精馏塔的设计

化工原理课程设计–––––浮阀板式精馏塔的设计指导老师：谭智斗设计者：曹烁学号：040740214单位：化学与环境工程学院0407402班日期：2010-6-16目录第一章苯——甲苯在工业上的用途第二章综述2.1、精馏塔原理及其在工业上的应用2.2、精馏操作对塔设备的要求2.3、常用板式塔类型及成本设计的选型2.4、本设计所选塔的特性第三章工艺条件的确定和说明3.1、确定操作压力3.2、确定进料状态3.3、确定冷却剂和加热方式3.4、确定冷却剂及其进出口温度第四章流程的确定和说明4.1、流程的说明4.2、设置各设备的原因第五章精馏塔的设计计算5.1、物料衡算5.2、回流比的确定5.3、板块数的确定5.4、汽液负荷计算5.5、精馏塔工艺尺寸计算5.6、踏板流动性能校核5.7、塔板负荷性能图5.8、主要工艺接管尺寸的计算和选取5.9、塔顶冷凝器/冷热器的热负荷5.10、塔底再沸器的热负荷第六章机械设计6.1、设计条件6.2、按计算压力计算塔体和封头厚度6.3、塔设备质量载荷计算6.4、地震弯矩的计算6.5、偏心弯矩计算6.6、塔体和裙座的危险截面的强度与稳定校核6.7、塔体水压试验和吊装时的应力校核6.8、基础环设计6.9、地脚螺栓的计算第七章主要计算结果列表第八章参考文献第九章课程设计总结致谢！第一章苯—甲苯在工业上的用途苯为有机化学工业的基本原料之一。无色、易燃、有特殊气味的液体。混苯熔点低，沸点低，相对密度小于水。在水中的溶解度很小，能与乙醇、乙醚、二硫化碳等有机溶剂混溶。能与水生成恒沸混合物。因此，在有水生成的反应中常加苯蒸馏，以将水带出。苯在燃烧时产生浓烟。苯能够起取代反应、加成反应和氧化反应。苯用硝酸和硫酸的混合物硝化，生成硝基苯，硝基苯还原生成重要的染料中间体苯胺；苯用硫酸磺化，生成苯磺酸，可用来合成苯酚；苯在三氯化铁存在下与氯作用，生成氯苯，它是重要的中间体；苯在无水三氯化铝等催化剂存在下与乙烯、丙烯或长链烯烃作用生成乙苯、异丙苯或烷基苯，乙苯是合成苯乙烯的原料，异丙苯是合成苯酚和丙酮的原料，烷基苯是合成去污剂的原料。苯催化加氢生成环己烷，它是合成耐纶的原料；苯在光照下加三分子氯，可得杀虫剂666，由于对人畜有毒，已禁止生产使用。甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。甲苯容易发生氯化，生成苯—氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。掺合汽油组成及作为生产甲苯衍生物、炸药、染料中间体、药物的主要原料。第二章综述2.1、精馏塔原理及其在工业上的应用多次而且同时运用部分气化和部分冷凝的方法，使混合液得到较完全分离，以分别得接近纯组分的操作。理论上多次部分气化在液相中可获得高纯度的难挥发组分，多次部分冷凝在气相中可获得高纯度的易挥发组分，但因产生大量中间组分而使产品量极少，且设备庞大。工业生产中的精馏过程是在精馏塔中将部分气化过程和部分冷凝过程有机结合而实现操作的。广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏（包括萃取精馏、恒沸精馏和加盐精馏）。若精馏过程伴有化学反应，则称为反应精馏。2.2、精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，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。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。(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。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。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求，抓住主要矛盾，进行选型。2.3、常用板式塔类型及本设计的选型塔分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。本章只采用浮阀塔的设计。2.4、本设计所选塔的特性浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：(１)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。(２)操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。(３)塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。(４)压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。(５)液面梯度小。(６)使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。(７)结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。第三章工艺条件的确定和说明3.1确定操作压力3.2确定进料状态选择将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，即q=1，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。3.3确定加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。3.4确定冷却剂及其进出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定，水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，取T=15出口温度由设计者确定第四章流程的确定和说明4.1、流程的说明4.2、设置各设备的原因精馏塔以加料板为界分为两段，精馏段和提馏段。1、精馏段的作用加料板以上的塔段为精馏段，其作用是逐板增浓上升气相中易挥发组分的浓度。2、提馏段的作用包括加料板在内的以下塔板为提馏段，其作用逐板提取下降的液相中易挥发组分。3、塔板的作用塔板是供气液两相进行传质和传热的场所。每一块塔板上气液两相进行双向传质，只要有足够的塔板数，就可以将混合液分离成两个较纯净的组分。4、再沸器的作用其作用是提供一定流量的上升蒸气流。5、冷凝器的作用其作用是提供塔顶液相产品并保证有适当的液相回流。回流主要补充塔板上易挥发组分的浓度，是精馏连续定态进行的必要条件。精馏是一种利用回流使混合液得到高纯度分离的蒸馏方法。第五章精馏塔的设计算5.1、物料衡算（1）有关数据Ma=78.11,Mb=92.13平均分子量：Mf=0.44*78.11+(1-0.44)*92.13=85.96Kg/KmolMd=0.9958*78.11+(1-0.9958)*92.13=78.17Kg/molMw=0.0176*78.11+(1-0.0176)*92.13=91.88Kg/Kmol摩尔分率：Fx=MbMa/60/40Ma/40=0.4404Dx=MbMa/5.0/5.99Ma/5.99=0.9958Wx=MbMa/5.98/5.1Ma/5.1=0.0176（2）全塔总物料衡算根据条件F=8000*1000/（300*24）=1111.11Kg/h=1111.11/85.96=12.93Kmol/h总物料F=D+W（5-1）易挥发组分FχF=DχD+WχW由（3-1）和（3-2）式得：（5-2）WDWFxxxxFD=434.36Kg/h=434.36/78.17=5.56Kmol/hWDFDxxxxFW=676.75Kg/h=630.86/91.88=7.37Kmol/h（5-3）若以塔顶易挥发组分为主要产品，则回收率η为100%DWDW（5-4）式中F、D、W——分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；χF、χD、χW——分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。5.2、回流比的确定选择泡点进料，ex=χF=0.4404平衡线方程y=x)1(1x（5-5）其中随温度的升高略有增加。取的平均值，查表表10-3。=（2.6+2.35）/2=2.475故，ey=e)1(1xxe=0.6607Rmin=eeexyyxD=4404.06607.06607.09958.0=1.52,取R=2.5Rmin/R=1.645.3、板块数的确定（1）操作线方程（ⅰ）精馏段上升蒸汽量：DRV)1(（5-6）下降液体量：RDL（5-7）操作线方程：DnnxVDxVLy1111DRyxxRR（5-8）已知R=2.5Dx=0.9958，故0.7140.285yxE的坐标为e（0.4404,0.59）（ⅱ）提馏段经过b(0.0176,0.0176),e(0.4404,0.59)操作线方程y=1.35x-0.0062(2)进料线方程（q线方程）Fx=0.4404(3)根据AutoCAD，运用图解法作出理论塔板数的图解。由图中梯级数目可知，全塔理论塔板数为16.9层，减去塔釜相当的一层，共需15.9。精馏段：9.5提留段：6.4(4)实际塔板数（ⅰ）全塔效率ET=0.17-0.616lgM根据t-x-y相图求得全塔平均温度mt=2WDtt=95Cº在温度mt下查得0.245,0.273mPasmPas苯甲苯因为LiLix=0.44*0.245+0.56*0.273=0.271故ET=0.17-0.616lgM=0.17-0.616*lg0.271=52%（ⅱ）实际塔板数N实际塔板数为Ne=15.9/0.52=30.6,其中精馏段：Ne1=9.5/0.52=18.3,实际为整数故取19块提留段：Ne2=6.4/0.52=12.3,实际为整数故取13块塔釜相当于一块塔板，因此取实际为整数故取31块塔板，以保证质量。5.4汽液负荷计算一、物性数据计算操作压力：取塔顶压力为Pd=101KPa,取每层塔板的压降为0.7KPa，故Pf=101+0.7*19=114.3KPa,Pw=101+0.7*32=123.4KPa精馏段平均压力：P精=（Pf+Pd）/2=107.6KPa提馏段P提=（Pf+Pw）/2=118.8KPa平均温度：查t-x-y相图，由内插法可知Dt=80.2CºFt=93.3Cºwt=109.3Cº2tttFD）（精=86.65Cº,2tttFw）（提=101.3Cº平均分子量：由Dx=0.9958，查图知，Dx=顶y，顶y=0.9958，顶x=98.9塔顶相对分子质量：MVD=顶yMA+(1-顶y)MB,MVD=78.1Kg/KmolMLD=顶xMA+(1-顶x)MB,MLD=78.2Kg/Kmol精馏段平均相对分子质量：Ml=(85.8+78.2)/2=82,Mv=(82.8+78.1)/2=80.45提留段平均相对分子质量：Ml=(91.8+85.8)/2=88.65,Mv=（82.8+91.4）/2=87.