苯甲苯工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè)引言1.1 塔設(shè)備的分類(lèi)塔設(shè)備是能夠?qū)崿F(xiàn)蒸餾的氣液傳質(zhì)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、石油等工業(yè)中，其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射的方式穿過(guò)板上的液層，進(jìn)行傳質(zhì)于傳熱。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬于逐級(jí)接觸逆流操作過(guò)程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上( 有時(shí)也采用并流向下)流動(dòng)，氣體兩相密切接觸進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)。在正常操作過(guò)程中，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，屬于微分接觸逆流操作過(guò)程。1.2 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度。即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而達(dá)到分離的目的。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在化工生產(chǎn)中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面，都有非常重大的影響。1.3 設(shè)計(jì)條件進(jìn)料量每小時(shí) 160 千摩爾，原料中含苯 55%（摩爾分率） ，以沸點(diǎn)狀態(tài)送入塔內(nèi)。要求塔頂餾出物含苯 96%（摩爾分率） ，塔釜?dú)堃褐泻讲淮笥?%，操作回流比取最小回流比的 2.5 倍。1.4 問(wèn)題研究本設(shè)計(jì)是針對(duì)苯甲苯的分離而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的塔設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)條件以及給出的數(shù)據(jù)描述出塔溫度的分布，求得最小回流比以及塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度、塔釜的相對(duì)揮發(fā)度、全塔平均相對(duì)揮發(fā)度，又根據(jù)物料平衡公式分別計(jì)算出精餾段和提餾段的汽、液兩相的流量。之后，計(jì)算塔板數(shù)、塔徑等。根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了塔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。計(jì)算和設(shè)計(jì)這些之后進(jìn)行了有關(guān)的力學(xué)性能計(jì)算和一系列的校核。2板式塔的設(shè)計(jì)2.1 工業(yè)生產(chǎn)對(duì)塔板的要求： 通過(guò)能力要大，即單位塔截面能處理的氣液流量大。 塔板效率要高。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè)塔板壓力降要低。 操作彈性要大。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。在這些要求中，對(duì)于要求產(chǎn)品純度高的分離操作，首先應(yīng)考慮高效率；對(duì)于處理量大的一般性分離（如原油蒸餾等），主要是考慮通過(guò)能力大。22 設(shè)計(jì)方案的確定22.1 裝置流程的確定精餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，再沸器，冷凝器，釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過(guò)程按操作方式不同，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾兩種流程。在本次的設(shè)計(jì)中，是為分離苯甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)該采用連續(xù)精餾流程。2.2.2 操作壓力的選擇蒸餾過(guò)程按操作壓力不同，可分為常壓蒸餾，減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般除熱敏性物系外，凡通過(guò)常壓 分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來(lái)的物系，都應(yīng)采用 常壓精餾。根據(jù)本次任務(wù)的生產(chǎn)要求，應(yīng)采用常壓精餾操作。2.23 進(jìn)料熱狀況的選擇蒸餾操作有五種進(jìn)料熱狀況，它的不同將影響塔內(nèi)各層塔板的汽、液相負(fù)荷。工業(yè)上多采用接近泡點(diǎn)的液體進(jìn)料和飽和液體進(jìn)料，通常用釜?dú)堃侯A(yù)熱原料。所以這次采用的是泡點(diǎn)進(jìn)料。2.2.4 加熱方式的選擇由于采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝氣冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻后送至儲(chǔ)罐。2.2.5 回流比的選擇回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇的原則是使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和最低。苯甲苯混合液是屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 2.0 倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。3 工藝流程圖板式塔主要由筒體、封頭、塔內(nèi)構(gòu)件（包括塔板、降液管和受液盤(pán)） 、人孔、西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè)進(jìn)出口管和群座等組成。按照塔內(nèi)氣、液流動(dòng)的方式，可將塔板分為錯(cuò)流與逆流塔板兩類(lèi)。工業(yè)應(yīng)用以錯(cuò)流式塔板為主，常用的由泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等。此次設(shè)計(jì)按照要求選用篩板塔來(lái)分離苯-甲苯系。4工藝計(jì)算及主體設(shè)備的計(jì)算4.1 精餾塔的物料衡算 進(jìn)料量每小時(shí) 160 千摩爾，原料中含苯 55%（摩爾分率） ，以沸點(diǎn)狀態(tài)送入塔內(nèi)。要求塔頂餾出物含苯 96%（摩爾分率） ，塔釜?dú)堃褐泻讲淮笥?%，操作回流比取最小回流比的 2.5 倍。苯的摩爾質(zhì)量=78.11 kg/kmol甲苯的摩爾質(zhì)量=93.13 kg/kmol原料處理量 F=160 kmol/h進(jìn)料苯的摩爾分率 =0.55Fx塔頂苯的摩爾分率 =0.96D塔頂易揮發(fā)組分的回收率 =94%西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè)總物料衡算：F = D + W 易揮發(fā)（苯）組分衡算： FWxx塔頂易揮發(fā)組分（苯）的回收率：= D10%Fx聯(lián)立解得 9460.5/86.2/Dmolholh108.273./Wl.90.718Fx4.2 塔板數(shù)的確定4.2.1 理論板層數(shù) 的求取TN苯-甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。 由手冊(cè)查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出 x-y 圖，見(jiàn)圖 1。 求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖 1 中對(duì)角線上，自點(diǎn) e（0.55，0.55）作垂線ef 即為進(jìn)料線(q 線)，該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 = 0.75 = 0.55qyqx故最小回流比為R =min0.96751.0Dqyx取操作回流比為R=2 =2 1.05=2.1求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 2.186.02/LRDmolh()()67./Vl西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè)18.026341.02/LFmolh7/Volh求操作線方程精餾段操作線方程 18.026.09.670.317DLyxxxV提留段操作線方程 34.3.8 .2.96262W圖解法求理論塔板數(shù)采用圖解法求理論塔板數(shù)，如圖 1 所示。求解結(jié)果為：總理論板層數(shù) N = 10.5(包括再沸器)T進(jìn)料板位置 N = 5圖 1 圖解法求理論板層數(shù)4.2.2 實(shí)際板層數(shù)的求解精餾段實(shí)際板層數(shù)西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè)N = 精 47.6980.52提留段實(shí)際板層數(shù)N =提 .1.34.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算4.3.1 操作壓力的計(jì)算設(shè)塔頂表壓 P 表 = 4 kPa塔頂操作壓力 P D = 101.3 + 4 =105.3 kPa每層塔板壓降 P = 0.7 kPa進(jìn)料板壓力 P F = kPa105.37810.9精餾段的平均壓力 kPa.2m4.3.2 操作溫度計(jì)算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸氣壓由 安托尼方程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。計(jì)算結(jié)果如下： 塔頂溫度 t D82.1 進(jìn)料板溫度 t =泡點(diǎn)溫度F確定在 110.9kPa 下溶液的泡點(diǎn)需采用試差法。經(jīng)過(guò)幾次試差后，得到泡點(diǎn) t = 92 進(jìn)料板溫度 t = 92F精餾段平均溫度 t （82.l92）/2 = 87.05m4.3.3 平衡摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由 x = y = 0.96, 查平衡曲線（見(jiàn)圖 1），得 D1x = 0.889M = 0.96 78.11 + (1-0.96) 92.13 = 78.67kg/kmolVDmM =0.889 78.11 + (1-0.889) 92.13 = 79.67kg/kmolL西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè)進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由圖解理論板(見(jiàn)圖 1)，得y = 0.702F查平衡曲線 （見(jiàn)圖 1），得x = 0.495FM = 0.702 78.11 + (1-0.702) 92.13 =82.29kg/kmolVmM =0.495 78.11 + (1-0.495) 92.13 = 85.19kg/kmolLF精餾段平均摩爾質(zhì)量M = ( 78.67+82.29) /2 = 80.48kg/kmolVmM = (79.67 + 85.19) / 2 = 82.43kg/kmolL4.3.4 平均密度的計(jì)算氣相平均密度計(jì)算 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 = = = 2.91kg/mVmRTP108.4.3(7523.1)3液相平均密度計(jì)算 液相平均密度依下式計(jì)算，即 1iia塔頂液相平均密度的計(jì)算 由 t 82.1，查手冊(cè)得 D= 812.7 kg/m = 807.9 kg/mA3B3= =812.5kg/mLDm1(0.96/82.704/8.9)3進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算 由 tF92，查手冊(cè)得 = 734.1kg/m = 734.3 kg/mA3B3西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè)進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率a = = 0.454A0.49578.1. 2.34.6()3LFm精餾段液相平均密度為 =（812.5+734.2）/2 = 773.35kg/m 3Lm4.3.5 液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即 Lmix塔頂液相平均表面張力的計(jì)算 由 tD82.1，查手冊(cè)得 =21.24 mN/m =21.42 mN/mAB= 0.96 0.04 21.42 = 21.25mN/mLDm24.1進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算 由 tF92，查手冊(cè)得=19.82mN/m =20.61mN/mAB0.4951.8205.61=20.mN/LFm精餾段液相平均表面張力為 =（21.25+20.22）/2 = 20.74mN/mLm4.3.6 液體平均粘度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即 lglgLmiix塔頂液相平均粘度的計(jì)算由 tD82.1，查手冊(cè)得=0.302 mPas =0.306 mPasAB= 0.96lg(0.302)+ (1-0.96)lg(0.306)lgLDm西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè)=0.302 mPasLDm進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由 tF92，查手冊(cè)得 A=0.276 mPas B =0.283 mPaslg= 0.495lg(0.276)+ (1-0.495)lg(0.283)LFm=0.280 mPas精餾段液相平均表面張力為= （0.302 +0.280）/2 = 0.291mPasLm4.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算4.4.1 塔徑計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為V = = sVmvM360327.80.42.5/3691msL = = sL 3.6/由 u = C maxV式中 C 由式 5-5 計(jì)算，其中的 由圖 5-1 查取，圖的橫坐標(biāo)為20( = ( = 0.0426hL2/1)V0.53601/273.5)9取板間距 H =0.40m，板上液層高度 h = 0.06m,則T LH - h = 0.40-0.06 = 0.34mL查圖 5-1 得，C = 0.07520C = C ( = 0.075( = 0.0755202.)L0.274)u = 0.0755 = 1.228 m/smax73.591西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè)取安全系數(shù)為 0.7，則空塔系數(shù)為u = 0.7 u = 0.7 1.228 = 0.860maxD = =Vs42.0531.7486m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D1.8 m 塔截面積為 A = D = 1.8 =2.543 mT4222實(shí)際空塔系數(shù)為u = .053.87/2s4.4.2 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為 Z 精 = （N 精 -1）H T = (8-1) 0.4=2.8m提餾段有效高度為 Z 提 = （N