化工原理工程设计(36页).doc
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1、-西南交通大学化工原理工程设计说明书题目:分离苯甲苯混合物的精馏塔的设计设 计 者:琪 班 级:生物工程 学 号:指导老师: 完成日期:2012/7/17目录前言-设计任务-一 精馏装置工艺流程图-二 精馏塔的设计计算-1.基本数据计算-2.回流比的计算-3.塔板数的计算-三精馏塔的工艺设计- 1.塔径的计算- 2.塔高的计算-3.塔板结构参数的计算和设计-附 精馏塔塔板设计结果汇总表- 提馏塔塔板设计结果汇总表-四精馏塔的负荷性能的计算- 1.塔板的负荷性能计算- 2.塔板的流体力学校核-五精馏塔的辅助设备- 1.塔顶冷凝器- 2.塔底再沸器-六设计小结-七参考文献-八附图-前言本实验的设计
2、题目是分离分离苯甲苯混合物的精馏塔的设计。精馏操作是重要的化工单元操作,广泛应用于石油、化工、轻工、食品、冶金等领域。此操作主要在塔设备中进行,使液液混合液经过多次部分气化和部分冷凝,以达到使混合物体系分离成较高纯度的组分的目的,精馏塔设计的主要任务是根据物系性质和工艺要求,确定操作条件。选择一定的塔型,进行工艺和设备的计算。精馏装置流程比较定型。一般包括:精馏塔、塔顶蒸汽冷凝器、塔底再沸器(蒸馏釜)、原料加热器以及输送设备等。塔器是气液传质的主要设备。气液混合物通过塔器的处理,就能将其中各组分进行分离。从精馏的原理可知:要使过程顺利进行,必须具备两个条件:一是气液两相密切接触;二是气液两相接
3、触面积要大。塔设备中本身的结构正是为提供这两个条件而设计的。因此选择塔设备一般根据以下原则:能提供良好的气液接触条件和足够大的接触面积,以达到生产能力大,分离效率高,压降小,操作范围广,结构简单,金属材料消耗少。在选择塔的种类时应注意,不同的塔型各有某些独特的特性。设计时应根据物系性质和具体要求选择适宜的塔型。本实验设计选择浮阀塔。它是在泡罩塔的基础上发展起来的。它主要的改进是取消了升气管和泡罩。在塔板开孔上设有浮孔。这一改进使浮阀塔在操作弹性,塔板效率压降,生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔更优越。浮阀塔广泛用于精馏,吸收以及脱吸等传质过程中。设计之所以选择浮阀塔,是因为它具有以下几个优点:
4、 处理能力比同塔型的泡罩塔可增加20%40% 操作弹性大,一般约为34,最高可达6,比筛板塔,泡罩塔,舌形塔都大。 塔板效率高。比泡罩塔高15%左右。 压降小。在常压下塔中每块板的压降一般都较小。 使用周期长,粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常工作。 安装容易,制造费为泡罩塔的6080%。在选定浮阀塔的基础上确定设计方案。其总原则是尽可能的设计出经济上合理,产品质量高,低耗能的塔设备。一 精馏装置工艺流程图精馏装置一般包括:精馏塔、塔顶蒸汽冷凝器、塔底再沸器(蒸馏釜)、原料加热器以及输送设备和管路等。其工艺流程图比较固定。工业生产常见的精馏流程见下图。二 精馏塔的设计及计算1.基本数据的
5、计算苯的分子量:78.1kg/kmolC6H6甲苯的分子量:92.1kg/kmolC7H8进料的平均分子量:MF=0.6578.1+0.3592.1=82.9kg/kmol进料液的摩尔量为:F=770082.9=92.88kmol/h总物料衡算:F=D+WFxf=DxD+WxW解之得:D=60.49kmol/h W=32.39kmol/h2q值的计算由苯甲苯的温度组成相图(附图2) 得:当xF=0.65时苯的泡点温度为tD=88.1进料温度为65时的平均温度为t=由液体的比热共线图1可查得苯的比热CpA=0.464.187kJkg-1K-1=1.93kJkg-1K-1甲苯的比热CpB=0.46
6、4.187 kJkg-1K-1=1.93 kJkg-1K-1(采用内差法计算所得)则进料的平均比热Cpm=1.93 kJkg-1K-1当P=0.1MPa时,查得2苯的气化潜热为A=393.9kJkg-1甲苯的气化潜热为B=363 kJkg-1则进料液的平均气化潜热m=393.9+0.388363=381.9 kJkg-1所以q=即q=1.117.3计算最小回流比Rmin由2得q=1.117q线为y=x-由此作附图3,q线与平衡线的交点为:xq=0.671,Yq=0.769所以Rmin=(xd-yq)/(yq-xq)=0.8994、计算最小理论塔板数Nmin由参考3 表103以及附图2,计算xF
7、=0.65xD=0.99xW=0.015下,分别对应的泡点温度,取三处的的几何平均值。tF=88.1tD=80.3tW=109.9F=2.5297D=2.5978W=2.3553则= =2.49全回流时,所需理论塔板数最少,由芬斯克(Fenske)方程4Nmin=5、计算理论塔板数N设R=1.0由吉利兰关联图5得y=0.75(1-x0.567) y= 算出N=同上,设若干R值,可算得相应的若干N值,其结果列表如下设RRminNmin10.8998.620.0510.61223.81.20.8998.620.1370.50718.51.40.8998.620.2090.44116.21.60.8
8、998.620.270.39314.91.80.8998.620.3220.35613.920.8998.620.3670.32513.32.20.8998.620.4070.312.72.40.8998.620.4410.27812.32.60.8998.620.4730.26122.80.8998.620.50.24411.730.8998.620.5250.22911.53.20.8998.620.5480.21711.33.40.8998.620.5680.20611.1由上表做RN关系图(附图4)从R与N的关系可见:当R1.8时,曲线很陡,所需N较多; 当R1.8时,曲线变平坦,所需
9、N减少。取R=1.8,理论塔板数N=13.9作图所求理论塔板数(附图3)N=14.5取R=2.0,理论塔板数N=13.3作图所求理论塔板数(附图3)N=14.3则可以看出:当R取1.8时,N与N最相近故取R=1.8N=14.56、塔板效率的计算采用奥康奈尔(Oconnell)法6ET=0.49(aV)-0.245由4可知=2.49塔顶:xD=0.99 查得泡点温度为80.3塔底:xW=0.015 查得泡点温度为109.9则平均温度t=(80.3+109.9)/2=95.1由液体的粘度共线图7查得苯的粘度=0.25cP甲苯的粘度=0.28cP则进料的平均粘度=0.250.65+0.280.35=
10、0.2605cPET=0.49()-0.245=0.5448cP(与6图1121对照,结果相近,故可用)E00.54481.1=0.5997、实际塔板数的计算由附图3可知理论塔板数N=14.5,找到d点精馏段应为N1=6.7故实际塔板数为Ne1=N1/E0=11.19取为12层提馏段应为N2=14.5-6.7=7.8故实际塔板数为 Ne2=N2/E0=13.02取为14层即实际塔板数为12+14=26层,实际进料板位置为第12块板。三精馏塔的工艺设计一、塔径的计算1、精馏段的塔径精馏段的平均温度为t=(td+tf)/2=(80.3+88)/2=84.15馏出液的平均分子量M=0.9978.1+
11、0.0192.1=78.14 kg/kmol则塔顶t=80.3时,蒸汽的密度 =2.66kg/m3D=60.49kmol/h=0.017kmol/s则上升的蒸汽的量为:Vs=L+D=(R+1)D=0.017(1.8+1)78.142.63=1.4m3又查表8得: 当t=80.3时,苯和甲苯的液体平均密度为811kg/m3当t=88时,苯和甲苯的液体平均密度为803kg/m3当t=109.9时,苯和甲苯的液体平均密度为780kg/m3则精馏段的液体平均密度 =(803+811)/2=807 kg/m3将各处的摩尔分率换算为质量分率:aF =0.65/(0.65+0.35(92/78)=0.612
12、kg/h aD =0.988kg/haW =0.013kg/h由物料衡算F=D+WFaF=DaD+WaW解之得D=4731kh/h=1.31kg/sW=2969kg/h=0.82kg/s液体流量为L=RD=1.81.31=2.36kg/sLs=2.36/807=0.003 m3/s假设取板间距HT为0.45m,由史密斯关联图9可得C=0.11m/s则液泛速度Uf=c m/s取安全系级为0.7则u=0.7uf=1.34 m/sA=Vs/U=1.4/1.34=1.045m2Af=Vs/Uf=1.4/1.92=0.729m2D= m 取整为D=1.6m由于浮阀塔的塔径D在0.81.6m时 板间距HT
13、正好在300450mm之间故取板间距为0.45m合适102.提馏段的塔径提馏段的平均温度t=(tF+tW)/2=(88+109.8)/2=98.95进料时t=94.8A= = 2.60kg/m3B= 3.07kg/m3F=2.600.65+3.070.35=2.765kg/m3塔底t=109.9A= = 2.450 kg/m3B= 2.890kg/m3W=2.4500.0.015+2.8900.985=2.883kg/m3平均密度 = 2.824kg/m3塔底t=109.9,查得液体平均密度为780kg/m3则提馏段的平均密度为(803+780)/2=791.5kg/m3液体流量为Ls=L/=
14、(L+qF)/ =(2.36+1.11777003600)791.5=0.006m3/s蒸汽流量为Vs=Vs-(1-q)F=1.4(11.117)(7700/(3600803)=1.40kg/s取板间距为0.45m,由史密斯关联图9可得C=0.10m/s则液泛速度 Uf=cm/s取安全系级为0.7则u=0.7uf=1.170m/sA=Vs/U=1.196m2Af=Vs/Uf=0.0.838m2D= 取整为D=1.6m由于浮阀塔的塔径D在0.81.6m时板间距HT正好在300450mm之间,故取板间距为0.45m合适10二、塔高的计算(塔高包括塔的有效高度,顶部空间,底部空间以及结合再沸器的安装
15、高度)1、取塔顶与第一块板之间的距离HD为1.0m(使气流中的液滴自由沉降,减少出塔气中的液沫夹带,经验值一般为1.01.5m)2、取塔底与最下一层之间的高度HB为1.0m(保证料液不致排完,经验高度为1.02.0m)3、进料板的高度,由于进料可能在此急剧汽化,流速很高,为防止液沫夹带,进料板间距HF要求较高,一般为塔板间距的2倍。4、塔径较大(1.5m)以上必须开人孔,故人孔板间距应有足够的空间,其之不小于600mm,每个人孔应控制10个左右的塔板。 Ht=800mmS=2 在第1617块板之间和第67块板之间设人孔。综上,塔高H=HD+(N-S-2)HT+SHT+HF+HB=1.0+(25
16、-2-2)0.45+20.8+0.9+1.0=13.95m三、塔板结构参数设计1、塔板形式由于D=1.6m0.8m (采用精、提两段中较大的直径作为精馏塔的全塔直径)故采用分块式塔盘;塔板流动性采用单流形;降液管采用弓形。122、溢流装置各结构尺寸的计算13取堰长lw=0.7D=0.71.6=1.12m对于弓形降液管lw/D=0.7时查得b/D=0.15Af/AT=0.09则b=0.015D=0.24mAf=0.09AT=0.18m2又因为L=RD=1.84731=8515.8kg/h 则液相流量Lh=L/ =8515.8791.5=10.76m3/hLh/Lw=10.761.12=9.61L
17、w/D=0.7时,由液流收缩系数计算图14查得液流收缩系数E=1.03how=2.84/1000E(Lh/Lw)=0.002841.039.61=13mm对于常压塔,hw在4050mm之间;HL在50100mm之间。故取hw=45mmHL=hw+how=58mm,在50100mm之间校核133、阀孔数N的计算选取标准浮阀塔盘,采用JB11868 F1型浮阀14(1)取阀孔动能因数F0=10.514 (浮阀全开时F0=912)由此确定孔速14Uo=Fo/又V=(2.63+2.824)/2=2.727kg/m3Uo=6.36m/s塔中平均蒸汽量Vs=(1.4+1.4)/2=1.40m3/s计算每层
18、塔板上的浮阀数N=Vs/(O.785do2Uo)=1.40(0.7850.03926.36)=185(2)计算阀孔中心距t采用正三角形排列时 其中阀孔总面积Ao=Vs/Uo=1.46.36=0.22 m2阀孔直径d0=0.039m鼓泡区面积15由资料15,选取Ws=60mmWc=40mmX=D/2(b+Ws)=1.6/2(0.24+0.06)=0.5mR=D/2Wc=1.6/2-0.04=0.76m则=41.1Aa=1.447m2 =0.0390.10m根据t作图(缩小10倍)见附图5由图可数出鼓泡区可以不值得阀孔总数N=173个与N=185个相近,符合要求。验算Uo=837.5Vs/N=6.
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- 化工 原理 工程设计 36
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