化工原理课程设计论文正文苯甲苯的分离大学论文.doc
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1、课程设计化工原理课程设计板式精馏塔的设计 院系: 化工学院 班级: 高材11202 老师: 石东坡 序号: 20 姓名: 刘 洋序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。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。
2、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,按操作压力还可分为常压、加压和减压蒸馏,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-甲苯连续精馏筛板塔的设计,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,需设计一板式塔将其分离。目录一、板式精馏塔课程设计任务书.4(一)、设计题目:4(二)、设计参数4(三)、设计内容5二、设计计算51、设
3、计方案的选定及基础数据的搜集52、精馏塔的物料衡算73、塔板数的确定84、精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算95、气液负荷计算136、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (一) 塔径的计算147、筛板的流体力学验算188、塔板负荷性能图21三、设计结果汇总一览表28四、精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算(略)29五、设计心得体会29七、参考书目32八、附录32【1】苯甲苯连续精馏过程板式精馏塔示意图32【2】苯甲苯精馏控制工艺流程图32【3】苯甲苯温度组成(t-x(y)图33一、板式精馏塔课程设计任务书(一)、设计题目: 苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。(二)、设计参数年处理量: 25000吨料液初温:
4、35料液组成 : 45 苯,苯-甲苯常温混合溶液 (质量分率,下同)塔顶产品组成苯 98 塔底釜液组成苯 2% 年实际生产天数: 330天精馏塔塔顶压力: 4kpa (表压)冷却水进口温度: 30饱和水蒸气压力: (间接水蒸气加热)设备型式: 筛板精馏塔厂 址: 长江大学 地区 (三)、设计内容1、设计方案的确定 根据设计任务书所提供的条件和要求,通过对现有资料的分析对比,选定适宜的流程方案和设备类型,初步确定工艺流程。对选定的工艺流程,主要设备的形式进行简要的论述。2、精馏过程的工艺计算 3、塔和塔板主要工艺结构尺寸计算4、塔内流体力学性能的计算与校核5、塔板结构简图和塔板性能图的绘制6、塔
5、的工艺计算结果汇总一览表7、典型辅助设备选型与计算(略)8、带控制点的生产工艺流程图及精馏塔设计工艺条件图的绘制9、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论10、编制课程设计说明书11、参考文献二、设计计算1、设计方案的选定及基础数据的搜集 本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求,可以在常压下操作。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,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至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔底设置再沸器
6、采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝,热效率比较低,但塔顶冷凝器放出的热量很多,但其能量品位较低,不能直接用于塔釜的热源,在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一,充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏,筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔,孔径一般为38mm,筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备,它的主要优点有: () 结构比浮阀塔更简单,易于加工,造价约为泡罩塔的60,为浮阀塔的80左右。 () 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高,比泡罩塔高15左右。 () 压
7、降较低,每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是: () 塔板安装的水平度要求较高,否则气液接触不匀。 () 操作弹性较小(约23)。() 小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图:表1.1 苯和甲苯的物理性质(1:P289)项目分子式分子量M沸点()临界温度tC()临界压强PC(kPa)苯A甲苯BC6H6C7H878.1192.1380.10110.63288.5318.576833.44107.7 表1.2 苯-甲苯的饱和蒸汽压(2:P73 表10-1)t/80.184889296100104108110.6/kPa101.3 114.1 128.4 144.1 161.3 180.0
8、 200.3 222.4 237.7 /kPa39.0 44.5 50.8 57.8 65.6 74.2 83.6 94.0 101.3 表1.3 常温下苯甲苯气液平衡数据(2:P73 表10-2)t/80.184889296100104108110.6x10.8160.6510.5040.3730.2560.1520.0570y10.9190.8250.7170.5940.4550.30.1250表1.4 纯组分的表面张力(6:附录图7)t/8090100110120/(mN/)苯21.22018.817.516.2甲苯21.820.619.618.417.3上表的数据关联成下式:苯: =3
9、1.24-0.125t甲苯:=30.74-0.112t表1.5 组分的液相密度(6:附录图8)t/8090100110120/(kg/)苯817805793782770甲苯811801791780768上表的数据关联成下式:苯: =910.4-1.17t甲苯:=897.2-1.07t2、 精馏塔的物料衡算(1) 原料液及塔顶、塔底产品中苯的摩尔分率 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 (2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (3)物料衡算 原料处理量总物料衡算苯物料衡算联立解得 式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量3 、塔板数的确定 (1)理论塔板数的求取 苯一甲苯属理想物系,可
10、采用图解法求理论板层数,步骤如下。 由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据,绘出x y图,见下图求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在x-y图上,因q=1,查得=0.760,而=0.491,=0.983.故有:取操作回流比为求理论塔板数精馏段操作线方程为提馏段操作线为过(0.491,0.735)和(0.024,0.024)两点的直线。图解得=15-1=14块(不含塔釜)。其中,精馏段=7块,提馏段=8块,第8块为加料板位置。(2)实际塔板数全塔效率的计算(在95下,查表得各组分黏度=0.242,=0.280)精馏段实际板层数6/0.53=10.3,取11块精馏段塔高提馏段实际板层
11、数9/0.53=17.9,取18快提馏段塔高总塔板数=29块,进料板在第13块板。4、 精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算 (1)操作压力计算 取每层塔板压降 P0.9 kPa塔顶操作压力 101.3+4=105.3 kPa塔底操作压力=105.3+0.912 =116.1 kPa进料板压力105.30.929131.4 kPa精馏段平均压力 P m (105.3116.1)/2110.7 kPa提馏段平均压力 = (116.1+131.4)/2 =123.8 kPa(2)操作温度计算 查温度组成图(t-x/y)得:塔顶温度80.5进料板温度88.3塔底温度=109.5精馏段平均温度=( 8
12、0.588.3)/2 = 84.4提馏段平均温度=(88.3+109.5)/2 =98.9(3)平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由xD=y1=0.983,代入相平衡方程得x1=0.960进料板平均摩尔质量计算 由上面理论板的算法,得0.735, 0.491(查相平衡图)塔底平均摩尔质量计算由xw=0.0235,由相平衡方程,得yw=0.0513精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量(4)平均密度计算 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算,精馏段的平均气相密度即 提馏段的平均气相密度液相平均密度计算 塔顶: 进料板: 塔底 : 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为(5) 液体平
13、均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算,即 塔顶: 由-t 关系计算得,A=21.18mN/m B=21.72 mN/m 进料板:由tF88.3,计算得,A=20.20 m N/m B=20.85 m N/m塔底:由 tD109.5,计算得, A=17.55 mN/m B=18.48 mN/m精馏段液相平均表面张力为 Lm=(21.19+20.43)/2=20.81 mN/m提馏段液相平均表面张力为 (20.43+18.46)/2=19.45 mN/m(6) 液体平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算,即 Lm=xii塔顶:查化工原理上册附录中的液体黏度共线图,在80.5下有: A=0.27
14、3 mPas B=0.304 mPasLDm=0.9830.273+ (1-0.983)0.304=0.274mPas同理,进料板:在88.3下,查手册得 A=0.268mPas B=0.299 mPasLFm=0.6390.268+ (1-0.639)0.299=0.279 mPas塔底:在109.5下,查手册得 A=0.227 mPas B=0.265 mPasLwm=0.02350.227+ (1-0.0235)0.265=0.264 mPas精馏段液相平均粘度为 Lm=(0.274+0.279)/2=0.277 mPas提馏段液相平均粘度为 (0.279+0.264)/2=0.272
15、mPas5、气液负荷计算 精馏段: 提馏段:6、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (一) 塔径的计算塔板间距HT的选定很重要,它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性,以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取。表6.1 板间距与塔径关系塔径DT,m0.30.50.50.80.81.61.62.02.04.0板间距HT,mm200300300350350450450600500800 精馏段:初选板间距,取板上液层高度,故;查Smith通用关联图 (3:P158图5-40), 得C20=0.072;依式校正物系表面张力为时,可取安全系数为0.7,则故按标准,塔径圆整为1.1m,则
16、操作气速u=0.753m/s。提馏段:初选板间距,取板上液层高度,故;查Smith通用关联图5-40, 得C20=0.0678;依式校正物系表面张力为时可取安全系数为0.7,则故按标准,塔径圆整为1.1m,则操作气速0.688m/s。将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径一致,为1.1m 。(二)、塔板主要工艺尺寸的计算(1) 溢流装置因塔径D1.1m,可选用单溢流弓形降液管,采用平行受液盘,且不设进口堰。精馏段:溢流堰长:单溢流,取堰长为0.7D=0.71.1=0.77m出口堰高:对平直堰,有由,查图5-30(3:P151)得E=1.030, 可得0.006m故 (取=60mm)降液管的宽
17、度与降液管的面积:由,查(2:图11-16)得,故,液体在降液管中停留时间为降液管底隙高度:取液体通过降液管底隙的流速(0.070.25)则()因 提溜段:溢流堰长:取堰长为0.7D=0.71.1=0.77m出口堰高:对平直堰,有由,查图5-30(3:P151)得E=1.042, 可得0.006m故 取降液管的宽度与降液管的面积:由,查(2:图11-16)得,故,液体在降液管中停留时间为降液管底隙高度:取液体通过降液管底隙的流速(0.070.25)则()因(2)塔板布置 塔板的分块 因D=1100mm,查表5-6(3:P140)得,塔极分为3块。精馏段:取边缘区宽度(5060mm),安定区宽度
18、,(当D1.5m时,Ws=70100mm开孔区面积式中 ,提馏段:取边缘区宽度(5060mm),安定区宽度,(当D1.5m时,Ws=70100mm开孔区面积式中 ,(3)筛孔数与开孔率:精馏段:取筛空的孔径为,正三角形排列,筛板采用碳钢,其板厚为,且取,故孔中心距每层塔板的开孔数个,则(在5%15%范围内,满足要求)每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为提馏段:筛孔数与开孔率:取筛空的孔径为,正三角形排列,筛板采用碳钢,其板厚为,且取,故孔中心距每层塔板的开孔数个,则(在5%15%范围内,满足要求)每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为7、 筛板的流体力学验算 精馏段:(1) 塔板压降干板
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