分离苯-甲苯混合液浮阀式精馏塔设计

分离苯-甲苯混合液浮阀式精馏塔设计分离苯-甲苯混合液浮阀式精馏塔设计分离苯-甲苯混合液浮阀式精馏塔设计xxx公司分离苯-甲苯混合液浮阀式精馏塔设计文件编号：文件日期：修订次数：第1.0次更改批准审核制定方案设计，管理制度目录TOC\o"1-3"\u前言 11.工艺流程的确定及说明 32.精馏工艺设计 4物料衡算： 4平衡关系和塔内操作温度的确定 4回流比的确定 5理论板数的计算 6实际板数的计算 7全塔效率 73.精馏塔设备设计 8塔盘结构设计计算 8塔板初步设计 8溢流装置计算 9浮阀数目及排列 10塔板流体力学验算 11塔板压力降hp 11液泛 11雾沫夹带 13漏液 13液面落差 13液相负荷上限线 14液相负荷下限线 14液泛线 14漏液线 164结果与讨论 16设计结果 16前言课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。主要设备：精馏装置系统一般有精馏塔，塔顶冷凝器、塔釜再沸器等相关设备组成芳香族化合物是化工生产中重要的原材料，而苯和甲苯各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料、树脂，合成农药、合成橡胶、合成纤维和洗涤剂等等。甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯、甲酚等化工产品，同时还可以用来制造三硝基甲苯、苯甲酸、对苯二甲酸、防腐剂、染料、泡沫塑料等。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯－甲苯的分离。精馏塔是大型的设备组装件，分为板式塔和填料塔两大类。板式塔又有筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等。鉴于设计任务的处理量不大，苯－甲苯体系比较易于分离，待处理料液清洁的特点，设计决定选用浮阀塔。浮阀塔于20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，现已成为国内应用最广泛的塔形，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。浮阀塔板的结构特点是在塔板上有若干大孔，每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。浮阀塔具有以下优点：①生产能力大。由于浮阀塔板较大的开口率，故其生产能力比泡罩塔大，与筛板塔相似。②操作弹性大。由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，故维持正常操作所容许的负荷操作范围比较宽。③塔板效率高。④气体压强降及液面落差较小。⑤塔的造价低。结合以上浮阀塔的特点，决定使用浮阀塔来精馏分离此混合液。1.工艺流程的确定及说明进料时可以采用离心泵直接进料的方式，同时采用饱和液体进料，这种进料方式使原料也加入后不会在加料板上产生汽化或冷凝，进料全部作为提馏段的回流液，两段上升蒸汽流量相等。原料液在25℃时从贮罐（R-101）用离心泵输送到塔前预热器（E-101）中预热，然后再加一个换热器直至接近泡点温度为止，由精馏塔（T-101）进料口进入塔内，塔顶上升蒸汽采用全凝器，在进料板上液体有一部分与自塔上部下部的回流液体混合后逐板溢流，最后流到塔底。料液的一部分与自塔底上升的蒸汽相互接触进行热和质的传递过程，上升的蒸汽由塔釜再沸器（E-104）经饱和蒸汽换成℃蒸汽由塔最下面一块板上进入塔内，逐层上升与溢流液体进行传质，最后经塔顶冷凝器（E-102）循环水冷凝成℃下的饱和液体进入回流罐（R-104），一部分重新回流，一部分经塔顶冷却器（E-103）用进口温度15℃的井水冷却到25℃，输入苯贮槽。塔底产品甲苯经换热器（E-101）冷却至25℃输入甲苯贮槽（R-102），再沸器内水蒸气换热后变成同温度水可用于工人取暖和淋浴。2.精馏工艺设计物料衡算：计算基准：以1h进料量为基准。年产万吨即WF=WD=WW=对全塔进行物料衡算有F=D+WF=D+W即=D+W×=D×+W×解得D=hW=h平衡关系和塔内操作温度的确定表2-1苯-甲苯物系在总压下的平衡数据溫度℃PA0/kPaPB0/kPax=(P-PB0)/(PA0-PB0)y=PA0x/PΑ118488929610010410800α=（+）/2=根据表中数据画t-x-y图。由XF=查图可得tF=94℃由XD=查图可得tD=℃由XW=查图可得tW=℃则塔内的定性温度t=（81,13+）/2=℃回流比的确定进料方程：x=xF=平衡方程联立两方程组可得y=yq=得Rmin=取R==理论板数的计算由图解法求理论塔板数，见图精馏段操作线方程由图可得共有块理论塔板，精馏段有6块，提馏段有块（包括再沸器）。实际板数的计算全塔效率由塔内定性温度为℃，可查得μ苯=×，μ甲苯=则μL=××10-3+（）××10-3=则μLα=×=由此查精馏塔效率关联图可得E=取浮阀塔的系数为，∴ET=×=实际板数精馏段塔板数为6/=圆整10块提馏段塔板数为=圆整10块则第11块板为加料板。

3.精馏塔设备设计塔盘结构设计计算精馏段操作数据如下：物料苯分子量78操作压力操作温度℃液相密度ρLm3气相密度ρvkg/m3液相表面张力σm液体最大流量LSm3/s气体最大流量VSs精馏塔的气相负荷;（1）L=RD=hLS=LM/3600ρL=m3/s（2）V=（R+1）D=kmol/hVS=VM/3600ρV=s塔板初步设计（1）暂定溢流型式初选单溢流，取板间距HT=400mm。（2）估计塔径板间距HT=，取板上液层高度hL=则HT-hL=根据以上数据，可由史密斯关联图查得C20=又物系表面张力σ=m，无需校正，即C=C20=则极限空塔气速s取安全系数为，则空塔气速u==s则塔径按标准塔径可圆整为D=，则塔截面积AT=实际空塔气速u=VS/AT=s塔径D=＜，单溢流合适；D＜，HT=合适。溢流装置计算由于圆形降液管只适用于小直径塔，且易造成液相流量增大，形成淹塔，故选用单溢流弓形降液管，不设进口堰。各项计算如下：（1）堰长lw取堰长lw=，即lw=×=（2）出口堰高hwhw=hL-how采用平直堰，则取E=1∴hw=hL-how=（3）弓形降液管宽度Wd和截面积Af∵lw/D=，由图可查得Af/AT=，Wd/D=则Af=×=，Wd=×=液体在降液管中的停留时间＞5s降液管尺寸合理。（4）降液管底隙高度hoho=hW=浮阀数目及排列（1）浮阀数此次实际采用的是F1型重阀，Fo＝9~12时，板上所有阀全开，操作性能好。初取阀孔动能因数FO=10则do=∴（2）浮阀的排列取无效区宽度WC=，安定区宽度WS=由于塔径D=，需采用分块式塔板四块浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，因为这种叉排方式气液接触效果较好。取同一横排的孔心距t=75mm=考虑到塔径较大，必须采用分块式塔板，而分块式的支承与衔接也要占用一部分鼓泡区的面积，因此排间距不宜太大，故可取t'=65mm=按t=75mm，t'=65mm以等腰三角形叉排方式画出浮阀排列图，见图5，排得阀孔数为140个，按N=140重新核算孔速及阀孔动能因子其中，则，仍在9～12范围内，作出的阀数能满足要求。塔板的开孔率在10%~14%范围内，合适。塔板流体力学验算塔板压力降hphp=h板+h液+h表（1）干板压降h板（2）板上充气液层阻力h液本物系是苯和甲苯的混合液，液相为碳氢化合物，可取充气系数εo=h液=εohL=×=液柱（3）液体表面张力所造成的阻力h表对于浮阀塔，此阻力很小，可忽略不计。因此hp=+=液柱液泛为了防止液泛现象的发生要求控制降液管中清液层高度Hd≤Φ（HT+hw）Hd=hp+hd+hL（1）hp=液柱（2）液体通过降液管的压头损失因不设进堰口，故按下式计算（3）板上液层高度前已选定板上液层高度为hL=则Hd=++=m液柱取Φ=，又已选定HT=，hw= 则Φ（HT+hw）=×（+）=m可见，Hd≤Φ（HT+hw），符合防止液泛的要求，降液管高度足够，HT=合适。雾沫夹带板上液体流径长度ZL=D-2Wd=×=板上液流面积Ab=AT-2Af=×=m2苯和甲苯物系为正常系统，按物性参数表中K=，又查得负荷系数CF=（内差法）∴由于泛点率＜80%，故可知雾沫夹带量能够满足ev＜（液）/kg（气）的要求。漏液＞6，故不漏液。液面落差对于浮阀塔板，在塔径不很大时可忽略液面落差。塔板负荷性能图雾沫夹带线按泛点率为80%计算并化简结果如下：VS=+由上式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个LS值，依式算出相应的VS值，LS=0时VS=s，LS=s时VS=s。因此可作出雾沫夹带线。液相负荷上限线以θ=5s作为液体在降液管中停留时间下限则求出的值为常数，在负荷性能图上为一条竖直线。液相负荷下限线取堰上液层高度how=作为液相负荷下限的条件即∴值为常数，在负荷性能图上该线也为一条竖直线。液泛线液泛线由下式确定Φ（HT+hw）=hp+hd+hL=+εohL++hL即×+=+×++则可将上式简化为：Vs2=在操作范围内，任取若干个LS值，列于表3-1中，据表中数据做出液泛线。液泛线的VS～LS关系 LS/（m3/s）VS/(m3/s)漏液线取Fo=5作为发生漏液的下限则据此可做出与液体流量无关的水平漏液线。将以上五条线标绘在同一Vs～Ls直角坐标系中，画出塔板的负荷性能图(见)。将设计点（，）标绘在中，如P点所示，由原点O及P作操作线OP。4结果与讨论设计结果现将计算结果汇总于表4-1中。表4-1浮阀塔工艺设计计算结果总表项目计算数值及说明备注塔径D/m板间距HT/m实际塔板数20空塔气速u/(m/s)0．68溢流型式单溢流降液管型式弓形降液管堰长lw/m堰高hw/m降液管宽度Wd/m降液管底隙高度ho/m浮阀排列形式等腰三角形叉排浮阀数N/个140阀孔气速uo/(m/s)阀孔动能因数FO孔心距t/m指同一横排的孔心距排心距t`/m相邻横排中心线距离单板压降hp/m液柱液体在降液管内停留时间θ/s降液管内清液层高度Hd