苯—甲苯混合液筛板精馏塔设计(38页).doc

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1、-苯甲苯混合液筛板精馏塔设计-第 38 页荆楚理工学院课程设计成果 学院： 班级： 学生姓名： 学号： 设计地点（单位）： 教学楼A栋 设计题目： 苯甲苯混合液筛板精馏塔设计 完成日期： 年 月 日 指导教师评语： 成绩(五级记分制)： 教师签名： 目录一 序言3二 板式精馏塔设计任务书4三 设计计算73.1 设计方案的选定及基础数据的搜集73.2 精馏塔的物料衡算103.3 塔板数的确定103.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算153.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算203.6 塔板主要工艺尺寸的计算223.7 筛板的流体力学验算253.8 塔板负荷性能图30四 设计结果一览表38五 板式

2、塔的结构与附属设备405.1 接管405.2 冷凝器425.3 再沸器435.4 板式塔结构455.5 加料泵465.6 高位槽465.7 贮槽47六 参考书目48七 设计心得体会49八 附录50附录一 板式塔结构简图51附录二 带控制点的工艺流程图52一 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力，问题分析能力，思考问

3、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离。工业上对塔设备的主要要求

4、是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。设计良好的筛板塔具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。二 板式精馏塔设计任务书设计题目：苯甲苯混合液筛板精馏塔设计学生姓名课程名称化工原理课程设计专业班级地 点起止时间设计内容及要求一、设计

5、任务完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用，绘制带控制点工艺流程图，塔板结构简图和塔板负荷性能图，编制设计说明书。二、设计内容（1）选择工艺流程和工艺条件a.加料方式 b.加料状态 c.塔顶蒸汽冷凝方式 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。（2）精馏工艺计算：a.物料衡算确定各物料流量和组成。根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原则，确定适宜回流比。确定全塔理论塔板数以及精馏段和提馏段各自的理论塔板数。然后根据全塔效率ET，求得全塔、精馏段、提馏段的实际塔板数，确定加料板位置。(1)选择塔型和板型采用板式塔，板型为筛板塔。(2)塔板结构设计和流体力学计算(3)绘制塔板负

6、荷性能图画出精馏段或提馏段某块的负荷性能图。(4)有关具体机械结构和塔体附件的选定*接管规格：根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道。*全塔高度：包括上、下封头，裙座高度。(1)加料泵选型，加料管规格选型加料泵以每天工作3小时计（每班打1小时）。大致估计一下加料管路上的管件和阀门。(2)高位槽、贮槽容量和位置高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积。贮槽容积按加满一次可生产10天计算确定。(3)换热器选型对原料预热器，塔底再沸器，塔顶产品冷却器等进行选型。(4)塔顶冷凝器设计选型根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶冷凝器进行选型设计。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，

7、列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所选用的物性数据和使用的经验公式图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点工艺流程图，塔板结构简图。5.注意事项:写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源；每项设计结束后,列出计算结果明细表；设计说明书要求字迹工整,装订成册上交。设计参数原始数据：年处理量：70000吨料液初温：35料液浓度：50%（苯质量分率）塔顶产品浓度：98%（苯质量分率）塔底釜液含甲苯量不低于 98%(以质量计)每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压）冷却水温度：30

8、2(表压)设备型式：筛板塔 进度要求第一天：根据课程设计任务书查阅相关资料。第二天：根据设计任务和工艺要求，确定设计方案。第三天：确定塔径、塔高等工艺尺寸。第四天：进行塔板设计。第五天：进行流体力学验算第六天：绘制负荷性能图，编写工艺计算结果。第七天：进行塔附件设计第八天：进行附属设备设计及选型第九天：绘制带控制点工艺流程图，整理设计说明书第十天：答辩参考资料1马江权等.化工原理课程设计M.北京：中国石化出版社，20092陈英南.常用化工单元设备的设计M.上海：华东理工大学出版社，19933谭天恩.化工原理(第二版)下册.北京：化学工业出版社，1998其它说明本表应在每次实施前一周由负责教师填

9、写二份，教研室审批后交学院院备案，一份由负责教师留用。若填写内容较多可另纸附后。一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。教研室主任： 指导教师： 2013年 11 月 18日 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，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔底设置

10、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。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 (

11、) 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。数据搜集：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（）临界压强PC（kPa）苯AC6H6甲苯BC6H5CH3表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度()859095100105,kPa，kPa表3 苯和甲苯的液相密度温度()8090100110120苯,kg/815879776甲苯,kg/8108079780.37表4 液体表面张力温度8090100110120苯，mN/m甲苯，mN/m表5 液体粘度温度()809

12、0100110120苯（mPas）甲苯（mPas）表6 苯甲苯物系在总压关系t/84889296100104108x10y10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y3.2 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 塔板数的确定(1) 理论板层数的求取苯一甲苯属理想物系，可采逐板计算求理论板层数 求最小回流比及操作回流比查得苯甲苯物系的气、液平衡数据（表6），绘出图，采用作图法求最小回流比。泡点进料，

13、在图中对角线上，自点(0.541,0.541)作垂线即为进料线(线)，该线于平衡线的交点坐标为：(0.541，0.7442)，故最小回流比为：故操作回流比为： 求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为： 逐板计算法求理论板层数又根据 ， 可解得 相平衡方程，即 ，变形得，精馏段用精馏段操作线方程和相平衡方程进行逐板计算，提馏段用提馏段操作线方程和相平衡方程进行逐板计算，因此，理论板数为（包括再沸器），进料板位置为第七层板，(2) 实际板层数的求取板效率可用奥康奈尔公式计算，式中 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度； 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度， 平均温度利用

14、表7中数据和，由拉格朗日插值可求得、,精馏段平均温度：提馏段平均温度： 组成精馏段：液相组成：， 气相组成：， 提馏段：液相组成：， 气相组成：， 相对挥发度精馏段挥发度：由，得，所以 ，提馏段挥发度：由，得，所以 ， 粘度精馏段，查手册得，苯： 甲苯：故提馏段，查手册得，故 板效率精馏段，提馏段， 实际板层数精馏段实际板层数 ，提馏段实际板层数 ，故全塔所需实际塔板数：，全塔效率：,加料板位置为第13块板。3.4 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 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 (2) 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔

15、质量计算：由， 可得 进料板平均摩尔质量计算 ：由理论板计算，得， 塔釜平均摩尔质量计算：由理论板计算，得， 精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量(3) 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，精馏段提馏段 液相平均密度计算 塔顶：由，查手册，得则，进料板：由，查手册，得则，塔釜：由，查手册，得则，精馏段提馏段(4) 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，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：(5) 液体平均粘度计算液相平

16、均黏度依下式计算，即：塔顶液相平均粘度的计算：由，查手册，得得，进料板液相平均粘度的计算：由，查手册，得得，塔釜液相平均粘度的计算：由，查手册，得得，精馏段液相平均粘度为：提馏段液相平均粘度为：3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算(1) 塔径的计算对于精馏过程，由于精馏段和提提馏段的气、液相符合及物性数据不同，故设计中两段的塔径应分别计算。（一） 精馏段精馏段的气、液相体积流率为：由式中由式计算，其中由史密斯关系图查取，图的横坐标为：取板间距，板上液层高度，则：查史密斯关系图得取安全系数为0.7，则空塔气数为：（二） 提馏段提馏段的气、液相体积流率为：取板间距，板上液层高度，则：史密斯关系图横坐标

17、为：查史密斯关系图得取安全系数为0.7，则空塔气数为：综上，按标准塔径圆整后为，塔截面积为：精馏段空塔气数提馏段空塔气数(2) 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，故精馏塔的有效高度为：3.6 塔板主要工艺尺寸的计算（一） 精馏段(1) 溢流装置的计算因塔径，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，堰上液层高度由式计算，近似取，则取板上清液层高度，故。 弓形降液管宽度和截面积：由，查弓形降液管参数图，得，则，验算液体在降液管中停留时间：故降液管设计合理。 降液管底隙高度：取降液管底隙高度

18、，则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度(2) 塔板布置 塔板的分块。因，故塔板采用分块式。塔板分为4块。 边缘区宽度确定：取， 开孔区面积计算。开孔区面积按式计算其中 故 筛孔计算及其排列由于苯和甲苯没有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距为：筛孔数目为：开孔率为：气体通过筛孔的气速为：（二） 提馏段（1） 溢流装置的计算 堰长：取。 溢流堰高度：取板上清液层高度，故。 弓形降液管宽度和截面积：由，查弓形降液管参数图，得，则，验算液体在降液管中停留时间：故降液管设计合理。 降液管底隙高度：取降液管底隙流速，则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度

19、(2) 塔板布置塔板布置与精馏段相同，气体通过筛孔的气速为：3.7 筛板的流体力学验算（一） 精馏段(1)塔板压降 干板阻力计算。干板阻力由计算：由，查干筛孔的流量系数图得故 气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由下式计算，即查充气系数关联图得，故 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：气体通过每层塔板的液柱高度按下式计算：气体通过每层塔板的压降为：(2) 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。(3) 液沫夹带液沫夹带按下式计算：故液沫夹带量在允许的范围内。(4) 漏液对筛板塔，漏液点气速可由以下公式计算：实际气速稳

20、定系数为故在本设计中无明显漏液。(5) 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式的关系，即：苯甲苯物系属一般物系，取，则：而 塔板不设进口堰，可由下式计算，即：，故在本设计中不会发生液泛现象。（二） 提馏段(1)塔板压降 干板阻力计算。， 气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由下式计算，即查充气系数关联图得，故 液体表面张力的阻力计算(2) 液面落差 本设计可忽略液面落差的影响。(3) 液沫夹带故液沫夹带量在允许的范围内。(4) 漏液实际气速稳定系数为故在本设计中无明显漏液。(5) 液泛为防止液泛，降液管内液层高取，则：，故在本设计中不会发生液泛现象。3.8 塔板负荷性能图（一）

21、精馏段(1) 漏液线由 ， ， 得：在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表漏液线计算结果由上表数据即可作出漏液线1。(2)液沫夹带线以为限，求关系如下：由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表液沫夹带线计算结果由上表数据即可作出液沫夹带线2。(3) 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。据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。(4) 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。(5) 液泛线令由联立解得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得：其中： 将

22、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，计算结果列于下表，液泛线计算结果由上表即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出精馏段筛板塔的负荷性能图，如下图：在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由上图可看出，该筛板的操作上限为夜沫夹带控制，下限为漏液控制。由图查得：故操作弹性为：（二） 提馏段(1) 漏液线漏液线计算结果由上表数据即可作出漏液线1。(2)液沫夹带线由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表液沫夹带线计算结果由上表数据即可作出液沫夹带线2。(3) 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。据此可

23、作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。(4) 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，故说据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。(5) 液泛线令由联立解得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得：其中：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，计算结果列于下表液泛线计算结果由上表即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出提馏段筛板塔的负荷性能图，如下图：在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由上图可看出，该筛板的操作上限为夜沫夹带控制，下限为漏液控制。由图查得：故操作弹性为：四 设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提留段平

24、均温度平均压力平均流量气相液相3772实际塔板数块1211板间距塔径塔的有效高度空塔气速0.7060.682塔板液流形式单流型降液管型式弓形堰长1.06堰上液层高度板上液层高度堰高538降液管宽度0.19880液体在降液管中停留时间降液管底隙高度430安定区宽度边缘区宽度开孔区面积孔径孔数个77007700孔间距1515开孔面积50.15筛孔气速塔板压降0.53121降液管内清液层高度933稳定系数负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制雾沫夹带kg液/kg气9811气相负荷气相负荷操作弹性五 板式塔的结构与附属设备5.1 接管(1) 进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、

25、弯管进料管、T形进料管。本设计采用直管进料管。体积流量管内流速，则管径查表取 (2) 回流管采用直管回流管,回流管的回流量体积流量管内流速，则管径查表取 (3) 塔釜出料管体积流量管内流速，则管径查表取 (4) 塔顶蒸汽出料管体积流量管内气速，则管径查表取 (5) 塔釜进气管体积流量管内气速，则管径查表取 5.2 冷凝器(1) 热负荷塔顶温度， 查该温度下汽化潜热平均汽化潜热为：(2) 冷却水用量已知冷凝水，取出口温度，水的比热容(3) 总传热系数取传热系数(4) 泡点回流时的平均温差(5) 换热面积传热面积(6) 冷凝器选型查化工原理上册书附录十九选固定管板式换热器的规格如下：公称直径，公称

26、压力，管程数，管数，中心排管数，管程流通面积，计算换热面积，管长，管子排列方式：正三角形5.3 再沸器(1) 热负荷塔釜温度，(2) 加热蒸汽用量选用(表压)，即的饱和蒸汽加热，温度为，考虑的热损失，(3) 平均温差(4) 总传热系数取传热系数(5) 换热面积传热面积考虑的热损失，(6) 再沸器选型查化工原理上册书附录十九选固定管板式换热器的规格如下：公称直径，公称压力，管程数，管数，中心排管数，管程流通面积，计算换热面积，管长，管子排列方式：正三角形5.4 板式塔结构(1) 封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得曲面高度，直边高度，内表面积，容积。选用封头，。(2) 裙座塔底采用裙座支撑

27、，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了支座方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径,故裙座壁厚取。基础环内径：基础环外径：裙座高度(3) 人孔 一般每隔层塔板设一人孔。本塔中共23块板，设置3个人孔，塔顶和塔底一个，中部一个，人孔直径为，人孔处的板间距为，人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆。(4) 塔顶空间 塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距（甚至高出一倍以上），本塔塔顶空间取。(5) 塔底空间 塔底空间指塔内最下层塔底间距。其值由如下两个因素决定。 塔底驻液空间依贮存液量停留或更长时间（易结焦物

28、料可缩短停留时间）而定。塔底液面至最下层塔板之间要有的间距，大塔可大于此值。本塔取。(6) 塔高 5.5 加料泵进料口离水平面距离：m加料泵以每天工作3小时计（每班打1小时），则体积流量：功率：查化工原理附录十七，选型离心泵，其参数为流量,扬程,效率，,5.6 高位槽高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积，8小时原料处理量故5.7 贮槽贮槽容积按加满一次可生产10天计算确定：10天原料处理量故六 参考书目1张新战化工单元过程及操作北京：化学工业出版社，19982谭天恩,窦梅化工原理（第四版上下册）北京：化学工业出版社，20133柴诚敬,刘国维化工原理课程设计天津：天津科学技术出版社，1994

29、4贾绍义,柴敬诚化工原理课程设计天津：天津大学出版社，20025陈均志，李雷化工原理实验及课程设计北京：化学工业出版社，20086马江权，冷一欣化工原理课程设计（第二版）北京：中国石化出版社，2013七 设计心得体会本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过近两周的努力，经过复杂的计算和优化，我终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是从中受益匪浅，我想这也许就是这

30、门课程的最初本意。从接到课题并完成分组的那一刻起我就立志要尽最大努力把它做全做好。首先，我去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了设计的流程和方法。通过查阅资料，我从对设计一无所知变得初晓门路，而进一步的学习和讨论使我具备了完成设计的知识和方法，这使我对设计有了极大的信心，我确定了设计方案和具体流程及设计时间表，然后就进入了正式的设计工作当中。这次历时近两周的课程设计使我把平时所学的理论知识运用到实践中，使我对书本上所学理论知识有了进一步的理解，也使我自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我提供了很大的发挥空间，我积极发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据和标准，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们认识问题、分析问题、解决问题的能力。最后，我们还要感谢王洪林老师在这次课程设计中给予我的敦促和指导工作。对于设计遇到的问题他给予了我认真明确耐心的指导，这极大的鼓励了我完成设计的决心。由于能力以及实践还有许多不足，所以在整个设计过程中，难免有些不成熟和欠妥之处，希望老师能够批评指正。八 附录附录一 板式塔结构简图附录二 带控制点的工艺流程图