苯-甲苯填料精餾塔(南京工業(yè)大學(xué))

1、 南京工業(yè)大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 常壓苯甲苯分離填料精餾塔的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 葉建朋 班級(jí)、學(xué)號(hào)制藥1202、1302120228 指導(dǎo)教師姓名 居沈貴，王重慶課程設(shè)計(jì)時(shí)間2015 年 6 月22日-2015年 7 月 3 日 課程設(shè)計(jì)成績(jī)百分制 權(quán)重設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、計(jì)算書(shū)及設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，70%獨(dú)立工作能力、綜合能力、設(shè)計(jì)過(guò)程表現(xiàn)、設(shè)計(jì)答辯及回答問(wèn)題情況，30%設(shè)計(jì)最終成績(jī)（五級(jí)分制）指導(dǎo)教師簽字 生物與制藥工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)： 制藥工程 班級(jí)：制藥1202 姓名：葉建朋 設(shè)計(jì)日期：2015年 6月 22日至2015年 7月 3 日設(shè)計(jì)題目：常壓苯甲苯分離填料精餾塔的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)條件：體系：苯甲苯已知

2、：進(jìn)料量F=180kmol/h 進(jìn)料濃度ZF=0.3 （苯的摩爾分?jǐn)?shù)，下同） 進(jìn)料狀態(tài)：q1 操作條件：塔頂壓強(qiáng)為4 kPa(表壓)，單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水采用深井水，溫度t12；塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱 全塔效率ET = 52%分離要求： XD=0.99；XW=0.05；回流比R/Rmin =1.2。 指導(dǎo)教師: 居沈貴，王重慶 2015 年6月23日化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1、 設(shè)計(jì)條件與主要任務(wù)1.1 工藝條件：體系為苯甲苯二元混合物，采用連續(xù)精餾流程，填料塔，總板效率ET=52%；2.2 物料條件：冷液進(jìn)料，含量（苯的摩爾分率，下同），自選適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料壓力。1.3 操作條

3、件：塔頂壓強(qiáng)為4 kPa(表壓)，單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水采用深井水，溫度t12；塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱1.4 分離要求：塔頂產(chǎn)品XD=0.99；XW=0.05；回流比R/Rmin =1.2。2、設(shè)計(jì)其它要求其它要求詳見(jiàn)化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)。目錄前言.11、 設(shè)計(jì)方案的確定.22、 1.1、設(shè)計(jì)流程說(shuō)明.21.2、操作方案說(shuō)明.21.3、本設(shè)計(jì)中符號(hào)的說(shuō)明.32、 流程.5三、 精餾塔的物料衡算.53.1、物料衡算示意圖.53.2 平衡線(xiàn)方程.63.3 q線(xiàn)方程 .73.4回流比 .73.5 操作線(xiàn)方程.73.6 理論板數(shù)的計(jì)算.7四、塔的結(jié)構(gòu)計(jì)算.94.1平均分子量的計(jì)算

4、.94.1.1塔頂?shù)钠骄肿恿?94.1.2進(jìn)料板的平均分子量.9 4.1.3塔底的平均分子量.94.1.4精餾段、提餾段的平均分子量.94.2平均密度的計(jì)算.10 4.2.1液相平均密度.104.2.2汽相平均密度.104.3塔徑的計(jì)算.114.3.1精餾段塔徑.114.3.2提餾段塔徑.124.3.3 全塔塔徑.134.4填料層高度計(jì)算.134.5塔的總高度計(jì)算.13五、填料塔的流體力學(xué)性能.135.1壓降.135.2泛點(diǎn)氣速.135.3持液量.145.3.1精餾段.145.3.2提餾段.14六、填料塔的附件.14 6.1 筒體、法蘭、封頭和裙座.146.2 液體再分布裝置選擇.156.3

5、 填料支撐裝置選擇.156.4 除沫器選擇.156.5 液體噴淋裝置選擇.15七、輔助設(shè)備的選擇.157.1塔頂冷凝器的選擇.167.2塔底再沸器的選擇.157.3預(yù)熱器.177.4管道設(shè)計(jì)與選擇.187.5 泵.207.5.1 進(jìn)料泵7.5.2 回流泵.207.5.2 回流泵.21八、計(jì)算數(shù)據(jù)匯總表.21九、參考文獻(xiàn).2222常壓苯甲苯分離填料精餾塔的設(shè)計(jì)前言 精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工、煉油、石油化工等工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝達(dá)到輕重組分分離目的的方法。本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處理量的精餾塔，實(shí)現(xiàn)苯甲苯

6、的分離。苯是化工工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的重要基本原料，分子式C6H6，分子量 78.11，相對(duì)密度 0.8794g/cm3(20)。沸點(diǎn)80.1在常溫常壓下是無(wú)色透明的液體，并具強(qiáng)烈的特殊芳香氣味，有毒。苯遇熱、明火易燃燒、爆炸。常態(tài)下，苯的蒸氣密度為 2.77，蒸氣壓 13.33kPa(26.1 )。可用來(lái)制備染料、樹(shù)脂、農(nóng)藥、合成藥物、合成橡膠、合成纖維和洗滌劑等等；甲苯不僅是有機(jī)化工合成的優(yōu)良溶劑，而且可以合成異氰酸酯、甲酚等化工產(chǎn)品，其分子式CH3（C6H5），分子量 92.14，相對(duì)密度0.866g/cm3(20)。沸點(diǎn)110.63。在常溫下呈液體狀、無(wú)色、易燃?？梢杂脕?lái)制造三硝基甲苯、苯甲

7、酸、對(duì)苯二甲酸、防腐劑、泡沫塑料、合成纖維等。本次化工原理精餾塔的設(shè)計(jì)，目的在于綜合運(yùn)用知識(shí)，高效分離出易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯。本次設(shè)計(jì)選用填料精餾塔。而填料精餾塔相對(duì)于板式精餾塔有以下優(yōu)點(diǎn)：1、壓降非常小。氣相在填料中的液相膜表面進(jìn)行對(duì)流傳熱、傳質(zhì)，不存在塔板上清液層及篩孔的阻力。在正常情況下，規(guī)整填料的阻力只有相應(yīng)篩板塔阻力的1/51/6；2、熱、質(zhì)交換充分，分離效率高，使產(chǎn)品的提取率提高；3、操作彈性大，不產(chǎn)生液泛或漏液，所以負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以在30%110%，篩板塔的調(diào)節(jié)范圍在70%100%；4、液體滯留量少，啟動(dòng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快； 5、可節(jié)約能源。由于阻力

8、小，空氣進(jìn)塔壓力可降低0.07MPa左右，因而使空氣壓縮能耗減少6.5%左右；6、塔徑可以減小。此外，應(yīng)用規(guī)整填料后，由于當(dāng)量理論塔板的壓差減小，全精餾制氬可能實(shí)現(xiàn)，氬提取率提高10%15%。規(guī)整填料精餾塔一般分為35段填料層，每段之間有液體收集器和再分布器，傳統(tǒng)篩板塔的板間距為110160mm，而規(guī)整填料的等板高為250300mm，因此填料塔的高度會(huì)增加。1、 設(shè)計(jì)方案的確定本課程設(shè)計(jì)要求為：體系為苯甲苯混合物，采用連續(xù)精餾流程，填料塔，總板效率ET=52%；原料組成為冷液進(jìn)料，含量（苯的摩爾分率），選擇進(jìn)料壓力為常壓。塔頂采用全凝器，冷凝液在泡點(diǎn)下部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后

9、送儲(chǔ)罐；塔釜采用間接蒸汽加熱，塔釜產(chǎn)品冷卻后送儲(chǔ)罐。操作條件為：操作壓力：塔頂表壓4kPa；原料處理量F為180kmol/h、進(jìn)料溫度為80及操作回流比R為1.2，分離要求為：塔頂產(chǎn)品，塔釜產(chǎn)品。1.1、設(shè)計(jì)流程說(shuō)明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)品冷凝器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分汽化與與部分冷凝器進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過(guò)程中，熱能利用率很低，為此，在確定流程裝置時(shí)應(yīng)考慮余熱的利用，注意節(jié)能。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波動(dòng)的影響。塔頂冷凝裝置根據(jù)生

10、產(chǎn)狀況采用全凝器，以便于準(zhǔn)確地控制回流比。若后繼裝置使用氣態(tài)物料，則宜用全分凝器?？偠灾_定流程時(shí)要較全面，合理的兼顧設(shè)備，操作費(fèi)用操作控制及安全因素。1.2、操作方案說(shuō)明 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用冷液進(jìn)料。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝。冷凝器在泡點(diǎn)下一部分回流到塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲(chǔ)罐。該物系屬于易分離物系，操作回流比為1.2，塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻送到儲(chǔ)罐。1.3、本設(shè)計(jì)中符號(hào)的說(shuō)明英文字母含義單位A0篩孔面積m2Aa塔板開(kāi)孔面積m2Af降液管面積m2AT塔截面積m2C計(jì)算時(shí) umax 的負(fù)荷因數(shù)C0流量

11、系數(shù)D塔徑mN理論板數(shù)個(gè)E液流收縮系數(shù)ET全塔效率ev霧沫夾帶量kg 液/kg 氣F進(jìn)料流量kmol/hF0氣相動(dòng)能因數(shù)H板間距mmhc與干板壓降相當(dāng)液柱高度mh0進(jìn)口堰與降液管的水平距離mhl與氣流穿過(guò)液層的壓降相當(dāng)液柱高度mhf板上鼓泡層高度mhL板上液曾高度mhd與液體流經(jīng)降液管壓降相當(dāng)液柱高度mhw溢流堰長(zhǎng)度mWC無(wú)效區(qū)域?qū)挾萴ws安定區(qū)寬度mh0降液管底高度mh相克服表面張力壓降所當(dāng)高度mk篩板的穩(wěn)定系數(shù)L塔內(nèi)下降液體流量kmol/hlW溢流堰高度mLS下降液體流率m /sd0篩孔直徑mmNP實(shí)際塔板數(shù)個(gè)NT理論塔板數(shù)個(gè)n篩孔數(shù)個(gè)P操作壓強(qiáng)Pa 或 kPaP壓強(qiáng)降Pa 或 kPaq進(jìn)

12、料熱狀態(tài)承參數(shù)R回流比S直接蒸汽量kmol/ht篩孔中心距mmu空塔氣速m/su0篩孔氣速m/su0降液管底隙處液體流速m/show堰上液層高度mW釜?dú)堃毫髁縦mol/hWd弓形降液管高度mZ塔的有效高度m V氣相密度kg/m3希臘字母含義單位相對(duì)揮發(fā)度無(wú)因次液體表面張力mN/m篩板厚度mm粘度mPa.s干篩孔流量系數(shù)的修正系數(shù)無(wú)因次2、 流程 進(jìn)料泵將物料送至填料精餾塔進(jìn)行精餾操作，塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝以后，一部分作為進(jìn)行回流，另一部分作為塔頂產(chǎn)品冷凝后送至儲(chǔ)槽，塔釜采用間接蒸汽加熱。三、 精餾塔的物料衡算3.1、物料衡算示意圖 已知：，塔頂產(chǎn)品，塔釜產(chǎn)品，F(xiàn)=180kmol/h總物料

13、： F = D + W 易揮發(fā)組分： FxF = DxD + WxW DXD/FXF= 解得： D=47.87（kmol/h） W=132.13（kmol/h） Xw=0.053.2 平衡線(xiàn)方程計(jì)算每一點(diǎn)的，列表，取平均值由a =計(jì)算的=2.50苯-甲苯體系平衡數(shù)據(jù)t/(x,y)苯(x,y)甲苯a（2.50）110.60,01.00, 1.00106.10.088, 0.2120.912, 0.7882.7882102.20.20, 0.370.8， 0.632.349298.60.30, 0.500.7， 0.52.333395.20.397, 0.6180.603， 0.3822.4573

14、92.10.489, 0.710.511， 0.292.558489.40.592, 0.7890.408， 0.2112.577186.80.7, 0.8530.3， 0.1472.486984.40.803, 0.9140.197 0.0862.607382.30.903, 0.9570.097 0.0432.390781.20.95, 0.9790.05 0.0212.453680.21.00, 1.000 0xyt/Xyt/00110.60.5920.78989.40.0880.212106.10.70.85386.80.200.37102.20.8030.91484.40.300.5

15、098.60.9030.95782.30.3970.61895.20.950.97981.20.4890.7192.11.001.0080.2平衡線(xiàn)方程：y=x/1+(-1)x y=2.50 x/(1+1.50x) 3.3 q線(xiàn)方程泡點(diǎn)進(jìn)料：q=1 q線(xiàn)方程：x=0.3與平衡線(xiàn)交點(diǎn)（0.3,0.52）3.4回流比取Rmin 1.2 最小回流比Rmin回流比R=1.22.14=2.573.5 操作線(xiàn)方程精餾段操作線(xiàn)方程為: y=0.720x+0.277提餾段操作線(xiàn)方程為: y=1.773x-0.03873.6 理論板數(shù)的計(jì)算（逐板計(jì)算，寫(xiě)出過(guò)程）精餾段: 平衡線(xiàn)方程為： 操作線(xiàn)方程為: y=0.

16、720x+0.277 （X0=0.99，Y1=0.99）（X1=0.975,Y1=0.99）（X1=0.975，Y2=0.979）（X2=0.949,Y2=0.979）（X2=0.949,Y3=0.960）（X3=0.906,Y3=0.960）（X3=0.906,Y4=0.929）（X4=0.840,Y4=0.929）（X4=0.840,Y5=0.882）（X5=0.749,Y5=0.882）（X5=0.749,Y6=0.817）（X6=0.640,Y6=0.817）（X6=0.640,Y7=0.738）（X7=0.530,Y7=0.738）（X7=0.530,Y8=0.659）（X8=0.4

17、36,Y8=0.659）（X8=0.436,Y9=0.591）（X9=0.366,Y9=0.591）（X9=0.366,Y10=0.541）（X10=0.320,Y10=0.541）（X10=0.320,Y11=0.507）（X11=0.292,Y11=0.507）由于X5時(shí)首次出現(xiàn)XiVmin，符合要求。六 填料塔的附件 6.1 筒體、法蘭、封頭和裙座 筒體（不銹鋼）公稱(chēng)直徑DN=1.5m 1米高容積V=1.77 壁厚10mm 1米高筒節(jié)鋼板質(zhì)量372kg 1米高內(nèi)表面積F=4.71 法蘭（不銹鋼）公稱(chēng)直徑DN=1.5m 公稱(chēng)直徑PN=1.5mpa 型號(hào)為甲型JB4701平焊法蘭 封頭（不銹

18、鋼）公稱(chēng)直徑DN=1.5m 直邊高度40mm 質(zhì)量為709kg 壁厚10mm 裙座（圓柱形群座）塔體內(nèi)部直徑DN=1.5m 塔底部直徑DN=1.5m 6.2 液體再分布裝置選擇 錐形 錐體與塔壁夾角X=45 錐體下口直徑1.04m6.3 填料支撐裝置選擇 柵板6.4 除沫器選擇 折板除沫器6.5 液體噴淋裝置選擇 盤(pán)式分布器 篩孔式 篩孔直徑 直徑0.78m七、輔助設(shè)備的選擇 表2換熱器名稱(chēng)介質(zhì)溫度，進(jìn)出塔頂冷凝器殼程塔頂泡點(diǎn)80.3塔頂泡點(diǎn)80.3管程循環(huán)冷凝水2040塔底再沸器管程泡點(diǎn)98.6泡點(diǎn)+4=102.6殼程蒸汽常壓下查溫度，自定義130常壓下查溫度，自定義130預(yù)熱器管程16泡點(diǎn)

19、98.6殼程蒸汽常壓下查溫度，自定義120常壓下查溫度，自定義1207.1塔頂冷凝器的選擇查第四章傳熱表4-8（K值得大致范圍）：取總傳熱系數(shù)K= 840W/m2（苯）汽化潛熱r1 378kJ/kg （甲苯）汽化潛熱r2365kJ/kgrD=r1y1+r2(1-y1)=377.85 kJ/kgQ=(R+1)DrD =1403.57kJ/s由 ，計(jì)算可得 換熱器面積A=33.67 m2 選型：將計(jì)算出的換熱器面積作為公稱(chēng)面積，在附錄中選擇換熱器，并列出所選擇的換熱器的參數(shù)。(A-A)/A=20.3%，符合要求，即該換熱器適用于塔頂冷凝器。 表3塔頂冷凝器的主要參數(shù)外殼直徑D/mm公稱(chēng)壓強(qiáng)pg/(

20、kgf/cm2)公稱(chēng)面積A/m2管子排列方法管長(zhǎng)l/m管子外徑d0/mm管子總數(shù)N/根管程數(shù)殼程數(shù)4002540正三角形6258641冷凝水量：WC= Q/CP水=4.19(t水進(jìn)-t水出)= 60296.56kg/h一年的生產(chǎn)時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)年冷凝水用量：Wc*7200h=434135255.4kg=4.347.2塔底再沸器的選擇查第四章傳熱表4-8：取總傳熱系數(shù)K=1000 W/m2（苯）比熱c11.87kJ/kgK （甲苯）比熱c21.9kJ/kgK（苯）汽化潛熱r1378kJ/kg（甲苯）汽化潛熱r2365kJ/kg rW=r1*XW+r2*(1-XW)=365.65 kJ/kg平

21、均 =0.05*1.87+0.95*1.9kj/(kg.k)=1.8985kj/(kg.k)由 ，計(jì)算可得，換熱器面積A=54.64m2 =29.35Q=V*rW+ Vt = 5773262.409KJ/h選型：將計(jì)算出的換熱器面積作為公稱(chēng)面積，在附錄中選擇換熱器，并給出所選擇的換熱器的參數(shù)。表4 塔底再沸器的主要參數(shù)外殼直徑D/mm公稱(chēng)壓強(qiáng)pg/(kgf/cm2)公稱(chēng)面積A/m2管子排列方法管長(zhǎng)l/m管子外徑d0/mm管子總數(shù)N/根管程數(shù)殼程數(shù)6002560正三角形32526911換熱器實(shí)際面積 (A-A)/A=15.94%，符合要求，即流換熱器適合作為塔底再沸器水蒸氣用量WhQ/rh水蒸氣

22、2651.2kg/h一年的生產(chǎn)時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)年水蒸氣用量：Wh*7200h=19088670.71kg=1.917.3預(yù)熱器查第四章傳熱表4-8：取總傳熱系數(shù)K= 800W/m2（苯）比熱c11.87 kJ/kgK（甲苯）比熱c21.9kJ/kgK 平均 =0.292*1.87+0.708*1.9kj/(kg.k)=1.89kj/(kg.k)由 ，計(jì)算可得，換熱器面積A=17.08 m2 =52.25Q=Ft = 2569511.55 KJ/h選型：將計(jì)算出的換熱器面積作為公稱(chēng)面積，在化工原理附錄中選擇換熱器，并給出所選擇的換熱器的參數(shù)（如果列表，必須寫(xiě)出表頭）。表5預(yù)熱器的主要參數(shù)外殼

23、直徑D/mm公稱(chēng)壓強(qiáng)pg/(kgf/cm2)公稱(chēng)面積A/m2管子排列方法管長(zhǎng)l/m管子外徑d0/mm管子總數(shù)N/根管程數(shù)殼程數(shù)4002520正三角形3258641(A-A)/A=18.56%水蒸氣用量WhQ/rh水蒸氣=2205.21165.21kg/h一年的生產(chǎn)時(shí)間按7200小時(shí)計(jì)年水蒸氣用量：Wh*7200h=8389480.85kg7.4管道設(shè)計(jì)與選擇?。阂后w流速u(mài)L=2m/s常壓氣體u=20m/s公式：1. 塔頂回流管由，可得2. 塔頂蒸汽出口管由290mm=0.029m3. 塔頂產(chǎn)品出口管由28.8mm=0.0288m4. 進(jìn)料管由59mm=0.059m5. 塔釜出料管由78.5mm

24、=0.0785m6. 塔釜回流管由304mm=0.304m7. 塔釜產(chǎn)品出口管由52mm=0.052m表6管徑表管道名稱(chēng)規(guī)格塔頂回流管例如50*1.5塔頂蒸汽出口管325*15塔頂產(chǎn)品出口管32*1.5進(jìn)料管63.5*2.0塔釜出料管83*2.0塔釜回流管325*4塔釜產(chǎn)品出口管54*1.57.5 泵7.5.1 進(jìn)料泵 給出：流量F= 19.89m3/hr, d=59.5mm估計(jì)揚(yáng)程, 由，查圖表得=0.027由，計(jì)算的7mH=6.67+0.167+7=13.84m選擇IS65-50-125型號(hào)的泵，列出泵的參數(shù) 表7型油泵的性能參數(shù)流量/(m3/h)揚(yáng)程/m轉(zhuǎn)速/(r/min)氣蝕余量/m泵效率/%軸功率/kW252029002.0691.977.5.2 回流泵冷卻水泵：流量 103