苯—甲苯板式精餾塔的工藝設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計說明書苯甲苯板式精餾塔的工藝設(shè)計工藝計算書（精餾段部分）學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)專業(yè)設(shè)計者： 楊 錢 生班級：2007級07班學(xué)號：2007104407372010年7月1日（一） 設(shè)計題目設(shè)計一座苯-甲苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為99.1%的甲苯1.9×104t，塔頂餾出液中含甲苯不得高于2%，原料液中含甲苯38%（以上均為質(zhì)量分數(shù)）（二） 操作條件1. 塔頂壓力4kPa（表壓）。2. 進料熱狀態(tài)自選。3. 回流比自選。4. 塔底加熱蒸汽壓力0.5MPa（表壓）。5. 單板壓降0.7kPa。（三） 塔板類型篩板（四） 工作日每年300天，每天24小時連續(xù)運行

2、。（五） 廠址天津地區(qū)（六） 設(shè)計類容1. 精餾塔的物料衡算；2. 塔板數(shù)的確定；3. 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算;4. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算；5. 塔板主要工藝尺寸的計算；6. 塔板的流體力學(xué)驗算；7. 塔板負荷性能圖；8. 精餾塔接管尺寸計算；9. 繪制生產(chǎn)工藝流程圖；10. 繪制精餾塔設(shè)計條件圖；11. 繪制塔板施工圖（選作）；12. 對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論;（七） 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表1-1苯(A)-甲苯(B)飽和蒸氣壓（總壓1.013×105Pa）溫度/859095100105pA*/105Pa1.1691.3351.5571.7922.042PB*/10

3、5Pa0.4600.5400.6330.7430.860表1-2 苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)x00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.8301y00.1280.3040.4530.5960.7200.8300.9431表1-3 苯-甲苯部分溫度下的密度溫度/81.091.4815.9803.5808.88798.6設(shè)計計算設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為分離苯-甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，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

4、物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比去最小回流比的倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。1. 精餾塔的物料衡算a) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量MA=78.11kg/kmol甲苯的摩爾質(zhì)量MB=92.13kg/kmolb) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.658×78.11+(1-0.658)92.13=82.90kg/kmolMF=0.983×78.11+(1-0.983)92.13=78.59kg/kmolMF=0.012×78.11+(1-0.012)92.13=91.96kg/kmolc) 物料衡算原料

5、處理量總物料衡算31.83=D+W苯物料衡算31.83×0.658=0.983D+0.011W聯(lián)立解得D=21.19kmol/hW=10.64kmol/h2. 塔板數(shù)的確定a)理論板層數(shù)NT的求取苯-甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。i. 由手冊查得苯-甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)表1-2，繪出x-y圖，如圖1-1。ii. 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1-1中對角線上，自e(0.658,0.658)作垂線ef即為進料線(q線)，該線與平衡線的交點坐標(biāo)為xq=0.658yq=0.828故最小回流比為取操作回流比為R=2Rmin=2×0.91=1.8

6、2iii. 求精餾塔的氣、液相負荷L=RD=1.82×21.19=38.57kmol/hV=(R+1)D=(1.82+1)21.19=59.76kmol/hL=L+F=38.57+31.83=70.40kmol/hV=V=59.76kmol/hiv. 求操作線方程精餾段操作線方程為提餾段操作線方程為v. 圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論塔板層數(shù)，如圖1-1所示。求解結(jié)果為總理論板層數(shù)NT=14(包括再沸器)進料板位置NF=6b) 實際塔板數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù)N精=5/0.52=9.610提餾段實際板層數(shù)N提=9/0.52=17.3183. 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算以

7、徑流段為例進行計算a) 操作壓力計算塔頂操作壓力PD=101.3+4=105.3kPa每層塔板壓降P =0.7kPa進料板壓力PF=105.3+0.7×10=112.3kPa精餾段平均壓力Pm=(105.3+112.3)/2=108.8kPab) 操作溫度計算依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯甲苯的飽和蒸氣壓由安東尼方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下：塔頂溫度tD=81.0進料板溫度tF=91.4精餾段平均溫度tm=(81.0+91.4)/2=86.2c) 平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由xD=y1=0.983,查平衡曲線（見圖1-1），得x1=0.955MV

8、Dm=0.983×78.11+(1-0.983)92.13=78.34kg/kmolMLDm=0.955×78.11+(1-0.955)92.13=78.74kg/kmol進料平均摩爾質(zhì)量計算由圖解理論板（見圖1-1），得yF=0.808查平衡曲線（見圖1-1），得xF=0.630MVFm=0.808×78.11+(1-0.808)92.13=80.80kg/kmolMLFm=0.630×78.11+(1-0.630)92.13=83.30kg/kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量MVm=（78.34+80.80）/2=79.57kg/kmolMLm=（78.74

9、+83.30）/2=81.02kg/kmold) 平均密度計算i. 氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即ii. 液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即塔頂液相平均密度的計算由tD=81.0,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 有機卷1”P305得進料板液相平均密度的計算由tF=91.4,查手冊得進料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度為e) 液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即塔頂液相平均表面張力的計算由tD=81.0,查手冊得進料板液相平均表面張力的計算由tF=91.4,查手冊得精餾段液相平均表面張力為f) 液體平均粘度計算液相平均粘度依下式計算，即塔頂液相平均粘度的計算由tD=

10、81.0,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 有機卷1”P303得進料板液相平均粘度的計算由tF=91.4,查“化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 有機卷1”P303得精餾段液相平均粘度為4. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算a) 塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為由 式中計算，其中的C20由“史密斯關(guān)聯(lián)圖”查取，圖的橫坐標(biāo)為取板間距HT=0.40m,板上液層高度hL=0.04m,則HT-hL4=0.36m查“史密斯關(guān)聯(lián)圖”得C20=0.073取安全系數(shù)為0. 6，則空塔氣速為u=0.6umax=0.6×1.235=0.887m/s按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D=1.0m塔截面積為實際空塔氣速為b) 精餾塔有效高度的計算精

11、餾段有效高度為Z精=(N精-1)HT=(10-1)×0.40=3.6m提餾段有效高度為Z提=(N提-1)HT=(18-1)×0.40=6.8m在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=11.2m5. 塔板主要工藝尺寸的計算a) 溢流裝置計算因塔徑D=1m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：i. 堰長lW取lW=0.66D=0.66×1.0=0.66mii. 溢流堰高度hW由hW=hL-hOW選用平直堰，堰上液層高度近似取E=1,則取板上清液層高度hL=40mm故hW=0.04-0.0094=0.031mi

12、ii. 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 查“弓形降液管的參數(shù)圖”，得故Af=0.0722AT=0.0722×0.503=0.0363m2Wd=0.124D=0.124×1.0=0.124m依式驗算液體在降液管中停留時間，即故降液管設(shè)計合理。iv. 降液管底隙高度h0取u0=0.08m/s則hw-h0=0.051-0.031=0.0097m>0.006m故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度hw=50mm。b) 塔板布置i. 塔板的分塊因D800mm，故塔板采用分塊式。查“塔板分塊數(shù)表”得，塔板分為3塊。ii. 邊緣區(qū)寬度的確定取Ws=Ws=0.065m，Wc

13、=0.035m。iii. 開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積其中故iv. 篩孔計算及其排列本題所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑d0=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為t=3d0=3×5=15mm篩孔數(shù)目n為開孔率為6. 塔板的流體力學(xué)驗算a) 塔板壓降i. 干板阻力hc計算干板阻力hc由式計算，由，查“干篩孔的流量系數(shù)圖”得，c0=0.772故ii. 氣體通過液層的阻力hl計算氣體通過液層的阻力h1由式計算查“充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖”，得0.57故iii. 液體表面張力的阻力計算表面張力所產(chǎn)生的阻力由式計算氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算氣體通過每層塔板的壓降為b) 液

14、面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。c) 液沫夾帶液沫夾帶量由式計算故故在本設(shè)計中液沫夾帶量eV在允許范圍內(nèi)。d) 漏液對篩板塔，漏液點氣速u0,min可如下計算 實際孔速u0=8.52m/s>u0,min穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計中無明顯漏液。e) 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)有苯-甲苯物系屬一般物系，取，則而板上不設(shè)進口堰，hd可由式計算，即Hd=0.047+0.40+0.001=0.088m液柱故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。7. 塔板負荷性能圖a) 漏液線由得整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于下

15、表。Ls，m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs，m3/s0.2800.2910.3050.317由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。b) 液沫夾帶線以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下:由故整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于下表。Ls，m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs，m3/s1.4461.3841.3041.236由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2c) 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度hOW=0.006m作為最小液體負荷標(biāo)準(zhǔn)，則=0.006取E=1，則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限

16、線3。d) 液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限，則故據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上線線4e) 液泛線令由聯(lián)立得忽略，將與LS，與LS，與VS的關(guān)系式帶入上式，并整理得式中將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得故或在操作范圍內(nèi)，任取幾個LS值，依上式計算出VS值，計算結(jié)果列于下表。Ls，m3/s0.00060.00150.00300.0045Vs，m3/s1.2261.1871.1201.040由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如下。在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。并可查得Vs

17、,max=1.163m3/sVs,min=0.282m3/s故操作彈性為所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于下表。序號項目數(shù)值1平均溫度tm,86.22平均壓力Pm,kPa108.83氣相流量Vs,(m3/s)2.854液相流量Ls,(m3/s)808.65實際塔板數(shù)286有效段高度Z,m11.27塔徑D，m1.08板間距HT，m0.49溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長lW，m0.6612堰高hW，m0.03113板上液層高度hL，m0.0414堰上液層高度hOW，m0.009415降液管底隙高度h0，m0.02116安定區(qū)寬度WS，m0.06517邊緣區(qū)寬度WC，m0.03518開孔區(qū)面積Aa

18、，m20.53219篩孔直徑d0，m0.00520篩孔數(shù)目n273121孔中心距t，m0.01522開孔率，%10.123空塔氣速u，m/s0.58324篩孔氣速u0，m/s8.5225穩(wěn)定系數(shù)K1.6026每層塔板壓降Pp，Pa37127負荷上限液泛控制28負荷上限漏液控制29液沫夾帶eV，（kg液/kg氣）0.002730氣相負荷上限，m3/s1.16331氣相負荷下限，m3/s0.28232操作彈性4.1248. 精餾塔接管尺寸計算1.塔頂蒸汽出口管徑依據(jù)流速選取，但塔頂蒸汽出口流速與塔內(nèi)操作壓力有關(guān)，常壓可取1220m/s。2.回流液管徑回流量前已算出，回流液的流速范圍為0.20.5m/s；若用泵輸送回流液，流速可取12.5 m/s。3.加料管徑料液由高位槽自流，流速可取0.40.8 m/s；泵送時流速可取1.52.5m/s。4.料液排出管徑塔釜液出塔的流速可取0.51.0m/s。5.飽和蒸汽管徑蒸汽流速：<295kPa：2040 m/s；<785kPa：4060 m/s；>2950 kPa：80 m/s。9. 繪制生產(chǎn)工藝流程圖10. 繪制精餾塔設(shè)計條件圖11. 繪制塔板施工圖（選作）12. 對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討