正戊烷—正己烷混合液的常压连续筛板蒸馏塔设计课程设计(35页).doc
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1、-正戊烷正己烷混合液的常压连续筛板蒸馏塔设计课程设计-第 35 页化工原理课程设计题目:正戊烷正己烷混合液的常压连续筛板蒸馏塔设计学院:生命科学学院班级:制药工程1101班姓名:黄静学号:20114790021指导老师:陈驰设计时间:2013年6月15日到6月28日目录前言第一章板式精馏塔设计任务书41.1、设计题目41.2、设计任务41.3、操作条件41.4、设计内容及要求5第二章设计方案简介5第三章.工艺计算63.1设计方案的确定63.2精馏塔的物料衡算73.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率73.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量73.2.3物料衡算73.3 塔板数层数NT的
2、确定83.3.1理论板层数NT83.3.2实际板层数的求取103.4操作压力的计算123.5操作温度的计算123.6平均摩尔质量计算123.7平均密度计算133.7.1气相平均密度133.7.2液相平均密度143.8精馏段、提馏段的液体平均表面张力计算153.9精馏段、提馏段的液体平均粘度计算173.10物性数据汇总18第四章板式塔结构设计194.1板径的计算194.1.1最大空塔气速和空塔气速194.1.2塔径224.2精馏塔高度计算224.2.1塔高H224.2.2有效高度Z23第五章塔板计算235.1塔板主要工艺尺寸235.1.1精馏段、提馏段溢流装置计算23(1)堰长23(2)溢流堰高
3、度23(3)弓形降液管宽度及截面积24(4)降液管底隙高度255.1.2精馏段、提馏段塔板布置26(1)塔板的分块26(2)边缘区宽度确定26(3)开孔区面积计算27(4)筛孔计算及其排列275.2精馏段、提馏段筛板的流体力学验算275.2.1精馏段、提馏段塔板压降27(1)干板阻力 hc计算27(2)气体通过液层的阻力hL计算28(3) 液体表面张力的阻力计算285.2.2 液面落差295.2.3 液沫夹带295.2.4漏液305.2.5液泛305.3 精馏段、提馏段塔板负荷性能图315.3.1 漏液线315.3.2 液沫夹带线325.3.3 液相负荷下限线335.3.4 液相负荷上限线33
4、5.3.5 液泛线335.3.6 塔板负荷性能图35第六章精馏塔辅助设备的计算和选型366.1塔体总结构366.2冷凝器37第七章设计结果汇总38第八章结束语408.1对本设计的评价408.2设计感想40第九章参考文献41前言化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。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部分冷凝达到轻重组分分离的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此掌握气液相平衡关系熟悉各种塔型的操作特性对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的筛
5、板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计正戊烷正己烷物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等是较完整的精馏设计过程。该设计方法被工程技术人员广泛的采用。 精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下各组分的饱和蒸汽压不同这一性质使液相中的轻组分转移到汽相中汽相中的重组分转移到液相中从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。 精馏设计包括设计方案的选取,主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定,设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算,辅助设备的选型,工艺流程图,主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算可以得出精
6、馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的,换热器和泵及各种接管尺寸是合理的,以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高第一章板式精馏塔设计任务书1.1、设计题目正戊烷正己烷连续精馏筛板塔的设计1.2、设计任务1. 原料: 正戊烷-正己烷2. 正戊烷含量: 料液含量0.5(摩尔分数)3. 设计要求: 塔顶的正戊烷含量不小于0.97(摩尔分数)塔底的正乙烷含量不大于0.03(摩尔分数)4. 处理能力: 35280吨每年,年开工280天5. 进料状态: 属于泡点进料6. 操作压力: 是常压,采用间接蒸汽加热方式7. 设备型式: 筛板塔1.3、操作条件精馏塔的塔顶压力 4 kpa
7、(表压) 进料状态 泡点进料 回流比 1.5Rmin 单板压降 p0.7kPa(表压) 全塔效率 ET=43.35(计算得出的)当地大气压 101.33 kPa1.4、设计内容及要求1. 确定精馏装置流程;2. 工艺参数的确定基础数据的查取及估算,工艺过程的物料衡算、理论塔板数、塔板效率,实际塔板数等。3. 主要设备的工艺尺寸计算板间距、塔径、塔高、溢流装置、塔盘布置等。4. 流体力学计算流体力学验算、操作负荷性能图及操作弹性。5. 主要附属设备设计计算及选型第二章设计方案简介流程的设计与说明工艺流程:如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作
8、为塔底产品(釜残液)再沸器中原料液部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施,常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等,以测量物流的各项参数。第三章.工艺计算3.1设计方案的确定 本设计任务为分离正戊烷和正己烷混合物。对于二元混合物的分离应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用
9、泡点进料将原料夜通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽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入储罐。该物系属易分离物系最小回流比较小操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热流程的确定和说明。其中流程的确定和说明:1.加料方式加料分两种方式:泵加料和高位槽加料。高位槽加料通过控制液位高度,可以得到稳定流量,但要求搭建塔台,增加基础建设费用:泵加料属于强制进料方式,本次加料可选泵加料。泵和自动调节装置配合控制进料。2进料状态进料方式一般有冷液进料,泡点进料、汽液混合物进料、露点进料、加热蒸汽进料等。泡点进料对塔操作方便,不受季节气温影响。泡
10、点进料基于恒摩尔流,假定精馏段和提馏段上升蒸汽量相等,精馏段和提馏段塔径基本相等。由于泡点进料时,塔的制造比较方便,而其他进料方式对设备的要求高,设计起来难度相对加大,所以采用泡点进料。3冷凝方式选全凝器,塔顶出来的气体温度不高。冷凝后回流液和产品温度不高,无需再次冷凝,制造设备较为简单,为节省资金,选全凝器。4加热方式采用间接加热,因为塔釜设了再沸器,故采用间接加热。操作条件在前面已经介绍,此处不赘述。3.2精馏塔的物料衡算3.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率X=0.5 X=0.97 X=0.033.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量正戊烷的摩尔质量为72.151正己烷的摩尔质
11、量为86.178M=72.1510.5+86.1780.5=79.16(kg/mol)M=72.1510.97+86.1780.03=72.57(kg/mol)M=72.1510.03+86.1780.97=85.76(kg/mol)3.2.3物料衡算原料原处理量F=66.32(kmol/h)由总物料衡算得F=D+W和易挥发组分物料衡算Fx=Dx+Wx算出D=W=33.16(kmol/h) 式中 F-原料液流量 D-塔顶产品流量 W-塔底产品流量3.3 塔板数层数NT的确定 3.3.1理论板层数NT理论板层数N的求取方法有三种: (1)图解法(x-y图、两操作线)(2)逐板计算法(3)简捷计算
12、法(吉利兰关联图) 由于方法一与方法三的图很难绘制,这里采用方法二求解。 步骤一:由各组分的饱和蒸汽压与温度的关系可以求出平均相对挥发度温度T/正戊烷(Pa)正己烷(Pa)总压(pa)xy60214100763501013300.1813 0.3832 58191695672081013300.2741 0.5185 56186094649221013300.3005 0.5518 54179092620651013300.3355 0.5930 52170340584941013300.3830 0.6438 50159400540301013300.4489 0.7061 48141255
13、471571013300.5757 0.8025 46136718454391013300.6123 0.8262 44131048432911013300.6614 0.8553 42123960406061013300.7285 0.8912 40115100372501013300.8231 0.9350 3557550186251013301.0410 1.0126 表1:各组分的饱和蒸汽压与温度的关系由表中数据知:60时:=2.81 40时:=3.09 =2.95步骤二:求出R 由于是饱和液体进料:q=1 q线为垂直线 故= X=0.5 代入=0.75 Rmin=0.88 R=1.5
14、 Rmin=1.32步骤三:求精馏塔的气、液相负荷步骤四:求操作线方程 精馏段操作线方程为 =0.569x+0.418提留段操作线方程为 =1.431x-0.0129相平衡方程为 x=两操作线交点的横坐标为步骤五:求理论塔板数:交替使用相平衡方程与操作线方程可判断第六块为加料粄综上可知理论板数为9,精馏段板数为5,第六块为加料板,提馏段板数为33.3.2实际板层数的求取步骤一: 利用表1中数据由插值法可求得,。 : =49.19 :=36.63 : =62.52 故 塔顶与塔底平均温度T=49.58步骤二:由内插关系式求粘度:表2 各组分的粘度与温度的关系温度T/正戊烷(mPas)正己烷(mP
15、as)600.1720.217400.1990.255查表2并根据内插关系计算塔顶与塔底平均温度下的液相黏度L故 =-0.2467得 L=0.56665 mPas表3 各组分的相对挥发度与温度的关系温度T/相对挥发度平均挥发度36.633.112.909562.522.709所以 塔效率ET=0.49(L)-0.245 =(2.90950.56665)-0.245 =0.4335精馏段实际板层数 NP(精)=5/0.433512提留段实际板层数 NP(提)=3/0.43357总实际板层数 NP= NP(精)+ NP(提)=12+7=193.4操作压力的计算 塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压
16、降 塔底压降 精馏段平均压降 =(105.33+113.73)/2=109.53 kPa提馏段平均压降 3.5操作温度的计算1 塔顶温度:36.63 计算如下:根据表1各组分的饱和蒸汽压与温度的关系数据T=求得T=36.632 塔釜温度:同上用内插法可求得:62.523 加料板温度:50.15 计算如下:根据加料板,=36.63时 X=0.97 ,=62.52时 X=0.03的数据由内插法可以得: 求得T=50.154精馏段温度:43.39 计算如下: T=(36.63+62.52)/2 =43.395 提馏段温度:56.34(同4的求法)6 全塔温度:49.58 计算如下:T=(50.15+
17、62.52)/2 = 49.583.6平均摩尔质量计算1.塔顶气、液混合物平均摩尔质量:由xD=y1=0.97和相平衡方程,得x1=0.916MVDm=0.9772+0.0386= 72.42kg/kmolMLDm=0.91672+0.08486=73.18kg/kmol进料板气、液混合物平衡摩尔质量:由图解理论板(见图1),得xF=0.479,根据相平衡方程,得yF=0.731MVFm=0.73172+0.26986=75.77 kg/kmolMLFm=0.47972+0.52186=79.29 kg/kmola.精馏段气、液混合物平均摩尔质量:MVm=(72.42+75.77)/2= 74
18、.10kg/kmolMLm=(73.18+79.29)/2=76.24 kg/kmol 塔釜气、液混合物平均摩尔质量:由x=0.03和相平衡方程,得MVDm=0.08472+0.91686=84.82 kg/kmolMLDm=0.0372+0.9786=85.58kg/kmolb.提馏段气、液混合物平均摩尔质量:MVm=(84.82+75.77)/2= 80.30kg/kmolMLm=(85.58+79.29)/2=82.44 kg/kmol3.7平均密度计算3.7.1气相平均密度 由理想气体状态方程计算,即精馏段的气相平均密度:Vm=kg/m3 提馏段的气相平均密度: Vm=kg/m33.7
19、.2液相平均密度 液相平均密度计算公式:表4 各组分的液相密度与温度的关系温度()正戊烷(kg/m3)正己烷(kg/m3)0645.9675.110636.2666.220626.2657.230616648.140605.5638.950594.8629.560583.762070572.2610.280560.3600.290547.9589.9100535579.3塔顶液相平均密度塔顶温度:由表4数据,根据内插法可得:塔顶液相的质量分数为进料板液相平均密度进料板温度:tF=49.19由表4数据,根据内插法可得:进料板液相的质量分数为a.精馏段液相平均浓度为Lm=(613.48+614.7
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