課程設(shè)計(jì)---苯-甲苯溶液分離過程板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工﹑煉油﹑石油化工等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的題目是苯—甲苯二元物系板式精餾塔的設(shè)計(jì)。在確定的工藝要求下，確定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，塔輔助設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，精餾工藝過程流程圖，精餾塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)說明書。</p><p>　　關(guān)鍵

2、詞：板式塔；苯--甲苯；工藝計(jì)算；結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥化工等生產(chǎn)過程中廣泛采用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩種。</p><p>　　精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。

3、根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸氣由塔底進(jìn)入，與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，

4、熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥?lt;/p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案的確定</b></p><p>　　2.1 操作條件的確定</p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，

5、對(duì)某些問題作些闡述。</p><p><b>　　2.1.1操作壓力</b></p><p>　　蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物

6、料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰ΑＳ袝r(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。</p><p>　　2.1.2進(jìn)料狀態(tài) </p><p>　　進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)

7、際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。</p><p><b>　　2.1.3加熱方式</b></p><p>　　蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。然而，直接蒸

8、汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表壓）。</p><p>　　2.2 確定設(shè)計(jì)方案的原則</p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的

9、條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)：</p><p>　　2.2.1滿足工藝和操作的要求</p><p>　　所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方

10、案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測(cè)生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。</p><p>　　2.2.2滿足經(jīng)濟(jì)上的要求<

11、/p><p>　　要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。</p><p>　　2.2.3保證安全生產(chǎn)</p><

12、p>　　例如苯屬有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。</p><p>　　以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。</p><p><b>　　塔的工藝計(jì)算</b&g

13、t;</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱

14、，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。</p><p>　　3.2 精餾塔的物料衡算</p><p>　　3.2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率</p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量 </p><p><b>　　甲苯的摩爾質(zhì)量 </b></p><p>　　3.2.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平

15、均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　原料處理量 </p><p>　　總物料衡算 </p><p>　　苯物料衡算 </p><p>　　聯(lián)立解得 </p><p>　

16、　3.3 塔板數(shù)的確定</p><p>　　3.3.1 理論板層數(shù)的求取</p><p>　　求最小回流比及操作回流比</p><p><b>　　已知，點(diǎn)</b></p><p><b>　　故最小回流比為</b></p><p><b>　　取操作回流比為<

17、;/b></p><p>　　求精餾塔的氣、液相負(fù)荷</p><p><b>　　求操作線方程</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程為</b></p><p><b>　　提餾段操作線方程為</b></p><p><b>

18、;　　理論板計(jì)算過程如下</b></p><p>　　因?yàn)樗员驹O(shè)計(jì)中共需六塊精餾板，第七塊板為進(jìn)料板。</p><p>　　總理論板層數(shù) （包括蒸餾釜）</p><p><b>　　進(jìn)料板位置 </b></p><p>　　3.3.2 實(shí)際板層數(shù)的求取</p><p><b&g

19、t;　　精餾段實(shí)際板層數(shù) </b></p><p><b>　　提餾段實(shí)際板層數(shù) </b></p><p>　　3.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　以精餾段為例進(jìn)行計(jì)算</p><p>　　3.4.1 操作壓力計(jì)算</p><p><b>　　塔

20、頂操作壓力 </b></p><p><b>　　每層塔板壓降 </b></p><p><b>　　進(jìn)料板壓力 </b></p><p><b>　　精餾段平均壓力 </b></p><p>　　3.4.2 操作溫度計(jì)算</p><p>　

21、　依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽有安托尼方程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：</p><p>　　塔頂溫度 </p><p>　　進(jìn)料板溫度 </p><p>　　精餾段平均溫度 </p><p>　　3.4.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算</p><p>　　塔頂平

22、均摩爾質(zhì)量的計(jì)算</p><p><b>　　由，得</b></p><p>　　進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算</p><p><b>　　由計(jì)算知，從而得</b></p><p>　　精餾段的平均摩爾質(zhì)量為</p><p>　　3.4.4 平均密度計(jì)算</p>&

23、lt;p>　?、?氣相平均密度計(jì)算</p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程式計(jì)算，即</p><p>　?、?液相平均密度計(jì)算</p><p>　　液相平均密度計(jì)算依下式計(jì)算，即：</p><p>　　塔頂液相平均密度的計(jì)算。</p><p>　　由，查液體在不同溫度下的密度表得：</p><

24、p>　　進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算。</p><p>　　由，查液體在不同溫度下的密度表得：</p><p>　　精餾段的平均密度為：</p><p>　　3.4.5 液體平均表面張力計(jì)算</p><p>　　液相平均表面張力依下式計(jì)算，即：</p><p>　　塔頂液相平均表面張力的計(jì)算。</p>

25、<p>　　由，查液體表面張力共線圖得：</p><p>　　進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算。</p><p>　　由，查液體表面張力共線圖得：</p><p>　　精餾段平均表面張力為：</p><p>　　3.4.6 液體平均粘度計(jì)算</p><p>　　液相平均粘度依下式計(jì)算，即：</p>

26、<p>　　塔頂液相平均黏度的計(jì)算：</p><p>　　由，查氣體黏度共線圖得：</p><p><b>　　解出 </b></p><p>　　進(jìn)料板液相平均黏度的計(jì)算：</p><p>　　由，查氣體黏度共線圖得：</p><p><b>　　解出 </b>&

27、lt;/p><p>　　精餾段液相平均表面張力為：</p><p>　　3. 5 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 </p><p>　　3.5.1 塔徑的計(jì)算 </p><p>　　精餾段的氣、液相體積流率為 </p><p><b>　　由</b></p><p>　　式中C由求

28、取，其中由篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖查取，圖橫坐標(biāo)為</p><p>　　取板間距，，板上液層高度，則</p><p>　　查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得</p><p>　　取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：</p><p>　　按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為。</p><p><b>　　塔截面積為：</b>

29、</p><p>　　3.5.2 精餾塔有效高度的計(jì)算</p><p><b>　　精餾段有效高度為：</b></p><p><b>　　提餾段有效高度為：</b></p><p>　　在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為：</p><p>　　3.

30、6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算</p><p>　　3.6.1 溢流裝置計(jì)算</p><p>　　因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：</p><p><b>　　堰長(zhǎng)</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>

31、　　溢流堰高度</b></p><p>　　由，選用平直堰，堰上液層高度由下式計(jì)算，即：</p><p><b>　　近似取E=1，則</b></p><p><b>　　取板上清液層高度</b></p><p><b>　　故</b></p><

32、;p>　　弓形降液管寬度和截面積：</p><p>　　由，查弓形降液管參數(shù)圖得：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即：</p><p><b>　　故降液管設(shè)計(jì)合理。</b></p><p>　　降液管底隙的流

33、速，則：</p><p>　　故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。</p><p>　　選用凹形受液盤，深度。</p><p>　　3.6.2 塔板布置</p><p>　　① 塔板的分塊。因，故塔板采用分塊式。查塔板塊數(shù)表得塔板分為3塊。</p><p>　?、?邊緣區(qū)寬度確定：</p><p><

34、;b>　　取，</b></p><p>　?、?開孔區(qū)面積計(jì)算。開孔區(qū)面積計(jì)算為：</p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　?、?篩孔計(jì)算及其排列</p><p>　　由于苯和甲苯?jīng)]有腐

35、蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：</p><p><b>　　篩孔數(shù)目n為：</b></p><p><b>　　開孔率為：</b></p><p>　　氣體通過篩孔的氣速為：</p><p>　　3.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算</p><p&g

36、t;<b>　　3.7.1塔板壓降</b></p><p>　　① 干板阻力計(jì)算。干板阻力由下式計(jì)算：</p><p>　　由，查篩板塔汽液負(fù)荷因子曲線圖得</p><p><b>　　故</b></p><p>　?、?氣體通過液層的阻力計(jì)算。氣體通過液層的阻力由下式計(jì)算，即 </p>

37、<p>　　查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得。</p><p><b>　　故。</b></p><p>　　③ 液體表面張力的阻力計(jì)算</p><p>　　液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計(jì)算，即：</p><p>　　氣體通過每層塔板的液柱高度按下式計(jì)算：</p><p>　　氣體通過每層塔板的

38、壓降為：</p><p>　　3.7.2 液面落差</p><p>　　對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。</p><p>　　3.7.3 液沫夾帶</p><p>　　液沫夾帶按下式計(jì)算：</p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許的范圍內(nèi)。</p>

39、<p><b>　　3.7.4 漏液</b></p><p>　　對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速按下式計(jì)算：</p><p><b>　　實(shí)際孔速</b></p><p><b>　　穩(wěn)定系數(shù)為</b></p><p>　　故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。</p><

40、;p><b>　　3.7.5 液泛</b></p><p>　　為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從下式所表示的關(guān)系，即：</p><p>　　苯—甲苯物系屬一般物系，取，則：</p><p><b>　　而 </b></p><p>　　板上不設(shè)進(jìn)口堰，按下式計(jì)算：</p&g

41、t;<p>　　，故本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。</p><p>　　3.8 精餾段塔板負(fù)荷性能圖</p><p><b>　　3.8.1 漏液線</b></p><p><b>　　由</b></p><p><b>　　得：</b></p>&l

42、t;p><b>　　整理得 </b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表</p><p>　　表3-1 漏液線計(jì)算結(jié)果</p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1</p><p>　　3.8.2 液沫夾帶線</p><p>　　以為限，求關(guān)

43、系如下：</p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　整理得 </b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表</p><p>　　表3-2 液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果</p><p>　　由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶

44、線2</p><p>　　3.8.3 液相負(fù)荷下限線</p><p>　　對(duì)于平直堰，取堰上液層高度=0.006作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn):</p><p><b>　　取,則</b></p><p>　　據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3</p><p>　　3.8.4 液相負(fù)荷上限線&l

45、t;/p><p>　　以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限</p><p><b>　　故</b></p><p>　　據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。</p><p><b>　　3.8.5 液泛線</b></p><p><b>　　令</b&g

46、t;</p><p><b>　　由</b></p><p><b>　　聯(lián)立解得</b></p><p>　　忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入整理，得<

47、/p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于下表</p><p>　　表3-3液泛線計(jì)算表</p><p>　　由上表即可作出液泛線5</p><p>　　根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖：</p><p>　　圖3-1 精餾段篩板塔的負(fù)荷性能圖</p><

48、p>　　在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由上圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得：</p><p>　　= 0.190 = 0.550</p><p><b>　　故操作彈性為：</b></p><p>　　所設(shè)計(jì)精餾段篩板的主要結(jié)果匯總于下表4-7：</p&g

49、t;<p>　　表3-4 精餾段篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　經(jīng)過兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，終于完成了《苯-甲苯溶液分離過程板式精餾塔》的課程設(shè)計(jì)?？偟膩碚f，這次設(shè)計(jì)的內(nèi)容不算復(fù)雜，計(jì)算量也不是很大。只要細(xì)心地計(jì)算，一步一步的把思路縷清晰，就能夠完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)。</p><p

50、>　　萬事開頭難，剛開始著手計(jì)算時(shí)，思路有點(diǎn)混亂，不知道應(yīng)該先算哪個(gè)儲(chǔ)料罐里的物料量。在老師詳細(xì)地講解與分析下，終于茅塞頓開。老師仔細(xì)地把計(jì)算過程中容易算錯(cuò)的位置給我們指出，并且把工藝流程仔細(xì)地講解了一遍。接下來的計(jì)算可以說是游刃有余了。我把老師講解的東西鞏固了一遍后就開始認(rèn)真地計(jì)算了。雖然在計(jì)算的過程中仍會(huì)遇到一些小小的困難，但是通過與同學(xué)之間的討論，問題也很快就解決了。</p><p>　　經(jīng)過三天的認(rèn)

51、真計(jì)算，大概完成計(jì)算部分，接下來就是完成電子檔部分了。電子檔部分的輸入比較繁瑣，還有公式的輸入和排版問題。經(jīng)過反復(fù)得修改，終于完成了初稿。</p><p>　　最后就只剩下畫圖部分了。因?yàn)楸敬握n程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求是需要畫一張Auto CAD的工藝流程圖。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容雖然不是很復(fù)雜，但是通過這次課設(shè)，仍然學(xué)到了很多知識(shí)。非常感謝老師在課程設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)與批評(píng)。</