苯-甲苯连续精馏浮阀塔的设计

1、目 录 1 课程设计的目的3 2 课程设计题目描述和要求3 3 课程设计报告内容4 4 对设计的评述和有关问题的讨论22 5 参考书目221苯-甲苯连续精馏浮阀塔设计 1课程设计的目的2 课程设计题目描述和要求本设计的题目是苯-甲苯连续精馏浮阀塔的设计，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，板空上安装浮阀，具体工艺参数如下： 原料苯含量：质量分率= (30+0.5*学号)% 原料处理量：质量流量=（10-0.1*学号） t/h 单号 （10+0.1*学号） t/h 双号 产品要求：质量分率：xd=98%，xw=2% 单号 xd=96%，xw=1

2、% 双号工艺操作条件如下： 常压精馏，塔顶全凝，塔底间接加热，泡点进料，泡点回流，R=（1.22）Rmin。 3课程设计报告内容 3.1 流程示意图 冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐苯 回流原料原料罐原料预热器精馏塔 回流 再沸器 塔底产品冷却器甲苯的储罐甲苯 3.2 流程和方案的说明及论证 3.2.1 流程的说明 首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降

3、。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。3.2.2 方案的说明和论证 本方案主要是采用浮阀塔。 精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致

4、如下：3一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。 而浮阀塔的优点正是：而浮阀塔的优点正是： 1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与

5、筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并

6、不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。3.3 设计的计算与说明 3.3.1 全塔物料衡算 根据工艺的操作条件可知：料液流量 F=（10-0.5*19）t/h=2.25Kg/s =94.285Kmol/h料液中易挥发组分的质量分数 xf =（30+0.5*19）%=39.5%； 塔顶产品质量分数 xd = 98%，摩尔分数为 97.6%； 塔底产品质量分数 xw= 2%，摩尔分数为 1.7%； 由公式：F=D+W F*xf=D*xd+W*xw代入数值解方程组得： 塔顶产品(馏出液)流量 D=41.067 Km

7、ol/h=0.89Kg/s； 塔底产品(釜液)流量 W=53.218Kmol/h=1.360 Kg/s。3.3.2分段物料衡算 lgPa*=6.02232-1206.350/(t+220.237) 安托尼方程 lgPb*=6.07826-1343.943/(t+219.377) 安托尼方程 xa=(P 总-Pb*)/(Pa*-Pb*) 泡点方程 根据xa从化工原理P204表61查出相应的温度根据以上三个方程，运用试差法可求出 Pa*,Pb* 当 xa=0.395 时，假设t=92 Pa*=144.544P，Pb*=57.809P, 当 xa=0.98 时，假设t=80.1 Pa*=100.43

8、2P，Pb*=38.904P,当 xa=0.02 时，假设t=108 Pa*=222.331P，Pb*=93.973P, t=92，既是进料口的温度，t=80.1是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度，t=108是釜液需被加热的温度。 根据衡摩尔流假设，全塔的流率一致，相对挥发度也一致。 a=Pa*/Pb*=144.544P/57.809P =2.500（t=80.1） 所以平衡方程为 y=ax/1+(a1)x=2.500x/（1+1.500x）， 最小回流比 Rmin 为 Rmin=xd/xf-a(1-xd)/(1-xf)/(a-1)1.426，所以 R=1.5Rmin2.139， 所以精馏段液相质量流

9、量 L(Kg/s)RD2.139*0.89=1.904，精馏段气相质量流量 V(Kg/s)(R+1)D3.139*0.89=2.794， 所以，精馏段操作线方程 yn+1=R*xn/(R+1)+xd/(R+1) =0.681xn+0.311 因为泡点进料，所以进料热状态 q=1 所以，提馏段液相质量流量 L(Kg/s)L+qF1.904+1*2.25=4.154， 提馏段气相质量流量 V(Kg/s)V-(1-q)F2.794。 所以，提馏段操作线方程 ym+1= Lxm/ V-Wxw/ V =1.487xm-0.0083.3.3 理论塔板数的计算（1）联立精馏段和提馏段操作线方程解得xd=0.

10、3759且前面已算得xw=0.017（2）用逐板计算法计算理论塔板数 第一块板的气相组成应与回流蒸汽的组成一致，所以 y1=xd,然后可以根据平衡方程可得 x1,从第二块板开始应用精馏段操作线方程求 yn,用平衡方程求 xn,一直到 xnxd,共需 n-1 块精馏板，第 n 块板为进料板。第一板 y1=xd 0.98x1=y1/y1+a(1-y1) 0.9514 第二板 y2=0.681x1+0.311 0.9592x2=y2/y2+a(1-y2) 0.9039第三板 y3=0.681x2+0.311 0.9268x3=y3/y3+a（1-y3) 0.8351第四板 y4=0.681x3+0.

11、311 0.8799x4=y4/y4+a(1-y4) 0.7456第五板 y5=0.681x4+0.311 0.8189x5=y5/y5+a(1-y5) 0.6440第六板 y6=0.681x5+0.311 0.7497x6=y6/y6+a(1-y6) 0.5451第七板 y7=0.681x6+0.311 0.6823x7=y7/y7+a(1-y7) 0.4621第八板 y8=0.681x7+0.311 0.6258x8=y8/y8+a(1-y8) 0.4008第九板 y9=0.681x8+0.311 0.5840x9=y9/y9+a(1-y9) 0.3596x9xd所以本设计中共需八块精馏板

12、，第九块板为进料板。 从第十块板开始，用提馏段操作线求 yn, 用平衡方程求 xn，一直到 xnxw。第十板 y10=1.487x9-0.008 0.5267x10=y10/y10+a(1-y10) 0.3080第十一板 y11=1.487x10-0.008 0.4500x11=y11/y11+a(1-y11) 0.2466 第十二板 y12=1.487x11-0.008 0.3587x12=y12/y12+a(1-y12) 0.1828第十三板 y13=1.487x12-0.008 0.2638x13=y13/y13+a(1-y13) 0.1254第十四板 y14=1.487x13-0.00

13、8 0.1784 x14=y14/y14+a(1-y14) 0.0799第十五板 y15=1.487x14-0.008 0.1108x15=y15/y15+a(1-y15) 0.0475第十六板 y16=1.487x15-0.008 0.0626x16=y16/y16+a(1-y16) 0.0260 第十七板 y17=1.487x16-0.008 0.0307x17=y17/y17+a(1-y17) 0.0125x176mm,符合要求。 底隙流速，ub(m/s) =Ls/lw/hb0.2544130，而且不大于 0.3 0.5，符合要求。 塔盘及其布置 由于直径较大，采取分块式，查表得分三块，

14、厚度取位 4mm。降液区的面积按 Ad 计算，取为 0.115m2, 受液区的面积按 Ad 计算，取为 0.115m2, 入口安定区得宽度 bs(mm)，一般为 50100，本设计取为60。 出口安定区得宽度 bs(mm)，一般为 50100，本设计取为60。 边缘区宽度 bc(mm)，一般为 5075，本设计取为 50， 有效传质区，Aa(m2) 2*x*(r2-x2)0.5+r2*arcsin(x/r)24.59287702. 塔板结构如下两图 9 浮阀数排列选择F1 型重型 32g 的浮阀阀孔直径给定，d0(mm)=39mm, 动能因子F0 一般取为 8 12，本设计取为 11.5。阀孔

15、气速，uo(m/s)=F0/v0.5= 6.940790424， 阀孔数 n=Vs*4/d0/d0/u0/3.1415926=103.8524614，取104。实际排列时按等腰三角形排,中心距取为 75mm, 固定底边尺寸B(mm)= 70,所以 实际排出 104 个阀孔，与计算个数基本相同。 所以，实际阀孔气速 uo(m/s)=Vs*4/d0/d0/n/3.1415926=6.930943938实际阀孔动能因子，F0=u0*v0.5=11.48368564， 开孔率=n*d0*d0/D/D = 0.10985，一般 1014，符合要求。3.3.7塔板的流体力学校核(1) 液沫夹带量校和核液体

16、横过塔板流动的行程，Z(m) =D-2*bD=0.62塔板上的液流面积，Ab(m2) =At-2*Ad=1.08 物性系数，K，查表得 1 泛点负荷因数，Cf=0.125，见下页图。 F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/Cf=0.41815191，F1=Vs*v/(l-v)0.5/At/K/Cf/0.78=0.397830445，泛点率 F1(0.80.82)，F!,F2 均符合要求。 ，塔板阻力的计算与较核 临界孔速 u0c(m/s) =(73/v)(1/1.875)= 5.7525979hd,合格。 液体在降液管中停留时间较核 平均停留时间Ad*Ht/Ls=7.

17、740082575s,（ 不小于 35 s）,合格。 严重泄漏较核 泄漏点气速 u0=F0/(v0.5) =3.017734967，F0=5， 稳定系数，k=u0/u0= 2.296737127 1.52，合格。 3.3.8 全塔优化（如下图） 曲线 1 是过量液沫夹带线，根据 F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/Cf F2=0.8 得，方程 Vh=6588-14.289Lh， 曲线 2 是液相下限线，根据 Lh=(0.002840.6667)*lw*(how1.5) how=6mm 得 Lh(m3/h)=2.690007381， 曲线3是严重漏液线，根据 Vh=3

18、.1415926/4*do*do*F0*n/(v0.5) F0=5 得 Vh(m3/h)= 1349.696194， 曲线 4 是液相上限线，根据 Lh=Ad*Ht*3600 =5s 得 Lh(m3/h)= 37.26， 曲 线 5 是 降 液 管 泛 线 ， 根 据 hd (Ht+Hw) ， 得Vh=(2.98*10E7-0.4*10E6*Lh0.67-13.49*Lh2)0.5，曲线 5 必过的五点(0, 5461)(10,5268)(20,5150) (0, 5461)(10,5268)(20,5150) 作图如下 Vmax(m3/h)= 4779，Vmin(m3/h)= 1349 操作

19、弹性Vmax/Vmin=,3.542624166，大于2，小于4，合格14 3.3.9 塔高 规则塔体高 h=Np*Ht=13.5m, 开人孔处 (中间的两处人孔)塔板间距增加为 0.6m,进料处塔板间距增加为 0.6m, 塔两端空间,上封头留 1.5m ，下封头留 1.5m, 釜液停留时间为 20min , 填充系数=0.7，所以体积流量 V(m3/h)=Lh*/l/ =1.679350119 ， 所 以 釜 液 高 度 Z(m)=0.333*V/(3.1415926*D*D/4)= 0.49495223=0.5m 所以，最后的塔体高为 17.59m.3.3.10 热量衡算 塔底热量衡算 塔

20、底苯蒸汽的摩尔潜热 rv苯(KJ/Kg)= 373， 塔底甲苯蒸汽的摩尔潜热 rv甲苯(KJ/Kg)=361； 所 以 塔 底 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热 rv(KJ/Kg)= rv 苯 (KJ/Kg)*yC6H6+rv 甲 苯*yC7H8=361.1412849， 15所以再沸器的热流量 Qr(KJ)=V*rv=1166.395822， 因为加热蒸汽的潜热 rR(KJ/Kg)= 2177.6(t=130)， 所以需要的加热蒸汽的质量流量 Gr(Kg/s)=Qr/rR=0.535633644。 塔顶热量衡算 塔顶上升苯蒸汽的摩尔潜热 rv 苯(KJ/Kg)=379.3 塔顶上升甲苯蒸汽

21、的摩尔潜热 rv 甲苯(KJ/Kg)=367.1 所 以 塔 顶 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热 rv(KJ/Kg)= rv 苯 (KJ/Kg)*yC6H6+rv 甲 苯*yC7H8=378.88； 所以冷凝器的热流量 Qc(KJ/s)=V*rv= 1223.699463， 因为水的定压比热容 Cc(KJ/Kg/K)=4.174，冷却水的进口温度 t1=25，冷却水的出口温度 t2=70， 所以需要的冷却水的质量流量 Gc(Kg/s)=Qc/Cc/(t2-t1)=6.514930857。 3.3.11 精馏塔接管尺寸 回流液接管尺寸 体积流量 Vr(m3/s)=L/=0.002893769

22、，管流速 ur(m/s)=0.3， 回流管直径 d(mm)=(4*Vr/3.1415/ur)0.5= 110.8220919=133*6； 进料接管尺寸料液体积流率 Vf(m3/s)=F/= 0.003792206，管流速 uf(m/s)=0.5， 进料管直径，d0(mm)=(4*Vf/3.1415/uf)0.5=98.26888955=108*5； 釜液出口管体积流量 Vw(m3/s)=L/=0.006685975，管流速 uw(m/s)=0.5 出口管直径 dw(mm)=(4*Vw/3.1415/uw)0.5=130.4825516=159*8； 塔顶蒸汽管体积流量 Vd(m3/s)=V/

23、v=1.176497471，管流速 ud(m/s)=15， 出口管直径 dd(mm)=(4*Vd/3.1415/ud)0.5=316.0129882=377*8。 3.3.11 辅助设备设计 再沸器 因为蒸汽温度 ts()=130，釜液进口温度 t1()=100，釜液出口温度 t2()=110， 所以传质温差tm()=(ts-t1)-(ts-t2)/ln(ts-t1)/(ts-t2)= 24.66303462， 因为传质系数 K1(W/m2/K)=300， 所以传质面积 A(m2)=Qr/K/tm=157.6442694。 冷凝器 因为蒸汽进口温度 T1()=100，蒸汽出口温度 T2()=8

24、0，冷却水的进口温度t1=25, 冷却水的出口温度 t2=70， 所以传质温差tm()=(t1-t2)/ln(t1/t2)= 41.2448825， 因为 K2(W/m2/K)=250， 所以，传质面积 A(m2)=Qc/K2/tm=118.6764892。 16储罐 原料罐 因 为 停 留 时 间 1(s)= 1800 ， 所 以 原 料 罐 的 容 积 量 V(m3)=F* 1/ l/ =9.751388076； 塔顶产品罐 因 为 2(s)=259200 ，所 以 塔 顶 产 品 罐 的 容 积 量 Vd(m3)=D* 2/ l/ =440.2166633； 塔底产品罐 因 为 3(s)=259200 ， 所 以 塔 顶 产 品 罐 的 容 积 量 Vw(m3)=W* 3/ l/ =963.9832197。 3.4 设计参数表17塔板设计结构汇总表数据 塔板主要结构参数 数据 塔板主要流动性能参数 数据塔的有效高度Z0(m) 13.5 液泛气速 uf(m/s) 1.093407044实际塔板数 Np 30 空塔气速 u(m/s) 0.469409612塔 ( 塔 板 ) 内径D(m) 1.2 设计泛点率 rf=u/uf 0.696675915板间距 Ht(m) 0.45 阀孔动能因子 F0 11.48368564流动形式 单流型 阀孔气速 uo(m/s)