苯甲苯连续精馏塔的设计.docx
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1、设计题目:苯甲苯连续精馈塔的设计一、设计任务:试设计一连续浮阀精微塔以别离苯-甲苯混合物。具体工艺参数如下:1、原料处理量:年处理 76000 吨苯-甲苯混合液体。2、原料液中苯含量:27.5% (质量。3、产品要求:储出液中的苯含量为 97% (质量)。釜液中的苯含量不高于2% (质量)。设备的年运行时间平均为300天。二、设计条件:2o2、操作压力:常压。3、进料状况:泡点进料。4、冷却水进口温度:25,出口温度自定。5、塔板形式:浮阀塔板。三、应完成的工作量:1、确定全套精微装置的流程,绘制工艺流程示意图,标明所需的设备、管线及 有关控制或观测所需的主要仪表与装置。2、精微塔的工艺设计,
2、塔的结构尺寸设计。3、辅助装置的设计和选型;估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量 和再沸器换热面积;。4、编写设计说明书一份。5、绘制精储塔的装配图一张(一号图纸)。目录前百在精储装置中,可采用中间再沸器,由于塔中间液体沸点低于釜液,所以中间 再沸器的温度比塔底再沸器的温度低,因而可以利用比塔釜热源温度低的加热剂来加 热,降低能量消耗。同样,也可设置中间冷凝器,由于塔中蒸气温度高于塔顶,所以 可回收能位比塔顶更高的热能。这样都可以提高精储塔的热力学效率。当然,采用上述方式节能或余热利用时还需考虑所增加的设备费用,以及可 能给操作带来的不利影响。一个正常操作的精储塔当受到某一外界因素的影
3、响的干扰(如回流比、进料 组成发生波动等),全塔各板的组成将发生变动,全塔的温度分布也将发生相应 的变化。因此,有可能用测量温度的方法预示塔内组成尤其是塔顶镭出液组成的变 化。仔细考察操作条件变动前后的温度分布的变化,即可发现在精储段或提储段 的某些塔板上,温度变化最为显著。或者说,这些塔板的温度对外界干扰因素的反 映最灵敏,故将这些塔板称之为灵敏板。将感温元件安置在灵敏板上可以较早觉察 精镭操作所受的干扰;而且灵敏板比较靠近进料口,可在塔顶播出液组成尚未产生变 化之前先感受到进料参数的变动并及时采取调节手段,以稳定储出液的组成。因此, 在设计过程中根据不同回流比大小来确定全塔组成分布和温度分
4、布,画出以塔板序 号为纵坐标、温度变化为横坐标的温度分布曲线,得到温度变化最明显的位置,即 为灵敏板位置。苯和甲苯的混合溶液经原料预热器加热到泡点后,送入精储塔。塔顶上升蒸 汽采用全冷凝器冷凝后,一局部作为回流,其余为塔顶产品经冷凝器冷却后送至 贮槽。塔釜采用间接蒸汽向再沸器供热,塔底产品经冷却后送至贮槽。流程简图:图1精储操作流程原料液走向图:泡点进料S泡点进料St : I: F为进料液物济 J *;2: D为塔ffi馆出液维流.姐成力切;W为塔底釜液物流,组戌为.i*图2精微工艺流程图全凝器内物流的走向:注:全凝器内物料走壳程,冷却水走管程;注:全凝器内物料走壳程,冷却水走管程;3全凝器内
5、物流流程图图再沸器内物流的走向:冷却水冷却水注:再沸器内加热蒸汽走光程,物料走管程;图4再沸器内加热蒸汽走壳程、物料走管程在本次设计中,我们进行的是苯和甲苯二元物系的精储别离,如何利用两组分 的挥发度的差异实现高纯度别离,是精储塔的根本原理。精储装置包括精储塔、原料 预热器、蒸馆釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。本设计采用浮阀式 连续精镭塔,要保持塔的稳定性,流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位 槽。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器全能器连种不同的设置。在这里采用全 凝器,可以准确的控制回流比。此次设计是在常压下操作。因为这次设计采用 间接加热,所以需要再沸器。回流比是精储操作的重
6、要工艺条件。选择的原那么 是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。塔板工艺计算流体力卜验算塔负荷在能图冷凝器与电器的选型塔附属备计算图5设计思路流程图二、精储塔的工艺设计计算及结构设计1.原始液:苯一一甲苯的混合物原料液处理量760001/年原料液(含苯)2705% (质量分数)进料温度泡点进料塔顶产品含苯9% (质量百分数)塔底残液(含苯2% (质量百分数)操作压力常压单板压降原料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分数V入 27.5/78F =27.5/78 + 72.5/92X -97/78=97/78 + 3/92x -2/78-2/78 98/92平均摩尔质量=10X10
7、) X92乂口= X78+(1-) X92=78. 36 kg/kmol为3=*78+(10.024) X92 = 91. 66 kg/kmol vv物料衡算总物料衡算D +W =76000000/(300 X 24)X76000000/(300X24)联合以上二式得:FD,W,表1物料衡算结果工程含苯摩尔分一数F均摩尔质量 kg/kmol进料量/(kg/h)产品溜出液量 /(kg/h)产品釜液量/(kg/h)塔顶00进料00塔釜900表2苯和甲苯的气液平衡数据1根据苯和甲苯的气液平衡数据做yx图X0y01.0 -n0.00 506 -0 .4 -图6苯-甲苯的气液平衡图12)求取最小回流比R
8、min因为是泡点进料,在苯和甲苯的y-x图的对角线自点e 0.310 , 0.310) 做垂线即为进料线(q线),该线和平衡线的交点坐标为(0.310 , 0.5479),此 即最小回流心怵W作好平衡线的交点坐标,依最小回流比计算式:Rmin=初- = 0.974 - 0.5479 = 1.791 yd 0.5479 -0.0310(3)计算平均相对挥发度表3苯和甲苯的气液平衡数据温度/859095100105X0y0查常压下气液平衡数据可知:85 -80.1当 x t=f x(0.974 0.078) + 85 = 80.7 D 0.78-1100-95同理:x=0.310 时,t=x(0.
9、31-0.258)+100 = 98.31x=0.024 时,t =x(0.024 - 0) +110.6 = 109.56 w0-0.1300coe o C苯和甲苯的饱和蒸气压可以用Antoine方程求算,即B川gP0 = A-t+C表4苯、甲苯的Antoine常数组分ABC苯甲苯计算,所得数据如下:表5苯,甲苯的饱和蒸汽压组分饱和蒸汽压/kpa塔顶进料塔釜苯甲苯塔顶a=l D进料a F塔底a w全塔平均相对挥发度为Q ,Q Q _.m = J 卬=V2.583x2.346 = 2.462精微段平均相对挥发度Q a a tm = V Dx F = 72.583x2.432 = 2.506萨段
10、平均相对挥发度为m = Fw9f = 72.346x2.432 = 2.389(4)最正确回流比确实定lg( x 1X r 0.974 1 r 1-0.02411 )(,)19 1-0.974 + 0.024Nmin=练1 = = 7.13lg a2.462实际回流比确实定:X(5)精储段和提福段理论塔板层数求精储塔的汽液相负荷qn, L=RXX qn, V=(R+l) Xqn,D=(2.886+1)Xqn, Lqn, V精储线操作方程; X +必 _ 116.22 X十 40.55 * 0.974 = 0.741x+0.249y=q/ -56.766156.766提储线操作方程;q , y
11、q v = 236.630 x、 80.49 x 0 024 = 1.509x,+0.0123用图解法作图求得理论塔板数,1.0由上图可知,在精储段一共有8块塔板,进料板在第8图7理论塔板数块板,提储段有9块塔板(不包括再沸器)(6)全塔效率ET根据奥康奈尔方法:ET=。,晌四厂245根据塔顶和塔底液相组成查苯和甲苯的t-x-y图,求得塔的平均温度为 该温度下进料液相平均黏度为:机“苯+ 1-0.310) 日甲苯X0. 267+ (1-0.310) X S所以 ET=049(a丹)3245=0.49x(2.462x0,272)。245 = 0.495应指出奥康奈尔方法适用于较老式的工业塔及试验
12、塔的总效率关联,所以对于新型高效的精微塔来说,总效率要适当提高。本设计总效率设为ET =50%(7)实际塔板数精微段 N精= 8/0.5 = 16取16块提储段N提= 9/0. 5 = 18取18块4.塔的工艺条件及物性数据计算1)操作压力塔顶压强PD=101.3kpa,取每一层塔板的压强降为AP=0.7kPa ,那么进料压强 PF= 101. 3+16 P塔釜压强PW=101. 3+26 X提镭段的平均操作压强:Pm= (112. 5+125. 1) /2 = 116kpa(2)温度tm由前面计算可知:由前面计算可知:tfoC tw()C精微段的平均温度tm精二80.7 +98.31 = S
13、MI 提储段的平均温度22109.56 + 98.310c= 103.94。3)平均摩尔质量Mm塔顶塔顶xD=yl=0. 974 AM.X78+ (1-0.974)M.X78+ (1-0.974)MLDm X 78+ (1-0.942)MLDm X 78+ (1-0.942)X 92 = 78.81 kg/kmol进料板进料板yF = 0. 515 XFMvDm X78+ (1-0.515)MvDm X78+ (1-0.515)MLDm X78+ (1-0.314)塔釜塔釜匕=0.0473MvDm x 78+ (1-0. 0473) X设计说明7(一)设计方案确实定101 操作压力(加压、常压
14、、减压)0 10.进料方式热状况) 1011111113(二)精镭塔的工艺设计计算及结构设计141141.原始液:笨甲笨的混合物14152023243X78+ (1-0.0240) X那么精储段的平均摩尔质量:MVmM提储段的平均摩尔质量MVmMLw4平均密度3P液体密度。 pA=815kg/m3pB=810kg/m3依下式 1/p= aA/P + aJPla为质量分数塔顶1/乙/3 进料板,有加料板液相组成? pA=795kg/m3pA=792kg/m3=0.280=0.2800.314x78a 二n 0.314x78 + (1-0.314)x92 l/A=0. 280/795+1-0.28
15、0) /792 %尸=792. 84 kg/必 pA=783kg/勿3pB=781kg/3塔釜1/1卜= 0.02/783+1-0.02) /7812今P依故精微段平均液相密度:l以精)=814.85+792.84) /2 = 803. 85 kg/侬P提储段平均液相密度:l以提)=(781.04+792.84) /2 = 786.94 kg/加气相密度mVnp MmV (精)=m 舒 制 =2 86 kg/加3pp M116x88.07mv (提)= m 姓(提)8 314x(103.44 + 273.15) 加小)液相外表张力工IO = i i m - i=o顶)X Xa加进)X X 19
16、.97=19. 78 mN/mc机提)X X 18. 41=18. 40 mN/m那么精微段平均外表张力为:团也=21.21 + 19.82) /2 = 20, 52 mN/m(5机提)一 U9. 82+18. 38) /2 = 19. 1 mN/m6液体黏度. 11 S 11 S u S LI S u - S u S|Ll = Xx H Lmi ii=l|LlXXLm(顶)|liXX0. 26=0. 257 mpaLm(进)|LiXX 0. 250=0. 249 mpaLm(提)那么精馆段平均液相黏度日=(0. 301+0. 257) /2 = 0.279 mpaLm(精)提偏段平均液相黏度
17、|1= 0.257+0.249) /2 = 0.253 mpaLm(提)表6塔的工艺条件及物性数据计算结果工程数值及说明备注操作压力/kpa塔顶进料塔釜精储段提储段116操作温度/C塔顶进料塔釜精储段提储段液体密度/(kg/m3)塔顶进料塔釜精储段提福段气体密度/(kg/m3)精储段提福段液体外表张力/(dy n/cm)塔顶进料塔釜精储段提储段液体黏度/mpa塔顶进料塔釜精播段提馆段5.气液负荷计算由 V=L+D L=RD 得 V=(R+l)D=(2.866+1) X由于是泡点进料所以q=l , V=PXL=L+F=H6. 22+120. 41=236. 63kmol/h转换为质量流量XV X
18、X83. 21=9670. 66 kg/hL X89. 63 = 21209. 15 kg/h转化为体积流量丫=12784. 59/ (3600X m3 / s7 = 13806. 73/ 3600X m3/sXm31s1 =21209. 15/ (3600X m3/s表7精储段和提储段气液负荷计算结果工程kg/hm3/hm3/sVLV,6 ,塔和塔板主要工艺尺寸计算1塔径D 精微段的塔径:空塔气速=(平安系数)X Umax依据 u =C cy依据 u =C cymaxIllClAPv式中C可由图61史密斯关联图查出,0 旷 0.03 0.(NCU悔 OQ301O0.20 0.30 UJU 0
19、80.8Q LOO阿史密斯关联图图8史密斯关联图横坐标的数值L ( p5 12.024 ( 803.850-5 八VhPv) 4471.2 I 2.86 )H -h = 0.45-0.07 = 0.38m T L由以上数据,查图61得C20由公c/公。-2 =。.。84,2。47%CLm%20 JV 20 ;那么 u =c PL Py = 0.084max V pv1取平安系数为,空塔气速uX式o=020/3伊;2校正得: 0.084)3.85 2.86 = Lm/s2.86取塔板间距HT =0.45m,上层液层高度hL =0. 07m,那么图中参数值4 x 1.2427i x 0.9844
20、x 1.2427i x 0.984=1.268771提储段的塔径:空塔气速=(平安系数)X max依据三式中C可由图6 1史密斯关联图查出,横坐标的数值L ( p,产 28.3681786.94)05_2l _ I =x |=0.104V/lpJ4233.6 I 3.26 )取塔板间距H,上层液层高度h,那么图中参数值 TLH-h = 0.45-0.07 = 0.38mT LA。?由以上数据,查图得c ,由公式c = c I校正得:202020(、02Q Lm220j(、02Q Lm220j=0.084f 19.09 平之=0Q74I 20 )那么 u =C PrP V = 0.084 -a
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