苯-甲苯板式精馏塔设计

合肥学院HefeiUniversity化工原理课程设计题目:板式精馏塔设计系别:生物与环境工程系专业:_生物工程学号:0902012008姓名:黄洋指导教师:王杏文老师目录一、设计方案的确定………………………………………………………………5二、精馏塔的物料衡算……………………………………………………………61.原理液及塔顶、塔底产品的摩尔分率…………………………………………62.原料夜及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量……………………………………63.物料衡算…………………………………………………………………………6三、塔板数的确定…………………………………………………………………81.理论塔板层数NT的求取………………………………………………………81.1求最小回流比及操作回流比……………………………………………81.2求操作线方程……………………………………………………………81.3图解法求理论板层数……………………………………………………82.塔板效率的估算…………………………………………………………83.实际板层数的求取……………………………………………………………9四、精馏塔的工艺条件以及有关物性数据的计算……………………………101.精馏段体积流量………………………………………………………………101.1平均摩尔质量计算…………………………………………………………101.1.1塔顶平均摩尔质量计算……………………………………………101.1.2进料板平均摩尔质量计算…………………………………………101.1.3精馏段平均摩尔质量………………………………………………101.2平均密度的计算…………………………………………………………101.2.1气相平均密度计算………………………………………………101.2.2液相平均密度计算………………………………………………101.2.3精馏段液相平均密度………………………………………………112.提馏段的体积流量………………………………………………………………112.1平均摩尔质量计算……………………………………………………112.1.1塔底平均摩尔质量计算…………………………………………112.1.2提馏段平均摩尔质量计算…………………………………………122.2平均密度……………………………………………………………………122.2.1气相平均密度………………………………………………………122.2.2液相平均密度………………………………………………………122.2.3提馏段液相平均密度………………………………………………12五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算…………………………………………………131.塔径的计算…………………………………………………………………132.精馏塔有效高度的计算…………………………………………………………14六、塔板主要工艺尺寸的计算……………………………………………………151.溢流装置计算……………………………………………………………………151.1堰长lw………………………………………………………………………151.2溢流堰高度how……………………………………………………………151.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af…………………………………………151.4降液管底隙高度h0…………………………………………………………152.塔板布置………………………………………………………………………152.1塔板的分块…………………………………………………………………162.2边缘区宽度确定……………………………………………………………162.3开孔区面积计算……………………………………………………………162.4筛孔计算及其排列…………………………………………………………16七、筛板的流体力学验算…………………………………………………………161.塔板压降…………………………………………………………………………161.1干板阻力hc计算…………………………………………………………161.2气体通过液层的阻力h1计算………………………………………………171.3液体表明张力的阻力hσ计算………………………………………………172.液面落差…………………………………………………………………………173.液沫夹带…………………………………………………………………………174.漏液………………………………………………………………………………175.液泛………………………………………………………………………………18八、塔板符合性能图………………………………………………………………191.漏液线……………………………………………………………………………192.液沫夹带线……………………………………………………………………193.液相负荷下限线………………………………………………………………204.液相负荷上限线…………………………………………………………………205.液泛线……………………………………………………………………………20九、各接管尺寸的确定………………………………………………………………231．进料管……………………………………………………………………………232.釜残液出料管…………………………………………………………………233.回流液管………………………………………………………………………234.塔顶上升蒸汽管………………………………………………………………24十、主要符号说明…………………………………………………………………25十一、总结………………………………………………………………………26十二、参考资料…………………………………………………………………27十三、附图………………………………………………………………………27板式精馏塔设计任务书一、设计题目：苯―甲苯精馏分离板式塔设计二、设计任务及操作条件1、设计任务：生产能力（进料量）4万吨／年操作周期7200小时／年进料组成50%（质量分率，下同）塔顶产品组成99%塔底产品组成2%2、操作条件操作压力常压进料热状态泡点进料冷却水20℃加热蒸汽0.2MPa3、设备型式筛板塔4、厂址安徽省合肥市三、设计内容：1、概述2、设计方案的选择及流程说明3、塔板数的计算(板式塔)(1)物料衡算;(2)平衡数据和物料数据的计算或查阅;(3)回流比的选择;(4)理论板数和实际板数的计算;4、主要设备工艺尺寸设计(1)塔内气液负荷的计算;(2)塔径的计算;(3)塔板结构图设计和计算；(4)流体力学校核；(5)塔板负荷性能计算；(6)塔接管尺寸计算；(7)总塔高、总压降及接管尺寸的确定。5、辅助设备选型与计算6、设计结果汇总7、工艺流程图及精馏塔装配图（2号或3号图纸）8、设计评述一、概述1.精馏塔的简介:精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，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。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。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、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、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。2.苯-甲苯物系简介：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，但其分子质量比水重。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；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（与苯的气味类似），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（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0,6mPas，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940kJ/kg，闪点为4℃，燃点为535℃。3.设计依据：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。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。筛板塔是1932年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。二、设计方案的选择1.塔型选择：根据生产任务，若按年工作日300天，每天工作24小时，产品流量是5555.56Kg/h,因为苯-甲苯物系的粘度较小，流量较大，所以选用筛板塔，筛板塔的结构简单，造价低，气体压强低，生产能量大。2.操作条件选择：确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。2.1操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。2.2进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，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。2.3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。有时也可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表压）。三、计算过程一、精馏塔的物料衡算（常压）苯-甲苯气液相平衡数据温度t液相中苯的含量x（摩尔分数）气相中苯的含量y（摩尔分数）温度t液相中苯的含量x（摩尔分数）气相中苯的含量y（摩尔分数）110.600