左湘洲,分离苯-甲苯混合液的浮阀精馏塔设计

1、课程设计书学 院： 材料与化学工程学院 专业班级： 化工1202班 学生姓名： 左湘洲 学 号： 1260340231 指导教师： 李昶红 完成日期： 2015年6月2日 课程设计任务书 14-15学年 第二 学期 2015年 6月 2日专业化学工程与工艺班级化工1202课程名称化工原理课程设计设计题目分离苯-甲苯混合液的浮阀精馏塔指导教师李昶红老师起止时间2015.5.15-2015.6.2周数2周设计地点教室，宿舍设计目的：培养学生综合运用化工原理及先修课程的基本知识进行化工工艺设计的能 力， 及先修课程的基本知识进行化工工艺设计的能力，使学生掌握化工设计的基本程序和方法，学生掌握化工设计

2、的基本程序和方法，得到一次化工设计的基本训练，设计的基本训练，并应着重培养学生以下几方面的能力选用公式和搜集数据的能力。查阅技术资料选用公式和搜集数据的能力。熟悉了解板式精馏塔在生活生产中的应用，掌握精馏塔的基本原理。设计任务或主要技术指标：在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的处理量为5T/a，组成为0.38（苯的质量分率，以下同），要求塔顶馏出液的组成为0.95，塔底釜液（残叶）的组成为0.02。设计条件：操作压力进料热状况回流比单板压降全塔效率建厂地址4kPa（塔顶常压）自选自选0.8kPaET=52%衡阳市设计进度与要求：12天：了解板式精馏塔的基本性能及设计精馏塔

3、的参数 38天：查找资料，处理数据，初步确定板式塔类型 910天：电子文档处理进行打印，装订主要参考书及参考资料：1 陈敏恒，丛德濨，方图南，齐鸣斋编.化工原理（上、下册）M.第三版.化学工业出版社，2006.2 贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版，2002.3 李功祥，陈兰英，崔英德主编.常用化工单元设备设计M.广州：华南理工大学出版，2003.4 阮奇，叶长，黄诗煌.化工原理优化设计与解题指南M.北京：化学工业出版社，2001.5 申近华，郝晓刚主编.化工原理课程设计M.北京：化学工业出版社，2009. 6 陆美娟，张浩勤（主编）朱士亮（主审）化工原理北京，化学工业

4、出版社，2011.摘 要本设计任务为精馏塔分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全器冷凝，冷凝液在泡点温度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，所以在设计中把操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。目录1 综述11.1苯-甲苯物性11.2 塔设备概述11.3设计方案的原则21.4精馏塔设计任务31.5精馏塔设计方案的选定32 精馏塔设计计算42.1 精馏塔的物料衡算42.2 塔板数的确定42.3 精

5、馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算72.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算112.5 塔板主要工艺尺寸的计算143 塔的流体力学校验163.1 校核163.2 负荷性能图计算204精馏塔工艺设计结果304.1 筛板塔板工艺设计结果30表4-1 设计计算结果汇总表30参考文献32分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖南工学院化工原理课程设计1 综述1.1苯-甲苯物性苯的沸点为80.1，熔点为5.5，在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml。苯难溶于水；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。甲苯是最简单，最重要的

6、芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ，沸点为111 。甲苯带有一种特殊的芳香味，在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为0.866克/厘米3，对光有很强的折射作用。分离苯和甲苯，可以利用二者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收和储存。板式精馏塔、浮法塔都是常用的塔类型，可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。1.2 塔设备概述塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。工业上对塔设备的主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦

7、阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。板式塔大致可分为两类：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板、穿流式波纹板等。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。本次设计任务为设计一定处理量的分离苯和甲苯混合物精馏塔。精馏所进行的是气、液两相之间

8、的传质，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： (1) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 (2) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。 (4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (6) 塔内的滞留量要小。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要

9、求，抓住主要矛盾，进行选型。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力和计算机操作能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法，计算机绘图技术；学会通过手册查阅物质的物理性质、化学性质；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。1.3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：(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

10、须保证产品达到任务规定的要求，其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，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，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。 (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。适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 (3) 保证安全生产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。本课

11、程设计的主要内容是设计过程的物料衡算，塔工艺计算，塔板结构设计以及校核。1.4精馏塔设计任务在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的处理量为4500kg/h，原料组成为0.38(苯的质量分率,以下同)，要求塔顶馏出液的组成为0.95，塔底釜液的组成为0.01。 设计条件如下： 操作压力进料热状态回流比单板压降全塔效率建厂地址塔顶常压4kPa自选自选0.8kPaET=52%衡阳市试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计1.5精馏塔设计方案的选定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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

12、升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内，其余部分产品经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1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。312 精馏塔设计计算2.1 精馏塔的物料衡算2.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 2.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 2.1.3 物料衡算 原料处理量总物料衡算苯物料衡算联立解得2.2 塔板数的确定2.2.1 理论板层数的求取 苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 由苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出苯-甲苯混气液平衡相图

13、，如图2.1所示：图2.1 苯-甲苯混气液平衡相图求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在气液平衡相图2.1中对角线上，自点作垂线即为进料线(线)，该线与平衡线的交点坐标为 ：故最小回流比为：取操作回流比为：求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程 精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为： 相平衡方程为： 求解结果为：总理论板层数 13，其中（包括再沸器），进料板位置 。2.2.2 全塔效率的计算 查化学工程手册常用物质的物性和热力学数据得苯的沸点：，甲苯沸点：塔的平均温度苯的粘度系数： 甲苯的粘度系数： 粘度计算公式： 平均粘度为：总板效率：2.2.3 实际板层数的求取 精馏段实际

14、板层数：提馏段实际板层数：2.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 2.3.1 操作压力计算 塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 塔釜压力 提馏段平均压力 2.3.2 操作温度计算 因该精馏塔操在常压下操作，并且两组分的物理化学性质，特别是两组分的化学结构比较接近，所以该混合物为完全理想体系。4依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，利用安托尼方程计算，计算结果如下： 塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 2.3.3 平均摩尔质量计算 塔顶气、液混合物平均摩尔质量： 由， 查汽液平衡曲线图2.1，得 塔底气、液混合物平均摩尔质量：由

15、查平衡曲线,得进料板气、液混合物平均摩尔质量： 由图解法求理论板图2.2， 得查气液平衡曲线图2.1，得。精馏段气、液混合物平均摩尔质量： 提馏段气、液混合物平均摩尔质量:2.3.4 平均密度计算 气相平均密度 由理想气体状态方程计算，即 液相平均密度 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度：，查有机液体相对密度共线图得进料板液相平均密度：，查有机液体相对密度共线图得 进料板液相的质量分数为 精馏段液相平均密度为塔釜液相平均密度： 查有机液体相对密度共线图得提留段的平均密度为：2.3.5 液体平均表面张力液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力：，查有机液体表面张力共线图得：

16、进料板液相平均表面张力：，查有机液体表面张力共线图得：精馏段液相平均表面张力为 塔釜液相平均表面张力由，查手册得提馏段液相平均表面张力2.3.6 液相平均粘度 液相平均粘度依下式计算，即 塔顶液相平均粘度：，查液体粘度共线图得： 计算得：进料板液相平均粘度：，查液体粘度共线图得： 计算得：精馏段液相平均粘度为：塔釜液相平均粘度由，查手册得提馏段液相平均粘度为2.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 2.4.1 塔径的计算 最大空塔气速和空塔气速 最大空塔气速计算公式： 精馏段的气、液相体积流率为： 提馏段的气，液相体积流率为精馏段塔径式中由式计算，其中的由史密斯关联图查取，图的横坐标为 ：取板间距，板

17、上液层高度，则 由史密斯关联图查得取安全系数为，则空塔气速为 ： 塔径 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 气体的实际气速：提馏段塔径取板间距则，查图得。又取安全系数为0.75，则空塔气速为塔径按标准塔径圆整后为塔截面积为 气体的实际气速： 2.4.2 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在精馏段、提馏段各设一人孔，其高度均为 故精馏塔的有效高度为 板式塔总塔高度按下式计算:式中 H 塔高，m; n 实际塔板数； nF 进料板数； HF进料板处板间距，m； 人孔数； 塔底空间高度，m； 设人孔出的板间距，m； 塔顶空间高度，m； 封头高度，m； 裙座高度，m 2.5 塔板主要

18、工艺尺寸的计算 2.5.1 溢流装置计算1.精馏段： 因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下： 堰长 取溢流堰高度由，堰上液层高度由下式计算，即 近似取，则取板上清液层高度 故弓形降液管宽度和截面积 由，查弓形降液管的宽度与面积图，得 依下式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。 降液管底隙高度取降液管底隙的流速，则 故降液管底隙高度设计合理。 2.提馏段：（1）堰长取（2）溢流堰高度选用平直堰，堰上液层高度近似取，则取板上清液层高度，故（3）弓形降液宽度和截面积由，查弓形降液管的宽度与面积图，得故依下式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理 （4）

19、降液管底隙高度，取则故降液管底隙高度设计合理。2.5.2 塔板布置 取边缘区宽度开孔区面积按下式计算，即 其中， 故 本例所处理的物系无腐蚀，可选用碳钢板，去筛孔直径，筛孔按正三角形排列，取孔中心距，筛孔数目n为开孔率为气孔通过阀孔的气速为3 塔的流体力学校验3.1 校核3.1.1精馏段 塔板压降 干板阻力计算 干板阻力由计算，由干板孔系数图查得，故气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力由式计算 由充气系数和动能因子间的关系图，得 故液柱液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力由式计算，即 液柱气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 (设计允许值)

20、3.1.2 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 3.1.3 液沫夹带 液沫夹带量由式计算，其中即 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。 3.1.4 漏液 对筛板塔，漏液点气速可由下式计算， 实际孔速 稳定系数为故在本设计中无明显漏液。 3.1.5 液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式的关系，即 苯-甲苯物系属一般物系，取，则 而 板上不设进口堰，可由式计算，即 液柱 液柱,故在本设计中不会发生液泛现象。提馏段塔板压降干板阻力计算 干板阻力由计算，由干板孔系数图查得，故气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力由式计算 由充气

21、系数和动能因子间的关系图，得 故液柱液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力由式计算，即 液柱气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 (设计允许值) 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。液沫夹带 液沫夹带量由式计算，其中即 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。漏液 对筛板塔，漏液点气速可由下式计算， 实际孔速 稳定系数为故在本设计中无明显漏液。液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式的关系，即 苯-甲苯物系属一般物系，取，则 而 板上不设进口堰，可由式计算，即 液柱 液柱,故在本设计中不会

22、发生液泛现象3.2 负荷性能图计算 精馏段3.2.1 漏液线 由，得：整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表3-1。 表3-1 值0.00060.00150.0030.00450.2920.3020.3150.326由上表数据即可作出漏液线。3.2.2 液沫夹带线 以为限，求-关系如下： 由在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表3-2。 表3-2 值0.00060.00150.0030.00451.5661.5061.4281.363由上表数据即可作出液沫夹带线。 3.2.3 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由下式得

23、 ：取，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。 3.2.4 液相负荷上限线 以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。3.2.5 液泛线 令 ，得联立得 忽略，将与，与，与的关系式代人上式，并整理得 其中：，整理，得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表3-3。 表3-3 值0.00060.00150.0030.00451.6241.5371.4081.278由上表数据即可作出液泛线。 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图3.1所示。图3.1 塔板负荷性能图提馏段3.2.6 操作线在图3.1上，作出操作点，连接，

24、即作出操作线。由图3.1可知：1. 在任务规定的气液负荷下的操作点 ，处在适宜的操作区域内。2. 设计供板上限由液泛线控制，下限由漏夜线控制。3. 按照固定的气液比，由图可查得塔板的气液负荷上限。 ，气液负荷下限操作弹性：提馏段漏液线由，得 整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表3-1。 表3-1 值0.00060.00150.0030.00450.2640.2740.2870.298由上表数据即可作出漏液线。液沫夹带线 以为限，求-关系如下： 由在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表3-2。 表3-2 值0.00060.00150.0030.00451.9531.8561.7691.696由上表数据即可作出液沫夹带线。 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由下式得 ：取，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。液相负荷上限线 以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。液泛线 令 ，得联立得 忽略，将与，与，与的关系式代人上式，并整理得 其中：，将有关的数据代入，得：