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[分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计]温州大学瓯江学院
WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE
化工原理课程设计
题 目:分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计 专 业: 应用化学 班 级: 08瓯应化 姓 名: 陈 媛 学 号: 指导教师: 张 伟 禄 完成日期:
精馏塔设计任务书
专业: 应用化学 班级 08瓯应化 姓名:陈媛 学号: 08205023104
指导教师: 张伟禄 设计日期: 2011.6.15
一、设计题目:
分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计
二、设计任务及操作条件
1、设计任务
生产能力(进料量) 11万 吨/年 操作周期 300×24 = 7200 小时/年
进料组成 50% (质量分率,下同) 塔顶产品组成 >99% 塔底产品组成
2、操作条件
操作压力 常压 (表压) 进料热状态 泡点进料 冷却水: 20℃ 加热蒸汽: 0.2MPa 塔顶为全凝器,中间泡点进料,连续精馏,
分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计
[智库|专题]。3、设备型式 筛板式
4、厂址 温州
三、设计内容
1、概述
2、设计方案的选择及流程说明
3、塔板数的计算(板式塔)或填料层高度计算(填料塔) 4、主要设备工艺尺寸设计
板式塔:(1)塔径及提馏段塔板结构尺寸的确定 (2)塔板的流体力学校核(难) (3)塔板的负荷性能图(难) (4)总塔高、总压降 填料塔:填料塔流体力学计算
(1)压力降计算 (2)喷淋密度计算
6、设计结果汇总
7、工艺流程图及精馏塔装配图 8、设计评述(自己评价自己的设计) 四、图纸要求
1工艺流程图(在说明书上花草图) 2精馏塔装配图 五、参考资料
1.石油化学工业规划设计院.塔的工艺计算.北京:石油化学工业出版社,1997 2.化工设备技术全书编辑委员会.化工设备全书—塔设备设计.上海:上海科学技
术出版社,1988
3.时钧,汪家鼎等.化学工程手册,.北京:化学工业出版社,1986
4.上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京:化学工业出版社,1986 5.陈敏恒,丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京:化学工业出版社,2000 6.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连:大连理工大学出版 社,1994
7.柴诚敬,刘国维,李阿娜.化工原理课程设计.天津:天津科学技术出版社,1995
目录
目录................................................................................................................................................... 1 1. 概述 .............................................................................................................................................. 6
1.1 精馏塔 ............................................................................................................................... 6 1.2 再沸器 ............................................................................................................................. 6 1.3 冷凝器 ............................................................................................................................... 6 2. 精馏设计方案的制定及说明 ...................................................................................................... 6 3. 工艺计算 ...................................................................................................................................... 7
3.1 生产要求: .......................
4.1 理论板层数NT的求取 ................................................................................................... 8 4.2 实际板层数的求取 ........................................................................................................... 9 5. 塔的工艺条件及物性数据计算 ................................................................................................ 10
5.1 操作压强的计算 Pm ..................................................................................................... 10 5.2 操作温度 ......................................................................................................................... 10 5.3 平均摩尔质量计算 ......................................................................................................... 10 5.4 平均密度计算 ................................................................................................................. 10 5.5 液体平均表面张力的计算σm ...................................................................................... 11 5.6 液体粘度计算 ................................................................................................................. 12 6. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .................................................................................................... 12
6.1 塔径的计算 ..................................................................................................................... 12 6.2 精馏塔有效高度的计算 ................................................................................................. 13 7. 塔板主要工艺尺寸的计算 ........................................................................................................ 14
7.1 溢流装置计算 ................................................................................................................. 14 7.2 塔板布置 ......................................................................................................................... 15 8. .筛板的流体力学验算 ................................................................................................................ 16
8.1 塔板压降 ......................................................................................................................... 16 8.2 液沫夹带 ......................................................................................................................... 16 8.3 漏液 ................................................................................................................................. 17 8.4 液泛 ................................................................................................................................. 17 9. 塔板负荷性能图 ........................................................................................................................ 17
9.1 液漏线 ............................................................................................................................. 17 9.2 液沫夹带线 ..................................................................................................................... 18 9.3 液相负荷下限线 ............................................................................................................. 19 9.4 液相负荷上限线 ............................................................................................................. 19 9.5 液泛线 ............................................................................................................................. 19 10. 工艺计算汇总表 ...................................................................................................................... 21 11. 总结 .......................................................................................................................................... 22
1. 概述
精馏是分离过程中的重要单元操作之一,所用设备主要包括精馏塔及再沸器和冷凝器。
1.1 精馏塔
精馏塔是一圆形筒体,塔内装有多层塔板或填料,塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板上相互接触时,液相被加热,液相中易挥发组分向气相中转移;气相被部分冷凝,气相中难挥发组分向液相中转移,从而使混合物中的组分得到高程度的分离。
简单精馏中,只有一股进料,进料位置将塔分为精馏段和提馏段,而在塔顶和塔底分别引出一股产品。精馏塔内,气、液两相的温度和压力自上而下逐渐增加,塔顶最低,塔底最高 本设计为筛板塔,筛板的突出优点是结构简单、造价低、塔板阻力小且效率高。但易漏液,易堵塞。然而经长期研究发现其尚能满足生产要求,目前应用较为广泛。
1.2 再沸器
作用:用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔,使塔内气液两相间的接触传质得以进行。
本设计采用立式热虹吸式再沸器,它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化,由在壳程内的载热体供热。 立式热虹吸特点:
▲循环推动力:釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。 ▲结构紧凑、占地面积小、传热系数高。
▲壳程不能机械清洗,不适宜高粘度、或脏的传热介质。 ▲塔釜提供气液分离空间和缓冲区。
1.3 冷凝器
用以将塔顶蒸气冷凝成液体,部分冷凝液作塔顶产品,其余作回流液返回塔顶,使塔内气液两相间的接触传质得以进行,最常用的冷凝器是管壳式换热器。
2. 精馏设计方案的制定及说明
3. 工艺计算
3.1 生产要求:
原料液组成:苯50%(wt%)。产品中:苯含量>99% 残夜中:苯含量
3.2 塔的物料衡算:
料液及塔顶.塔底产品含苯摩尔分数
x78.11
f78.11.130.541
x78.11
D78.11.130.992
x78.11
w
78.1192.13
0.0235
平均摩尔质量
MF=0.578.11+(1-0.5) 92.13=85.12kg/mol MD=0.9978.11+(1-0.99) 92.13=78.25kg/mol MW=0.023578.11+(1-0.0235) 92.13=91.85kg/mol 物料衡算
总物料衡算 D+W=F 易挥发组分物料衡算 DxD+WxW=FxF
11104103
F3002485.12
179.48kmol/h
Rxqyqyx0.9920.728min1.16
qq0.7280.5
D83.58kmol/hw95.90kmol/h
4. 塔板数的确定
4.1 理论板层数NT的求取
苯-甲苯属于理想物系,可采用图解法求理论层数
采用作图法求最小回流比,在图中对角线上,自e(0.5,0.5)作垂线ef即为进料线,该线于平衡线的交点坐标为yq=0.728,xq=0.5
Ryqmin
xqy
0.9920.728
qxq
0.7280.5
1.16
本设计取R=1.5Rmin=1.74 求精馏塔的气液相负荷 L=RD=1.74*83.58=145.43kmol/h
V=(R+1)D=(1.74+1)*83.58=229.01 kmol/h
LLF145.43+229.01=374.44kmol/h V=V=229.01kmol/h
.操作线方程 精馏段操作线方程:
y
LVxDxD
V
=0.635x+0.362 提馏段操作方程:y=1.318x-0.0075
图解法求理论板层数
由图得NT=18(包括再沸器),
范文
《分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计》(http://www.lp1901.com)。其中精馏段理论板数为7层,,第8层为加料板。
4.2 实际板层数的求取
精馏段实际板数 N精=7/0.5=14
提馏段实际板数 N提=11/0.5=22
5. 塔的工艺条件及物性数据计算
5.1 操作压强的计算 Pm
取每层塔板压强△P=0.7kpa
塔顶压强 PD=101.3-14*0.7=91.5kpa 进料板压强PF101.3=kpa 精镏段平均操作压强Pm=
101.391.5
2
96.4kpa
5.2 操作温度
塔顶温度 tD=80.2oC 进料温度tF=90.1oC 精馏段平均温度 tm=(80.2+90.1)/2=85.2oC
5.3 平均摩尔质量计算
由xD
y10.992 查平衡曲线得 x10.9 3
MvDm0.992*78.11(10.992)*92.1378.22kg/kmol
MLDm0.93*78.11(10.93)*92.1383.78kg/kmol
进料段
yF0.7 1查平衡曲线得
XF
0.47
MVFM0.71*78.11(10.1)*92.1482.18kg/kmol MLFM0.47*78.11(10.47)*92.1485.55kg/kmol 则精馏段平均分子量 MVm
78.2282.12
88
0.2k2g/km ol
MLm
83.7885.55
2
84.67kg/kmol 5.4 平均密度计算
(1)气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算 即
mvvm
pmMRT96.4*80.22
2.60kg3
m8.314*85.2273.15m塔顶液相平均密度计算 由tD=80.2oC 查手册得
A=814.5kg
m3
B=809.7kg
m3
LDm
=1/(0.992/814.5+0.008/809.7)=814.5
kg3
⑵液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算,即
1
aA
aB
LM
LA
LB (a为质量分数)
塔顶
1
0.99815.30.01
LMD
809.6
LMD=815.2kg/m3
(3)进料板液相平均密度的计算 tF=90.1℃,查手册得
LA=806.7 kg/m3 LB=794.1 kg/m3
进料板液相的质量分率 a0.4778.11
A=
0.4778.11+0.5392.13
=0.429
LFm=1
)
=833kg/m3(0.423/806.7+0.531/794.1
(4)精馏段平均液相密度为
Lm=815.2+833/2=824.1kg/m3
5.5 液体平均表面张力的计算σm
由tD=80.2℃ 查手册,得
σA=21.2mNm σB=21.3mNm
LDm0.9921.210.9921.321.2mNm
由 tF=90.1℃ 查手册,得
σA=20.36mNm σB=20.76mNm
LFm0.4520.610.4520.920.77mNm
Lm=21.2+20.9/221mN/m
5.6 液体粘度计算
液相平均粘度依下式计算,即
lgLmxilgi
塔顶液相平均粘度的计算 由 tD=80.2℃,查手册得
A0.30m
6Pa s.B0.312mPa.s lgLDm0.99g0.310.01lg0.313
解得 LDm0.310mPa.s 进料板液相平均粘度的计算 由tF=90.1℃
A0.272mPa.s B0.284mPa.s lgLFm0.47lg0.2640.53lg0.273
LFm0.269mPa.s
精馏段液相平均粘度的计算
Lm0.3100.269/20.289mPa.s
6. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算
6.1 塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为
Vs
VMVm3600229.0180.221.96m3/s
Vm36002.6Ls
LMLm3600145.4384.67
0.0042m3/s
Lm3600824.1
由
umax式中C由式,其中的C20由史密斯关联图查得,图的横坐标为
LhL0.00423600824.1V
hV1.9636002.6
0.00382 取板间距HT=0.40m 板上液层高度hL=0.06m
HThL0.400.060.34m
查图得 C20=0.072
0.20.2
CC20L21
200.07220
0.071
umax1.262m/s
取安全系数为0.7,则空塔气速为
u理
0.7umax0.71.2620.883m/s
D
1.68m 根据标准塔径圆整后为 D=2.2m 塔截面积为
AT
24
D
4
1.6822.22m2
实际空塔气速为
u实
1.96
2.22
0.883m/s
6.2 精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
Z精=N精1HT=14-10.40=5.2m
提馏段有效高度为
Z提=N提1HT=2210.40=8.4m
在进料板上方开一入孔,其高度为0.8m。 故精馏塔的有效高度为
Z=Z精Z提0.8=5.28.40.8=14.4m
7. 塔板主要工艺尺寸的计算
7.1 溢流装置计算
因塔径 D=1.68m,可选用68单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘。各项计算如下: ⑴堰长′
D取 lw=0.66=
⑵溢流堰高度hw 由
0.66=1.68 1.11m
hW=hLhOW
选用平直堰,堰上液层高度由
2.84LhhOW=E
1000lW
近似取E=1,则
2.840.00423600hOW=1=0.0162m
10001.11
取板上清液层高度 hL=0.06m 故 hW=0.060.00162=0.0438m ⑶弓形降液管宽度Wd 和截面积Af 由弓形降液管的参数图,得
AfWd
=0.0722 =0.124 ATD
故 Af=0.0722AT=0.07222.22=0.160m
2
Wd=0.124D=0.1241.68=0.208m
验算液体在降液管中的停留时间,即
=
3600AfHT36000.1600.4
==15.24s5s 故降液管设计合理。 Lh0.00423600
⑷降液管底隙高度ho
ho=
Lh
3600l
Wu"o
取u"o=01m/s 则 ho=
0.004236036001.11=0
0.0.1
036 m
hWho=0.0438-0.036=0.0078m0.006m 故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘,深度h’
w=60mm
7.2 塔板布置
⑴塔板的分块
因D
取 WsW"
s0.065m Wc0.035m
⑶开孔区面积计算
开孔区面积Aa 按式
Aa22
rx180sin1r计 算
其中 x1.68
WdWs
2
0.2080.0650.567m rD2Wc1.682
0.0350.805m 故
Aa2
0.805210.5672
180sin0.805
1.66m ⑷筛孔计算及排列
本例所处理的物系无腐蚀性,可选用δ=3mm碳钢板,取筛孔直径do=5mm。
筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为 t3d03515mm
筛孔数目n为 n
1.155Aat21.1551.66
0.015
2
8521 个 开孔率为 0.907d02
t0.9070.005
2
0.015
10.1
% 气体通过阀孔的气速为 us0=
V1.9A=6
=11.69m /s00.1011.66
8. .筛板的流体力学验算
8.1 塔板压降
⑴干板阻力hc的计算
2
hc=0.051u0cV
由d0/δ=5/3=1.67, 查图得,c0=0.772
0L2
故 hc=0.05111.690.7722.6
824.1
=0.0369m液柱
⑵气体通过液层的阻力hl计算
hlhL
ua
VsA1.96
2.22
0.160.0
95m1sTAf /
F0u1.53kg1/2/(s.m1/2)
查图,得0.60
hlhL(hWhOW)0.600.04380.01620.036m液柱⑶液体表面张力的阻力h的计算
液体表面张力所产生的阻力h由下式计算,即
4L421103
h824.19.810.005
0.00208m液柱
Lgd0气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算,即
hphchlh0.03690.0360.00210.075m 液柱
气体通过每层塔板的压降为
PphpLg0.075824.19.81606Pa0.7kPa (设计允许值)
8.2 液沫夹带
5.763.2
ev=10ua
HT
hf hh
Lf2.5h
0.4L
3.2
e5.71060.951v211030.40.15
0.01950.1kg液/kg气
在允许范围内。
8.3 漏液
漏液点气速的计算,得
u0,min4.4c
4.4 6.42m/s
实际孔速u0=
11.69m/s>u0,min 稳定系数为 K
uou11.69
1.821.5 故在本设计中无明显漏液。 ow6.42
8.4 液泛
防止发生液泛,降液管内液层高度应服从
HdHthw关系,取0.5,则 HThw0.50.40.04380.2219m
而Hd=hHLhd
2
2
h0.153LS0.0042
dL0.153Who
1.110.0360.00169m
Hd0.0750.060.001690.13669m
HdHThw故不会发生液泛现象。
9. 塔板负荷性能图
9.1 液漏线
根据气速式
uow4.4C
Vs.min
4.40.772A0
Vs.min1.0259.2 液沫夹带线
以ev0.1kg液/kg气为限,
5.710u
evHhfT
6Vs
0.485V4 uas AATf
3.2
2
233600L3s2.50.04380.6222L3hf2.5hwhow2.5hw2.8410Eslw
0.10951.5555Ls
23
HThf0.29051.5555Ls
5.710ev
21103
6
3.2
0.4854Vs
0.10.2905-1.5555Ls
Vs=13058.0.29091.5555Ls=37933.20.3117Ls
在操作范围内,任取几个数据计算Vs值,列表得
9.3 液相负荷下限线
液相负荷下限线 取平堰.堰液层高度how=0.006作为液相下限条件
取E=1.0
how=2.843600Ls.min2
31000
E(l)
w2/3
得0.006= 2.8410001 3600Ls.min1.11
Ls.min=0.000947m3/s
9.4 液相负荷上限线
以=4s作液体在降液管中的停留时间下限,由
L0.160
smax
HTAf
4
0.44
0.016m3/s
9.5 液泛线
令 Hd=HThw 由
Hd=hphLhd;hp=hchlh;hl=hL;hLhwhow
HT(1)hw(1)howhchdh
忽略h,将与Vs的关系代入上式,并整理得
a"V2b"c"L2sd"L2/3
ss 式中
a"
0.051(A2
V
0c0)0.0512.6L(0.1011.660.772)2
824.1
=0.0096 b"HT(1)hw0.50.4(0.50.601)0.0438=0.175c"=0.153/(l22wh0)=0.153/(1.110.036)=9582.
联立得
36003600-3
d"=2.8410-3E(1)=2.841011.60=0.9956
1.11lw
2/3
故 0.0096Vs2=0.17595.82L2s0.9956Ls
2/3
2/3
在负荷性能图上,作操作点A,连接OA,即为操作线,由图可知,该筛板的操作上限
Vs,3.68m3/smax为液泛控制,下限为液漏控制。 操作弹性为==192. 33
Vs,min1.92m/sVs,min=1.92m/s
3
Vs,max=3.68m/s
10. 工艺计算汇总表:
21
总结
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。 2.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.工艺流程图
22