苯-甲苯混合液精馏塔设计课程设计论文.doc
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1、制药过程原理及设备课程设计精馏塔设计 镇江高等专科学校化工原理课程设计说明书 设计题目: 苯-甲苯混合液精馏塔设计 设计者: 班级 制药13 学号 姓名 日期 2014-11-19 指导教师: 设计成绩: 日期 一、设计题目:苯-甲苯混合液精馏塔设计本课程设计是依据实际生产情况加以一定程度的简化而提出的。二、设计任务及操作条件1. 进精馏塔的料液含苯40% (质量分数),其余为甲苯2. 产品的苯含量=96%(质量分数)3. 釜液中苯含量=1.85%(质量分数)4. 生产能力为年产38000吨/年苯-甲苯混合液5. 每年实际生产天数:320天。6. 操作条件(1) 精馏塔塔顶压力 0.04 MP
2、a(表压)(2) 进料热状况 泡点液体(3) 回流比 R = 1.6 (4) 加热水蒸汽压力 3.0 kg/cm2 (表压)(1kg/cm2=98.066kPa)(5) 单板压降 0.7kPa(6) 全塔效率 54%(7) 设备型式 浮阀(8) 厂址 镇江地区三、设计项目(设计说明书内容)设计说明书应包括所有论述、原始数据、计算、表格等,编排顺序如下:I. 封面(课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间);II. 设计任务书;III. 目录;IV. 概述;V. 设计方案的选定;VI. 工艺设计计算;V II. 塔和塔板主要工艺尺寸的设计计算;VIII. 设计结果汇总表;IX. 主要符号说明;X
3、. 设计评述(即设计者对本次设计的评述以及本次设计的收获体会);XI. 参考文献;XII. 致谢; 目录第一章.概述11.1 精馏塔的简单介绍11.2 工业上对塔设备的主要要求11.3 板式塔类型21.3.1 筛板塔21.3.2 浮阀塔31.3.3 泡罩塔4第二章.设计方案的确定62.1 操作条件的确定62.1.1 操作压力62.1.2 进料状态62.1.3 加热方式62.1.4 冷却剂与出口温度72.1.5 热能的利用72.2 确定设计方案的原则7第三章.工艺计算83.1.塔的物料衡算83.1.1 料液及塔顶塔底产品含苯摩尔分率83.1.2 平均分子量83.1.3 物料衡算83.2 塔板数的
4、确定93.2.1 理论塔板数 NT的求取93.2.2 全塔效率 ET123.2.3 实际塔板数 N123.3 塔的工艺条件及物性数据计算123.3.1 操作压强 Pm123.3.2 温度tm133.3.3 平均分子量133.3.4 平均密度m133.3.5 液体表面张力m143.3.6 液体粘度Lm143.4 精馏段气液负荷计算1515第四章塔和塔板主要工艺尺寸计算164.1.塔径 D164.2 溢流装置164.2.1 溢流堰长lW174.2.2出口堰高hw174.2.3降液管的宽度Wd与降液管的面积Af174.2.4降液管底隙高度184.3塔板布置184.3.1 孔区面积184.4筛孔数n与
5、开孔率184.5 塔有效高度(精馏段)194.6 塔高计算(从略)194.7 筛板的流体力学验算194.7.1气体通过筛板压强相当的液柱高度hp194.7.2 雾沫夹带量 ev 的验算204.7.3 漏液的验算204.7.4 液泛验算214.8塔板负荷性能图214.8.1 雾沫夹带线(1)214.8.2 液泛线(2)224.8.3 液相负荷上限线(3)234.8.4 漏液线(气相负荷下限线)(4)244.8.5 液相负荷下限线(5)24第五章.设计结果一览表26第六章.主要符号说明28第七章.设计评述30第八章.参考文献32第九章.致谢33第十章.附录34 37制药过程原理及设备课程设计精馏塔
6、设计第一章.概述1.1 精馏塔的简单介绍精馏塔是进行精馏的一种塔式气液接触装置,又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸汽由塔底进入,与下降液进行逆流接触,两相接触中,下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移,蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移,蒸汽愈接近塔顶,其易挥发组分浓度愈高,而下降液愈接近塔底,其难挥发组分则愈富集,达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器,冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中,其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体,其中的一部分送入再沸器,热蒸发后,蒸汽返回塔中,另一部分液体
7、作为釜残液取出。1.2 工业上对塔设备的主要要求(1)生产能力大 (2)传热传质效率高(3)气体的摩擦阻力小 (4)操作稳定,适应性强,操作弹性大(5)结构简单,材料耗用量少;(6)制造安装容易,操作维修方便,不易堵塞耐腐蚀等。1.3 板式塔类型板式塔是在圆筒形壳体中安装若干层水平塔板构成的。板与板之间有一定的间距。塔板上有降液管,供液相逐层向下流动。塔板开有许多孔,供气相逐从下向上流动。气液两相在塔板上呈错流流动。即气相垂直向上穿过塔板上的液层,液相水平流过塔板。塔板是板塔式的核心部分,它关系到气液两相传热、传质的好坏。1.3.1 筛板塔扎板塔的一种,内装若干层水平塔板,板上有许多小孔,形状
8、如筛;并装有溢流管或没有溢流管。操作时,液体由塔顶进入,经溢流管(一部分经筛孔)逐板下降,并在板上积存液层。气体(或蒸汽)由塔底进入,经筛孔上升穿过液层,鼓泡而出,因而两相可以充分接触,并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式,性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难,发展了环流筛板;克服筛板在低负荷下出现漏液现象,设计了板下带盘的筛板;减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距,制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰,塔板上开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作 H2S-H2O 双温交换过程的冷、热塔。应用于蒸馏、吸收和除尘等。在工业上实际应用的筛板塔中,两相接触不是泡沫
9、状态就是喷射状态,很少采用鼓泡接触状态的。筛板塔优点:结构简单、造价低; 气流压降小、板上液面落差小; 板效率高。 缺点:操作弹性小、筛孔小易堵塞。1.3.2 浮阀塔浮阀塔广泛用于精馏吸收和解析等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀,气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动,自行调节。 浮阀的阀片可以浮动,随着气体负荷的变化而调节其开启度,因此,浮阀塔的操作弹性大,特别是在低负荷时,仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好,雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故),塔板效率较高,生产能力较大。塔结构简单,制造费用便宜,并能适应常用
10、的物料状况,是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。在分离稳定同位素时采用在克服泡罩塔缺陷的基础上发展起鼓泡式接触装置。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀主要有 V 型和 T 型两种,特点是:生产能力比泡罩塔约大 2040;气体两个极限负荷比为 56,操作弹性大;板效率比泡罩塔高 1015;雾沫夹带少,液面梯度小;结构难于泡罩塔与筛板塔之间;对物料的适应性较好等,通量大、放大效应小,常用于初浓段的重水生产过程。1.3.3 泡罩塔在其内气体或蒸汽以泡状通过液体的一种塔;尤指板式塔(如用于分馏石油馏出物),其中塔板上具有许多泡罩 ,又称泡帽塔和泡盖塔。塔设备的一种,通常用
11、来使蒸汽(或气体)与液体密切接触以促进其相互间的传质作用。塔内装有多层水平塔板,板上有若干个供蒸汽(或气体)通过的短管,其上各覆盖底缘有齿缝或小槽的泡罩,并装有溢流管。操作时,液体由塔的上部连续进入,经溢流管逐板下降,并在各板上积存液层,形成液封;蒸汽(或气体)则由塔底进入,经由泡罩底缘上的齿缝或小槽分散成为小气泡,与液体充分接触,并穿过液层而达液面,然后升入上一层塔板。短管装在塔内的,称内溢流式;也有装在塔外的,称外溢流式。泡罩塔广泛用于精馏和气体吸收。泡罩塔优点:1、泡罩塔气-液两相接触比较充分,传质面积大,因此塔板效率较高;2、泡罩塔气液比变化范围较大,即操作弹性较大,便于操作;3、泡罩
12、塔具有较高的生产能力,适用于大型生产。泡罩塔的主要缺点是结构复杂、造价较高、塔板压力降较大。所以限制了泡罩塔的使用范围。第二章.设计方案的确定2.1 操作条件的确定2.1.1 操作压力塔顶压力为 加热水蒸汽压力 单板压降 2.1.2 进料状态本次设计中采取饱和液体进料。(q=1)2.1.3 加热方式蒸馏可采用间接蒸汽加热也可采用直接蒸汽加热,例蒸馏釜残液中的主要成分为水时,且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时宜用直接蒸汽加热,其优点是可以利用压强在较低的加热蒸汽以节省操作费用,并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入,对釜内溶液起一定的稀释作用,在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下,釜
13、液组成相对降低,故需要在提馏段增加塔板以达到生产要求。本次设计采用的是间接蒸汽加热。2.1.4 冷却剂与出口温度精馏塔常以循环冷却水为冷却剂,将热量从塔顶冷凝器中移出。且厂址选在江苏地区,水资源丰富。设备的出口温度一般在50左右。温度10,故选用40 的冷却水,否则,溶于水中的有些无机盐将析出、结垢,影响传热效果。2.1.5 热能的利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低,通常进入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量,但是由于其位能较低,不可能直接用作为塔底的热源。为此,我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。2.2 确定设计方案的原则本
14、课程设计的设计内容是分离苯-甲苯混合液。是依据实际生产情况加以一定程度的简化而提出的。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入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,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后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热,操作回流比采用最小回流比的 1.6 倍。第三章.工艺计算3.1.塔的物料衡算3.1.1 料液及塔顶塔底产品含苯摩尔分率3.1.2 平均分子量3.1.3 物料衡算原料处理量: 总物料衡算:易挥发组分的物料衡算: 联立代入数据,解得: 3.2 塔板数的确定3.2.1 理论塔板数 NT的求取苯、甲苯属理想物系,可采用 M.T.图解法求 NT
15、。3.2.1.1 根据苯、甲苯的气液平衡数据作 y-x 图(即图 1)及 t-x-y 图(即图 2) 图 1 y-x 关系图图 2 t-x-y关系图 3.2.1.2 求最小回流比 及操作回流比 在图 1 中对角线自点(0.44,0.44)作垂线即进料线(q 线),该线与平衡线交点坐标为:(0.44,0.66),是最小回流比时操作线与平衡线的交点坐标。适宜操作回流比: 3.2.1.3 求理论塔板数 NT精馏段操作线为: 按常规 M.T.作图法解得:NT=(15-1)块(不包括釜)。其中,精馏段理论塔板数为6块,提馏段理论塔板数为8块(不包括釜),第7块为加料板。塔内温度的计算:采用内差法计算塔内
16、的温度1)塔顶在图二中(0.97,80.66)(0.99,80.21)两点之间可以看作为直线,设此线方程为t=kx+b,代入值解得k=-22.5,b=102.485所以t=-22.5x+102.485,当时,2)塔底在图二中(0.01,109.91)(0.03,108.79)两点之间可以看作为直线,设此线方程为t=kx+b,代入值解得k=-56,b=110.47所以t=-56x+110.47,当x=0.0235时,t=109.153)进料在图二中(0.60,88.8)(0.65,87.63)两点之间可以看作为直线,设此线方程为t=kx+b,代入值解得k=-23.4,b=102.84所以t=-2
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