分离苯～甲苯混合液的筛板塔工艺设计方案

1、化工基础课程设计-分离苯一甲苯混合液的筛板塔工艺设计枣庄学院化学化工与材料科学学院2009级本科三班1.2组指导老师：戎欠欠序言课程设计是“化工基础”的一个总结性教案环节，是培养学生综合运用本门课 程及有关先修课程的基本知识来解决某一设计任务的一次训练，在整个教案划 中它起着培养学生独立工作能力的重要作用。精馏是分离液体混合物 含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作， 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 中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气 相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精 馏操作可以是连

2、续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用恒沸精馏或萃取精馏 等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯混合液的筛板塔工艺设计，即需 设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式， 需设计一板式塔将其分离。目录第一章绪论11.1精馏塔简介11.2筛板塔的优缺点第二章设计方案的确定22.1任务书32.2设计方案的选定及基础数据的搜集 32.2.1确定设计方案的原则 32.2.1.1满足工艺和操作的要求32.2.1.2满足经济上的要求 42.2.1.3保证安全生产 42.2.2设计方案的选定42.2.3 基础数据的搜集第三章板式塔的工艺计算73.1板式塔的物料衡算 73.1.1原料

3、液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 73.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量及物料衡算 73.2塔板数的确定83.2.1理论板数的求取83.3全塔热量衡算第四章板式塔主要工艺尺寸的确定 124.1塔径的计算124.2溢流装置的设计134.3塔板设计134.4筛板的流体力学验算 15第五章 塔附件设计165.1筛板塔的附属设备165.1.1冷凝器的选择165.1.2再沸器的选择165.2进料管尺寸的确定 17第六章个人心得体会及改进意见17参考文献18第一章绪论1.1精馏塔简介在炼油、化工、医药等工业中，精馏操作是分离液体混合物的最常见手段，其 操作原理是利用液体混合物中各组分挥发度的不同，在

4、气液两相接触处时，易 挥发组分向气相传递，难挥发组分向液相传递，使混合物达到一定程度的分离 ，用以实现精馏操作的气液传质设备即精馏塔，其基本功能是提供气液两相充 分的接触机会，使物质和热量的传递充分有效的进行；在气液两相接触之后， 还使气液两相能及时分开，尽量减少相互夹带。常用的精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内装有若干层塔板，液体依 靠重力自上而下流过每层塔板；气体则依靠压强差的推动，自上而下穿过各层 塔板上的液层而流向塔顶，气液两相在塔内进行逐级接触。填料塔内则装有各 种形式的填料，气液两相沿塔做连续逆流接触，其传质和传质的场所为填料的 润湿表面。本设计任务为分离苯-甲苯混合液，对于

5、二元混合液的分离，应采用连续精馏流程。板式塔分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔，本工艺采用板式塔中的筛板塔。1.2筛板塔的优缺点筛板塔是在塔板上开有许多均匀分布的筛孔，上升气流通过筛孔分散成细小的 流股，在板上液层中鼓泡而出，与液体密切接触。筛孔在塔板上作正三角形排 列，其直径宜为38mm,孔心距与孔径之比在2.54.0范围内。塔板上设置溢流 堰以使板上维持一定厚度的液层。在正常操作范围内，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。液体通过降液管逐板流下。筛板塔的突出优点是结构简单，金属耗量小，造价低廉；气体压降小，板上液面落差也较小，其生产能力及板效率较泡罩塔高。主要缺点是操作弹性范围

6、较 窄，小孔筛板容易堵塞。近年来对大孔（直径10m m以上筛板的研究和应用有所 进展。大孔径筛板塔采用气、液错流方式，可以提高气速以及生产能力，而且 不易堵塞。第二章设计方案的确定2.1任务书一、设计任务试设计一座苯-甲苯连续筛板精馏塔，要求年产纯度不低于 99.5%的苯2万吨，塔顶馏出液中甲 苯含量不得超过0.5%，原料液中含苯50%以上均为质量分数）。二、设计条件1、连续操作、中间加料、泡点回流；2、操作压力：常压；3、进料状况：泡点；4、年生产日:330天；5、塔釜用间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为 0.2 0.4Mpa 自选）；6塔顶冷凝用冷却水的进，出口温度差为20 40C 注意考虑冬、

7、夏进口温度区别）；三、设计内容1、确定设计方案（精馏装置流程设计与论证，画出带基本控制点的工艺流程图；。2、板式塔的工艺计算(1确定塔顶，塔底产品的质量与流量;(2确定塔顶，塔底控制温度；(3根据组成确定进料温度、进料方程；(4求算最小回流比，确定操作回流比；(5求算理论板层数Nt，确定加料位置；(6求算塔内温度分布，确定灵敏板位置；(7确定实际板层数，实际加料板位置 进料管在同侧)和实际灵敏板位置；(8全塔热平衡，计算塔顶冷凝，冷却器热负荷及冷却水消耗量；塔底再沸器热负荷及加热蒸汽消耗量；决定是否对料液进行预热和有关热负荷的计算；3、板式塔主要工艺尺寸的确定：(1确定塔高、塔径；(2塔板设计

8、，计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学的校核计算；塔板结构设计；并画出塔的操作性能图；(3管路及附属设备的计算和选型；(4抄写说明书和绘图。2.2设计方案的选定及基础数据的搜集2.2.1确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低 消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：2.2.1.1满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而 需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一

9、定的操作弹性，各处流量 应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位 置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标 时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表（如温度计、压强计，流量计等 及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是 否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。221.2满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。例如在蒸馏过程中如果能适 当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多升蒸汽和冷却水，也能减少电能消 耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到 所需传

10、热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对 操作费和设备费也有很大影响。2.2.1.3保证安全生产例如苯属有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。2.2.2设计方案的选定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器 加热至泡点后

11、送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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。该物系属易分离 物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的 1.2倍。塔底设置再沸器 采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是 多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但 其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中将其热量作为低温 热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。下图是板式塔的简略图迖料rasF琴1T-T加热水蒸汽再沸器$冷凝水塔底产幷223基础数据的搜集表1苯和甲苯的物理性质工程分子式分

12、子量M沸点C)临界温度tc C 临界压强Pc8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/809801791780768表5液体粘度卩温度（C 8090100110120苯mP .s)0.3080.2790.2550.2330.215甲苯mP .s)0.3110.2860.2640.2540.228表6常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率气相中苯的摩尔分率Cxy110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.03

13、7.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.0第三章板式塔的工艺计算3.1板式塔的物料衡算3.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量甲苯的摩尔质量原料苯的

14、质量分数为50%-原料液中产品组成，摩尔分数;-塔顶产品组成，摩尔分数；-塔底产品组成，摩尔分数。3.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量及物料衡算苯年产量2Xl07kg得 F=599.3kmol/hW=275.8kmol/hD-塔顶液相产品，kmol/h ;W-塔底产品，kmol/h ;3.2塔板数的确定3.2.1理论板数 的求取苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数、由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出xy图，见下图图1苯一甲苯平衡曲线图、求最小回流比及操作回流比安托因常组 托因常数ABC苯6.0231206.35220.24甲苯6.0781343.94219.58温度/

15、C80.1859095154苯/凹101.33116.9135.5155.7630.275甲苯/td40.046.054.063.3302.371据安托因公式得苯与甲苯的相对挥发度为 2.084当泡点进料时q=1气液平衡方程为故最小回流比为取操作回流比为三、求精馏塔的气、液相负荷I I-=其中L-精馏段液相摩尔流量,kmol/h ；V-精馏段气相摩尔流量，kmol/h ；L-提留段液相摩尔流量，kmol/h ；V-提馏段气相摩尔流量,kmol/h。四、求操作线方程 精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为322实际板层数的求取当t=154C时，当 t=85C 时，得:实际板层数为47块，不包括再沸

16、器;实际进料板为第27块板。灵敏板图由上图得:理论灵敏板为第18块板则实际灵敏板为第32块板3.3全塔热量衡算塔顶比热容-摩尔气化热塔底比热容冷却介质消耗量全凝器的热负荷若再沸器的热损失忽略不计，即一！贝卩再沸器的热负荷1 x】厂加热介质消耗量r-加热蒸汽的汽化热第四章 板式塔主要工艺尺寸的确定4.1塔径的计算1、精馏段由史密斯关联图得：-1为液体表面张力时的气体负荷因子气相体积流量I实际气体负荷因子|，-液体的表面张力，-1按史密斯图求取可能的空塔气速设计气速 一 1则精馏塔塔径=I2、提馏段的平均温度为122 E塔间距 _J气体密度 II液体密度气体体积流量 同以上得圆整后进料板为第27块

17、板则塔高为=一所以要选择大塔径4.2溢流装置的设计双流型塔板的某些参数值如下：塔径为 2.4m时,塔截面积堰宽二X 1采用凹形受液盘弓形降液管的堰长1降液管面积 溢流堰堰上方液头高度由液体流率，二液流收缩系数。取降液管底隙高度 I般液体流经底隙的流速值不大于4.3塔板设计塔板布置分块式塔板，板厚受液区和降液区入口安定区和出口安定区一般取I边缘区一般取 III 有效传质区.F双流型塔板中心降液管宽度，_1有效传质区面积，筛孔排列，阀孔一般按等腰三角形叉排阀孔气速=阀孔直径 J阀孔数目相邻两排间的中心距亠同一排的阀孔中心距 塔板的开孔率 指阀孔总截面积与塔的截面积之比，即4.4筛板的流体力学验算塔

18、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，最后还要作出塔板负荷性能图。 液沫夹带量校核：为防止液沫夹带量过大，导致塔板效率过低，一般要求 I对双流型 塔上的截留面积 一= 泛点负荷因数查表得 .则泛点率塔板阻力的计算和校核：a. 本设计塔孔全打开，则干板阻力b. 塔板充气液层的阻力一I充气系数 一I则 Lmlc. 克服表面张力所造成的阻力-液体表面张力， I则塔板阻力I降液管液泛校核：对降液管液面1和下块塔板液流截面2列伯努利方程，即局部阻力系数 -I则降液管中清液注咼度 .K I实为所相当的清液注高度，且有为降液管中泡沫层的相对

19、密度，取降液管液泛校核条件合理液体在降液管中停留时间校核:根据经验，应使 不小于3-5s，则该停留时间合理漏液校核：般应使稳定系数|大于I第五章塔附件设计5.1筛板塔的附属设备5.1.1冷凝器的选择压力不大时选择卧式壳程冷凝器，传热系数 1设料液进出口温度差为45 C，冷却水进出口温度差为30 T截面积5.1.2再沸器的选择采用立式热虹吸再沸器传热系数 1截面积5.2进料管尺寸的确定进料流速丄二 密度 I质量流量则管径 第六章个人心得体会及改进意见课程设计是化工原理课程的一个总结性教案环节，是培养学生综合运 用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整 个教案计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要我们自己根据自己的设计任务来做 出决策，确定自己的方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要 对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案 和合理的设计。所以，课程设计对于培养我独立工作能力方面有很好的实践意 义。经过这将近两周的设计课程不仅是我们对于课本知识的一种检验，而且也 让我们学到了很多课本上没有的知识，并学会了自己动手思考解决问题的能力 。如我们的设计