用aspen對苯-甲苯分離浮閥板精餾塔進(jìn)行輔助設(shè)計

1、欽 州 學(xué) 院化 工 原 理 課 程 設(shè) 計 設(shè)計題目：用aspen對苯-甲苯分離浮閥板精餾塔進(jìn)行輔助設(shè)計 設(shè) 計 者： 羅書藝 學(xué) 號： 0911401227 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班 級： 化工本112班 指導(dǎo)教師： 郝媛媛 設(shè)計時間： 2014年5月25日2014年6月15日 課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目用aspen對苯-甲苯分離浮閥板精餾塔進(jìn)行輔助設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)1.原料名稱:苯-甲苯二元均相混合物；2.原料組成：含苯35%（質(zhì)量百分比）；3.產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品中苯含量不低于97%，塔釜中苯含量小于0.9%；4.生產(chǎn)能力：年處理量2.8萬噸/年；5.設(shè)備形式：浮閥塔；6.生產(chǎn)時間：3

2、00天/年，每天24h運行；7.進(jìn)料狀況：泡點進(jìn)料；8.操作壓力：常壓，泡點進(jìn)料，塔頂全凝器，單板壓降不大于0.7kPa；9.加熱蒸汽壓力：270.18kPa；10.公用工程水溫度：熱源為低壓飽和水蒸氣（120），冷源為當(dāng)?shù)厮J州地區(qū)25）。三、設(shè)計內(nèi)容1.設(shè)計方案的選定及流程說明；2.用Aspen Plus模擬計算，給出物料流程圖和物流表，計算總物料平衡和能量平衡；3.用Aspen Plus模擬精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算；4.塔板數(shù)的確定；5.精餾塔塔體工藝尺寸的計算；6.塔板主要工藝尺寸的計算；7.塔板的流體力學(xué)驗算；8.用Aspen Plus對換

3、熱器進(jìn)行模擬設(shè)計；9.繪制生產(chǎn)工藝流程圖（帶控制點、機(jī)繪，A2圖紙）；10.繪制板式精餾塔的總裝置圖（包括部分構(gòu)件，A1圖紙）；四、設(shè)計要求1.工藝設(shè)計說明書一份2.工藝流程圖一張，主要設(shè)備總裝配圖一張（采用AutoCAD繪制）五、設(shè)計完成時間2014年5月25日2014年6月15日概述 本文采用aspen對苯-甲苯分離浮閥板精餾塔進(jìn)行輔助設(shè)計，對于該二元均相混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾過程。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點溫度后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操

4、作回流比取最小回流比的1.22倍，本設(shè)計規(guī)定回流比取最小回流比的1.7倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。此外，并對塔和換熱器的類型進(jìn)行了選取，并進(jìn)行相關(guān)工藝參數(shù)的確定。工藝流程確定及說明1. 塔板類型1）精餾塔的塔板類型有三種：泡罩塔板，篩孔塔板，浮閥塔板。浮閥塔板具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，造價低等優(yōu)點，且開孔率大，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，汽液接觸時間長，因此塔板效率高。2）本設(shè)計采用板式浮閥塔3）加料方式本精餾塔加料選擇泵接加料，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，而且可以引入自動控制系統(tǒng)來實時調(diào)節(jié)流量及流速。2. 進(jìn)料狀況 本精餾塔選擇泡點進(jìn)料，常溫原料經(jīng)換熱后進(jìn)料。3. 塔頂冷凝方式 苯

5、與甲苯不反應(yīng)，且容易冷凝，故本精餾塔塔頂選擇全凝器，可用水冷凝。4. 回流方式本設(shè)計處理量大，所需塔板數(shù)多，塔較高，回流冷凝器不適宜塔頂安裝，故采用強制回流。5. 操作壓力苯-甲苯在常壓下相對揮發(fā)度較大，因此在常壓下也比較容易分離，故本設(shè)計采用常壓精餾。目錄第1章 塔板的工藝設(shè)計1 第一節(jié) 精餾塔全塔物料衡算1 1.1.1設(shè)計要求及條件 1 1.1.2原料液級塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率1 1.1.3原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量1 1.1.4 物料衡算1 第二節(jié) 利用aspen模擬進(jìn)行塔工藝計算過程2 1.2.1確定進(jìn)料溫度2 1.2.2設(shè)計條件2 1.2.3繪制工藝流程草圖&#

6、160;2 1.2.4 苯-甲苯分離浮閥板精餾塔的簡捷計算3 1.2.5苯-甲苯分離浮閥板精餾塔的嚴(yán)格計算5 第三節(jié) 塔徑的初步計算11 1.3.1塔板基本參數(shù)的計算 11第2章 塔換熱器設(shè)計14 2.1原料預(yù)熱器設(shè)計14 2.1.1 進(jìn)料換熱器簡潔模塊的模擬：14 2.2 冷凝器的選擇16 2.3 再沸器的選擇17第3章 塔總體高度計算18 3.1 塔頂封頭18 3.2 塔頂空間18 3.3 塔底空間18 3.4 人孔18 3.5 進(jìn)料板處板間距18 3.6 裙座19第四章 苯甲苯浮閥塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總20 4.1苯甲苯浮閥塔的工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總20附表1：帶控制

7、點的總流程圖21參考文獻(xiàn)22化工學(xué)院化工原理設(shè)計第一章 塔板的工藝設(shè)計第一節(jié) 精餾塔全塔物料衡算1.1.1設(shè)計要求及條件：表1.1設(shè)計要求及條件：處理量（萬噸/年）XD(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)XF(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)XW(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)R/Rmin2.897350.91.71.1.2原料液級塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率已知苯的摩爾質(zhì)量 ，甲苯的摩爾質(zhì)量原料液組成XF (摩爾分?jǐn)?shù)，下同) 塔頂組成 塔底組成 1.1.3原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 1.1.4 物料衡算 一年以300天，一天以24小時計，計算可得進(jìn)料流率： 全塔物料衡算： 且 解得 D17.178kmol/h W27.687kmol/h

8、第二節(jié) 利用aspen模擬進(jìn)行塔工藝計算過程1.2.1確定進(jìn)料溫度 利用aspen繪制的苯-甲苯體系的T-x-y相圖，依據(jù)苯的進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，求得苯的泡點進(jìn)料溫度為90.3°C。圖1-1 利用aspen繪制的苯-甲苯體系的T-x-y相圖1.2.2設(shè)計條件 已知：有混合餾分，流率為3888.9kg/h，溫度25，壓力103kPa，經(jīng)過換熱器后溫度變?yōu)?0.3,進(jìn)入精餾塔。物性方法選擇NRTL方程。要求將苯-甲苯混合物中每個餾分中主要成分的塔頂產(chǎn)品苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.97，塔頂甲苯的含量不得高于0.009。 表1-1， 原料組成和基本物性處理量（萬噸/年）XD(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)XF(質(zhì)量分

9、數(shù)，%)XW(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)R/Rmin2.897350.91.71.2.3繪制工藝流程草圖  根據(jù)題目要求，繪制出工藝流程草圖如圖1-2圖1-2 全塔物料流程圖1.2.4 苯-甲苯分離浮閥板精餾塔的簡捷計算 DSTWU簡捷塔模塊的任務(wù)是從反應(yīng)混合物中從塔頂分苯。首先用簡捷計算方法求出完成指定分離任務(wù)需要的最小回流比、最小理論塔板數(shù)和進(jìn)料位置，為嚴(yán)格計算提供初值。圖1-3 苯-甲苯分離浮閥板精餾塔DSTWU簡捷塔模塊 點擊Model Library 橫條上的“Columns”。選擇“DSTWU”模塊，拖放到工藝流程圖窗口，用物流線與反應(yīng)器連接，并用物流線

10、連接精餾塔的兩出口。為便于閱讀，對精餾塔的兩出口物流更改名稱。 點擊“Next”按鈕，進(jìn)行化學(xué)組分的定義。點擊“Find”，在彈出的對話框的“Component name or”欄中填入組分名稱“benze-01”然后點擊“Find now”然后點擊“Add”。以此類推，定義苯、甲苯組分。 點擊“Next”按鈕，選擇熱力學(xué)方法。在Global 頁的“Property method”下拉框中選上“NRTL”。 點擊“Next”按鈕，點擊“OK”，進(jìn)行流股信息的設(shè)置，把題目給定的進(jìn)料物流信息填入對應(yīng)欄目中。 點擊“Next”按鈕，出現(xiàn)精餾塔的簡捷計

11、算設(shè)置窗口。填入R/Rmin比值為1.7，塔頂、底壓力分別是1bar和1.08bar；苯和甲苯為輕、重關(guān)鍵組分，塔頂苯和甲苯的回收率分別為0.97和0.009。至此“DSTWU”B2 模塊設(shè)置結(jié)束，點擊“Next”按鈕，運行計算程序，顯示計算收斂。在“Blocks-Results” 子目錄窗口的“Summary”頁面，可看到完成指定分離任務(wù)，精餾塔簡捷計算的結(jié)果。可見最小回流比1.71，最小理論塔板數(shù)9.278，回流比2時的實際塔板數(shù)19.8，對應(yīng)的進(jìn)料位置11.95；精餾塔的頂、底溫度分別為79.98和112.078。 在“Blocks-Stream Resul

12、ts” 子目錄窗口的“Material”頁面，可看到精餾塔進(jìn)、出口物流各組分的流率、組成和多種物性。塔頂苯的流率16.902kg/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.985，塔底甲苯的流率為27.187kg/h，純度達(dá)0.992，滿足分離要求。1.2.5苯-甲苯分離浮閥板精餾塔的嚴(yán)格計算 點擊Model Library 橫條上的“Columns”。選擇“Radfrac”模塊，拖放到工藝流程圖窗口，用物流線連接精餾塔的進(jìn)、出口。為便于閱讀，對精餾塔的進(jìn)、出口物流更改名稱。 圖1-4 嚴(yán)格塔模型雙擊“Radfrac”模塊，出現(xiàn)精餾塔嚴(yán)格計算的子目錄設(shè)置窗口。在 “C

13、onfiguration”頁面，把簡捷計算結(jié)果填入相應(yīng)的空格內(nèi)，如下圖所示。 在“Streams”頁面，填入進(jìn)料位置為12  在“Pressure”頁面，填入塔頂壓力和板壓降至此，精餾塔嚴(yán)格計算需要的信息已經(jīng)全部設(shè)置完畢。點擊“Next”按鈕，軟件詢問是否運行計算，點擊“確定”。在“Material”可以查看物料計算結(jié)果，塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到97.3%，塔底甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，達(dá)到題目的設(shè)計要求。在“Blocks-Results Summary” 子目錄窗口的“Summary”頁面，可看到精餾塔嚴(yán)格計算部分結(jié)果。在“View”欄中選擇 “Conden

14、ser/Top stage”，可看到塔頂?shù)挠嬎憬Y(jié)果，塔頂溫度為80.15°C，冷凝器負(fù)荷為-471.28KW。在“View”欄中選擇“Reboiler/Bottom stage”，可看到塔底的計算結(jié)果。塔釜再沸器的溫度為106.14°C，再沸器熱負(fù)荷為482.18KW。在“Blocks-Profiles” 子目錄窗口的“TPFQ”頁面，可看到精餾塔內(nèi)各板上的溫度分布和兩相流率分布。在hydraulic選項可以查看各個塔板上物料的氣液相密度、粘度、液相的表面張力等數(shù)據(jù)。利用“Plot”功能，可以用回流比和QB 數(shù)據(jù)作圖，直觀看到塔釜再沸

15、器熱負(fù)荷的分布?；亓鞅扰c塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3-1，可見當(dāng)回流比為3.6時，塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.97圖1-5 回流比與塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖 同理，對回流比和塔頂冷凝器熱負(fù)荷(QC)作圖，其線性變化如圖1-6 圖1-6 回流比和塔頂冷凝器熱負(fù)荷曲線圖 同樣方法定義塔釜再沸器熱負(fù)荷(QB)的變化 ，如圖1-7 圖1-7 回流比和塔釜再沸器熱負(fù)荷曲線圖查看運算結(jié)果，見表1-3，塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.973，塔底甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99，塔頂溫度為80.15度，塔釜溫度為106.16度。滿足題目分離要求。表1-3 精餾塔物料分離數(shù)據(jù)塔頂（苯）數(shù)據(jù)進(jìn)料數(shù)據(jù)塔釜（甲苯）數(shù)據(jù)Temperature C80

16、.152865190.7106.162218Pressure bar110.904Vapor Frac000Mole Flow kmol/hr17.494942644.858827127.3638846Mass Flow kg/hr1372.177443888.92516.72256Volume Flow cum/hr1.685314484.858171563.20453779Enthalpy Gcal/hr0.23526830.400414480.17452862Mass Frac BENZE-010.97326940.350.01017859 TOLUE-010.02673060.650.

17、98982141Mole Flow kmol/hr BENZE-0117.096864417.42480570.32794127 TOLUE-010.3980781427.434021427.0359433Mole Frac BENZE-010.97724610.38843650.01198445 TOLUE-010.022753890.61156350.98801554第三節(jié) 塔徑的初步計算根據(jù)第二章工藝計算結(jié)果，對塔徑、塔內(nèi)件等進(jìn)行設(shè)備計算。Aspen Plus的“DSTWU”模塊不能進(jìn)行設(shè)備計算，只能用“Radfrac”模塊進(jìn)行設(shè)備計算。1.3.1塔板基本參數(shù)的計算 

18、Aspen plus不僅能對精餾塔的物料衡算進(jìn)行模擬計算，利用“Tray Sizing”功能還能對模型進(jìn)行塔盤以及塔板的流體力學(xué)驗算進(jìn)行設(shè)計計算。1） 塔盤參數(shù)的設(shè)計 該塔從塔頂分出苯餾分，因苯的 餾分流量小，氣相負(fù)荷小，塔徑小，采用單流型浮閥。 在“Tray Sizing”子目錄，再點擊“New”按鈕，創(chuàng)建一個塔板模擬對象，點擊“OK”。  在“Specification”頁面，根據(jù)表2-3 精餾塔的實際塔板數(shù)，扣去冷凝器和再沸器兩塊板，從第2 板到第19板計算塔板性質(zhì)。在下圖中，設(shè)置塔板間距0.6096m。 然后點擊運行

19、，觀察計算結(jié)果。在“Blocks-tray Sizing”子目錄的“Results”頁面?？梢圆榭此P直徑為1.27米，堰長為0.92米。 在“Profiles”頁面，列出了各塔板和降液管上的截面積數(shù)據(jù) 2）塔板的流體力學(xué)驗算核算“塔徑1.2707m”時的壓降。點擊“Blocks-Tray Rating”子目錄，再點擊“New”按鈕，創(chuàng)建一個塔板模擬對象，點擊“OK”。 在“Specs”頁面，填入“塔徑1.2707m”等數(shù)據(jù)。然后點擊運行，觀察計算結(jié)果。在“Blocks-B5-tray Rating”子目錄的“Results”頁面，可見塔徑1.2707 

20、m 時的最大液泛因子0.8001，全塔壓降69.4kPa，符合題目要求，同時列出了降液管的相關(guān)數(shù)據(jù)。在 “Profiles”頁面，可看到各板上液泛因子、降液管流速、降液管持液量、壓降等數(shù)據(jù)。 至此，塔設(shè)計的模擬已經(jīng)完成。第2章 塔換熱器設(shè)計2.1原料預(yù)熱器設(shè)計根據(jù)2.7 節(jié)工藝計算結(jié)果，對精餾塔的進(jìn)料前換熱器進(jìn)行設(shè)備設(shè)計計算，為一步嚴(yán)格計算提供數(shù)據(jù)。2.1.1 進(jìn)料換熱器簡潔模塊的模擬：在aspen工作界面選擇HEATX模塊，物流交換如下圖所示：圖2-1 原料進(jìn)料換熱器設(shè)計模塊1） 進(jìn)行冷凝器的簡捷計算。  首先添加換熱介質(zhì)水到計算系統(tǒng)中。添加進(jìn)口物流性

21、質(zhì)。加入塔頂進(jìn)入冷凝器蒸汽性質(zhì)。由“Streams- Specifications”中填寫如下數(shù)據(jù)：加入進(jìn)冷凝器冷凍水性質(zhì)。冷凍水流量暫時寫作5000kg/h，然后用 “Design-spec”功能求取準(zhǔn)確值。2）換熱器的嚴(yán)格計算在“Blocks-Setup”子目錄，有4 個頁面，只需要填寫“Specifications”頁面。規(guī)定進(jìn)料物流換熱后的溫度達(dá)到進(jìn)入精餾塔的溫度90.3。模擬計算運行并查看結(jié)果。在“Blocks-Thermal Results”子目錄有5 個頁面。在“Summry”頁面可看到兩流體進(jìn)、出口的性質(zhì)參數(shù)，其中高溫蒸汽出口溫

22、度變?yōu)?8.1。 在“Exchanger Details”頁面，可看到熱負(fù)荷139.68KW、需要的換熱面積125.66m2、傳熱系數(shù) 624.03kcal/ hr-sqm-k、傳熱溫差42.5等數(shù)據(jù)。 由上述結(jié)果給出熱負(fù)荷139.7KW、需要換熱面積125.66m2、總傳熱系數(shù)624.03 kcal/m2.k、傳熱溫差等42.5等數(shù)據(jù)，選擇浮頭式換熱器。2.2 冷凝器的選擇 根據(jù)aspen對精餾塔的嚴(yán)格計算，可知冷凝器負(fù)荷為-471.28KW，總傳熱系數(shù)取 出料液溫度 冷卻水 逆流操作，則 根據(jù)冷凝器負(fù)荷為-471.28KW，得：

23、傳熱面積： 取安全系數(shù)1.04，則所需傳熱面積 選擇浮頭式換熱器。2.3 再沸器的選擇 根據(jù)aspen的模擬結(jié)果可知，再沸器熱負(fù)荷為482.18KW。選用120飽和水蒸氣，總傳熱系數(shù)取 出料液溫度 水蒸氣溫度 逆流操作，則 再沸器熱負(fù)荷為482.18KW，根據(jù)全塔熱量衡算得： 傳熱面積： 取安全系數(shù)1.04，則所需傳熱面積 選擇浮頭式換熱器。第三章 塔總體高度計算 利用aspen的模擬自此已經(jīng)結(jié)束，綜合模擬數(shù)據(jù)，現(xiàn)在對塔的總體高度進(jìn)行計算，遵循下式計算：3.1 塔頂封頭本設(shè)計采用橢圓形封頭，由公稱直徑，內(nèi)表面積，容積。則封頭高度。3.2 塔頂空間設(shè)計中去塔頂間距，考慮到需要安裝除沫器，所以選取塔頂空間1.2m。3.3 塔底空間 塔底空間高度是指從塔底最下一層塔板到塔底封頭的底邊處的距離，取釜液停留時間為5min，取塔底液面至最下一層塔板之間距離為1.5m。則：3.4 人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于人進(jìn)出任何一層塔板。由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會使制造時塔體的彎曲度難以達(dá)到要求，