用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计

1、钦 州 学 院化 工 原 理 课 程 设 计 设计题目：用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计 设 计 者： 罗书艺 学 号： 0911401227 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工本112班 指导教师： 郝媛媛 设计时间： 2014年5月25日2014年6月15日 课程设计任务书一、设计题目用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计二、设计任务1.原料名称:苯-甲苯二元均相混合物；2.原料组成：含苯35%（质量百分比）；3.产品要求：塔顶产品中苯含量不低于97%，塔釜中苯含量小于0.9%；4.生产能力：年处理量2.8万吨/年；5.设备形式：浮阀塔；6.生产时间：3

2、00天/年，每天24h运行；7.进料状况：泡点进料；8.操作压力：常压，泡点进料，塔顶全凝器，单板压降不大于0.7kPa；9.加热蒸汽压力：270.18kPa；10.公用工程水温度：热源为低压饱和水蒸气（120），冷源为当地水（钦州地区25）。三、设计内容1.设计方案的选定及流程说明；2.用Aspen Plus模拟计算，给出物料流程图和物流表，计算总物料平衡和能量平衡；3.用Aspen Plus模拟精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4.塔板数的确定；5.精馏塔塔体工艺尺寸的计算；6.塔板主要工艺尺寸的计算；7.塔板的流体力学验算；8.用Aspen Plus对换

3、热器进行模拟设计；9.绘制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）；10.绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件，A1图纸）；四、设计要求1.工艺设计说明书一份2.工艺流程图一张，主要设备总装配图一张（采用AutoCAD绘制）五、设计完成时间2014年5月25日2014年6月15日概述 本文采用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计，对于该二元均相混合物的分离，应采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点温度后送入精馏塔内。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。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操

4、作回流比取最小回流比的1.22倍，本设计规定回流比取最小回流比的1.7倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。此外，并对塔和换热器的类型进行了选取，并进行相关工艺参数的确定。工艺流程确定及说明1. 塔板类型1）精馏塔的塔板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。浮阀塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点，且开孔率大，生产能力大，操作弹性大，汽液接触时间长，因此塔板效率高。2）本设计采用板式浮阀塔3）加料方式本精馏塔加料选择泵接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。2. 进料状况 本精馏塔选择泡点进料，常温原料经换热后进料。3. 塔顶冷凝方式 苯

5、与甲苯不反应，且容易冷凝，故本精馏塔塔顶选择全凝器，可用水冷凝。4. 回流方式本设计处理量大，所需塔板数多，塔较高，回流冷凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。5. 操作压力苯-甲苯在常压下相对挥发度较大，因此在常压下也比较容易分离，故本设计采用常压精馏。目录第1章 塔板的工艺设计1 第一节 精馏塔全塔物料衡算1 1.1.1设计要求及条件 1 1.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率1 1.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量1 1.1.4 物料衡算1 第二节 利用aspen模拟进行塔工艺计算过程2 1.2.1确定进料温度2 1.2.2设计条件2 1.2.3绘制工艺流程草图&#

6、160;2  苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的简捷计算3 1.2.5苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的严格计算5 第三节 塔径的初步计算11 1.3.1塔板基本参数的计算 11第2章 塔换热器设计14 2.1原料预热器设计14 2.1.1 进料换热器简洁模块的模拟：14 2.2 冷凝器的选择16 2.3 再沸器的选择17第3章 塔总体高度计算18 3.1 塔顶封头18 3.2 塔顶空间18 3.3 塔底空间18 3.4 人孔18 3.5 进料板处板间距18 3.6 裙座19第四章 苯甲苯浮阀塔的工艺设计计算结果汇总20 4.1苯甲苯浮阀塔的工艺设计计算结果汇总20附表1：带控制点的总流程

7、图21参考文献22第一章 塔板的工艺设计第一节 精馏塔全塔物料衡算1.1.1设计要求及条件：表1.1设计要求及条件：处理量（万吨/年）XD(质量分数，%)XF(质量分数，%)XW(质量分数，%)R/Rmin2.897350.91.71.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率已知苯的摩尔质量 ，甲苯的摩尔质量原料液组成XF (摩尔分数，下同) 塔顶组成 塔底组成 1.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 1.1.4 物料衡算 一年以300天，一天以24小时计，计算可得进料流率： 全塔物料衡算： 且 解得 D17.178kmol/h W27.687kmol/h 第二节 利用aspen模拟进行

8、塔工艺计算过程1.2.1确定进料温度 利用aspen绘制的苯-甲苯体系的T-x-y相图，依据苯的进料质量分数，求得苯的泡点进料温度为90.3°C。图1-1 利用aspen绘制的苯-甲苯体系的T-x-y相图1.2.2设计条件 已知：有混合馏分，流率为3888.9kg/h，温度25，压力103kPa，经过换热器后温度变为90.3,进入精馏塔。物性方法选择NRTL方程。要求将苯-甲苯混合物中每个馏分中主要成分的塔顶产品苯的质量分数不低于0.97，塔顶甲苯的含量不得高于0.009。 表1-1， 原料组成和基本物性处理量（万吨/年）XD(质量分数，%)XF(质量分数，%)XW(质量分数，%)R

9、/Rmin2.897350.91.71.2.3绘制工艺流程草图  根据题目要求，绘制出工艺流程草图如图1-2图1-2 全塔物料流程图 苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的简捷计算 DSTWU简捷塔模块的任务是从反应混合物中从塔顶分苯。首先用简捷计算方法求出完成指定分离任务需要的最小回流比、最小理论塔板数和进料位置，为严格计算提供初值。图1-3 苯-甲苯分离浮阀板精馏塔DSTWU简捷塔模块 点击Model Library 横条上的“Columns”。选择“DSTWU”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线与反应器连接，并用物流线连接精馏塔的两出口。为便于阅读，对精馏塔

10、的两出口物流更改名称。 点击“Next”按钮，进行化学组分的定义。点击“Find”，在弹出的对话框的“Component name or”栏中填入组分名称“benze-01”然后点击“Find now”然后点击“Add”。以此类推，定义苯、甲苯组分。 点击“Next”按钮，选择热力学方法。在Global 页的“Property method”下拉框中选上“NRTL”。 点击“Next”按钮，点击“OK”，进行流股信息的设置，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。 点击“Next”按钮，出现精馏塔的简捷计算设置窗口。填入R/Rmin比值为1.7

11、，塔顶、底压力分别是1bar和1.08bar；苯和甲苯为轻、重关键组分，塔顶苯和甲苯的回收率分别为0.97和0.009。至此“DSTWU”B2 模块设置结束，点击“Next”按钮，运行计算程序，显示计算收敛。在“Blocks-Results” 子目录窗口的“Summary”页面，可看到完成指定分离任务，精馏塔简捷计算的结果。可见最小回流比1.71，最小理论塔板数9.278，回流比2时的实际塔板数19.8，对应的进料位置11.95；精馏塔的顶、底温度分别为79.98和112.078。 在“Blocks-Stream Results” 子目录窗口的“Mate

12、rial”页面，可看到精馏塔进、出口物流各组分的流率、组成和多种物性。塔顶苯的流率16.902kg/h，质量分数为0.985，塔底甲苯的流率为27.187kg/h，纯度达0.992，满足分离要求。1.2.5苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的严格计算 点击Model Library 横条上的“Columns”。选择“Radfrac”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接精馏塔的进、出口。为便于阅读，对精馏塔的进、出口物流更改名称。 图1-4 严格塔模型双击“Radfrac”模块，出现精馏塔严格计算的子目录设置窗口。在 “Configuration”页面，把简捷计

13、算结果填入相应的空格内，如下图所示。 在“Streams”页面，填入进料位置为12  在“Pressure”页面，填入塔顶压力和板压降至此，精馏塔严格计算需要的信息已经全部设置完毕。点击“Next”按钮，软件询问是否运行计算，点击“确定”。在“Material”可以查看物料计算结果，塔顶苯的质量分数达到97.3%，塔底甲苯的质量分数为99%，达到题目的设计要求。在“Blocks-Results Summary” 子目录窗口的“Summary”页面，可看到精馏塔严格计算部分结果。在“View”栏中选择 “Condenser/Top stage”，

14、可看到塔顶的计算结果，塔顶温度为80.15°C，冷凝器负荷为-471.28KW。在“View”栏中选择“Reboiler/Bottom stage”，可看到塔底的计算结果。塔釜再沸器的温度为106.14°C，再沸器热负荷为482.18KW。在“Blocks-Profiles” 子目录窗口的“TPFQ”页面，可看到精馏塔内各板上的温度分布和两相流率分布。在hydraulic选项可以查看各个塔板上物料的气液相密度、粘度、液相的表面张力等数据。利用“Plot”功能，可以用回流比和QB 数据作图，直观看到塔釜再沸器热负荷的分布。回流比与塔顶苯的质量分数

15、如图3-1，可见当回流比为3.6时，塔顶苯的质量分数大于0.97图1-5 回流比与塔顶苯的质量分数曲线图 同理，对回流比和塔顶冷凝器热负荷(QC)作图，其线性变化如图1-6 图1-6 回流比和塔顶冷凝器热负荷曲线图 同样方法定义塔釜再沸器热负荷(QB)的变化 ，如图1-7 图1-7 回流比和塔釜再沸器热负荷曲线图查看运算结果，见表1-3，塔顶苯的质量分数0.973，塔底甲苯质量分数为0.99，塔顶温度为80.15度，塔釜温度为106.16度。满足题目分离要求。表1-3 精馏塔物料分离数据塔顶（苯）数据进料数据塔釜（甲苯）数据Temperature C80.152865190.7106.1622

16、18Pressure bar110.904Vapor Frac000Mole Flow kmol/hr17.494942644.858827127.3638846Mass Flow kg/hr1372.177443888.92516.72256Volume Flow cum/hr1.685314484.858171563.20453779Enthalpy Gcal/hr0.23526830.400414480.17452862Mass Frac BENZE-010.97326940.350.01017859 TOLUE-010.02673060.650.98982141Mole Flow km

17、ol/hr BENZE-0117.096864417.42480570.32794127 TOLUE-010.3980781427.434021427.0359433Mole Frac BENZE-010.97724610.38843650.01198445 TOLUE-010.022753890.61156350.98801554第三节 塔径的初步计算根据第二章工艺计算结果，对塔径、塔内件等进行设备计算。Aspen Plus的“DSTWU”模块不能进行设备计算，只能用“Radfrac”模块进行设备计算。1.3.1塔板基本参数的计算 Aspen plus不仅能对精馏塔的物料

18、衡算进行模拟计算，利用“Tray Sizing”功能还能对模型进行塔盘以及塔板的流体力学验算进行设计计算。1） 塔盘参数的设计 该塔从塔顶分出苯馏分，因苯的 馏分流量小，气相负荷小，塔径小，采用单流型浮阀。 在“Tray Sizing”子目录，再点击“New”按钮，创建一个塔板模拟对象，点击“OK”。  在“Specification”页面，根据表2-3 精馏塔的实际塔板数，扣去冷凝器和再沸器两块板，从第2 板到第19板计算塔板性质。在下图中，设置塔板间距0.6096m。 然后点击运行，观察计算结果。在“Blocks-tra

19、y Sizing”子目录的“Results”页面。可以查看塔盘直径为1.27米，堰长为0.92米。 在“Profiles”页面，列出了各塔板和降液管上的截面积数据 2）塔板的流体力学验算核算“塔径1.2707m”时的压降。点击“Blocks-Tray Rating”子目录，再点击“New”按钮，创建一个塔板模拟对象，点击“OK”。 在“Specs”页面，填入“塔径1.2707m”等数据。然后点击运行，观察计算结果。在“Blocks-B5-tray Rating”子目录的“Results”页面，可见塔径1.2707 m 时的最大液泛因子0.800

20、1，全塔压降69.4kPa，符合题目要求，同时列出了降液管的相关数据。在 “Profiles”页面，可看到各板上液泛因子、降液管流速、降液管持液量、压降等数据。 至此，塔设计的模拟已经完成。第2章 塔换热器设计2.1原料预热器设计根据2.7 节工艺计算结果，对精馏塔的进料前换热器进行设备设计计算，为一步严格计算提供数据。2.1.1 进料换热器简洁模块的模拟：在aspen工作界面选择HEATX模块，物流交换如下图所示：图2-1 原料进料换热器设计模块1） 进行冷凝器的简捷计算。  首先添加换热介质水到计算系统中。添加进口物流性质。加入塔顶进入冷凝器蒸汽性质。由“St

21、reams- Specifications”中填写如下数据：加入进冷凝器冷冻水性质。冷冻水流量暂时写作5000kg/h，然后用 “Design-spec”功能求取准确值。2）换热器的严格计算在“Blocks-Setup”子目录，有4 个页面，只需要填写“Specifications”页面。规定进料物流换热后的温度达到进入精馏塔的温度90.3。模拟计算运行并查看结果。在“Blocks-Thermal Results”子目录有5 个页面。在“Summry”页面可看到两流体进、出口的性质参数，其中高温蒸汽出口温度变为98.1。 在“Exch

22、anger Details”页面，可看到热负荷139.68KW、需要的换热面积125.66m2、传热系数 624.03kcal/ hr-sqm-k、传热温差42.5等数据。 由上述结果给出热负荷139.7KW、需要换热面积125.66m2、总传热系数624.03 kcal/m2.k、传热温差等42.5等数据，选择浮头式换热器。2.2 冷凝器的选择 根据aspen对精馏塔的严格计算，可知冷凝器负荷为-471.28KW，总传热系数取 出料液温度 冷却水 逆流操作，则 根据冷凝器负荷为-471.28KW，得： 传热面积： 取安全系数1.04，则所需传

23、热面积 选择浮头式换热器。2.3 再沸器的选择 根据aspen的模拟结果可知，再沸器热负荷为482.18KW。选用120饱和水蒸气，总传热系数取 出料液温度 水蒸气温度 逆流操作，则 再沸器热负荷为482.18KW，根据全塔热量衡算得： 传热面积： 取安全系数1.04，则所需传热面积 选择浮头式换热器。第三章 塔总体高度计算 利用aspen的模拟自此已经结束，综合模拟数据，现在对塔的总体高度进行计算，遵循下式计算：3.1 塔顶封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径，内表面积，容积。则封头高度。3.2 塔顶空间设计中去塔顶间距，考虑到需要安装除沫器，所以选取塔顶空间1.2m。3.3 塔底空间 塔底空间高度是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板之间距离为1.5m。则：3.4 人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于人进出任何一层塔板。由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，对