精馏塔课程设计---苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计.doc

化工原理课程设计 -苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计专业年级 ： 化工系应用化工1101班姓 名 ： 颜新涛 （0901110105） 指导老师 ： 苏 明 阳 2012年12月 目录1、 序言-52、 板式精馏塔设计任务书- 6 1.1 设计方案的选用及基础数据的搜索- 61.2 精馏塔的物料衡算 -10 （1） 物料衡算-10 （2） 确定操作回流比-11 （3） 求操作线方程-11 （4） 逐板法求理论板-12 （5） 全塔效率的计算-13 （6） 实际塔板数 -13 1.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算-13 (1) 操作压力的计算-13 （2） 温度-14 （3） 平均分子量-14 （4） 平均密度-15 液相密度-15 气相密度-15 （5） 液体表面张力-16 （6） 液体黏度-16 （7） 气液负荷计算-16 1.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算-17 (1) 塔径-17 1.5 塔板主要工艺尺寸的计算-18 (1) 溢流装置-18 （2） 塔板布置-19 （3） 筛孔数与开孔率-19 （4） 塔有效高度-20 1.6 筛板的流体力学验算-20 （1） 气体通过筛板压降相当的液柱高度-20 （2） 雾沫夹带量的验算 -21 （3） 漏液的验算-21 （4） 液泛验算-22 1.7 塔板负荷性能图-22 （1） 雾沫夹带线-22 （2） 液泛线-24 （3） 液相负荷上限线-25 （4） 漏液线-25 （5） 液相负荷下限线-263、 筛板塔的工艺设计设计结果总表-274、 设计小结-295、 参考文献-29 一 序言 化工原理课程设计是综合运用化工原理、物理化学、化工制图等所学课程的知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学。是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起者培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力、思考问题能力和计算能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）中最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下，使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度不同，使易挥发组分有液相向气相转化，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中组分的分离。根据生产上的不同要求，可采用不同的精馏操作方式。本设计为苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即采用连续操作方式用精馏塔来扽李易挥发组分的苯和不易挥发的甲苯。 二 板式精馏塔设计任务书1、 设计题目苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计2、 设计内容及要求 设计方案及流程说明、塔和塔板主要工艺尺寸的设计、塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定、塔板的流体力学验算、塔板的负荷性能图。绘制塔设备结构图、采用绘图纸徒手绘制。三、设计计算1.1 设计方案的选定及基础数据的搜集 (1) 本设计任务为分离苯-甲苯混合物。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。其中回流比为最小回流比的2倍。塔顶设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送入储罐。其板式塔的简略图如下：(2) 已知参数苯-甲苯混合液处理量，3t/h；进料热状态，泡点进料；回流比为最小回流比的2倍塔顶压强4kPa(表压）;热源是低压饱和水蒸汽；单板压降为0.7KPa。 XF=0.45， XD=0.85， XW=0.04 ; =2.45(3) 基础数据如下。 表1苯-甲苯的物理性质 项目分子式相对分子质量Mr沸点/临界温度tc/临界压强pc/kPa苯78.1180.1288.56833.4甲苯92.13110.6318.574107.7 表2苯-甲苯的液相密度温度t/8090100110120/（kg/)815803.9792.5780.3768.9/（kg/)810800.2790.3780.3770.9 表3 液体表面张力温度t/8090100110120/(mN/m)21.2720.0618.8517.6616.49/(mN/m)21.6920.5919.9618.4117.31 表 4 常压下苯-甲苯的气液平衡数据 表 5 液体粘度 温度t/8090100110120/（mPaS）0.3080.2790.2550.2330.215/（mPaS）0.3110.2860.2640.2540.228 表 6 液体汽化热 温度t/8090100110120/（kJ/kg)394.1386.9379.3371.5363.2/（kJ/kg)379.9373.8367.6361.2354.6 1.2 精馏塔的物料衡算 （1） 物料衡算 已知=0.45;=0.85;XF=0.45，F=3t/h; 所以=0.45 X 78+0.55 X 92 =85.7F=3000/85.7=3.5 总物料衡算 D + W = F 苯物料衡算 FXF = D+W 联立 D = 17.7 W = 17.3 F- 原料液流量 D- 塔顶产品量 W- 塔底产品量 （2） 确定操作回流比 因为泡点进料，所以q = 1 ;所以= XF = 0.45 ； =0.67 = = 0.82 R =2 = 1.64 、-为q线与平衡线的交点坐标（3） 求操作线方程 精馏段操作方程为： = + = 0.621 +0.322 提馏段操作线方程为 ： = 1.37-0.0148 相平衡方程为： = （4） 逐板法求理论板：因为q=1 ，所以 =0.85用精馏段操作线和相平衡操作线逐板计算：= =0.698 =0.62+0.322=0.755 =0.557 =0.62+0.322=0.668 =0.451 =0.62+0.322=0.602 =0.382 XF = 0.45 =1.37-0.0148=0.508 故 精馏段理论板数 n = 3 用提留段操作线和相平衡操作线继续逐板计算： =0.297 =1.37-0.0148=0.392 =0.208 =1.37-0.0148=0.270 =0.131 =1.37-0.0148=0.164 =0.0741 =1.37-0.0148=0.0872 =0.0374 =0.04 所以提馏段理论塔板 n = 5（不包括釜）第4层为进料板。（5） 全塔效率的计算据塔顶、塔底液相组成查图，得塔平均温度为95.35，该温度下进料液相平均粘度为： =0.45+（1-0.45） = 0.45X0.266+0.55X0.274=0.2704（mPaS) =0.17-0.6160.2704=0.52=52 (6) 实际塔板数N 精馏段 N(精）=3/0.52=5.77 ； 取6层 提馏段 N（提）=5/0.52=9.6 ： 取10层 进料板在第7层1.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 依精馏段为例进行计算 (1) 操作压力 塔顶操作压力=4+101.3=105.3kPa 因为每层塔压降P=0.7kPa 则进料板压强 =105.3+6X0.7=109.5kPa 精馏段平均操作压强=107.4kPa(2) 温度 根据操作压强， 塔顶=81.27, 进料板=98.5, 精馏段平均温度t(精）=（81.27+98.5）/2 = 89.89 (3) 平均分子量 塔顶平均分子量计算： =0.698 = 0.85X78 +(1-0.85)X92 = 80.1 (kg/kmol) =0.698x78 + (1-0.698)X92 = 82.228 (kg/kmol) 进料板平均分子量计算： 由： =0.602 =0.382 =0.602X78 + (1-0.602) X92 = 83.572 (kg/kmol) =0.382X78 + (1-0.382) X92 = 86.36 (kg/kmol) 精馏段平均分子量计算： （精）= (kg/kmol) （精）= (kg/kmol) （4） 平均密度计算； 液相密度： 1/=/+/ (a 为质量分数） 塔顶： = ; 由表2 苯与甲苯的也想密度 得到 (kg/) : (kg/) 。所以塔顶液相平均密度 (kg/)进料板，由加料版液相组成 =0.385 所以= (kg/) (kg/) 所以 = =792.71 (kg/)故 : 精馏段平均液相密度（精）=802.87 (kg/) 气相密度=2.912 (kg/) (5) 液体表面张力 液体平均表面张力由= 计算： 因为=81.27,=98.5,查表计算得： （顶）=0.85X21.12+0.15X21.55=21.185 (mN/m) (进）=0.382X19.0132+0.618X20.038=19.646 (mN/m) 所以：精馏段平均表面张力为： （精）=20.416 (mN/m) （6） 液体黏度计算： 液体平均黏度由计算因为=81.27,=98.5,查表计算得： (顶）=0.85X0.304+0.15X0.308=0.305 (mPas) (进）=0.382X0.259+0.618X0.267=0.264 (mPas) 所以精馏段平均黏度（精）=（0.305+0.264）/2=0.285 (mPas) （7） 气液负荷计算： V=(R+1)D=(1.64+1)X17.7=46.728 (Kmol/h) = (/s) L=RD1.64X17.7=29.03 (kmol/h) (/s) 1.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算： （1）塔径的计算 表7 板间距与塔径的关系塔径/m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.42.4-4.0塔间距/m200-300250-350300-450350-600400-600初选板间距=0.04m，取板上液层高度=0.06m，故 - =0.40-0.06 = 0.34 m = 0.045查史密斯关联图 得=0.072 ; 依式C= ; 校正到物系表面张力为20.4mN/m时的C,即： C= = 0.0723 =C=1.197 (m/s)取安全系数为0.70，则 = 0.70=0.838 (m/s) D = = 0.971 (m) 按标准，塔径圆整为1.0m ,则空塔气速为0.79m/s.1.5 塔板主要工艺尺寸的计算： （1）溢流装置计算：采用单溢流、弓形降液管、平行受溢盘及平行流堰，不设进口堰。计算如下：溢流堰长,取堰长为0.66D,即 =0.66X1.0=0.66 m出口堰高 计算如下 =-由/D=0.66/1=0.66，/2.5=1.73 m ，查表3，知E为1.05，依式=0.013 （m) 所以=0.047 （m)降液管的宽度与降液管的面积: 由/D=0.66，查表6，得/D=0.124，/=0.0722故 =0.124D=0.124X1.0=0.124（m）=0.0722X=0.0722X0.785X1.0=0.0567（m)由式= = 13.34 (大于5S，符合要求）降液管底隙高度 ： 取液体通过降液管底隙的流速 为0.08 m/s , 计算降液管管底高度，即： =0.032 （m)（2）塔板布置取边缘区宽度=0.035 m，安定区宽度=0.065 m。依式=2 =D/2-(+)=1.0/2-(0.124+0.165)=0.311 (m) R=D/2-=1.0/2-0.035=0.465 (m)（3）筛孔数n与开孔率：取筛孔的孔径为5mm ，正三角形排列 ，一般碳钢的板率为3mm ，取t/=3.0故 孔中心距t=3.0X5.0=15.0 m筛孔数： n=1158X10/ tX=9453 (个）依式100%计算塔板上开孔区的开孔率，即 100%=10.1%（在5%-15%范围之间）每层塔板上的开孔面积 =0.101X0.532=0.537(m)气体通过筛孔的气速 =0.62/0.0537=3.6 (m/s)(4) 塔有效高度Z（精馏段） Z=(10-1)x0.4=3.6 (m)1.6 筛板的流体力学验算 塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要做出塔板负荷性能图。(1) 气体通过筛板压降相当的液柱高度计算依式 干板压降相当的液柱高度：依式/=5/3=1.67，查干筛孔的流量系数图得到：=0.84,由式 =0.051=0.051X=0.0351 (m) 气流穿过板上液层压降相当的液柱高度 计算如下： =0.852 （m/s) =0.852=1.46由与关联图查得，板上液层充气系数=0.61，依式 =（)=0.61X0.06=0.0366 (m) 克服液体表面张力压降相当的液柱高度： 依式 =0.00207 (m) 故 =0.0351+0.0366+0.00207=0.074 （mm) 则 单板压强=0.074 X 802.9 X 9.81Pa=580Pa0.7KPa（设计允许值）(2) 雾沫夹带量的验算： = =0.014kg液/kg气 1.5故 在设计负荷下不会产生过量漏液。（4） 液泛验算： 为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清夜层高度依式=， 而 由 =0.153 计算的=0.00099 （m) =0.074+0.06+0.0009=0.135 (m)取=0.5， 则=0.5（0.4+0.047）=0.223 （m)故 ,在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。1.8塔板负荷性能图（1） 雾沫夹带线 依式 = ， 式中 =1.373 =2.5=2.5近似取E1.0，=0.047 m ，=0.66 （m)故计算得到 =0.118+2.206取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知=20.41X10N/m , =0.4 m ,并将、代入式中得到： 0.1=经过整理得到 =1.29-10.09在操作范围内，任取几个值，依式 =1.29-10.09计算出相应的值列于表8中。 表8 及的取值（一） /（m/s)0.6X101.5X103.0X104.5X10/（m/s)1.211.761.081.02依表中数据在-图中做出雾沫夹带线如图2所示： 图2 精馏段负荷性能图 （2） 液泛线（见图2） 联立=， 得到 =近似取E1.0，=0.66 m ，由式=计算得 =0.8825由式 由式 =0.0915由式=和 =0.8825得到 =0.0282+0.5295因为 =0.00207 m故综合以上得： =0.303+0.0915=0.53由式 =0.153 得 =343将=0.4 m ,=0.047 m ,=0.5 , =0.8825, =0.303+0.0915=0.53 =343代入式子=和 中得： =1.6-15.44-3748.6在操作范围内取若干值，依上式计算值，列于表9中，依表9中数据作出液泛线，如图2所示。 表9及的取值（二）/（m/s)0.6X101.5X103.0X104.5X10/（m/s)1.481.391.251.10(3) 液相负荷上限线 （见图2）取液体在降液管中停留时间为4s ，则液相负荷上限线为： =0.0567（m/s)液相负荷上限线在-坐标图上为与气体流量无关的垂直线，如图2所示。（4） 漏液线（气相负荷上限线）由 =0.047+0.8825 , =代入漏液点气速式：=4.4得：=4.4X0.84 前已算出为0.0537m,代入上式并整理，得： =3.28此即气相负荷限关系式，在操作范围内任取n个值，依上式计算相应的V 值， 列于表10中，依表中数据作气相负荷下限线，如图2所示。 表10 及的取值（三）/（m/s)0.6X101.5X103.0X104.5X10/（m/s)1.481.391.251.10（5） 液相负荷下限线 （5）（见图2）取平堰、堰上液层高度=0.006 m 作为液相负荷下限条件，依式= ， 取E1.0 ,则=0.013 （m) 0.006=整理上式得 =5.61X10 (m/s) 依次值在-图上作线即为液相负荷下限线，如图2所示。将以上5条线标会于图2中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区域为精馏段塔板操作区，A线为操作线。A线与雾沫夹带线的交点相应气液负荷为，A线与漏液线的交点为相应气相负荷。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。 精馏段的操作弹性=3.273、 筛塔板的工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强Pkpa10.74 略 各段平均温度t89.89平均流量气相m/s 0.62液相m/s0.0017实际塔板数N 块6板间距Hm0.40 塔的有效高度Zm3.6塔径Dm1.0空塔流速um