化工原理课程设计-常压二元精馏塔的设计-本科论文.doc
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1、化工原理B课程设计设计题目 常压二元精馏塔的设计 专业 制药工程 班级 制药 团队号 F 指导教师 设计日期 2013 年 6月 16 日至 2013 年 6 月 27 日指导教师签字: 目 录一 前言- 1 -二 化工原理课程设计任务书- 2 -2.1设计条件与主要任务- 2 -2.1.2 物料条件:- 2 -2.2设计其它要求- 3 -三 设计计算- 3 -3.1设计方案的选定- 3 -3.2 关于设计流程的说明及基础数据的搜集- 3 -3.3精馏塔的物料衡算- 7 -3.3.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率- 7 -3.4 塔板数的确定- 8 -3.4.1理论塔板数的确定- 8 -四
2、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算- 12 -4.1操作压力的计算- 12 -4.1.1 塔顶操作压力:- 12 -4.1.2 进料板压力:- 12 -4.1.3 塔底操作压力:- 12 -4.1.4 精馏段平均压力:- 12 -4.2 操作温度的计算- 13 -4.3平均摩尔质量的计算- 14 -4.3.2 进料板平均摩尔质量计算- 14 -4.4 平均密度的计算- 15 -4.4.1 气相平均密度计算- 15 -由理想气体状态方程计算,- 15 -4.4.3 精馏段液相平均密度为- 16 -4.5液体平均表面张力的计算- 16 -4.5.4 精馏段液相平均表面张力为- 17 -4.6液体
3、平均黏度的计算- 17 -4.6.3 塔底液相平均黏度的计算- 18 -五 精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 18 -5.1塔径的计算- 18 -5.1.1精馏段:- 19 -5.1.2 提馏段:- 20 -5.2 精馏塔的有效高度的计算- 21 -六 塔板主要工艺尺寸的计算- 22 -6.1溢流装置计算 6.1.1 溢流堰长:- 22 -6.1.2 出口堰高- 22 -6.2塔板布置- 25 -6.3.4 开孔区面积- 25 -七 筛板的流体力学计算- 26 -7.1 精馏段- 26 -7.1.1塔板压降的计算- 26 -7.1.2液面落差- 28 -7.1.3液沫夹带- 28 -7.1.4漏液-
4、 28 -7.1.5液泛- 28 -7.2 提馏段- 29 -7.2.1塔板压降的计算- 29 -7.2.3液沫夹带- 31 -7.2.4 漏液- 31 -7.2.5 液泛- 31 -八 塔板负荷性能图的绘制- 32 -8.1 精馏段- 32 -8.1.1漏液线- 32 -8.1.3液相负荷下限线- 33 -8.1.4液相负荷上限线- 34 -8.1.5液泛线- 34 -8.1.6精馏段各个参数汇总- 36 -8.2 提馏段- 37 -8.2.1漏液线- 37 -8.2.2液沫夹带线- 38 -8.2.3液相负荷下限线- 38 -8.2.4液相负荷上限线- 39 -8.2.5液泛线- 39 -
5、8.2.6负荷性能图的绘制- 40 -8.2.7提馏段各个参数汇总- 41 -九 塔顶冷凝器的冷凝热和塔釜再沸器的汽化热- 42 -9.1冷凝器- 42 -9.2 再沸器- 43 -十 对本设计的评价及某些问题的讨论- 43 -10.1 对本设计的评价- 43 -10.1.1 漏液- 44 -10.1.4 流型- 44 -10.1.7 塔板效率的影响因素- 44 -10.2 设计中存在的问题及讨论- 45 -10.2.1 漏液验证时出现的错误- 45 -10.2.2 汽化潜热的问题- 45 -10.2.3 绘图问题- 45 -十一 附录- 45 -11.1 精馏塔的工艺条件简图- 45 -11
6、.2 精馏系统的物料流程图- 45 -11.3 逐板法求理论塔板数的excel计算数据- 45 -十二 参考文献- 46 -十三 致谢- 46 -一 前言化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程(物理化学,化工制图等)所学知识,完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学,是理论联系实际的桥梁,在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计,要求更加熟悉工程设计的基本内容,掌握化工单元操作设计的主要程序及方法,锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力,问题分析能力,思考问题能力,计算能力等。化工生产中所处理的原料,中间产物,粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物,而且其中大部分都
7、是均相物质。生产中为了满足储存,运输,加工和使用的需求,时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料,而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料,分子式,分子量78.11,相对密度(20)。沸点80.1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2.77,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,分子量92.14,相对密
8、度(20)。沸点110.63。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。 精馏是分离液体混合物(含可液化的气体混合物)最常用的一种单元操作,在化工,炼油,石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下(有时加质量剂),使气液两相多次直接接触和分离,利用液相混合物中各组分的挥发度的不同,使易挥发组分由液相向气相转移,难挥发组分由气相向液相转移,实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求,精馏操作可以是连续的或间歇的,有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏浮阀塔的设计,即
9、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,需设计一浮阀塔将其分离。二 化工原理课程设计任务书2.1设计条件与主要任务2.1.1 工艺条件:体系为苯甲苯混合物,采用常压操作连续精馏流程,筛板塔,总板效率=0.5;2.1.2 物料条件:冷液进料,含量(苯的摩尔分率,下同),自选适当的进料压力。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。2.1.3 操作条件:操作压力:塔顶表压4kPa;实际单板压降0.8kPa;原料处理量F、进料温度及操作回流比R见表1。1.4 分离要求:塔顶产品,塔釜产品。
10、表1设计方案组合团队号ABCDEFGH处理量F(kmol/h)140140140140180180180180进料温度6060656570707575回流比3.23.43.23.43.23.43.23.4你的团队号: F 2.2设计其它要求其它要求详见化工原理课程设计指导书。三 设计计算3.1设计方案的选定 本设计任务为分离苯一甲苯混合物。冷液进料,含量,自选适当的进料压力;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。分离要求:塔顶产品,塔釜产品。3.2 关于设计流程的说明及基础数据的搜集对于二元混合物的分离,应采用
11、连续精馏流程。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,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。 塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前
12、者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔。一般与填料塔相比,板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点,但其结构较复杂,阻力降较大。在各种塔型中,当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的特点: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
13、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。 下图是浮阀的简略图:图1 浮阀(F1型) 图2 浮阀(a)V-4型,(b)T型精馏的工艺流程图的确定图3精馏的工艺流程图的确定表1 苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点()临界温度()临界压强(kPa)苯AC6H678.1180.1288.56833.4甲苯BC6H5CH3
14、92.14110.6318.574107.7表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0,kPa40.046.054.063.374.386.0表3 常温下苯甲苯气液平衡数据温度80.1859095100105液相中苯的摩尔分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130汽相中苯的摩尔分率1.0000.9000.7770.6300.4560.262表4 纯组分的表面张力温度8090100110120苯,mN/m甲苯,mN/m21.221.72020.618.819.517
15、.518.416.217.3表5 组分的液相密度温度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表6 液体粘度温度()8090100110120苯()0.3080.2790.2550.2330.215甲苯()0.3110.2860.2640.2540.228表7常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t/液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.2
16、98.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.03.3精馏塔的物料衡算3.3.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 物料衡算式: 物料衡算示意图: 图2已知:,(取0.99),
17、(取0.01),F=180 Kmol/h解得: D=53.27Kmol/h W=126.73Kmol/h 精馏塔的物料衡算表 进料F 出料 D W组分 kmol/h 摩尔分率 kmol/h 摩尔分率 kmol/h 摩尔分率 苯 53 0.3 52.7175 0.991.26750.01 甲苯 127 0.7 0.53250.01125.4825 0.99总量 1801 53.25 1 126.75 1 3.4 塔板数的确定 3.4.1理论塔板数的确定(1)由化学化工物性数据手册查得利用芬斯克方程求得精馏段最少理论塔板数: 块精馏段实际最少塔板数为: =又 (绝压) 实际单板压降 进料板压力 本
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