luo《化工原理》年处理80万吨苯-甲苯混合液浮阀精馏塔设计

1、 荆楚理工学院化工与药学院化工原理课程设计说明书 设计题目 苯-甲苯混合液浮阀精馏塔设计专业班级 09石油化工生产3班 学生姓名 罗海天 学 号 2009302040346 指导老师 穆学玲 完成时间 2011年5月28日 目 录一、设计任务书 （）二、设计步骤 （）1、设计方案的确定与说明 （）2、精馏塔物料衡算 （） 3、塔板数的确定 （）4、精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 （）5、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 （）6、塔板工艺尺寸的计算 （）7、浮阀塔板的流体力学验算 （）8、塔板负荷性能图. （）9、浮阀塔的工艺计算结果总表 （）10、分析讨论 （）三、参考文献 （）附图1精馏工艺

2、流程图附图2弓形降液管参数图附图3塔板布置图 （一）课程设计任务书一、设计题目： 苯-甲苯混合液浮阀精馏塔设计 二、原始数据及操作条件1生产能力：年处理苯甲苯混合液8.0万吨(开工率300天/年)2. 原 料：苯的含量44%（质量分数，下同） 进料状况自选3. 分离要求：塔顶馏出液中苯含量不低于95% 塔底釜液中含苯量不高于2%4. 操作压力：常压101.3 kPa操作 塔顶表压4 kPa 单板压降不低于0.7 kPa5. 回 流 比：R=2.0 6. 全塔效率为0.527. 塔顶采取用全辽凝气泡点回流8. 塔釜采用间接饱和水蒸气加热三、设计内容1. 精馏流程的确定（附流程简图）；2. 精馏塔

3、的物料衡算、塔板数的确定、工艺条件及相关物性数据的计算；3. 精馏塔和塔板主要工艺尺寸的计算、塔板流体力学的校核并作出塔板负荷性能图。四、设计要求1. 设计程序简练清楚，结果准确并汇总表；2. 计算公式、图表正确并注明来源，符号和单位要统一。五、设计日期 2011年5月12号(二) 设计步骤1. 设计方案的确定及工艺流程的说明 拟设计一台年处理苯甲苯混合液6.5万吨(开工率300天/年)的浮阀精馏塔，要求塔顶馏出液中苯含量不低于95%，塔底釜液中含苯量不高于2%。先设计苯-甲苯混合液经预热器加热后，用泵送入精馏塔；塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷凝后部分回流，其余作为塔顶产品冷却后送至贮槽；塔釜采用间

4、接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。工艺流程图见附图1。操作压力为常压101.3 kPa，采取泡点进料。2. 全塔物料衡算2.1 进料、塔顶及塔底产品的摩尔分数 X=2.2 平均摩尔质量M= 78=85.28 kg/kmol2.3 物料衡算F= 11111.11 kg/h F = =130.29 kmol/hD = F =130.29 =63.76 kmol/hW = FD = 66.53kmol/h 3. 塔板数的确定3.1 确定理论塔板数3.1.1由苯-甲苯气液平衡数据绘制x-y ， t-x-y图 苯(A)-甲苯( B)饱和蒸汽压数据： 由公式： y = , y = 计算得苯-甲苯

5、的t-x-y数据如下： 由上表数据绘制得x-y ， t-x-y图（见附图 2）用作图法求R 并选取R本设计的进料状态选取的是泡点进料，即q=1,q线方程为： 作图得 R = = = 1.29 R = 2.0R = 2.58 由此可得精、提馏短的操作线方程分别为： y = 0.68x+ 0.31 y = 1.3x 0.008 3.1.3 用图解法求理论板数N 求解过程见附图 2，总理论板数N=13（包括塔釜）。其中精馏段为5，提馏段为8（包括塔釜），第6块板为进料板。3.2 全塔板效率E 由塔顶、塔釜液相组成X= 0.96 , X = 0.02 在t-x-y图上查得 t= 81 t= 109.4

6、 故 t= 95.2 在液体黏度共线图中查得此温度下苯、甲苯的黏度分别为：=0.25m.pas =0.29m.pas= 0.48×0.25+0.52×0.29 = 0.27 E= 0.17lg= 0.523.3 实际塔板数N 由E= N/ N得 ： 精馏段实际塔板数N=5/0.52 = 9.6 取10 提馏段实际塔板数N=8/0.52 = 15.4 取16（包括塔釜） 故总的实际塔板数N= N+ N=26 （包括塔釜）4. 精馏塔操作工艺条件及相关物性数据的计算4.1 操作压力 塔顶操作压力 = 101.3 + 4=105.3 kPa 每层塔板压降 = 0.7 kPa 进料

7、板压力 ×N=105.3 + 0.710 = 112.3 kPa 精馏段平均压力 =108.8 kPa4.2 精馏段平均温度 根据苯-甲苯的t-x-y 数据，采用内差法求取塔顶、进料层温度 = 92.8 = 80.9 精馏段平均温度 = = 86.854.3 平均摩尔质量MVm 、MLm对于塔顶，由 , 查平衡线（附图 2）得 =0.91 kg/kmol kg/kmol对于进料板，由 , 查平衡线（附图 2）得 kg/kmol kg/kmol则有： kg/kmol kg/kmol4.4 平均密度 、4.4.1气相平均密度kg/m 4.4.2液相平均密度 塔顶： 查得 进料： 查得 平

8、均值： kg/m4.5 液体平均表面张力 塔顶： 查得 21.1 mN/m 21.5 mN/m mN/m进料： 查得 20 mN/m 20.2 mN/m mN/m平均值：=20.7 mN/m4.6 液体平均粘度塔顶： =0.3mPa.s =0.32 mPa.s mPa.s进料： 查得 =0.26 mPa.s =0.29 mPa.s mPa.s平均值： mPa.s5. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径计算精馏段汽相摩尔流量 kmol/h精馏段液相摩尔流量 kmol/h精馏段汽相体积 =精馏段液相体积 = 根据课本表6-5 ，初选板间距查课本图6-58 得修正 最大允许空塔气速 塔径圆整为 1

9、.4m 实际气速5.2 有效塔高计算精馏段有效高度 提馏段有效高度 精馏塔有效高度 6. 塔板工艺尺寸的计算 6.1溢流装置 根据本设计中的塔径及负荷大小选用弓形降液管，平流堰，单溢流形式。 对于弓形降液管： 堰长 由Francis经验公式 0.050.1 本设计取 由 查附图3得 弓形管宽 同理 弓形管截面积 验算停留时间 s 5s 合适。降液管底隙高度m对于受液盘： > 0.8m 为了便于侧线采出、低流量液封及改变流向缓冲本设计选取凹形受液盘，这里不设进口堰。6.2塔板布置 由于>0.9m 这里将塔板分为3块，为了尽量减小液体夹带入降液管的气泡量，取m ；根据的大小 ，取。 则

10、 布置结果如下：溢流区安定区边缘区开孔区/m/m/m/m/m/m/0.980.2060.1310.080.060.4140.640.98 6.3阀孔数目及排列 由于本设计用的是F1型重阀，且目标分离物为苯-甲苯混合液，所以取来粗算阀孔数目；对于F1型重阀 。 m/s 取 276 浮阀在塔板上采用等腰三角形叉排 , 由于本设计中采用的是分块式塔板, 各分块的支撑与焊接要占去一部分开孔区面积, 所以小于计算值较好, 这里取0.060m。作阀孔排列图（见附图4）得 则实际的核算 在913之间，上述排列方式可行。开孔率%7. 浮阀塔板的流体力学验算7.1 验算塔板压降 干板阻力 界孔速 m液柱 板上充

11、气液层阻力 设计分离的是苯-甲苯混合液，液相为碳氢化合物，故可取充气系数 m液柱 液体表面张力造成的阻力 m液柱 m液柱 > 0.7 kPa 塔板压降不满足要求。7.2 降液管液泛校核 为了防止降液管中液体发生液泛现象，应控制降液管内清液层高度 无进口堰，故m m 显然，满足设计要求。7.3 雾夹带核算 本次设计中应控制泛点率在80%内，才能避免过量雾沫夹带，即使0.1kg液/kg气。 查附图5得 K=1 100% 代入数据得% > 80% 不满足设计要求。7.4 严重漏液校核当阀孔的动能因数小于5时会出现严重漏夜现象，前面已算出,故不会发生 严重漏夜现象。 8. 塔板负荷性能图8

12、.1雾沫夹带线 根据设计塔径这里F取0.8 整理得由上述方程就可画出雾沫夹带线。8.2液相负荷下限线 对于平直堰 0.006 m ， 当取=0.006 m 时就可以求出液相负荷下限线。 取E=1 整理得 8.3 液相负荷上限线 液体在降液管中的最大流量应保证液体在降液管中的停留时间不低于35s, 取5s 计算。8.4 漏液线 对于F1型重阀，当动能因数F 5时就会出现严重漏液现象，所以去F=5作为参考值来计算。 =8.5液泛线 其中 代入数据整理得8.5 绘制塔板负荷性能图（见附图6）由该图可得： 此塔板的操作区由其液相负荷上、下限线，漏液线及雾沫夹带线决定，且设计的作点在适宜操作区内；此塔板

13、的气相负荷上、下限分别受其漏液线和雾沫夹带线控制；此塔精馏段的操作弹性。根据设计的液-汽比查此图得出气相负荷上、下限分别为2.0和0.545，进而求出操作弹性 。 9. 浮阀塔工艺设计计算结果汇总工艺设计计算工艺设计计算结果项 目符 号单 位计 算 结 果备注平均压强kPa108.8平均温度86.85平均流量气相m3/s1.22641液相m3/s0.0031实际塔板数块26板间距m0.45塔段的有效高度m10.8塔径m1.4空塔气速m/s0.797塔板型式/分块式分3块溢流装置溢流管型式/单溢流弓形降液管凹形受液盘堰长m0.98平直堰堰高m0.05底隙高度m0.004板上清液层高度m0.062

14、孔径m0.039孔间距m0.075排间距m0.070孔数个163等腰三角形叉排开孔面积m20.21阀孔气速m/s6.3临界阀孔气速m/s5.83阀孔动能因数10.9开孔率12.7%单板压降kPa0.553液体在降液管中的停留时间s25降液管内清液层高度m0.133泛点率48.5%小于80%气相最大负荷m3/s2.0由雾沫夹带线控制气相最小负荷m3/s0.545由漏液线控制操作弹性/3.6710. 总结及分析此次设计主要从塔的工艺计算、结构设计、力学校核三个方面设计了常压下分离苯-甲苯混合液的精馏塔。在工艺计算方面我主要是设计任务书提供的基本参数进行了物料衡算、塔板数计算、塔体工艺计算、塔板结构

15、设计、流体力学验算等方面进行计算和设计，其中重点对塔体工艺、塔板结构进行了相对详细的分析，最终设计出了符合设计任务要求的精馏塔。但是由于知识水平的不足及参考资料的有限，在设计中还是存在很多不全面的地方。例如，精馏的特性是反复进行部分汽化和冷凝，也就存在加热和热能利用的问题，而这里就没有对这方面进行详细的计算和说明；在塔板结构设计时，对塔板进行了分块处理，使塔板产生了焊缝，也就对塔板的强度产生了影响，而此次及只是考虑了焊缝对阀空数的影响，没有进行强度计算和分析；再者，本次设计出的单板压降（= 0.553kPa）虽然在设计任务要求的范围(不低于0.7 kPa)内，但是对于常压操作的精馏塔还是有点偏高，还有改进的空间等等。另外，此次设计过程中部分样图采用的是AutoCAD绘制，提高了绘图的效率及精确度。 （三）参考文献1 王志魁 . 化工原理M . 北京：化学工业出版社，20042 王明辉 . 化工单元课程设计M . 北京：化学工业出版社，20023 马江权，冷一欣 . 化工原理课程设计M . 北京：中国石油出版社，20054 李功样等 . 常用化工单元设备设计M . 广