[理学]浮阀塔设计示例.doc
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1、滨州学院化学与化工系化工原理课程设计设计任务书设计题目:分离苯甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计设计条件: (1)设计规模:苯甲苯混合液7万t/a。 (2)生产制度:年开工300天,每天三班8小时连续生产。 (3)原料组成:苯含量%(质量百分率,下同). (4)进料热状况:含苯30%(质量百分比,下同)的苯甲苯混合液,35. (5)分离要求:塔顶苯含量不低于97%,塔底苯含量不大于2%。 (6)建厂地址:大气压为760mmHg,自来水年平均温度为20的滨州市设 计 要 求 : (1) 完成该精馏塔的工艺设计(包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计算)。(2) 画出带控制点的工艺流程图、塔板负荷性
2、能图、精馏塔工艺条件图。(3) 写出该精馏塔的设计说明书,包括设计结果汇总和设计评价。目录设计任务书1设计题目:1设计条件:1设 计 要 求 :1摘 要4关键词:4绪 论5设计方案的选择和论证51.设计思路52.设计方案的确定6第一章 塔板的工艺设计71.1基础物性数据71.2精馏塔的物料衡算91.2.1(1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数9(2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量:9(3) 物料衡算91.2.2平衡线方程的确定101.2.3进料热状况q的确定111.2.4操作回流比R的确定111.2.5求精馏塔的气液相负荷121.2.6操作线方程121.2.7用逐板法算理论板数121.
3、2.8.实际板数的求取131.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算141.3.1进料温度的计算141.3.2 操作压强141.3.3平均摩尔质量的计算141.3.4平均密度计算151.3.5液体平均表面张力计算161.3.6液体平均粘度计算171.4 精馏塔工艺尺寸的计算181.4.1塔径的计算181.4.2精馏塔有效高度的计算201.5 塔板主要工艺尺寸的计算201.5.1溢流装置计算201.6浮阀数目、浮阀排列及塔板布置211.7塔板流体力学验算231.7.1计算气相通过浮阀塔板的静压头降231.7.2淹塔231.7.3计算雾沫夹带量241.8精馏段塔板负荷性能图251.8.1雾沫夹带
4、线251.8.2液泛线261.8.3液相负荷上限线271.8.4气体负荷下限线(漏液线)271.8.5液相负荷下限线271.9小结28第二章 热量衡算292.1相关介质的选择292.1.1加热介质的选择292.1.2冷凝剂292.2蒸发潜热衡算292.2.1塔顶热量292.2.2 塔底热量302.3焓值衡算31第三章 辅助设备353.1冷凝器的选型353.1.1计算冷却水流量363.1.2冷凝器的计算与选型363.2冷凝器的核算373.2.1管程对流传热系数373.2.2壳程流体对流传热系数383.2.3污垢热阻393.2.4核算传热面积393.2.5核算压力降393.3泵的选型与计算423.
5、4 再沸器的选型与计算423.4.1 加热介质的流量423.4.2 再沸器的计算与选型43第四章 塔附件设计444.1接管444.1.1进料444.1.2回流管444.1.3塔底出料管444.1.4塔顶蒸气出料管454.1.5塔底进气管454.2筒体与封头454.2.1筒体454.2.2封头454.3除沫器454.4裙座464.5人孔464.6塔总体高度的设计474.6.1塔的顶部空间高度474.6.2塔的底部空间高度474.6.3塔立体高度47设计结果汇总48结束语49参考文献50主要符号说明51摘 要化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的,精馏是利用液体混合物中
6、各组分挥发度的不同,并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。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、设计和分析分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。本次设计的浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元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。本设计书对苯和甲苯的分离设备浮阀精馏塔做了较详细的叙述,主要包括:工艺计算,辅助设备计算,塔设备等的附图。采用浮阀精馏塔,塔高18.464米
7、,塔径1.4米,按逐板计算理论板数为30。算得全塔效率为0.544。塔顶使用全凝器,部分回流。精馏段实际板数为17,提馏段实际板数为13。实际加料位置在第16块板(从上往下数),操作弹性为4.51通过板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算,均在安全操作范围内。塔的附属设备中,所有管线均采用无缝钢管。再沸器采用卧式浮头式换热器。用160饱和蒸汽加热,用16循水作冷凝剂。饱和蒸汽走管程,釜液走壳程。关键词:苯_甲苯、精馏、逐板计算法、负荷性能图、精馏塔设备结构绪 论化工生产中常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。互溶液体混合物的分离有多种方法,蒸馏及精馏是其中最常用的一种。蒸
8、馏是分离均相混合物的单元操作之一,精馏是最常用的蒸馏方式,是组成化工生产过程的主要单元操作。为实现高纯度的分离已成为蒸馏方法能否广泛应用的核心问题,为此而提出了精馏过程。精馏的核心是回流,精馏操作的实质是塔底供热产生蒸汽回流,塔顶冷凝造成液体回流。我们工科大学生应具有较高的综合能力、解决实际生产问题的能力和创新的能力。课程设计是一次让我们接触并了解实际生产的大好机会,我们应充分利用这样的机会去认真去对待。而新颖的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持努力的方向和追求的目标。浮阀塔盘自20世纪50年代初期开发以来,由于制造方便及其性能上的优点,很多场合已取代了泡罩塔盘。这类塔盘的
9、塔盘板开有阀孔,安置了能在适当范围内上下浮动的阀片,其形状有圆形、条形及方形等。由于浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节,因而在较宽的气体负荷范围内,均能保持稳定操作。气体在塔盘板上以水平方向吹出,气液接触时间长,雾沫夹带量少,液面落差也较小。与泡罩塔盘相比,处理能力较大,压力降较低,而塔板效率较高,缺点是阀孔易磨损,阀片易脱落。操作气速不可能会很高,因为会产生严重的雾沫夹带,这就限制了生产能力的进一步提高。具有代表性的浮阀塔有F1型(V1型)浮阀塔板、重盘式浮阀塔、盘式浮阀、条形浮阀及锥心形浮阀等。设计方案的选择和论证1.设计思路在本次设计中,我们进行的是苯和甲苯二元物系的
10、精馏分离,简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓,如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离,是精馏塔的基本原理。实际上,蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同,分为连续蒸馏和间歇蒸馏,我们这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入,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,有时后可以考虑将余热再利用,在此就不叙述。要保持塔的稳定性,流程中除用泵直接送入塔原料。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器连种不同的设置。在这里准备用全凝器,因为可以准
11、确的控制回流比。此次设计是在常压下操作。 因为这次设计采用间接加热,所以需要再沸器。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。在此使用浮阀塔,浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的,它吸收了两者的优点,其突出优点是可以根据气体的流量自行调节开度,这样就可以避免过多的漏液。另外还具有结构简单,造价低,制造方便,塔板开孔率大,生产能力大等优点。浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备,其多用不锈钢板或合金 。近年来所研究开发出的新型浮阀进一步加强了流体的导向作用和气体的分散作用,使气液两相的流动接触更加有效,可显著提高操作弹性和
12、效率。从苯甲苯的相关物性中可看出它们可近似地看作理想物系。而且浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节,因而在较宽的气体负荷范围内,均能保持稳定操作。气体在塔盘板上以水平方向吹出,气液接触时间长,雾沫夹带量少,液面落差也较小。2.设计方案的确定 方案选定是指确定整个精馏装置的流程。主要设备的结构形式和主要操作条件。所以方案的选定必须:(1)能满足工艺要求,达到指定的产量和质量。(2)操作平稳,易于调节。(3)经济合理。(4)生产安全。在实际的设计问题中,上述四项都是必须考虑的。本设计任务为分离苯和甲苯混合物,对于二元混合物的分离,应采用常压下的连续精馏装置。该物系属于易分离物系,
13、最小回流比较小,操作回流比取最小回流比的1.5倍,塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐,塔顶采用全凝器。第一章 塔的工艺设计1.1基础物性数据(1) 常压下,苯甲苯的汽液平衡数据温度液相中苯的摩尔分数x气象中苯的摩尔分数y温度液相中苯的摩尔分数x气象中苯的摩尔分数y110.560091.40.50.713109.910.010.02590.110.550.755108.790.030.071188.80.60.791107.610.050.11287.630.650.825105.050.10.20886.520.70.857102.790.150.29485.440.750.885
14、100.750.20.37284.40.80.91298.840.250.44283.330.850.93697.130.30.50782.250.90.95995.580.350.56681.110.950.9894.090.40.61980.660.970.98592.690.450.66780.210.990.9961(3)饱和蒸汽压Po Antoine方程 ABC苯6.0231206.35220.24甲苯6.0781343.94219.58(4)苯-甲苯的液相密度温度8090100110120苯815803.9792.5780.3768.9甲苯810800.2790.3780.3770
15、.0(5)液体表面张力温度8090100110120苯21.2720.0618.8517.6616.49甲苯31.6920.5919.9418.4117.31(6)液体表面粘度温度8090100110120苯0.3080.2790.2550.2330.215甲苯0.3110.2860.2640.2540.228(7)液体的汽化热温度8090100110120苯394.1386.9379.3371.5363.2甲苯379.9373.8367.6361.2354.61.2精馏塔的物料衡算1.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数(1)苯的摩尔质量:甲苯的摩尔质量:= (2) 原料液及塔顶、塔底产品
16、的平均摩尔质量:(3) 物料衡算 原料处理量 : 总物料衡算: 即 (1) 易挥发组分物料衡算: 即 (2)解得: D= W= 1.2.2平衡线方程的确定由文献中苯与甲苯的汽-液平衡组成可以找出算出。同理可算出其它的编号数值编号数值12.538462132.521322.474863142.523132.396396152.538542.363636162.568452.359773172.565262.369427182.590972.376344192.580982.399594202.598992.421988212.5789102.437008222.0309112.448115232
17、.5799122.484321所以 所以平衡线方程1.2.3进料热状况q的确定由文献中苯甲苯混合液t-x-y图可知,进料组成时,溶液的泡点为96,平均温度=由文献液体的比热容查得:苯和甲苯的比热容为1.82kJ/(kg)故原料液的平均比热容为 kJ/(kg)用内插法计算操作条件下,苯和甲苯的汽化热由表7可知:设苯和甲苯的汽化热分别为X,YkJ/kg 对于苯:解得: 苯的汽化热为382.34 kJ/kg同理: 甲苯的汽化热为370.08 kJ/kg 所以 kJ/kg所以 所以q线方程为:1.2.4操作回流比R的确定联立: 解得: 所以 1.2.5求精馏塔的气液相负荷 1.2.6操作线方程精馏段操
18、作线方程为:提馏段操作线方程为:1.2.7用逐板法算理论板数同理可算出如下值:所以总理论板数为16块(包括再沸器),第9块板上进料。1.2.8.实际板数的求取由苯与甲苯不同温度下的平衡组成作出其二元液相图。由图可知35对应的温度为塔底温度,查得为。塔顶的温度为,这样,平均塔温为。由经验式查式中,查文献在 苯的粘度:;甲苯的粘度:。加料液体的平均粘度:。精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 所以精馏塔的总实际塔板数为1.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1.3.1进料温度的计算查苯甲苯的气液平衡数据文献,可知 精馏段平均温度: 提馏段平均温度: 1.3.2 操作压强塔顶压强 =101.33k
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