苯-甲苯填料精馏塔(南京工业大学)(25页).doc

《苯-甲苯填料精馏塔(南京工业大学)(25页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《苯-甲苯填料精馏塔(南京工业大学)(25页).doc（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-苯-甲苯填料精馏塔(南京工业大学)-第 18 页 南京工业大学化工原理课程设计设计题目 常压苯甲苯分离填料精馏塔的设计 学生姓名 叶建朋 班级、学号制药1202、1302120228 指导教师姓名 居沈贵，王重庆课程设计时间2015 年 6 月22日-2015年 7 月 3 日 课程设计成绩百分制 权重设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问题情况，30%设计最终成绩（五级分制）指导教师签字 生物与制药工程学院专业： 制药工程 班级：制药1202 姓名：叶建朋 设计日期：2015年 6月 22日至2015年 7月 3 日设计题目：常压苯甲

2、苯分离填料精馏塔的设计 设计条件：体系：苯甲苯已知：进料量F=180kmol/h 进料浓度ZF=0.3 （苯的摩尔分数，下同） 进料状态：q1 操作条件：塔顶压强为4 kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。塔顶冷凝水采用深井水，温度t12；塔釜加热方式：间接蒸汽加热 全塔效率ET = 52%分离要求： XD=0.99；XW=0.05；回流比R/Rmin =。 指导教师: 居沈贵，王重庆 2015 年6月23日化工原理课程设计任务书1、 设计条件与主要任务1.1 工艺条件：体系为苯甲苯二元混合物，采用连续精馏流程，填料塔，总板效率ET=52%；2.2 物料条件：冷液进料，含量（苯的摩尔分率

3、，下同），自选适当的进料压力。1.3 操作条件：塔顶压强为4 kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。塔顶冷凝水采用深井水，温度t12；塔釜加热方式：间接蒸汽加热1.4 分离要求：塔顶产品XD=0.99；XW=0.05；回流比R/Rmin =。2、设计其它要求其它要求详见化工原理课程设计指导书。目录前言.1一、 设计方案的确定.2二、 1.1、设计流程说明.21.2、操作方案说明.21.3、本设计中符号的说明.3二、 流程.5三、 精馏塔的物料衡算.53.1、物料衡算示意图.53.2 平衡线方程.63.3 q线方程 .7 .73.5 操作线方程.73.6 理论板数的计算.7四、塔的结构计算

4、.9.9.9.9 .94.1.4精馏段、提馏段的平均分子量.9.10 .10.10.11.11.124.3.3 全塔塔径.13.13.13五、填料塔的流体力学性能.13.13.13.14.14.14六、填料塔的附件.14 6.1 筒体、法兰、封头和裙座.146.2 液体再分布装置选择.156.3 填料支撑装置选择.156.4 除沫器选择.156.5 液体喷淋装置选择.15七、辅助设备的选择.15.16.15.17.187.5 泵.207.5.1 进料泵7.5.2 回流泵.207.5.2 回流泵.21八、计算数据汇总表.21九、参考文献.22前言 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工

5、、炼油、石油化工等工业得到广泛应用。精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯甲苯的分离。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，分子式C6H6，分子量 ，相对密度 3(20)。沸点在常温常压下是无色透明的液体，并具强烈的特殊芳香气味，有毒。苯遇热、明火易燃烧、爆炸。常态下，苯的蒸气密度为 ，蒸气压 13.33kPa(26.1 )。可用来制备染料、树脂、农药、合成药物、合成橡胶、合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯、甲酚等化工产品，其分子式CH3（C6H

6、5），分子量 ，相对密度3(20)。沸点。在常温下呈液体状、无色、易燃。可以用来制造三硝基甲苯、苯甲酸、对苯二甲酸、防腐剂、泡沫塑料、合成纤维等。本次化工原理精馏塔的设计，目的在于综合运用知识，高效分离出易挥发的苯和不易挥发的甲苯。本次设计选用填料精馏塔。而填料精馏塔相对于板式精馏塔有以下优点：1、压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/51/6；2、热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；3、操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%110%，

7、筛板塔的调节范围在70%100%；4、液体滞留量少，启动和负荷调节速度快； 5、可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；6、塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高10%15%。规整填料精馏塔一般分为35段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高为250300mm，因此填料塔的高度会增加。一、 设计方案的确定本课程设计要求为：体系为苯甲苯混合物，采用连续精馏流程，填料塔，总板效率ET=52%；原料组成为冷液进料，含量（苯的摩尔

8、分率），选择进料压力为常压。塔顶采用全凝器，冷凝液在泡点下部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送储罐；塔釜采用间接蒸汽加热，塔釜产品冷却后送储罐。操作条件为：操作压力：塔顶表压4kPa；原料处理量F为180kmol/h、进料温度为80及操作回流比R为，分离要求为：塔顶产品，塔釜产品。1.1、设计流程说明精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，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，为此，在确定流程装置时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性

9、，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。塔顶冷凝装置根据生产状况采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用操作控制及安全因素。1.2、操作方案说明 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。设计中采用冷液进料。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡点下一部分回流到塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系，操作回流比为，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品冷却送到储罐。1.3、本设计中符号的说明英文字母含义单位A0筛孔面积m2Aa

10、塔板开孔面积m2Af降液管面积m2AT塔截面积m2C计算时 umax 的负荷因数C0流量系数D塔径mN理论板数个E液流收缩系数ET全塔效率ev雾沫夹带量kg 液/kg 气F进料流量kmol/hF0气相动能因数H板间距mmhc与干板压降相当液柱高度mh0进口堰与降液管的水平距离mhl与气流穿过液层的压降相当液柱高度mhf板上鼓泡层高度mhL板上液曾高度mhd与液体流经降液管压降相当液柱高度mhw溢流堰长度mWC无效区域宽度mws安定区宽度mh0降液管底高度mh相克服表面张力压降所当高度mk筛板的稳定系数L塔内下降液体流量kmol/hlW溢流堰高度mLS下降液体流率m /sd0筛孔直径mmNP实际

11、塔板数个NT理论塔板数个n筛孔数个P操作压强Pa 或 kPaP压强降Pa 或 kPaq进料热状态承参数R回流比S直接蒸汽量kmol/ht筛孔中心距mmu空塔气速m/su0筛孔气速m/su0降液管底隙处液体流速m/show堰上液层高度mW釜残液流量kmol/hWd弓形降液管高度mZ塔的有效高度m V气相密度kg/m3希腊字母含义单位相对挥发度无因次液体表面张力mN/m筛板厚度mm粘度干筛孔流量系数的修正系数无因次二、 流程 进料泵将物料送至填料精馏塔进行精馏操作，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝以后，一部分作为进行回流，另一部分作为塔顶产品冷凝后送至储槽，塔釜采用间接蒸汽加热。三、 精馏塔的物料衡算3

12、.1、物料衡算示意图已知：，塔顶产品，塔釜产品，F=180kmol/h总物料： F = D + W 易挥发组分： FxF = DxD + WxW DXD/FXF= 解得： D=（kmol/h） W=（kmol/h）3.2 平衡线方程计算每一点的，列表，取平均值由a =计算的苯-甲苯体系平衡数据t/(x,y)苯(x,y)甲苯a（2.50）0,00 0xyt/Xyt/00平衡线方程：y=x/1+(-1)x y=2.50 x/(1+1.50x)3.3 q线方程泡点进料：q=1 与平衡线交点（0.3,0.52）回流比取Rmin 1.2 最小回流比Rmin回流比R=2.14=3.5 操作线方程精馏段操作

13、线方程为:提馏段操作线方程为: 3.6 理论板数的计算（逐板计算，写出过程）精馏段: 平衡线方程为： 操作线方程为: （）（X1=0.975,Y1=0.99）（）（X2=0.949,Y2=0.979）（X2=0.949,）（X3=0.906,）（X3=0.906,）（X4=0.840,）（X4=0.840,）（X5=0.749,）（X5=0.749,）（X6=0.640,）（X6=0.640,）（X7=0.530,）（X7=0.530,）（X8=0.436,）（X8=0.436,）（X9=0.366,）（X9=0.366,）（X10=0.320,）（X10=0.320,）（X11=0.292,

14、）由于X5时首次出现XiVmin，符合要求。六 填料塔的附件 6.1 筒体、法兰、封头和裙座 筒体（不锈钢） 壁厚10mm 1米高筒节钢板质量372kg 法兰（不锈钢）公称直径DN=1.5m 型号为甲型JB4701平焊法兰 封头（不锈钢） 直边高度40mm 质量为709kg 壁厚10mm 裙座（圆柱形群座）塔体 塔底6.2 液体再分布装置选择 锥形 锥体与塔壁夹角X=456.3 填料支撑装置选择 栅板6.4 除沫器选择 折板除沫器6.5 液体喷淋装置选择 盘式分布器 筛孔式 筛孔直径七、辅助设备的选择 表2换热器名称介质温度，进出塔顶冷凝器壳程管程循环冷凝水2040塔底再沸器管程泡点+4壳程蒸

15、汽常压下查温度，自定义130常压下查温度，自定义130预热器管程16壳程蒸汽常压下查温度，自定义120常压下查温度，自定义120查第四章传热表4-8（K值得大致范围）：取总传热系数K= 840W/m2（苯）汽化潜热r1 378kJ/kg （甲苯）汽化潜热r2365kJ/kgrD=r1y1+r2(1-y1)=377.85 kJ/kg由 ，计算可得 换热器面积A=33.67 m2 选型：将计算出的换热器面积作为公称面积，在附录中选择换热器，并列出所选择的换热器的参数。(A-A)/A=20.3%，符合要求，即该换热器适用于塔顶冷凝器。 表3塔顶冷凝器的主要参数外壳直径D/mm公称压强pg/(kgf/

16、cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径d0/mm管子总数N/根管程数壳程数4002540正三角形6258641一年的生产时间按7200小时计查第四章传热表4-8：取总传热系数K=1000 W/m2（苯（甲苯（苯）汽化潜热r1378kJ/kg（甲苯）汽化潜热r2365kJ/kg rW=r1*XW+r2*(1-XW)=365.65 kJ/kg平均 =0.05*1.87+0.95*1.9kj/(kg.k)=kj/(kg.k)由 ，计算可得，换热器面积AQ=V*rW+ V选型：将计算出的换热器面积作为公称面积，在附录中选择换热器，并给出所选择的换热器的参数。表4 塔底再沸器的主要参数外

17、壳直径D/mm公称压强pg/(kgf/cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径d0/mm管子总数N/根管程数壳程数6002560正三角形32526911换热器实际面积 (A-A)/A=15.94%，符合要求，即流换热器适合作为塔底再沸器水蒸气用量WhQ/rh水蒸气一年的生产时间按7200小时计年水蒸气用量：Wh*7200h=查第四章传热表4-8：取总传热系数K= 800W/m2（苯）比热c11.87 kJ/kgK（甲苯 平均 =0.292*1.87+0.708*1.9kj/(kg.k)=kj/(kg.k)由 ，计算可得，换热器面积A=17.08 m2Q=Ft = 2569511.

18、55 KJ/h选型：将计算出的换热器面积作为公称面积，在化工原理附录中选择换热器，并给出所选择的换热器的参数（如果列表，必须写出表头）。表5预热器的主要参数外壳直径D/mm公称压强pg/(kgf/cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径d0/mm管子总数N/根管程数壳程数4002520正三角形3258641(A-A)/A=18.56%水蒸气用量WhQ/rh水蒸气一年的生产时间按7200小时计年水蒸气用量：Wh*7200h=取：液体流速uL=2m/s常压气体u=20m/s公式：1. 塔顶回流管由，可得2. 塔顶蒸汽出口管由3. 塔顶产品出口管由4. 进料管由5. 塔釜出料管由6.

19、塔釜回流管由7. 塔釜产品出口管由表6管径表管道名称规格塔顶回流管例如塔顶蒸汽出口管325*15塔顶产品出口管进料管塔釜出料管塔釜回流管325*4塔釜产品出口管7.5 泵7.5.1 进料泵 估计扬程, 由，查图表得由，计算的7m选择IS65-50-125型号的泵，列出泵的参数 表7型油泵的性能参数流量/(m3/h)扬程/m转速/(r/min)气蚀余量/m泵效率/%轴功率/kW25202900697.5.2 回流泵冷却水泵：流量管规格：=108*2估计扬程， 由，查图表得由，计算约为14m选择IS125-100-400型号的泵，列出泵的参数 表8型油泵的性能参数 流量/(m3/h)扬程/m转速/

20、(r/min)气蚀余量/m泵效率/%轴功率/kW100145067八 计算数据汇总表参数数据及单位q1R精馏段理论塔板数10 块提馏段理论塔板数7.52 块塔径1250 mm精馏段填料层高度8840 m提馏段填料层高度6620m总塔高21710 m精馏段压降1313 Pa提馏段压降991Pa精馏段喷淋密度9.52 m3/(m2h)提馏段喷淋密度24.56m3/(m2h)冷凝器热负荷水蒸气用量3726.41 kg/h冷凝水用量60006.56 kg/h再沸器热负荷 W预热器热负荷W精馏段冷点气速提馏段冷点气速九、 参考文献M.第三版.北京：化学工业出版社，2008.2匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计（第二版）M.北京：化学工业出版社，.M.天津：天津大学出版社，4 潘国昌，郭庆丰。化工设备设计。北京：清华大学出版社，1996.5 潘红良，郝俊文。过程设备机械设计。上海：华东理工大学出版社，2006.M.第二版.北京：化学工业出版社，1996.7 王树楹。现代填料塔技术指南。北京：中国石化出版社，1998.8 顾芳珍，陈国桓。化工设备设计基础。天津：天津大学出版社，1994.9 化工设备设计全书编委会。塔设备设计。上海：上海科学技术出版社，1989.10 汤吉海。ASPEN PLUS 在化工设计过程中的应用。南京：南京工业大学教材。