苯甲苯浮阀精馏塔.doc

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1、1课程设计的目的32课程设计题目描述和要求33课程设计报告内容44对设计的评述和有关问题的讨论225参考书目221苯-甲苯连续精馏浮阀塔设计1课程设计的目的2课程设计题目描述和要求本设计的题目是苯-甲苯连续精馏浮阀塔的设计，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，板空上安装浮阀，具体工艺参数如下：原料苯含量：质量分率=(30+0.5*学号)%原料处理量：质量流量=（10-0.1*学号）t/h单号（10+0.1*学号）t/h双号产品要求：质量分率：xd=98%，xw=2%单号xd=96%，xw=1%双号工艺操作条件如下：常压精馏，塔顶全凝，塔底间接

2、加热，泡点进料，泡点回流，R=（1.22）Rmin。3课程设计报告内容3.1流程示意图冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐苯回流原料原料罐原料预热器精馏塔回流再沸器塔底产品冷却器甲苯的储罐甲苯3.2流程和方案的说明及论证3.2.1流程的说明首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进

3、入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。3.2.2方案的说明和论证本方案主要是采用浮阀塔。精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：3一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高

4、：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。五：结构简单，造价低，安装检修方便。六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。而浮阀塔的优点正是：而浮阀塔的优点正是：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%40%，与筛板塔接近。2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比

5、筛板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%80%，但是比筛板塔高20%30。但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比

6、较合适。3.3设计的计算与说明3.3.1全塔物料衡算根据工艺的操作条件可知：料液流量F=（10-0.5*19）t/h=2.25Kg/s=94.285Kmol/h料液中易挥发组分的质量分数xf=（30+0.5*19）%=39.5%；塔顶产品质量分数xd=98%，摩尔分数为97.6%；塔底产品质量分数xw=2%，摩尔分数为1.7%；由公式：F=D+WF*xf=D*xd+W*xw代入数值解方程组得：塔顶产品(馏出液)流量D=41.067Kmol/h=0.89Kg/s；塔底产品(釜液)流量W=53.218Kmol/h=1.360Kg/s。3.3.2分段物料衡算lgPa*=6.02232-1206.35

7、0/(t+220.237)安托尼方程lgPb*=6.07826-1343.943/(t+219.377)安托尼方程xa=(P总-Pb*)/(Pa*-Pb*)泡点方程根据xa从化工原理P204表61查出相应的温度根据以上三个方程，运用试差法可求出Pa*,Pb*当xa=0.395时，假设t=92Pa*=144.544P，Pb*=57.809P,当xa=0.98时，假设t=80.1Pa*=100.432P，Pb*=38.904P,当xa=0.02时，假设t=108Pa*=222.331P，Pb*=93.973P,t=92，既是进料口的温度，t=80.1是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度，t=108是釜液需被

8、加热的温度。根据衡摩尔流假设，全塔的流率一致，相对挥发度也一致。a=Pa*/Pb*=144.544P/57.809P=2.500（t=80.1）所以平衡方程为y=ax/1+(a1)x=2.500x/（1+1.500x），最小回流比Rmin为Rmin=xd/xf-a(1-xd)/(1-xf)/(a-1)1.426，所以R=1.5Rmin2.139，所以精馏段液相质量流量L(Kg/s)RD2.139*0.89=1.904，精馏段气相质量流量V(Kg/s)(R+1)D3.139*0.89=2.794，所以，精馏段操作线方程yn+1=R*xn/(R+1)+xd/(R+1)=0.681xn+0.311因

9、为泡点进料，所以进料热状态q=1所以，提馏段液相质量流量L(Kg/s)L+qF1.904+1*2.25=4.154，提馏段气相质量流量V(Kg/s)V-(1-q)F2.794。所以，提馏段操作线方程ym+1=Lxm/V-Wxw/V=1.487xm-0.0083.3.3理论塔板数的计算（1）联立精馏段和提馏段操作线方程解得xd=0.3759且前面已算得xw=0.017（2）用逐板计算法计算理论塔板数第一块板的气相组成应与回流蒸汽的组成一致，所以y1=xd,然后可以根据平衡方程可得x1,从第二块板开始应用精馏段操作线方程求yn,用平衡方程求xn,一直到xnxd,共需n-1块精馏板，第n块板为进料板

10、。第一板y1=xd0.98x1=y1/y1+a(1-y1)0.9514第二板y2=0.681x1+0.3110.9592x2=y2/y2+a(1-y2)0.9039第三板y3=0.681x2+0.3110.9268x3=y3/y3+a（1-y3)0.8351第四板y4=0.681x3+0.3110.8799x4=y4/y4+a(1-y4)0.7456第五板y5=0.681x4+0.3110.8189x5=y5/y5+a(1-y5)0.6440第六板y6=0.681x5+0.3110.7497x6=y6/y6+a(1-y6)0.5451第七板y7=0.681x6+0.3110.6823x7=y7

11、/y7+a(1-y7)0.4621第八板y8=0.681x7+0.3110.6258x8=y8/y8+a(1-y8)0.4008第九板y9=0.681x8+0.3110.5840x9=y9/y9+a(1-y9)0.3596x9xd所以本设计中共需八块精馏板，第九块板为进料板。从第十块板开始，用提馏段操作线求yn,用平衡方程求xn，一直到xnxw。第十板y10=1.487x9-0.0080.5267x10=y10/y10+a(1-y10)0.3080第十一板y11=1.487x10-0.0080.4500x11=y11/y11+a(1-y11)0.2466第十二板y12=1.487x11-0.0

12、080.3587x12=y12/y12+a(1-y12)0.1828第十三板y13=1.487x12-0.0080.2638x13=y13/y13+a(1-y13)0.1254第十四板y14=1.487x13-0.0080.1784x14=y14/y14+a(1-y14)0.0799第十五板y15=1.487x14-0.0080.1108x15=y15/y15+a(1-y15)0.0475第十六板y16=1.487x15-0.0080.0626x16=y16/y16+a(1-y16)0.0260第十七板y17=1.487x16-0.0080.0307x17=y17/y17+a(1-y17)0.

13、0125x176mm,符合要求。底隙流速，ub(m/s)=Ls/lw/hb0.，而且不大于0.30.5，符合要求。塔盘及其布置由于直径较大，采取分块式，查表得分三块，厚度取位4mm。降液区的面积按Ad计算，取为0.115m2,受液区的面积按Ad计算，取为0.115m2,入口安定区得宽度bs(mm)，一般为50100，本设计取为60。出口安定区得宽度bs(mm)，一般为50100，本设计取为60。边缘区宽度bc(mm)，一般为5075，本设计取为50，有效传质区，Aa(m2)2*x*(r2-x2)0.5+r2*arcsin(x/r)24.塔板结构如下两图9浮阀数排列选择F1型重型32g的浮阀阀孔

14、直径给定，d0(mm)=39mm,动能因子F0一般取为812，本设计取为11.5。阀孔气速，uo(m/s)=F0/v0.5=6.，阀孔数n=Vs*4/d0/d0/u0/3.=103.，取104。实际排列时按等腰三角形排,中心距取为75mm,固定底边尺寸B(mm)=70,所以实际排出104个阀孔，与计算个数基本相同。所以，实际阀孔气速uo(m/s)=Vs*4/d0/d0/n/3.=6.实际阀孔动能因子，F0=u0*v0.5=11.，开孔率=n*d0*d0/D/D=0.10985，一般1014，符合要求。3.3.7塔板的流体力学校核(1)液沫夹带量校和核液体横过塔板流动的行程，Z(m)=D-2*b

15、D=0.62塔板上的液流面积，Ab(m2)=At-2*Ad=1.08物性系数，K，查表得1泛点负荷因数，Cf=0.125，见下页图。F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/Cf=0.，F1=Vs*v/(l-v)0.5/At/K/Cf/0.78=0.，泛点率F1(0.80.82)，F!,F2均符合要求。，塔板阻力的计算与较核临界孔速u0c(m/s)=(73/v)(1/1.875)=5.hd,合格。液体在降液管中停留时间较核平均停留时间Ad*Ht/Ls=7.s,（不小于35s）,合格。严重泄漏较核泄漏点气速u0=F0/(v0.5)=3.，F0=5，稳定系数，k=u0/u0=

16、2.1.52，合格。3.3.8全塔优化（如下图）曲线1是过量液沫夹带线，根据F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/CfF2=0.8得，方程Vh=6588-14.289Lh，曲线2是液相下限线，根据Lh=(0.002840.6667)*lw*(how1.5)how=6mm得Lh(m3/h)=2.，曲线3是严重漏液线，根据Vh=3./4*do*do*F0*n/(v0.5)F0=5得Vh(m3/h)=1349.，曲线4是液相上限线，根据Lh=Ad*Ht*3600=5s得Lh(m3/h)=37.26，曲线5是降液管泛线，根据hd(Ht+Hw)，得Vh=(2.98*10E7-0

17、.4*10E6*Lh0.67-13.49*Lh2)0.5，曲线5必过的五点(0,5461)(10,5268)(20,5150)(0,5461)(10,5268)(20,5150)作图如下Vmax(m3/h)=4779，Vmin(m3/h)=1349操作弹性Vmax/Vmin=,3.，大于2，小于4，合格143.3.9塔高规则塔体高h=Np*Ht=13.5m,开人孔处(中间的两处人孔)塔板间距增加为0.6m,进料处塔板间距增加为0.6m,塔两端空间,上封头留1.5m，下封头留1.5m,釜液停留时间为20min,填充系数=0.7，所以体积流量V(m3/h)=Lh*/l/=1.，所以釜液高度Z(m)

18、=0.333*V/(3.*D*D/4)=0.=0.5m所以，最后的塔体高为17.59m.3.3.10热量衡算塔底热量衡算塔底苯蒸汽的摩尔潜热rv苯(KJ/Kg)=373，塔底甲苯蒸汽的摩尔潜热rv甲苯(KJ/Kg)=361；所以塔底上升蒸汽的摩尔潜热rv(KJ/Kg)=rv苯(KJ/Kg)*yC6H6+rv甲苯*yC7H8=361.，15所以再沸器的热流量Qr(KJ)=V*rv=1166.，因为加热蒸汽的潜热rR(KJ/Kg)=2177.6(t=130)，所以需要的加热蒸汽的质量流量Gr(Kg/s)=Qr/rR=0.。塔顶热量衡算塔顶上升苯蒸汽的摩尔潜热rv苯(KJ/Kg)=379.3塔顶上升

19、甲苯蒸汽的摩尔潜热rv甲苯(KJ/Kg)=367.1所以塔顶上升蒸汽的摩尔潜热rv(KJ/Kg)=rv苯(KJ/Kg)*yC6H6+rv甲苯*yC7H8=378.88；所以冷凝器的热流量Qc(KJ/s)=V*rv=1223.，因为水的定压比热容Cc(KJ/Kg/K)=4.174，冷却水的进口温度t1=25，冷却水的出口温度t2=70，所以需要的冷却水的质量流量Gc(Kg/s)=Qc/Cc/(t2-t1)=6.。3.3.11精馏塔接管尺寸回流液接管尺寸体积流量Vr(m3/s)=L/=0.，管流速ur(m/s)=0.3，回流管直径d(mm)=(4*Vr/3.1415/ur)0.5=110.=133

20、*6；进料接管尺寸料液体积流率Vf(m3/s)=F/=0.，管流速uf(m/s)=0.5，进料管直径，d0(mm)=(4*Vf/3.1415/uf)0.5=98.=108*5；釜液出口管体积流量Vw(m3/s)=L/=0.，管流速uw(m/s)=0.5出口管直径dw(mm)=(4*Vw/3.1415/uw)0.5=130.=159*8；塔顶蒸汽管体积流量Vd(m3/s)=V/v=1.，管流速ud(m/s)=15，出口管直径dd(mm)=(4*Vd/3.1415/ud)0.5=316.=377*8。3.3.11辅助设备设计再沸器因为蒸汽温度ts()=130，釜液进口温度t1()=100，釜液出口

21、温度t2()=110，所以传质温差tm()=(ts-t1)-(ts-t2)/ln(ts-t1)/(ts-t2)=24.，因为传质系数K1(W/m2/K)=300，所以传质面积A(m2)=Qr/K/tm=157.。冷凝器因为蒸汽进口温度T1()=100，蒸汽出口温度T2()=80，冷却水的进口温度t1=25,冷却水的出口温度t2=70，所以传质温差tm()=(t1-t2)/ln(t1/t2)=41.，因为K2(W/m2/K)=250，所以，传质面积A(m2)=Qc/K2/tm=118.。16储罐原料罐因为停留时间1(s)=1800，所以原料罐的容积量V(m3)=F*1/l/=9.；塔顶产品罐因为

22、2(s)=，所以塔顶产品罐的容积量Vd(m3)=D*2/l/=440.；塔底产品罐因为3(s)=，所以塔顶产品罐的容积量Vw(m3)=W*3/l/=963.。3.4设计参数表17塔板设计结构汇总表数据塔板主要结构参数数据塔板主要流动性能参数数据塔的有效高度Z0(m)13.5液泛气速uf(m/s)1.实际塔板数Np30空塔气速u(m/s)0.塔(塔板)内径D(m)1.2设计泛点率rf=u/uf0.板间距Ht(m)0.45阀孔动能因子F011.流动形式单流型阀孔气速uo(m/s)6.降液管总截面积与塔截面之比Ad/At10.2%泄漏点气速uo(m/s)3.降液管堰长lw(mm)876雾沫夹带泛点率

23、F10.降液管截面积的宽度bd(mm)290稳定系数k2.溢流堰高度hw(mm)60临界孔速u0c(m/s)5.降液管底隙hb(mm)30堰上方的液头高度how(mm)25.边缘区宽度bc(mm)50塔板阻力hf(m)0.出入口安定区宽bs,bs(mm)60液体在降液管中平均停留时间（s）7.塔板厚度（mm）4液体通过降液管的流动阻力hd(mm)9.9塔板分块数3降液层的泡沫高度hd(mm)19.80浮阀形式F1底隙流速ub(m/s)0.浮阀个数104Vmax(m3/h)4779浮阀排列形式等腰三角形排列Vmin(m3/h)1349开孔率0.10985操作弹性=Vmax/Vmin3.4.对设计的评述和有关问题的分析讨论4.1对设计的评述本设计是一次常规的练习设计，目的在于掌握设计的过程和分析问题的能力，必定有许多不足之处，希望老师多多批评。4.2有关问题的讨论无。参考书目匡国柱，史启才主编化工单元过程及设备课程教材，化学工业出版社，2005.1天津大学华工学院柴诚敬主编化工原理下册，高等教育出版社，2006.1大连理工大学主编化工原理下册，高等教育出版社，2002.12谭天恩，李伟等编著过程工程原理，化学工业出版社，2004.8大连理工大学化工原理教研室主编化工原理课程设计。汤金石等著化工原理课程设计，化学工业出版社，1990.6化学工业物性数据手册，有机卷。