%。综合工艺操作方便、经
6、济及安全等多方面考虑,本设计采用了筛板塔对苯-甲苯进行分离提纯,塔板为碳钢材料,按照逐板计算求得理论板数为13。根据经验式算得全塔效率为0.538。塔顶使用全凝器,部分回流。精馏段实际板数为12,提馏段实际板数为14。实际加料位置在第13块板。精馏段弹性操作为3.12。塔径为1.4m。通过板压降、漏液、液泛、液沫夹带的流体力学验算,均在安全操作范围内。确定了操作点符合操作要求。关键词:苯-甲苯、精馏、逐板计算、负荷性能图、精馏塔设备结构第一章 绪 论 筛板精馏塔是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。它的出现仅迟于泡罩塔20年左右,当初它长期被认为操作不易稳定,在本世纪50年代以
7、前,它的使用远不如泡罩塔普遍。其后因急于寻找一种简单而价廉的塔型,对其性能的研究不断深入,已能作出比较有把握的设计,使得筛板塔又成为应用最广的一种类型。1.1精馏流程设计方案的确定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。设计中采用气液混合物进料,将原料液通过预热器加热至温度后送入精馏塔内。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,其余部分作为塔顶产品冷却后送至储罐。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。流程参见附图。1.2设计思路在本次设计中,我们进行的是苯和甲苯二
8、元物系的精馏分离,简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓,如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离,是精馏塔的基本原理。实际上,蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同,分为连续蒸馏和间歇蒸馏,我们这次所用的就是筛板式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入,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,有时后可以考虑将余热再利用,在此就不叙述。要保持塔的稳定性,流程中除用 泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作
9、费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。1.2.1精馏方式的选定本设计采用连续精馏操作方式,其特点是:连续精馏过程是一个连续定态过程,能小于间歇精馏过程,易得纯度高的产品。1.2.2加热方式 本设计采用间接蒸汽加热,加热设备为再沸器。本设计不易利用直接蒸汽加热,因为直接蒸汽的加入,对釜内溶液起一定稀释作用,在进料条件和产品纯度,轻组分收率一定前提下,釜液浓度相应降低,故需在提馏段增加塔板以达到生产要求,从而又增加了生产的费用,但也增加了间接加热设备。1.2.3操作压力的选取本设计采用常压操作,一般,除了热敏性物料以外,凡通过常压蒸馏不难实现分离要求,并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来
10、的系统都应采用常压蒸馏。在化工设计中有很多加料状态,这次设计中采用气液混合物进料。1.2.4回流比的选择对于一般体系最小回流比的确定可按常规方法处理,但对于某些特殊体系,如乙醇水体系则要特殊处理,该体系最小回流比Rmin的求取应通过精馏段操作线与平衡线相切得到。而适宜回流比R的确定,应体现最佳回流比选定原则即装置设备费与操作费之和最低,我们推荐以下简化方法计算各项费用,从而确定最佳回流比。一般经验值为R=(1.1-2.0)Rmin.1.2.5塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择塔顶选用全凝器,因为后继工段产品以液相出料,但所得产品的纯度低于分凝器,因为分凝器的第一个分凝器相当于一块理论板。 塔
11、顶冷却介质采用自来水,方便、实惠、经济。1.2.6板式塔的选择板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括:板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法可查阅有关资料。着重应注意的是:塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据,确定具有良好性能(压降小、弹性大、效率高)的塔板结构与尺寸。塔板设计的基本思路是:以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成,温度、压力等条件为依据,首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独立变量,然后进行流体力学计算,校核其是否符合所规定的范围,如不符合要求就必须修改结构参数,重复上述设计步骤直到满意
12、为止。最后给制出负荷性能图,以确定适宜操作区和操作弹性。塔高的确定还与塔顶空间、塔底空间、进料段高度以及开人孔数目的取值有关,可查资料2。表1-1 参数选取项目方式压力加料状态加热方式回流比冷凝器冷却介质板式塔选 取连续精馏常压气液混合间接蒸汽R=(1.1-2.0)Rmin全凝器自来水筛板塔1.2.7 关于附属设备的设计附属设备的设计主要有:1)热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量;再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量;2)选定冷凝器和再沸器的型式求取所需的换热面积并查阅换热器标准,提出合适的换热器型号;第二章 精馏塔工艺设计计算2.1物料衡算2.1.1塔的物料衡算(1)苯的
13、摩尔质量:甲苯的摩尔质量:=92.13(2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量:(3)物料衡算总物料衡算: 即 (1) 易挥发组分物料衡算: 即 (2)由(1)和(2)解得2.2板数的确定2.2.1操作回流比的求取 (1)相对挥发度的计算根据化学工程手册109页Antoine方程常数(有机物值)得化合物ABC温度范围苯6.079541344.8219.4826137甲苯6.030551211.033220.790-16104由表可知t的共用区间为6t104又因为甲苯的正常沸点为110.6,苯的沸点为80.1所以80.1t104.0。 因此取10个温度点:81、82、85、87、89、90、9
14、2、93、95、100由于纯组分的饱和蒸气压与温度的关系通常可表示成如下的经验式当t=81时,将A、B、C分别代得:苯甲苯:则=104.1598 =40.18502)=107.3915 =41.5824 3)=117.5466 =46.0108 4)=124.7240 =49.1700 5)=132.2361 =52.4965 6)=136.1225 =54.2251 7)=144.1584 =57.8256 8) =148.3 =59.6953 9)=156.8989 =63.5770 10)=180.0495 =74.1720因为苯-甲苯属于理想物系所以乌拉尔定律代入=/ 则 =104.1
15、598/46.0108=2.0625同理 2=2.5826 3=2.5548 4=2.5366 5=2.5190 6=2.5103 7=2.4930 8=2.4845 9=2.4679 10=2.4275则 (2)求最小回流比及操作回流比。进料线方程为当q=0.96 =0.45时 相平衡方程为两式联立即 得 故最小回流比为:Rmin=取操作回流比为:R=2Rmin=2.822.2.2 求精馏塔气液相负荷精馏段: 提馏段:2.2.3 操作线方程的确定精馏段操作线方程: 提馏段操作线方程: 2.2.4精馏塔理论塔板数及理论加料位置采用相平衡方程与操作线方程式利用逐板计算法由知联立精提馏段操作线方程
16、得 第一块塔板上升气相组成为=0.98 从第一块塔板下降的液体组成 =/2.51-1.51=0.98/2.51-1.51 0.98=0.9513由第二块塔板上升气相组成为同理 y6=0.7454 x6=0.5384 y7=0.6539 x7= 0.4295因所以第8块塔板上升气相组成由提馏段操作线方程计算则 同理 x8=0.3406 y9=0.4456 x9=0.2434 y10=0.3155 x10=0.1551 =0.1974 =0.0892 =0.0466 所需总理论板数: 13块(包括再沸器)进料位置:第7块 精馏段需6块板 2.2.5全塔效率的计算(1)查苯-甲苯的气液平衡数据,由内
17、差法求得 得=99.20 得 得精馏段平均温度 提馏段平均温度 (2)液相平均黏度的计算由时查书“液体黏度共线图”可得 当时, 当=99.20时 , 当时, 根据液相平均黏度公式塔顶液相平均黏度计算当时 进料板液相平均黏度的计算当=99.20时塔底液相平均黏度的计算当时则液相平均黏度为(3)全塔效率的计算精馏段实际板数 提馏段实际板数 (包括塔釜)第三章 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作压强 P的计算取每层塔板压降为 则塔顶压强 进料板压强 塔底压强 精馏段平均压强 提馏段平均压强 3.2操作温度 塔顶温度: =80.6进料温度: =99.2塔底温度: 精馏段平均温度: 提馏段平
18、均温度: 3.3物性数据计算3.3.1平均摩尔质量计算(1)塔顶: (2)进料板: (3)塔底: (4)精馏段平均摩尔质量:气相: 液相: (5)提馏段平均分子量:气相: 液相: 3.3.2平均密度的计算(1)气相平均密度的计算精馏段平均密度: 提馏段平均密度: (2)液相平均密度 的计算 由式 求相应的液相密度。塔顶平均密度的计算:=80.6时,查化工原理 (上)得 对于进料板: =99.2时得 对于塔底:时得 (3)精馏段平均液相密度: 提馏段平均液相密度: 3.3.3液体平均表面张力计算 依下式计算(1)对于塔顶: (2)对于进料板: (3)对于塔底: (4)精馏段平均表面张力: 提馏段
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