苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计1.doc
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1、盐 城 师 范 学 院化工原理课程设计2021 2021 学年度 化学化工学院 学院 应用化学 专业班级 * 学号 * 题目名称 苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计 学生姓名 * * * 指导教师 % 设计时间:2021年12月6日2021年12月19日盐城师范学院化工原理课程设计任务书化学化工学院 应用化学 专业班级 姓名 学号 设计题目:苯甲苯馏塔设计课程设计的目的与意义:(1) 初步掌握化工单元操作设计的根本方法和程序;(2) 训练我们的根本技能,如计算、绘图、运用设计资料手册、标准和标准、使用经验数据,进行经验估算和处理数据等;(3) 提高运用工程语言简洁的文字、清晰的图表、正确的计算表达
2、设计思想的能力。(4) 培养我们理论联系实际的正确设计思想,训练综合运用已学过的理论和实际知识去分析和解决工程问题的能力。课程设计的内容:设计一个常压塔板精馏塔,别离含苯0.60以下皆为质量分率的苯甲苯混合液,进料温度为35摄氏度,要求获得0.98的塔顶产品和0.02的塔釜产品,年生产量为45000吨,再沸器用2atm的水蒸汽作为加热介质,塔顶全凝器采用冷水为冷凝介质.通过翻阅大量的资料进行工艺计算、物性数据处理、塔体塔板尺寸计算、流体力学计算、画负荷性能图等对筛板塔展开了全方面的设计。工艺操作条件: 精馏塔的塔顶压力 4kPa 进料状态 泡点进料min 加热蒸汽压力 100kPa表压 单板压
3、降 不大于0.70kPa表压 设备型式 筛板塔 课题设计任务:(1) 完成主题设备的工艺设计与计算;(2) 有关附属设备的设计和选型;(3) 绘制带控制点的工艺流程简图和主体设备的工艺条件图;(4) 编写设计说明书。主要参考书:1申迎华,郝晓刚主编 ?化工原理课程设计?化学工业出版社2JB4732-95?钢制压力容器分析设计标准?3黄载生主编.?化工机械设计?.北京:化学工业出版社,19904王志文主编.?化工容器设计?.北京:化学工业出版社,19905陈敏恒等编.?化工原理?.北京:化学工业出版社;19996王嘉麟主编.?球形储罐建造技术?.北京:中国建筑工业出版社7黄炎.?局部应力及其应用
4、?.北京:机械工业出版社8刘鸿文主编.?板壳理论?.杭州:浙江大学出版社,19879美国压缩气体学会主编.?压缩气体手册?.肖家立等译.北京:冶金工艺出版社,199110GB150-1998?钢制压力容器?11 贾绍义,柴城敬主编?化工原理课程设计?化工传递与单元操作课程设计天津大学出版社200212王英琛等译.?流体混合技术?.北京:化学工业出版社,199113姚玉英 编 ?化工原理?上 天津大学出版社 出版 1999年14聂清德 编 ?化工设备设计? 化学工业出版社 出版 1991年指导教师 2021年 12月20日目 录摘 要61.引 言71.1 塔设备的分类71.2 塔设备在化工生产中
5、的作用和地位71.3 设计条件71.4 问题研究72 精馏塔的工艺设计 78892.1.4 操作方程92.1.5平均相对挥发度的计算102.1.6全塔效率112.1.7实际塔板数及实际加料位置11 3 板式塔主要工艺尺寸的设计计算 3.1 塔的工艺条件及物性数据计算 3.1.1操作压强 P12 3.1.2操作温度 T12 3.1.3塔内各段气、液两相组分的平均分子量12 3.1.4精馏段和提馏段各组分的密度 1314m1515 精馏段气液负荷计算15 提馏段气液负荷计算15 3.2.1 最大空塔气速和空塔气速 15 3.2.2塔径 D17 3.2.3 精馏塔有效高度的计算17 3.2.4 塔高
6、度的计算18 3.2.5 溢流装置的计算18 3.2.6 塔板的分块20 3.2.7 边缘区宽度确实定20 3.2.8 开孔区面积计算20 3.2.9 筛孔计算及其排列21 3.3 筛板的流体力学验算 3.3.1 塔板压降21 3.3.2 液面落差23 3.3.3 液沫夹带23 3.3.4 漏液24 3.3.5 液泛25 3.4 塔板的 负荷性能图 3.4.1 漏液线26 3.4.2 液沫夹带线27 3.4.3 液相负荷下限线27 3.4.4 液相负荷上限线29 3.4.5 液泛线30325 设计结果汇总34结束语35参考文献35主要符号说明37塔图38流程图39摘 要化工生产常需进行液体混合
7、物的别离以到达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屡次局部汽化和局部冷凝到达轻重组分别离的方法。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、设计和分析别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。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计苯-甲苯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、
8、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。关键词:苯、甲苯 精馏段、提馏段。引 言1.1 塔设备的分类塔设备是能够实现蒸馏的气液传质设备,广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中,其结构形式根本上可以分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量的塔板,气体以鼓泡或喷射的方式穿过板上的液层,进行传质于传热。在正常操作下,气相为分散相,液相为连续相,气相组成呈阶梯变化,属于逐级接
9、触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层,液体自塔顶沿填料外表下流,气体逆流向上(有时也采用并流向下)流动,气体两相密切接触进行传热与传质。在正常操作过程中,气相为连续相,液相为分散相,气相组成呈连续变化,属于微分接触逆流操作过程。 1.2 塔设备在化工生产中的作用和地位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,从而到达别离的目的。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。在化工生产中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理
10、和环境保护等各个方面,都有非常重大的影响。1.3 设计条件进料量每小时160千摩尔,原料中含苯55%摩尔分率,以沸点状态送入塔内。要求塔顶馏出物含苯98%摩尔分率,塔釜残液中含苯不大于4%,操作回流比取最小回流比的1.5倍。1.4 问题研究本设计是针对苯甲苯的别离而专门设计的塔设备。根据设计条件以及给出的数据描述出塔温度的分布,求得最小回流比以及塔顶的相对挥发度、塔釜的相对挥发度、全塔平均相对挥发度,又根据物料平衡公式分别计算出精馏段和提馏段的汽、液两相的流量。之后,计算塔板数、塔径等。根据这些计算结果进行了塔板结构的设计等。计算和设计这些之后进行了有关的力学性能计算和一系列的校核。精馏塔的工
11、艺设计 2.1全塔工艺设计计算1. 料液及塔顶塔底产品含苯摩尔分率: MA = 78kg/kmol MB = 92kg/kmol2. 平均分子量及产率: 由条件可知,因为要求设计的生产能力是 330 t/天,所以原料处理量:总物料衡算:苯物料衡算:联立得:苯-甲苯属于理想体系,图解法求理论塔板数。 由苯-甲苯物系的气液平衡数据绘出x-yt图,见附表3-1表一 苯和甲苯的汽液平衡数据温度x/%苯y/%苯001086106104102211009896949290886686848281100100 附图1气液平衡曲线1.图解法求理论塔板数 采用图解法求理论塔板层数,如附表1表示。求解结果为:总理
12、论板层数NT = 15,其中Np,精 = 7,NT,提 = 7不包括再沸器,进料板位置NF=8。 用图解法求最小回流比。在附表1中对角线上,自e(0.388,0.388),作垂线即为 q线,该线与平衡线的焦点坐标为 3 , 故最小回流比为 取操作回流比为 2.1.4 操作方程 精馏段操作方程为因为是泡点进料所以提留段线经过0.388,0.560,(0.0235,0.0235)提馏段操作线方程为 1汽相 2液相附图2 苯-甲苯的等压曲线数据见表一根据附表3可确定它定、塔釜和进料温度分别为:由于沸点进料q=1 饱和蒸汽压可由Antoine方程计算: 所以塔顶苯的饱和蒸汽压为: 全塔效率 采用“奥康
13、奈尔的精馏塔效率关联图来估算全塔效率。 图四中的曲线可以近似表示为: 式中 全塔总效率 塔顶,塔底平均温度下的相对挥发度 附 图3 精馏塔全塔效率关联图 液体的平均黏度, 其中,温度以塔顶,塔底平均温度计算;组成以进料组成计算。其值从手册中查的。 精馏段实际板层数 提留段实际板层数 总实际板层数 3 板式塔主要工艺尺寸的设计计算3.1 塔的工艺条件及物性数据计算3.1.1操作压强 P塔顶操作压力每层塔板压降 进料板压降 精馏段平均压降 塔底压降 提留段平均压降 3.1.2操作温度 T由表三,苯-甲苯的等压曲线可以读出:塔顶温度 塔底温度进料板温度精馏段平均温度提馏段平均温度: 塔内各段气、液两
14、相组分的平均分子量 塔顶气,液混合物平均摩尔质量:由查平衡曲线见附图1,得进料板气,液混合物平均摩尔质量;由图解理论板见附图1得;查平衡曲线得见附表1,得。 精馏段气,液混合平均摩尔质量: 塔底气,液混合物平均摩尔质量:由查平衡曲线见附图1,得 提馏段气,液混合平均摩尔质量: 和提馏段各组分的密度 1.气体的平均密度 精馏段 由理想气体状态方程计算,即 提馏段 由理想气体状态方程计算,即 2液相平均密度 液相平均密度计算公式: 塔顶液相平均密度:由,查手册得:。 塔底液相平均密度:由,查手册得: 进料板平均密度:由,查手册得。进料板液相质量分数为 精馏段液相平均密度为 .气体的平均密度 由理想
15、气体状态方程计算,即 提馏段相平均密度为 .气体的平均密度 由理想气体状态方程计算,即 液体外表张力的计算液相平均外表张力计算公式: 塔顶液相平均外表张力:由,查手册得: 塔底液相平均外表张力:由,查手册得: 进料板液相平均外表张力:由,查手册得 精馏段液相平均外表张力: 提馏段液相平均外表张力: m 液相平均黏度计算公式: 塔顶液相平均黏度:由,查手册得:计算得:塔底液相平均黏度:由,查手册得:计算得: 进料板液相平均黏度:由 ,查手册得计算得: 精馏段液相平均黏度为 提馏段液相平均黏度为 1) 精馏段气液负荷计算 2) 提馏段气液负荷计算 3.2.1 最大空塔气速和空塔气速 (1) 最大空
16、塔气速计算公式:精馏段的气,液相体积流率为 C可根据 史密斯关联图可查出C20,途中横坐标为: 取板间距,板上液层高度那么 查手册得, 提馏段的气,液相体积流率为 C可根据 史密斯关联图可查出C20,途中横坐标为: 取板间距,板上液层高度那么 查手册得, 3.2.1塔径 D 1精馏段 按标准塔径圆整后为塔截面积为 实际空塔气速为 (2) 提馏段 按标准塔径圆整后为塔截面积为 实际空塔气速为 3.2.2 .精馏塔有效高度的计算精馏塔有效高度为 提馏段有效高度为在进料板处及提馏段各开1个人孔,其高度均为0.8m,故精馏塔的有效高度为 3.2.3 .塔高度的计算板式塔的高度的计算如下 21*0.04
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