精馏塔设计毕业设计.doc
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1、前言石油是发展国民经济和建设的主要物质,产品种类繁多,用途极广。精细化工 的产生和发展与人们的生活和生产活动紧密相关,近十几年来,随着生产和科学技 术的不断提高,发展精细化工已成为趋势。我国的有机化工原料工业起步较晚,全国解放前除有少量炼焦苯和发酵 酒精外,大量有机原料依靠进口。在解放初期的有机化工原料工业,只能在 煤炭和农副产品基础上起步,随着新油田的相继幵发和新炼油厂的陆续建设, 与此同时,对天然气资源的利用,也取得了长足进展。以石油为原料生产化工产品,并非起源于近代,在第二次世界大战以后, 石油化学工业发展非常迅速,以石油为原料可以得到三烯、一炔、一萘及其 他化工基础有机原料,进而制得醛
2、、酮、酸、酐等基本有机产品和原料,再 制得合成纤维、合成塑料、合成橡胶、合成洗涤剂、涂料、炸药、农药、染 料、化学肥料等重要的化工产品。目前,全世界每年生产的石油虽然仅有5%左右用于化学工业,但石油 化工的总产值却占化学工业总产值的60%左右,某些国家甚至达到80%,由 此可见,石油在化工领域中占有重要的地位。丙烯是重要的化工原料,美国将生产量的二分之一用于制造化工产品,余下的大部分则与异丁烷反应制造汽油中所需要的烷化物。由丙烯可以得到大量的化工产品, 如聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈、环氧丙烷、丙酮等。当前各炼厂的气体分离装置大部分仍然采用精馏分离。化工生产中所处理的原料中间产物和粗产品等几乎都是由
3、若干组分组成的混合物,蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。低沸点烃类混合物是利用精馏方法使混合物得到分离的,其基本原理是利用被分离的各组分具有不同的挥发度,即各组分在同一压力下具有不同的沸点将其分离的。其实质是不平衡的汽液两相在塔盘上多次逆向接触,多次进行部分汽化和部分冷凝,传质、传热,使气相中轻组分浓度不断提高,液相中重组分浓度不断提高,从而使混合物得到分离。塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备,广泛应用于化工、石油化工、 石油等工业中,其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。板式塔 用途较广,它是逐级接触式的气液传质设备。浮阀塔于50年代初期在工业上 开始推广使用,由于它兼有泡罩塔和筛
4、板塔的优点,已成为国内应用最广泛 的塔型,特别是在石油、化学工业中使用最普遍,对其性能研究也较充分。 浮阀塔板的结构特点是在塔板上幵有若干大孔,每个孔上装有一个可以上、 下浮动的阀片,浮阀的型式很多,目前国内最常用型式的为h型和V-4型。 Fi型浮阀的结构简单、制造方便、节省材料、性能良好,广泛用于化工及炼 油生产中,现已列入部颁标准(JB1118-68)。操作时,由阀孔上升的气流, 经过阀片与塔板的间隙与塔板上横流的液体接触,浮阀开度随气体负荷而变, 当气量很小时,气体仍能通过静止开度的缝隙而鼓泡。我国石油工业具有一定的水平,但还是一个发展中的国家,摆在我们石油 工作者面前的任务是繁重的。炼
5、油工业要对现有的炼油厂进行技术改造,继 续坚持“自力更生,革新挖潜,全面提髙,综合利用,大搞化工原料,赶超 世界先进水平”的发展方针。要立足现有基础,搞好一、二次加工和系统工 程的配套,扩大综合生产能力;要革新工艺,革新技术,革新设备,把老装置 开出新水平;要发展加氢技术,发展新型催化剂和添加剂,全面提高产品质量, 增加品种;要开展综合利用,大搞三次加工,增产有机化工原料;要充分利用 热能,大力降低消耗,各项经济技术指标要创出新水平;要治理“三废”,保 护环境,为实现赶超世界先进水平而奋斗。35目录1.0精馏塔工艺计算11.1 全塔物料平衡计算11.2 确定塔的操作条件21.2.1回流罐压力的
6、确定21.2.3确定塔顶温度31.2.4塔底温度的求定41.2.5进料温度的求定41.3回流比及理论塔板数的求定51.3.1求取相对挥发度51.3.2求最小回流比Rmin51.3.3求定最少理论塔板数Nmin71.3.4 计算实际回流比R及理论塔板数71.3.5确定实际塔板数及进料的位置81.4 热量衡算91.4.1冷凝器91.4.2 再沸器101.4.3 全塔101.5 塔径的确定111.5.1 液体密度111.5.2 气体的密度121.5.3 体积流量142.5.4 初选板间距及塔径计算151.5.5 塔板浮阀数及开孔率的确定181.5.6 溢流堰的设计及降液管的计算191.3 水力学计算
7、211.3.1塔板总压力211.3.2 上液层压力降221.3.3雾沫夹带221.3.4 浮阀塔的性能操作图261.3.5 附属设备的选择30参考文献32主要符号说明33设计心得35摘要:石油是发展国民经济和建设的主要物质,产品种类繁多,用途极广。精细化工的产生和发展与人们的生活和生产活动紧密相关。我国的有机化工原料工业起步较晚,随着新油田的相继开发和新炼油厂的陆续建设,与此同时,对天然气资源的利用,也取得了长足进展。丙烯是重要的化工原料,美国将生产量的二分之一用于制造化工产品,余下的大部分则与异丁烷反应制造汽油中所需的烷化物。由丙烯可以得到大量的化工产品,如聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈、环氧丙烷、
8、丙酮等。当前各炼厂的气体分离装置大部分仍然采用精馏分离。蒸馏是 分离液体混合物的典型单元操作,其基本原理是利用 被分离的各组分的挥发度不同,即各组分在同一压力下具有不同的 沸点将其分离的。塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备,广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中,其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。板式气液传质设备。浮阀塔的优点是:生产能力大、操作弹性大、塔板效率高、气体压强降及液面落差较小、塔的造价低。浮阀塔已成为国内应用最广泛的塔型。我国石油工业具有一定的水平,但还是一个发展中的国家,摆在我们石油工作者面前的任务是繁重的。因此必须坚持独立自主、自力更生,革新挖潜,全面提高,综合利
9、用,大搞化工原料,赶超世界先进水平。关键词:塔板 浮阀 丙烯 开空率 雾沫夹带精馏塔设计1.0精馏塔工艺计算1.1 全塔物料平衡计算根据进料量F=170Kmol/h,进料组成XF=0.5582 (为丙烯摩尔分率)及 两轻重关键组分的摩尔分率在塔顶塔底中分配情况,既Xd=0.83,Xw=0.10列 方程组 F = D + W FXf=DXd + WXw 170=D + W 1700.55=0.83D+0.10W解得 d=106.7041 kmol/h w=63.2959 kmol/h式中:XF丙烯的进料组成。XD塔顶产品中丙烯的组成。Xw塔底产品中的丙烯组成。D、W 塔顶、塔底产品流量。而 进料
10、摩尔流量=摩尔百分数进料量。 馏出液的摩尔流量=摩尔百分数馏出液流量。 釜液摩尔流量=摩尔百分数釜液流量。例如: 甲烷进料摩尔流量=0.05% 170=0.085Kmol/h 甲烷进料质量流量=0.0816=1.360Kmol/h 甲烷馏出液摩尔百分数=0.085/106.7041=0.0796% 其它各组分依此类推。 对全塔的物料平衡进行计算,其结果列于下表。表-1精馏塔物料衡算结果汇总表进料塔顶馏出液塔釜残液组分摩尔分数%质量分数%摩尔流量Kmol/h质量流量Kg/h摩尔分数%质量分数%摩尔流量Kmol/h质量流量Kg/h摩尔分数%质量分数%摩尔流量Kmol/h质量流量Kg/h丙烯70.3
11、372162.997199.7399.499.1171.5347184.750.5910.540.3714.85丙烷25.726.559.582649.900.60.91.03565.2598.2940.162584.65正丁烷3.961.59.15149.991.195.460.74150.13合计100100231.759999.62100100172.569725010010062.272749.63由表一1计算数据可知本塔物料是平衡的。1.2 确定塔的操作条件1.2.1回流罐压力的确定由已知回流液温度为t=40C,根据泡点方程Yi=kixi,利用试差法来确定回流罐的压力。在t=40C时
12、,设P回=1.7MPa由石油炼制设计数据 图表集下册482页,图12-1-1烃类相平衡常数图查得h值及计算数据列于 下表。表-2试差法确定回流罐压力数据表回流液组成t=40 设P回 =1700KPaKi Yi=kixi丙烯0.99410.994丙烷0.006520.90.005868合计10.9998所以假设的P 回值即为所求压力值。由工艺条件知 P 顶=P 回101.325=1801.325kPao 1.2.3确定塔顶温度因为P顶=1.7MPa,利用露点方程全Xi =Yi/Ki ,应用试差法确定塔顶温度。设塔顶温度t顶=42.5C。由石油炼制设计数据图表集下册 482页,图12-1-1烃类相
13、平衡常数图查得ki值及计算数据列于下表。表-3试差法确定塔顶温度数据表组成 密度回流液组成t=40 设P回 =1700KPaKi Yi=kixi丙烯0.9941.060.99940.994丙烷0.006520.960.0058680.00652合计10.99981.00052从表-3中最终所得数据Xi =Yi/Ki=1.00052所假定的温度t 顶=40C即为所求定的塔顶温度。 1.2.4塔底温度的求定根据已知工艺条件全塔总压降为0.5x101.33KPa,则塔底压力P底=P 回+0.10133=1.7+0.10133=1.801335MPa,再根据泡点方程全 Yi = KiXi ,应用试差法
14、确定塔底温度,设塔底温度为t=50C。由石油炼制设计数据图表集 下册482页,图12-1-1烃类相平衡常数图查得ki值及计算数值列于表-4。表-4试差法确定塔底温度数据表F1型重阀P=1851.95 Kpa 设t=50组分釜残液Ki Yi=kixi丙烯0.0059111.110.00656丙烷0.982191.010.9920丁烷0.011890.350.004165合计0.9999911.00272由表-4中数据可知最终求得h=l.00272,所以假设之t底= 50C即为所求的塔底温度。 1.2.5进料温度的求定根据有关资料进料压力可近似用塔顶及塔底压力的算术平均值表示, 即:P进料=(P顶
15、+P底)/2= (1.801325+1.7) /2=1.7506625MPa,根据工艺条件已知进料热状态为泡点进料,因此利用泡点方程Yi=kixi,仍采用试差法求定进料温度。设进料温度为t=47C,由石油炼制设计数据图表集下册482页,图12-1-1烃类相平衡常数图查得ki值,并将Xi、KiXi值一并列入下表。试差法确定进料温度数据表进料组成P=1826.625KPa设t=47CKi Yi=kixi丙烯0.70331.060.7455丙烷0.25710.930.2391丁烷0.03960.330.0131合计10.9977由表-5中数据求得最后0.99771所以假设进料温度t=47C即为所求值
16、。 1.3回流比及理论塔板数的求定 1.3.1求取相对挥发度根据塔顶、塔底的温度和压力,由石油炼制设计数据图表集下册 482页,图12-1-1烃类相平衡常数图查得各组分的相平衡常数,然后以重关 键组分丙烷为基准,求出各组分的相对挥发度i=ki/kj计算结果列于下表。 表-6相对挥发度计算结果汇总表组分塔顶Ki塔釜KiKi=ij丙烯11.111.05363.0103丙烷0.91.010.95812.73743丁烷00.350.351.05361.3.2求最小回流比Rmin根据恩德伍德公式求取最小回流比Rmin,恩德伍德公式如下:,其中ij为i组分对重关键组分的相对挥发度,为的根,且其值介于轻重关
17、键组分的相对挥发度之间,由于本设计所选取的轻重关键组分为两个相邻的组分,因此仅有一个值。下面就运用试差法求取,再求出Rmin的值,计算结果得出=2.8056因为是泡点进料,所以q=l,即。 =1-q=0 当=2.8056 =即可以满足工艺要求,因此值可以作为计算值使用。Rmin=-1= R=13.376x1.09=14.5861.3.3求定最少理论塔板数Nmin最少理论塔板数Nmin利用芬斯克方程求取,因为塔顶采用全凝器,芬斯克 方程式表示如下: 其中L表示轻关键组分,W表示重关键组分=102.87LW表示轻关键组分对重关键组分的相对挥发度,取塔顶塔底的几何平均值,即LW= :塔顶条件下轻关键
18、组分对重关键组分的相对挥发度:塔底条件下轻关键组分对重关键组分的相对挥发度。1.3.4 计算实际回流比R及理论塔板数根据经验公式R= (1.12.0) Rmin来选择R,首先在1.12.0之间选取 若干个不同的R值,然后根据R、Rmin及Nmin,求出NT值。由吉利兰图或 李德公式求NT值,为了避免由吉利兰图读数据引起的误差,采用李德公式求NTY=0.545827-0.591422x+0.00274/X式中、 =1.1048=0.528 求出几个不同的Nt值,因R增大时,所需NT值应随之减少,当R增 加至某一值,NT减少的趋势变得很缓慢时,此时的R值即为所求的R值。当R=13.376时,再增大
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