化工原理课程设计方案苯甲苯板式精馏塔设计方案

1、化工原理课程设计- 苯-甲苯连续精馏板式塔的设计专业年级：11 级化工本 2姓名 ：申涛指导老师 ：代宏哲2018年 7月目录一序 言 3二板式精馏塔设计任务书4三设计计算 51.1 设计方案的选定及基础数据的搜集51.2 精馏塔的物料衡算71.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算121.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算161.5 塔板主要工艺尺寸的计算181.6 筛板的流体力学验算201.7 塔板负荷性能图23四 设计结果一览表29五 板式塔得结构与附属设备305.1 附件的计算 30接管 30冷凝器 32再沸器 325.2 板式塔结构 33六 参考书目35七 设计心得体会 35八附录36一

2、序言化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程<物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教案，是理论联系实际的桥梁，在整个教案中起着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，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）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<有时加质量剂），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

3、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，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡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-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏2/35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。二板式精馏塔设计任务书五一、设计题目苯 - 甲苯连续精馏筛板塔的设计。二、设计任务(1> x f: 0.35，x D: 0.98，xW: 0.05。(2> 处理量： 300kg/h 苯产品。三、操作条件(1> 精馏塔顶压强：常压(2&g

4、t;进料热状态： q=1.0，泡点进料(3> 回流比： R=(1.1-2.0> R min(4>单板压降压： 0.7kPa(5> 加热状态： 塔釜饱和蒸汽直接加热四、设计内容及要求(1> 设计方案的确定及流程说明(2> 塔的工艺计算(3> 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。(4> 编制设计结果概要或设计一览表(5> 辅助设备选型与计算(6> 绘制塔设备结构图：采用绘图纸徒手绘制五、时间及地点安排(1> 时间： 6 月 23 日至 7 月 4 日 (2> 地点：

5、榆林学院六、参考书目1 化工原理上下册2 化工原理课程设计3 化工原理设计手册三设计计算3/351.1 设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。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送人精馏塔内。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 1.1 倍。 塔釜饱和蒸汽直接加热 ，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

6、，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，在本次设计中设计把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。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为 3 8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：( > 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。(> 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。(> 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。(> 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是：(> 塔板安装的水平度

7、要求较高，否则气液接触不匀。(> 操作弹性较小 (约 23>。( > 小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图：4/35表 1苯和甲苯的物理性质工程分子式分子量 M沸点 <）临界温度临界压强t C<）PC<kPa）苯 AC6H678.1180.1288.56833.4甲苯 BC6H5 CH392.13110.6318.574107.7表 2苯和甲苯的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0， kPa40.046.054.063.374.386.0表 3常温下苯甲苯气

8、液平衡数据<2 ：例 11 附表 2）温度80.1859095100105液相中苯的摩尔分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130汽相中苯的摩尔分率1.0000.9000.7770.6300.4560.262表 4 纯组分的表面张力 (1：附录图 7>温度8090100110120苯， mN/m21.22018.817.516.2甲苯， Mn/m21.720.619.518.417.35/35表 5组分的液相密度(1 ：附录图 8>温度(>8090100110120苯 ,kg/814805791778763甲苯 ,kg/80980179178076

9、8表 6 液体粘度 <1 ：）温度 (>8090100110120苯 <mP .s ）0.3080.2790.2550.2330.215甲苯 <mP .s ）0.3110.2860.2640.2540.228表 7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xy110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940

10、.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.01.2 精馏塔的物料衡算<1）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量6/35<2）物料衡算原料处理量总物料衡算苯物料衡算联立解得式中 F-原料液流量D-塔顶产品量W-塔底产品量3塔板数的确定<1）理论板

11、层数 NT的 求 取苯一甲苯属理想物系，可采逐板计算求理论板层数。求最小回流比及操作回流比 。采用恩特伍德方程求最小回流比。解得，最小回流比取操作回流比为求精馏塔的气、液相负荷(泡点进料： q=1>求操作线方程精馏段操作线方程为7/35提馏段操作线方程为<3）逐板法求理论板又根据可解得=2.47相平衡方程解得变形得用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算= 0.983，=0.959，8/35，因为 ,故精馏段理论板n=5 ，用提留段操作线和相平衡方程继续逐板计算，因为，所以提留段理论板n=5< 不包括塔釜）（ 3）全塔效率的计算查温度组成图得到，塔顶温度 TD=80.94，塔釜

12、温度 TW=105，全塔平均温度 Tm =92.97。分别查得苯、甲苯在平均温度下的粘度9/35，平均粘度由公式，得全塔效率ET（ 4）求实际板数精馏段实际板层数提馏段实际板层数进料板在第 11 块板。1.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算<1）操作压力计算塔顶操作压力 P4+101.3 kPa每层塔板压降P0.7 kPa进料板压力 105.3+0.7 ×10 112.2 kPa塔底操作压力=119.3 kPa精馏段平均压力 Pm1<105.3+112.3）108.8 kPa2提馏段平均压力 Pm2 =<112.3+119.3 ）/2 =115.8 kPa&l

13、t;2）操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和10/35蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度进料板温度85.53 塔底温度=105.0 精馏段平均温度=< 80.9.+85.53）/2 = 83.24提馏段平均温度=<85.53+105.0）/2 =95.27 <3）平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由 xD=y1=0.957, 代入相平衡方程得 x1=0.959进料板平均摩尔质量计算由上面理论板的算法，得 0.877 ，0.742塔底平均摩尔质量计算由 xw=0.077, 由相平衡方程，得yw=0.17111

14、/35精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量（ 4） 平均密度计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即提馏段的平均气相密度液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由 t D80.94 ，查手册得塔顶液相的质量分率12/35进料板液相平均密度的计算由 t F85.53 ，查手册得进料板液相的质量分率塔底液相平均密度的计算由 t w 105.0 ，查手册得塔底液相的质量分率精馏段液相平均密度为提馏段液相平均密度为(5>液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算由t D80.94，查手册得13/35进料板液相平均

15、表面张力的计算由t F85.53，查手册得塔底液相平均表面张力的计算由t W105.0，查手册得精馏段液相平均表面张力为提馏段液相平均表面张力为(6>液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即Lm=xii塔顶液相平均粘度的计算由t D80.94，查手册得进料板液相平均粘度的计算由t F85.53，查手册得塔底液相平均粘度的计算由tw105.0，查手册得精馏段液相平均粘度为提馏段液相平均粘度为<7）气液负荷计算14/35精馏段：提馏段：1.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算(1> 塔径的计算塔板间距 HT 的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、

16、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取。表 7 板间距与塔径关系塔径 DT， m0.3 0.50.5 0.80.8 1.61.6 2.42.4 4.0板间距200300250 350300450350600400600HT，mm对精馏段：初选板间距，取板上液层高度，故；查史密斯关联图得 C20=0.070 ；依式校正物系表面张力为时0.070715/35可取安全系数为 0.7 ，则 <安全系数 0.6 0.8 ），故按标准 , 塔径圆整为 2.0m, 则空塔气速 0.66m/s 。对提馏段：初选板间距，取板上液层高度，故；0.0717查 2 ：图 3 8 得 C20=0.068 ；依式

17、=0.069校正物系表面张力为时按标准 , 塔径圆整为 2.0m, 则空塔气速 1.56m/s 。将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致，根据塔径的选择规定，对于相差不大的二塔径取二者中较大的，因此在设计塔的时候塔径取2.0m。1.5 塔板主要工艺尺寸的计算第 I条溢流装置计算精馏段因塔径D2.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精馏段各项计算如下：a> 溢流堰长： 单溢流去l W=<0.6 0.8 ） D，取 堰长为0.60D=0.60 ×2.0=1.20m16/35b>出口堰高：故c>降液管的宽度与降液管的面积：由查<2 ：图 3

18、13）得，故，利用 (2 ：式 3 10>计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即<大于 5s，符合要求）d>降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速<0.07-0.25）依(2：式311>：符合<）e>受液盘采用平行形受液盘，不设进堰口，深度为 60mm 同理可以算出提溜段相关数据如下：a> 溢流 堰长：单 溢流 去l W=<0.6 0.8 ） D， 取堰 长为0.66D=0.8 ×1.6=1.056mb>出口堰高：由17/35查知 E=1.04, 依式可得故c>降液管的宽度与降液管的面积：由查图得，故计算液

19、体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即15.16<大于 5s，符合要求）d>降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速0.1m/s<0.07-0.25）0.036<m）符合 <）(2> 塔板布置精馏段塔板的分块因 D800mm，故塔板采用分块式。塔极分为 4 块。对精馏段：a) 取边缘区宽度安定区宽度b>计算开空区面积18/35，解得，c>筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取3.5，故孔中心距5×5=17.5mm筛孔数则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为1.6 筛板的流体力学验算塔板的流体力学计算，目

20、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。(1> 气体通过筛板压强相当的液柱高度计算精馏段：（ 5）干板压降相当的液柱高度：依，查干筛孔的流量系数图得， C0 =0.84 由式b>气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：19/35，由与关联图查得板上液层充气系数=0.66，依式c>克服液体表面张力压降相当的液柱高度：依式，故则单板压强：(2) 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。(3>雾沫夹带故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(4>漏液由式筛板的

21、稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。<5>液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式，而取，则20/35故在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。同精馏段公式计算，提溜段各参数计算如下：(1> 气体通过筛板压强相当的液柱高度计算a) 干板压降相当的液柱高度：b>气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：，由与关联图查得板上液层充气系数=0.65 ， 依 式c>克服液体表面张力压降相当的液柱高度：，故则单板压降：<2）液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液

22、面落差的影响。(3>液沫夹带故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。(4> 漏液查得：21/35筛板的稳定性系数，故在设计负荷下不会产生过量漏液。(5> 液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度依式，而取，则故在设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为提馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的。1.7 塔板负荷性能图精馏段：(1> 雾沫夹带线雾沫夹带量22/35取，前面求得，代入，整理得：在操作范围内，任取几个 Ls 值，依上式计算出 Vs 值，计算结果列于表3-19。 表 8L3/s>0.0030.0040.0050.006s /(mV34.5

23、064.3784.2614.151s /(m /s>由上表数据即可作出雾沫夹带线。(2> 液泛线由 E=1.04,l W=1.2 得：已算出，代入，整理得：23/35在操作范围内，任取几个Ls 值，依上式计算出Vs 值，计算结果列于表3-20 。表 10L30.0030.0040.0050.006s /(m/s>V34.0673.9843.9023.821s /(m/s>由上表数据即可作出液泛线2。(3> 液相负荷上限线以 4s 作为液体在降液管中停留时间的下限，据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线0.0163<m3/s ）。(4> 漏液线由和

24、，代入得：整理得：在操作范围内，任取几个Ls 值，依上式计算出Vs 值，计算结果列于表3-21 。表 11L30.0030.0040.0050.006s /(m/s>V31.1921.2111.2291.245s /(m/s>由上表数据即可作出液泛线4。24/35(5> 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度hOW0.006m 作为最小液体负荷标准。E=1.04据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。图 1 精馏段筛板负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点 P，连接 OP，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限

25、为液泛控制，下限为漏液控制。同精馏段，得出提馏段的各曲线为：(1) 雾沫夹带线整理得：25/35(2) 液泛线已知 E=1.06 lw=1.2，同理精馏段得：由此可作出精馏段液泛线2。(3> 漏液线整理得：据此可作出漏液线3。(4> 液相负荷上限线以 5s 作为液体在降液管中停留时间的下限，据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线0.013 。(5> 液相负荷下限线以 how 5s 作为液体在降液管中停留时间的下限，整理得：由此可作出液相负荷下限线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。26/35四设计结果一览表工程符号单位计算数据精馏段提留段各段平均压

26、强PkPa108.8115.8m各段平均温度t m83.2495.27气相VSm3/s2.082.02平均流量LSm3/s0.00430.0092液相实际塔板数N块1010板间距HTm0.400.40塔的有效高度Zm3.63.6塔径Dm22空塔气速um/s0.660.643塔板液流形式单流型单流型溢流管型式弓形弓形堰长l wm1.21.2堰高hm0.0440.044w溢流堰宽度Wdm0.20.2管底与受业盘hom0.0360.0767距离板上清液层高度hLm0.060.06孔径domm5.05.0孔间距tmm17.517.5孔数n个96609660开孔面积20.1850.185m27/35筛孔

27、气速uom/s11.2610.92塔板压降hkPa0.5910.591P液体在降液管中停留时间s7.097.09降液管内清液层高度Hdm0.1210.121雾沫夹带ekg 液 /kg 气0.007320.00657V负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷VS· maxm3/s3.6气相最小负荷VS· minm3/s1.2操作弹性3.1五 板式塔得结构与附属设备5.1 附件的计算接管(1>进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、 T 形进料管。本设计采用直管进料管。 F=149Kg/h , =807.9Kg/则体积流量管内流速

28、则管径取进料管规格 95×2.5则管内径 d=90mm进料管实际流速(2>回流管采用直管回流管，回流管的回流量28/35塔顶液相平均摩尔质量, 平均密度则液体流量取管内流速则回流管直径可取回流管规格 65×2.5则管内直径 d=60mm回流管内实际流速(3>塔顶蒸汽接管则整齐体积流量取管内蒸汽流速则可取回流管规格 430×12 则实际管径 d=416mm塔顶蒸汽接管实际流速(4>釜液排出管塔底 w=30kmol/h平均密度平均摩尔质量体积流量：取管内流速29/35则可取回流管规格 54×2.5 则实际管径 d=49mm塔顶蒸汽接管实际流

29、速(5> 塔顶产品出口管径D=119koml/h相平均摩尔质量溜出产品密度则塔顶液体体积流量：取管内蒸汽流速则可取回流管规格 58×2.5 则实际管径 d=53mm塔顶蒸汽接管实际流速冷凝器塔顶温度 tD =80.94冷凝水 t1=20 t2=30则由 tD =80.49 查液体比汽化热共线图得又气体流量 Vh=2.134m3/s塔顶被冷凝量冷凝的热量2取传热系数 K=600W/mk，30/35则传热面积冷凝水流量再沸器塔底温度 tw=105.0 用 t0=135的蒸汽，釜液出口温度t1=112则由 tw=105.0 查液体比汽化热共线图得又气体流量 Vh=2.374m3/h

30、密度则2取传热系数 K=600W/mk，则传热面积加热蒸汽的质量流量5.2板式塔结构板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔<手孔）、基座、除沫器等附属装置。除一般塔板按设计板间距安装外，其他处根据需要决定其间距。（ 1）塔顶空间塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，此段远高于板间距 <甚至高出一倍以上），本塔塔顶空间取（ 2）塔底空间31/35塔底空间指塔内最下层塔底间距。其值由如下两个因素决定。塔底驻液空间依贮存液量停留 35min 或更长时间 <易结焦物料可缩短停留时间）而定。塔底液面至最下层塔板之间要有 12m 的间距，大塔可大

31、于此值。本塔取（ 3）人孔一般每隔 68 层塔板设一人孔。设人孔处的板间距等于或大于600mm，人孔直径一般为 450500mm，其伸出塔体得筒体长为 200250mm，人孔中心距操作平台约 8001200mm。本塔设计每 7 块板设一个人孔，共两个，即（ 4）塔高故全塔高为11.3m，另外由于使用的是虹吸式再沸器，可以在较低位置安置，所以裙板取了较小的1.5m。32/35六参考书目1 张新战，化工单元过程及操作 ?北京：化学工业出版社， 19982 何潮洪 , 冯霄 ?化工原理 ?北京：科学出版社， 20013 柴诚敬 , 刘国维 ?化工原理课程设计 ?天津：天津科学技术出版社， 19944

32、 贾绍义 , 柴敬诚 ?化工原理课程设计 ?天津：天津大学出版社， 20025 陈均志，李雷 ?化工原理实验及课程设计 ?北京：化学工业出版社， 20086 马江权，冷一欣 ?化工原理课程设计 ?北京：中国石化出版社， 2009七设计心得体会本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过近两周的团队努力，反经过复杂的计算和优化，我们三人组终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。首先，我们去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了