苯--甲苯板式精馏塔塔的设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流苯-甲苯板式精馏塔塔的设计.精品文档.化工原理课程设计-苯-甲苯板式精馏塔塔的设计 专 业:化学工程与工艺 班 级:1014101 学 号:101410122 姓 名: 陈延超 指导教师: 赵海鹏 日 期 2013-01-09 序言 化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程(物理化学,化工制图等)所学知识,完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学,是理论联系实际的桥梁,在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计,要求更加熟悉工程设计的基本内容,掌握化工单元操作设计的主要程序及方法,锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能
2、力,问题分析能力,思考问题能力,计算能力等。 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的挥发度的不同,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,实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求,精馏操作可以是连续的或间歇的,有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计,即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯,采用连续操作方式,需设计一板式塔将其分
3、离。目录一、化工原理课程设计任书3二、设计计算41.设计方案的确定42.精馏塔的物料衡算73.塔板数的确定74.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 115.精馏塔的塔体工艺尺寸计算 166.塔板主要工艺尺寸的计算177.筛板的流体力学验算218.塔板负荷性能图239.接管尺寸确定29三、个人总结31四、参考书目31一、设计任务书一、设计题目:设计分离苯甲苯连续精馏筛板塔二、设计任务及操作条件1、 设计任务:物料处理量: 5万吨年进料组成 : 55 苯,苯-甲苯常温混合溶液(质量分率,下同)分离要求:塔顶产品组成苯 98 塔底产品组成苯 2% 2、 操作条件平均操作压力 : 101.3 kPa
4、 平均操作温度: 94回流比: 自选 单板压降: =0.7kPa工时: 330天 三、设计方法和步骤:1、设计方案简介 根据设计任务书所提供的条件和要求,通过对现有资料的分析对比,选定适宜的流程方案和设备类型,初步确定工艺流程。对选定的工艺流程,主要设备的形式进行简要的论述。2、主要设备工艺尺寸设计计算 (1)收集基础数据 (2)工艺流程的选择 (3)做全塔的物料衡算 (4)确定操作条件 (5)确定回流比 (6)理论板数与实际板数 (7)确定冷凝器与再沸器的热负荷 (8)初估冷凝器与再沸器的传热面积 (9)塔径计算及板间距确定 (10)堰及降液管的设计 (11)塔板布置及筛板塔的主要结构参数
5、(12)塔的水力学计算 (13)塔板的负荷性能图(14)塔盘结构(15)塔高(16)精馏塔接管尺寸计算3、典型辅助设备选型与计算(略) 包括典型辅助设备(换热器及流体输送机械)的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。4、设计结果汇总5、工艺流程图及精馏塔工艺条件图6、设计评述四、参考资料天津大学华工学院柴诚敬主编化工原理上册,高等教育出版社,2006.1。天津大学华工学院柴诚敬主编化工原理下册,高等教育出版社,2006.1。 大连理工大学主编化工原理下册,高等教育出版社,2002.12 。谭天恩,李伟等编著过程工程原理,化学工业出版社,2004.8 。大连理工大学化工原理教研室主编化工原理课程
6、设计。汤金石等著化工原理课程设计,化学工业出版社,1990.6。 化学工业物性数据手册,有机卷。(8)化工原理及设备课程设计,化学工业出版社,2011.8。(9)化工原理课程设计天津大学化工原理教研室,柴诚敬 刘国维 李阿娜编;(二)、设计计算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
7、回流比取最小回流比的2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: () 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。 () 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加1015。 () 塔
8、板效率高,比泡罩塔高15左右。 () 压降较低,每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是: () 塔板安装的水平度要求较高,否则气液接触不匀。 () 操作弹性较小(约23)。() 小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图表1 苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点()临界温度tC()临界压PC(kPa)苯AC6H67880.1288.56833.4甲苯BC6H5CH392110.6318.574107.7表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0,kPa40.046.054.06
9、3.374.386.0表3 常温下苯甲苯气液平衡数据(2:例11附表2)温度80.1859095100105液相中苯的摩尔分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130汽相中苯的摩尔分率1.0000.9000.7770.6300.4560.262表4 纯组分的表面张力(1:附录图7)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(1:附录图8)温度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表6 液体粘度
10、(1:)温度()8090100110120苯(mP.s)0.3080.2790.2550.2330.215甲苯(mP.s)0.3110.2860.2640.2540.228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y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.3
11、90.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.02 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 74.89=DW苯物料衡算 74.890.59040.983D0.0235 W联立解得 D44.25 kmo
12、lhW=30.64 kmolh式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量3 塔板数的确定 (1)理论板层数NT的求取 苯一甲苯属理想物系,可采用图解法求理论板层数。 由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据,绘出x y图,见下图求最小回流比及操作回流比 采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上,自点e(0.5904,0.5904)作垂线ef即为进料线(q线),该线与平衡线的交点坐标为 0.7741 ,0.5904故最小回流比为依据实际生产中的经验取求精馏塔的气、液相负荷 (泡点进料:q=1)求操作线方程 精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为逐板法求理论板对于精馏段=2.378 又由相平衡
13、方程 得 则 = 0.983 =0.9605 0.9022因为=0.5904 故精馏段理论板数 n=7对于提馏段=2.378 又由相平衡方程 得则 =0.0235 故提留段理论板数 n=7(2)实际板层数的确定全塔效率的计算(查表得各组分黏度=0.269,=0.277)实际板层数的确定精馏段实际板层数7/0.551=12.70413,提馏段实际板层数7/0.551=12.70413,进料板在第14块板4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (1)操作压力计算 塔顶操作压力 101.325 kPa每层塔板压降 P0.7 kPa塔底操作压力=101.325+0.726=119.525 kPa进料
14、板压力101.3250.713110.425kPa精馏段平均压力 P m (101.325110.425)2105.875 kPa提馏段平均压力P m =(110.425+119.525)/2 =114.975 kPa(2)操作温度计算 用内插法由已知数据可算出塔内各点的工作温度。计算结果如下: 塔顶温度80.37进料板温度87.02 塔底温度=109.18则精馏段平均温度=( 80.3787.02)/2 = 83.70提馏段平均温度=(87.02+109.18)/2 =98.10(3)平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由=0.983,查平衡曲线图可知=0.972进料板平均摩尔质量计算
15、由上面理论板的算法,得0.7566, =0.5666 塔底平均摩尔质量计算由xw=0.0231,由相平衡方程,得yw=0.053精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量(4)平均密度计算 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算,精馏段的平均气相密度即 提馏段的平均气相密度液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算,即 塔顶液相平均密度的计算 由tD80.37,查手册用内插法可得 塔顶液相的质量分率 进料板液相平均密度的计算 由87.025.3,查手册用内插法得 进料板液相的质量分率 塔底液相平均密度的计算 由tw109.18,查手册用内插法求得 塔底液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 提馏段液
16、相平均密度为(5) 液体平均表面张力计算 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 由 tD80.37,查手册用内插法可求得 A=21.2mN/m B=21.7 mN/mLDm=0.98321.2+(1-0.983)217=20.21 mN/m进料板液相平均表面张力的计算 由tF87.02,查手册用内插法可求得 A=20.4 m N/m B=20.9 m N/mLFm=0.566620.4+0.433420.9=20.62 mN/m塔底液相平均表面张力的计算 由 tD109.18,查手册用内插法可求得 A=17.6 mN/m B=18.5 mN/mLwm=0.023117.6
17、+(1-0.0231)18.5=18.48mN/m精馏段液相平均表面张力为 Lm=(21.21+20.62)/2=20.92 mN/m提馏段液相平均表面张力为 Lm=(20.62+18.48)/2=19.55 mN/m(6) 液体平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算,即 lgLm=xilgi塔顶液相平均粘度的计算 由tD80.37,查手册用内插法可求得 A=0.307 mPas B=0.310 mPaslgLDm=0.983lg(0.307)+ (1-0.983)lg(0.310)解出LDm=0.307 mPas进料板液相平均粘度的计算 由tF87.02,查手册用内插法可求得 A=0.288m
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- 甲苯 板式 精馏塔 设计
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