分离苯—甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计

1、题 目：分离苯甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计第一章：前言1.1 文献综述1.2 中英文摘要及关键词1.3 相关符号说明第二章：工艺条件的确定和说明2.1 设计参数2.2 操作压力2.3进料状况2.4加热剂及加热方式2.5冷却剂及进出口温度 第三章：流程的确定和说明3.1流程的说明3.2设置各设备的原因第四章：精馏塔的设计计算4.1 物料衡算4.2 回流比的确定4.3 板块数的确定4.4 相关物性参数4.5 汽液负荷的计算46精馏塔工艺尺寸的计算4.7 塔板流动性能校核4.8 塔板负荷性能图4.9 主要工艺接管尺寸的选取4.10塔顶冷凝器的热负荷4.11塔底再沸器的负荷4.12原料预热器的热

2、负荷第五章：主要计算结果列表5.1 精馏段5.2 提留段411.4 相关物性参数1）苯和甲苯的物理参数分子式相对分子质量沸点临界温度临界压力MPa苯（A）C6H678.11g/mol80.1288.954,898甲苯（B）C7H892.13g/mol110.6318.574.109 (2)饱和蒸汽压苯、甲苯的饱和蒸汽压可用Antoine方程计算：ABC苯6.94192769.42-53.26甲苯7.05803076.65-54.65（3）苯、甲苯的相对密度温度（）8090100110120苯815803.9792.5780.3768.9甲苯810800.2790.3780.3770.3（4）液

3、体表面张力温度（）80 90100110120苯21.2720.0618.8517.6616.49甲苯21.6920.5919.9418.4117.31(5)苯甲苯液体粘度mPa8090100110120苯0.3080.2790.2550.2330.215甲苯0.3110.2860.2640.2540.228第二章 工艺条件的确定和说明2.1设计参数（1）设计规模：苯-甲苯混合液年产量为12000ta（2）生产制度：年开工300天，每天24小时连续生产（3）原料组成：苯含量为40%（质量分数，下同）（4）进料状况：15时进料，常压精馏（5）分离要求：塔顶苯含量不低于99%，塔底苯含量不大于2%

4、（6）建厂地区：大气压为760mmHg，自来水年平均温度为15平均温度2.2确定进料状态2.2.1平均分子量对进料板：xF=0.440，yF=0.660MVmF=yFMA+（1-yF）MB=82.88kg/molMLmF=xFMA+（1-xF）MB=85.96kg/mol对塔底：xW=0.023，yW=0.055MVmW=yWMA+（1-yW）MB=91.36kg/molMLmW=xWMA+（1-xW）MB=91.81kg/mol对塔顶：xD=0.991 yD=0.996MVmD=yDMA+（1-yD）MB=78.17kg/molMLmD=xDMA+（1-xD）MB=78.24kg/mol气相

5、平均摩尔分子量MVm=（MVmD+MVmF）/2=80.53kg/molMVm'=（MVmW+MVmF）/2=87.12kg/mol液相平均摩尔分子量MLm=（MLmD+MLmF）/2=82.1kg/molMLm'=（MLmW+MLmF）/2=88.89kg/mol2.2.2平均密度（a为质量分数）（1）对塔底：时，由内插法塔底液相平均密度（2）对进料：，由内插法，进料液相平均密度（3）对塔顶：时，由内插法，塔顶液相平均密度精馏段液相平均密度提馏段液相平均密度精馏段气相平均密度提馏段气相平均密度全塔气相平均密度全塔液相平均密度2.2.3表面张力由公式：对塔顶，由内插法，对进料，

6、由内插法，对塔底，由内插法，进料板表面张力mF=0.4419.70+0.5620.40=20.09mN/m塔顶表面张力mD=0.99121.26+0.00921.68=21.26mN/m塔底表面张力mW=0.02317.78+0.97718.49=18.47mN/m提馏段表面张力平均值m提=19.29 mN/m精馏段表面张力平均值m精=20.68 mN/m2.2.4液体黏度由公式：对塔顶，由内插法，对进料，由内插法，对塔底，由内插法，进料处平均黏度mF=0.276塔顶处平均黏度 mD=0.307塔底处平均黏度 mW=0.253提馏段液体黏度平均值m'=（mF+mW）/2=0.265精馏

7、段液体黏度平均值m=（mF+mD）/2=0.2922.5冷却剂及进出口温度精馏段平均温度=（tF+tD）/2=86.53oC提馏段平均温度=（tW+tD）/2=101.22oC全塔平均温度t=（86.53+101.22）/2=93.88 第四章 流程的确定和说明4.1物料衡算原料液处理量 总物料衡算 F=D+W （1）苯的物料衡算 F=D+W （2）由1、2两式联合解得：D=7.883kmol/h W=10.240kmol/h4.2回流比的确定对于q=1的饱和液体进料，有如下公式（参考文献6,公式10-45）由（参考文献6）图10-1及表10-2，可知，当时，; 当时，;由（参考文献6）表10

8、-3，可知，=2.475则=1.523取操作回流比4.3板块数的确定（1） 理论板数的计算 精馏段操作线方程： 相平衡方程: 提馏段操作线方程： kmol/h kmoi/h故 第一块板的气相组成应与回流蒸汽的组成一致，所以有=,然后可以根据平衡方程可得,从第二块板开始应用精馏段操作线方程求,用平衡方程求,直到<,共需 n-1 块精馏板，第 n 块板为进料板。联立相平衡方程及精馏段操作线，逐板计算, =0.995 ，本设计中共需10块精馏板，即,第11块板后为提馏段，由，。 则需使用8块提馏板。(2) 实际塔板数的计算由以下t-x-y图，得全塔平均温度t=(109.5+80.5)/2=95

9、 苯-甲苯分率与温度的关系图（t-x-y图） 全塔平均温度=95下苯、甲苯黏度如下： 组分苯(A)甲苯(B)黏度0.2670.275所以：平均黏度查（参考文献6）图11-21,得总板效率全塔效率: 由（参考文献6）表11-3，浮阀塔总效率相对值为1.11.2，取1.2则理论塔板数N=19，实际塔板数=28.8实际精馏段塔板数为 取17块实际提馏段塔板数为 取14块设计时，在精馏段，提馏段都多加一层至几层塔板作为余量，以保证产品质量，并便于操作及调节。故层，层，层4.3液汽负荷的计算L=RD=kmol/hV=(R+1)D=kmol/hL=L+qF= kmol/hV=V-（1-q)F= kmol/

10、h对精馏段： 对提留段： 4.4确定操作压力塔顶压强P=101.3kPa 塔顶表压4kPa操作压强PD=101.3+4=105.3kPa取每层塔板压降为0.7，则进料板压强PF=PD+=105.3+180.7=117.9kpa塔釜压强降PW=PF+=116.5+150.7=127kpa精馏段平均操作压强=（PF+PD）/2=112.5kpa提馏段平均操作压强=（PW+PF）/2=122.1kpa全塔平均压强P=（112.3+122.1）/2=117.2kpa4.4.1塔径预计所设计的塔为中型，暂定采用单流型整块式塔板。取板距 由史密斯关联图查得,则空塔气速u=（安全系数） 精馏段液泛速度取安全

11、系数为0.7，则空塔气速u=0.71.078=0.75m/s由（参考文献6）表11-1，取塔的有效截面塔的总截面则，圆整为标准直径为0.7m同理，类似求得提馏段D=0.66m，圆整为标准直径为0.7m故塔实际总截面由于D=0.7m<1m.则采用整块式塔板，板距为0.3m合适。4.4.2塔高塔体总高度（不包括裙座）D=0.7m在进料板上方开设一人孔，高度取为0.6m塔的有效高度Z可根据经验公式Z=NTHT/ET=190.35/0.55=12.0m 一般,为1.01.5m,H=12.0+1.0+1.0+0.7+0.6=15.5m圆整后，塔高可设计为16m.4.4.3溢流装置计算采用单流型弓行

12、降液管，平型受液盘，不设进口堰（1）溢流堰长由弓形降液管的结构参数图查得：，则=0.49m.弓形降液管所占面积（2）出口堰高平型堰上清液层高度， 其中，为弓形堰校正系数，圆筒堰取=1.0。,根据标准规定，在2550mm,上层清液层高度50100mm.取=0.06m.则,（3）降液管宽度Wd=0.130.7=0.091 m2液体在降液管的停留时间 合理。取液体通过降液管低隙的流速，降液管底隙高度 合理4.4.4塔板布置与浮阀数目及排列（1）选用F1型重阀，阀孔直径d0=39mm（2）初算阀孔数n 取阀孔动能因数F0 = 10阀孔气速为：每层塔板上浮阀数（个）（个）取n=29个，n'=29

13、个。(3) 阀孔的排列 等腰三角形叉排法取边缘区域宽度在6070mm,取Wc=0.055m，安定区宽度Ws=0.06m塔板上的鼓泡面积R=D/2-Wc=0.3-0.055=0.245m 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一排的孔心距t'=75mm=0.075m,取一个阀孔的鼓泡面积则估算排间距按标准圆整，取t=70mm规格。4.6塔板流动性能校核4.6.1液沫夹带量校核为了维持合理的塔板效率，正常操作时的液沫夹带量应不大于0.1kg液体/kg气体，通常是间接地用泛点率作为估算液沫夹带量大小的依据。泛点率是指操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比。D=0.7m<0.9m,则&

14、lt;70%时符合要求。泛点率 板上液体面积Ab=AT-2Af=0.34-20.034=0.27m2苯和甲苯按正常系统取物性系数K=1.0，由以上泛点负荷系数图查得CF=0.1泛点率 泛点率均在70以下，故知雾沫夹带量能满足ev0.1 kg液/kg气体的要求。4.6.2塔板压降校核塔板压降=干板压降+液层压降，对碳氢化合物，充气系数=0.4， 则阀孔临界气速孔速则按阀全开后计算则已知单板压降,换为苯-甲苯溶液液柱，0.06<0.07，故塔板压降在允许范围内。4.6.3降液管液泛的校核保证降液管中泡沫液层高度（：泡沫层相对密度，一般物系取0.5）与相当的清液层忽略液面落差， 液体经过降液管

15、的阻力损失（不设进堰口），则， ，则不会发生溢流液泛。4.6.4液柱在降液管内停留时间校核为使气体能从液体中分离出来，液体在降液管内应有足够的停留时间。 故停留时间符合要求。4.7塔板负荷性能图4.7.1操作线根据液气比：L/V=18.013/25.896=0.70，定出点G，过原点O和G作直线，即操作线AB。4.7.2漏液线（气相负荷下线）线1（水平线）对型重阀取阀孔动能因子，由阀孔气速大小作为判据。与之对应的气体负荷4.7.3过量液沫夹带（气相负荷上限线）线2线2为控制液沫夹带量不大于最大允许值的气体负荷上限，由，相对应的泛点率代入，D<0.8m,取=0.6，代入，取K=1.0,则4

16、.7.4液相负荷上限线线3线3保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。取平堰上液层高度作为液相负荷下限标准。由，4.7.5液相负荷上限线（气泡夹带线）线4由液体在降液管中所需的最小停留时间决定，对不易起泡物系。4.7.6溢流液泛线线5降液管中泡沫层高度达到最大允许值时气液量关系，则塔的操作弹性=4.9 塔顶冷凝器热负荷的计算对全凝器作热量衡算，忽略热损失其中，全凝器热负荷为塔顶上升蒸汽的焓和馏出液焓由于塔顶,几乎为纯苯，焓可按纯苯计算塔顶为泡点回流，,苯摩尔气化潜热则冷却水消耗量其中，冷却水比热容，冷却水进出口温度，=4.187进口温度为当地气温， 由经济核算取出口温度4.10塔底再沸器

17、热负荷再沸器热量衡算其中，提馏段塔底下降液体摩尔焓，再沸器上升蒸汽摩尔焓 再沸器残液摩尔焓，再沸器热损失取，则再沸器残液几乎为纯甲苯，按纯甲苯计算焓，则甲苯汽化潜热，此时，查得水汽化潜热则加热蒸汽消耗量4.11 原料预热器的热负荷取40%苯甲苯进料温度81.3，水的汽化潜热 第六章 塔的结构机械设计6.1设计条件：塔体与裙座的机械设计条件如下：1、 塔体内径,塔高近似取H=16000mm。2、 计算压力，设计温度t=150。3、 设计地区：基本风压值，地震设防烈度为6度，4、 塔内装有N=33层浮阀塔，每块塔盘上存留介质层高度为，介质密度为。5、 手孔数为3个，相应在手孔处安装半圆形平台3个，

18、平台宽度为B=800mm，高度为1000mm。6、 塔外保温层的厚度为，保温材料密度为。7、 塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为。偏心距e=600mm8、 塔体与封头材料选用16MnR，其中。9、 裙座材料选用Q235-B。10、 塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数。11、 塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm。6.2塔壳和封头厚度计算塔体材料选用16MnR、设计条件下的许用应力为：。圆筒厚度为：=0.377mm<4mm取=4mm，取厚度附加量C=2mm，所以圆整后 封头厚度为：选用标准椭圆形封头，所以K=1,=0.363 mm<4mm取=4mm，取厚度

19、附加量C=2mm，所以圆整后 因为钢板最小厚度不得小于4mm，所以取圆筒和封头的厚度为4mm加上厚度附加量2mm等于6mm。最后取厚度为7mm的标准钢板。6.3质量载荷计算6.3.1 塔设备质量载荷计算每平方米钢板质量G=，查得16MnR的密度，=1951.8kg6.3.2 人孔、法兰和接管附件等的质量6.3.3 塔内构件的质量6.3.4 保温层质量6.3.5 平台、扶梯质量由表8-1查得，平台质量；笼式扶梯质量；笼式扶梯总高；平台数量n=3。6.3.6操作时物料质量=736.71kg 6.3.7 充水质量封头容积取 6.3.8各种质量载荷汇总如下表所示，将全塔分成5段，计算下列各质量载荷（计

20、算中有近似）塔段011223344顶合计塔段长度/mm1000100040005000500016000手孔与平台数001113塔板数0091010331221224886106101952-260316316894-168333393393128766662635275271449-131182212212737313190122122396-7551545197219726244-8001200-200021913182846223022308714各塔段最小质量/kg21911872426171517157262全塔操作质量/kg全塔最小质量/kg水压试验时最大质量/kg6.4风载荷与风

21、弯矩计算体型系数，对圆筒形容器为0.710m高处基本风压值为400风压高度变化系数，查表8-5得1.00计算段长度为1000mm脉动影响系数，由表8-7查得为0.72塔的基本自振周期，对等直径、等厚度园截面塔： 脉动增大系数，根据自振周期，由表8-6内插法查得为2.21振型系数，由表8-8内插法查风振系数塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90°，取以下a，b 式中较大者 a. b. 01段风载荷式中：=0.7 =400 =1.00 =1000mm =0.72 =0.97s=2.21 =0.01 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1514mm 12段风载荷=0.

22、7 =400 =1.00 =1000mm =0.72 =0.97s=2.21 =0.03 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1514mm 23段风载荷=400mm，取400mm，=100mm a. b. 取=1914mm 34段风载荷=0.7 =400 =1.00 =5000mm =0.72 =0.97s=2.17 =0.3 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=1834mm 4顶段风载荷=0.7 =400 =1.284 =5000mm =0.74 =0.97s=2.17 =0.822 =400mm，=400mm，=100mm a. b. 取=183

23、4mm6.4.2各段塔风载荷计算结果计算段平台数110004000.70.720.012.171.71.001001514720.6210004000.70.720.032.171.71.002001514720.6340004000.70.720.122.171.71.005152219143492450004000.70.720.32.171.71.009180018344364.9550004000.70.740.8222.172.221.08413140018344732.56.4.3风弯矩的计算截面00 截面11 截面226.5地震载荷及地震弯矩的计算取第一振型脉动增大系数=0.02

24、则衰减指数塔总高度H=14000mm全塔操作质量重力加速度地震影响系数由表8-2查得（防烈度8级）由表8-3查得计算截面距地面高度h:0-0截面：h=01-1截面：h=1000mm2-2截面：h=4000mm等直径、等厚度的塔，按下列方法计算地震弯矩。截面0-0截面1-1截面2-2偏心弯矩计算6.6各种载荷引起的轴向应力1） 计算压力引起的轴向应力2） 操作质量引起的轴向压应力截面0-0令裙座厚度；有效厚度；截面1-1其中，查附录18，截面2-23） 最大弯矩引起的轴向应力截面0-0取截面1-1取截面2-26.7圆筒应力校核验算塔壳2-2截面处操作时和压力试验时的强度和稳定性。计算结果见下表：

25、6.7.1塔操作时的应力校核：计算截面2-2截面以上的塔的操作质量6223Kg计算截面的横截面积10990mm2塔壳的有效厚度5mm截面的截面系数最大弯矩 MPa许用轴向压应力198.24许用轴向拉应力173.4操作压力引起的轴向拉应力 5.25 MPa重力引起的轴向应力 MPa6.95 MPa弯矩引起的轴向应力40.87 MPa轴向压应力6.95+40.87=47.82198.24MPa组合拉应力5.25-6.95+40.87=39.17173.4 MPa结论：根据结果可知塔操作时圆筒稳定。6.7.2 压力实验时的应力校核1.003 MPa液压试验时截面上的塔的质量6223 许用轴向压应力2

26、00.94 MPa许用周向应力135.6 MPa许用轴向拉力325 MPa实验压力引起的周向应力=70.6270.81 MPa压力引起的轴向应力35 MPa重力引起的轴向应力MPa11.03 MPa弯矩引起的轴向应力10.42 MPa轴向压应力11.03+10.42=21.45135.6 MPa组合拉应力35-11.03+10.42=34.39325MPa结论：根据结果可知道压力实验时圆筒稳定。6.8 裙座壳轴向应力校核 裙座材料选用：Q235-B、采用对接焊缝、由于是圆筒形裙座，所以。为了方便选材壁厚S=7mm、裙座材料的许用应力=113× 、查表知B=156.11×6.8.1操作时的压应力计算由于9.00671=所以，操作时的压力校核合格。6.8.2水压实验时的压应力计算=所以，水压实验时的压力校核合格6.9 基础环的计算6.9.1裙座由于裙座内径：所以取基础环尺寸为：外径： =700+300=1000mm内径： =700-300=400mm基础环截面面积： = =基础环截面系数为：Z=（1）bmax =（M0-0m