复发精馏塔的设计.docx

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1、目 录 1 课程设计的目的3 2 课程设计题目描述和要求3 3 课程设计报告内容4 4 对设计的评述和有关问题的讨论22 5 参考书目221苯-甲苯连续精馏浮阀塔设计 1课程设计的目的2 课程设计题目描述和要求本设计的题目是苯-甲苯连续精馏浮阀塔的设计,即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯,采用连续操作方式,需设计一板式塔,板空上安装浮阀,具体工艺参数如下: 原料苯含量:质量分率= (30+0.5*学号)% 原料处理量:质量流量=(10-0.1*学号) t/h 单号 (10+0.1*学号) t/h 双号 产品要求:质量分率:xd=98%,xw=2% 单号 xd=96%,xw=1

2、% 双号工艺操作条件如下: 常压精馏,塔顶全凝,塔底间接加热,泡点进料,泡点回流,R=(1.22)Rmin。 3课程设计报告内容 3.1 流程示意图 冷凝器塔顶产品冷却器苯的储罐苯 回流原料原料罐原料预热器精馏塔 回流 再沸器 塔底产品冷却器甲苯的储罐甲苯 3.2 流程和方案的说明及论证 3.2.1 流程的说明 首先,苯和甲苯的原料混合物进入原料罐,在里面停留一定的时间之后,通过泵进入原料预热器,在原料预热器中加热到泡点温度,然后,原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点,混合物中既有气相混合物,又有液相混合物,这时候原料混合物就分开了,气相混合物在精馏塔中上升,而液相混合物在精馏塔中下降

3、。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中,这些气相混合物被降温到泡点,其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中,停留一定的时间然后进入苯的储罐,而其中的气态部分重新回到精馏塔中,这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中,一部分进入再沸器,在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程,而进料口不断有新鲜原料的加入。最终,完成苯与甲苯的分离。3.2.2 方案的说明和论证 本方案主要是采用浮阀塔。 精馏设备所用的设备及其相互联系,总称为精馏装置,其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类,通称塔设备,和其他传质过程一样,精馏塔对塔设备的要求大致

4、如下:3一:生产能力大:即单位塔截面大的气液相流率,不会产生液泛等不正常流动。二:效率高:气液两相在塔内保持充分的密切接触,具有较高的塔板效率或传质效率。 三:流体阻力小:流体通过塔设备时阻力降小,可以节省动力费用,在减压操作是时,易于达到所要求的真空度。 四:有一定的操作弹性:当气液相流率有一定波动时,两相均能维持正常的流动,而且不会使效率发生较大的变化。 五:结构简单,造价低,安装检修方便。 六:能满足某些工艺的特性:腐蚀性,热敏性,起泡性等。 而浮阀塔的优点正是:而浮阀塔的优点正是: 1生产能力大,由于塔板上浮阀安排比较紧凑,其开孔面积大于泡罩塔板,生产能力比泡罩塔板大 20%40%,与

5、筛板塔接近。 2操作弹性大,由于阀片可以自由升降以适应气量的变化,因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔,泡罩塔都大。 3塔板效率高,由于上升气体从水平方向吹入液层,故气液接触时间较长,而雾沫夹带量小,塔板效率高。 4气体压降及液面落差小,因气液流过浮阀塔板时阻力较小,使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低,浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%,但是比筛板塔高 20%30。 但是,浮阀塔的抗腐蚀性较高(防止浮阀锈死在塔板上),所以一般采用不锈钢作成,致使浮阀造价昂贵,推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展,各种新型填料,高效率塔板的不断被研制出来,浮阀塔的推广并

6、不是越来越广。 近几十年来,人们对浮阀塔的研究越来越深入,生产经验越来越丰富,积累的设计数据比较完整,因此设计浮阀塔比较合适。3.3 设计的计算与说明 3.3.1 全塔物料衡算 根据工艺的操作条件可知:料液流量 F=(10-0.5*19)t/h=2.25Kg/s =94.285Kmol/h料液中易挥发组分的质量分数 xf =(30+0.5*19)%=39.5%; 塔顶产品质量分数 xd = 98%,摩尔分数为 97.6%; 塔底产品质量分数 xw= 2%,摩尔分数为 1.7%; 由公式:F=D+W F*xf=D*xd+W*xw代入数值解方程组得: 塔顶产品(馏出液)流量 D=41.067 Km

7、ol/h=0.89Kg/s; 塔底产品(釜液)流量 W=53.218Kmol/h=1.360 Kg/s。3.3.2分段物料衡算 lgPa*=6.02232-1206.350/(t+220.237) 安托尼方程 lgPb*=6.07826-1343.943/(t+219.377) 安托尼方程 xa=(P 总-Pb*)/(Pa*-Pb*) 泡点方程 根据xa从化工原理P204表61查出相应的温度根据以上三个方程,运用试差法可求出 Pa*,Pb* 当 xa=0.395 时,假设t=92 Pa*=144.544P,Pb*=57.809P, 当 xa=0.98 时,假设t=80.1 Pa*=100.43

8、2P,Pb*=38.904P,当 xa=0.02 时,假设t=108 Pa*=222.331P,Pb*=93.973P, t=92,既是进料口的温度,t=80.1是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度,t=108是釜液需被加热的温度。 根据衡摩尔流假设,全塔的流率一致,相对挥发度也一致。 a=Pa*/Pb*=144.544P/57.809P =2.500(t=80.1) 所以平衡方程为 y=ax/1+(a1)x=2.500x/(1+1.500x), 最小回流比 Rmin 为 Rmin=xd/xf-a(1-xd)/(1-xf)/(a-1)1.426,所以 R=1.5Rmin2.139, 所以精馏段液相质量流

9、量 L(Kg/s)RD2.139*0.89=1.904,精馏段气相质量流量 V(Kg/s)(R+1)D3.139*0.89=2.794, 所以,精馏段操作线方程 yn+1=R*xn/(R+1)+xd/(R+1) =0.681xn+0.311 因为泡点进料,所以进料热状态 q=1 所以,提馏段液相质量流量 L(Kg/s)L+qF1.904+1*2.25=4.154, 提馏段气相质量流量 V(Kg/s)V-(1-q)F2.794。 所以,提馏段操作线方程 ym+1= Lxm/ V-Wxw/ V =1.487xm-0.0083.3.3 理论塔板数的计算(1)联立精馏段和提馏段操作线方程解得xd=0.

10、3759且前面已算得xw=0.017(2)用逐板计算法计算理论塔板数 第一块板的气相组成应与回流蒸汽的组成一致,所以 y1=xd,然后可以根据平衡方程可得 x1,从第二块板开始应用精馏段操作线方程求 yn,用平衡方程求 xn,一直到 xnxd,共需 n-1 块精馏板,第 n 块板为进料板。第一板 y1=xd 0.98x1=y1/y1+a(1-y1) 0.9514 第二板 y2=0.681x1+0.311 0.9592x2=y2/y2+a(1-y2) 0.9039第三板 y3=0.681x2+0.311 0.9268x3=y3/y3+a(1-y3) 0.8351第四板 y4=0.681x3+0.

11、311 0.8799x4=y4/y4+a(1-y4) 0.7456第五板 y5=0.681x4+0.311 0.8189x5=y5/y5+a(1-y5) 0.6440第六板 y6=0.681x5+0.311 0.7497x6=y6/y6+a(1-y6) 0.5451第七板 y7=0.681x6+0.311 0.6823x7=y7/y7+a(1-y7) 0.4621第八板 y8=0.681x7+0.311 0.6258x8=y8/y8+a(1-y8) 0.4008第九板 y9=0.681x8+0.311 0.5840x9=y9/y9+a(1-y9) 0.3596x9xd所以本设计中共需八块精馏板

12、,第九块板为进料板。 从第十块板开始,用提馏段操作线求 yn, 用平衡方程求 xn,一直到 xnxw。第十板 y10=1.487x9-0.008 0.5267x10=y10/y10+a(1-y10) 0.3080第十一板 y11=1.487x10-0.008 0.4500x11=y11/y11+a(1-y11) 0.2466 第十二板 y12=1.487x11-0.008 0.3587x12=y12/y12+a(1-y12) 0.1828第十三板 y13=1.487x12-0.008 0.2638x13=y13/y13+a(1-y13) 0.1254第十四板 y14=1.487x13-0.00

13、8 0.1784 x14=y14/y14+a(1-y14) 0.0799第十五板 y15=1.487x14-0.008 0.1108x15=y15/y15+a(1-y15) 0.0475第十六板 y16=1.487x15-0.008 0.0626x16=y16/y16+a(1-y16) 0.0260 第十七板 y17=1.487x16-0.008 0.0307x17=y17/y17+a(1-y17) 0.0125x176mm,符合要求。 底隙流速,ub(m/s) =Ls/lw/hb0.,而且不大于 0.3 0.5,符合要求。 塔盘及其布置 由于直径较大,采取分块式,查表得分三块,厚度取位 4m

14、m。降液区的面积按 Ad 计算,取为 0.115m2, 受液区的面积按 Ad 计算,取为 0.115m2, 入口安定区得宽度 bs(mm),一般为 50100,本设计取为60。 出口安定区得宽度 bs(mm),一般为 50100,本设计取为60。 边缘区宽度 bc(mm),一般为 5075,本设计取为 50, 有效传质区,Aa(m2) 2*x*(r2-x2)0.5+r2*arcsin(x/r)24. 塔板结构如下两图 9 浮阀数排列选择F1 型重型 32g 的浮阀阀孔直径给定,d0(mm)=39mm, 动能因子F0 一般取为 8 12,本设计取为 11.5。阀孔气速,uo(m/s)=F0/v0

15、.5= 6., 阀孔数 n=Vs*4/d0/d0/u0/3.=103.,取104。实际排列时按等腰三角形排,中心距取为 75mm, 固定底边尺寸B(mm)= 70,所以 实际排出 104 个阀孔,与计算个数基本相同。 所以,实际阀孔气速 uo(m/s)=Vs*4/d0/d0/n/3.=6.实际阀孔动能因子,F0=u0*v0.5=11., 开孔率=n*d0*d0/D/D = 0.10985,一般 1014,符合要求。3.3.7塔板的流体力学校核(1) 液沫夹带量校和核液体横过塔板流动的行程,Z(m) =D-2*bD=0.62塔板上的液流面积,Ab(m2) =At-2*Ad=1.08 物性系数,K

16、,查表得 1 泛点负荷因数,Cf=0.125,见下页图。 F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/Cf=0.,F1=Vs*v/(l-v)0.5/At/K/Cf/0.78=0.,泛点率 F1(0.80.82),F!,F2 均符合要求。 ,塔板阻力的计算与较核 临界孔速 u0c(m/s) =(73/v)(1/1.875)= 5.hd,合格。 液体在降液管中停留时间较核 平均停留时间Ad*Ht/Ls=7.s,( 不小于 35 s),合格。 严重泄漏较核 泄漏点气速 u0=F0/(v0.5) =3.,F0=5, 稳定系数,k=u0/u0= 2. 1.52,合格。 3.3.8 全

17、塔优化(如下图) 曲线 1 是过量液沫夹带线,根据 F2=Vs*v/(l-v)0.5+1.36*Z*Ls/Ab/K/Cf F2=0.8 得,方程 Vh=6588-14.289Lh, 曲线 2 是液相下限线,根据 Lh=(0.002840.6667)*lw*(how1.5) how=6mm 得 Lh(m3/h)=2., 曲线3是严重漏液线,根据 Vh=3./4*do*do*F0*n/(v0.5) F0=5 得 Vh(m3/h)= 1349., 曲线 4 是液相上限线,根据 Lh=Ad*Ht*3600 =5s 得 Lh(m3/h)= 37.26, 曲 线 5 是 降 液 管 泛 线 , 根 据 h

18、d (Ht+Hw) , 得Vh=(2.98*10E7-0.4*10E6*Lh0.67-13.49*Lh2)0.5,曲线 5 必过的五点(0, 5461)(10,5268)(20,5150) (0, 5461)(10,5268)(20,5150) 作图如下 Vmax(m3/h)= 4779,Vmin(m3/h)= 1349 操作弹性Vmax/Vmin=,3.,大于2,小于4,合格14 3.3.9 塔高 规则塔体高 h=Np*Ht=13.5m, 开人孔处 (中间的两处人孔)塔板间距增加为 0.6m,进料处塔板间距增加为 0.6m, 塔两端空间,上封头留 1.5m ,下封头留 1.5m, 釜液停留时

19、间为 20min , 填充系数=0.7,所以体积流量 V(m3/h)=Lh*/l/ =1. , 所 以 釜 液 高 度 Z(m)=0.333*V/(3.*D*D/4)= 0.=0.5m 所以,最后的塔体高为 17.59m.3.3.10 热量衡算 塔底热量衡算 塔底苯蒸汽的摩尔潜热 rv苯(KJ/Kg)= 373, 塔底甲苯蒸汽的摩尔潜热 rv甲苯(KJ/Kg)=361; 所 以 塔 底 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热 rv(KJ/Kg)= rv 苯 (KJ/Kg)*yC6H6+rv 甲 苯*yC7H8=361., 15所以再沸器的热流量 Qr(KJ)=V*rv=1166., 因为加热蒸汽的

20、潜热 rR(KJ/Kg)= 2177.6(t=130), 所以需要的加热蒸汽的质量流量 Gr(Kg/s)=Qr/rR=0.。 塔顶热量衡算 塔顶上升苯蒸汽的摩尔潜热 rv 苯(KJ/Kg)=379.3 塔顶上升甲苯蒸汽的摩尔潜热 rv 甲苯(KJ/Kg)=367.1 所 以 塔 顶 上 升 蒸 汽 的 摩 尔 潜 热 rv(KJ/Kg)= rv 苯 (KJ/Kg)*yC6H6+rv 甲 苯*yC7H8=378.88; 所以冷凝器的热流量 Qc(KJ/s)=V*rv= 1223., 因为水的定压比热容 Cc(KJ/Kg/K)=4.174,冷却水的进口温度 t1=25,冷却水的出口温度 t2=70

21、, 所以需要的冷却水的质量流量 Gc(Kg/s)=Qc/Cc/(t2-t1)=6.。 3.3.11 精馏塔接管尺寸 回流液接管尺寸 体积流量 Vr(m3/s)=L/=0.,管流速 ur(m/s)=0.3, 回流管直径 d(mm)=(4*Vr/3.1415/ur)0.5= 110.=133*6; 进料接管尺寸料液体积流率 Vf(m3/s)=F/= 0.,管流速 uf(m/s)=0.5, 进料管直径,d0(mm)=(4*Vf/3.1415/uf)0.5=98.=108*5; 釜液出口管体积流量 Vw(m3/s)=L/=0.,管流速 uw(m/s)=0.5 出口管直径 dw(mm)=(4*Vw/3.

22、1415/uw)0.5=130.=159*8; 塔顶蒸汽管体积流量 Vd(m3/s)=V/v=1.,管流速 ud(m/s)=15, 出口管直径 dd(mm)=(4*Vd/3.1415/ud)0.5=316.=377*8。 3.3.11 辅助设备设计 再沸器 因为蒸汽温度 ts()=130,釜液进口温度 t1()=100,釜液出口温度 t2()=110, 所以传质温差tm()=(ts-t1)-(ts-t2)/ln(ts-t1)/(ts-t2)= 24., 因为传质系数 K1(W/m2/K)=300, 所以传质面积 A(m2)=Qr/K/tm=157.。 冷凝器 因为蒸汽进口温度 T1()=100

23、,蒸汽出口温度 T2()=80,冷却水的进口温度t1=25, 冷却水的出口温度 t2=70, 所以传质温差tm()=(t1-t2)/ln(t1/t2)= 41., 因为 K2(W/m2/K)=250, 所以,传质面积 A(m2)=Qc/K2/tm=118.。 16储罐 原料罐 因 为 停 留 时 间 1(s)= 1800 , 所 以 原 料 罐 的 容 积 量 V(m3)=F* 1/ l/ =9.; 塔顶产品罐 因 为 2(s)= ,所 以 塔 顶 产 品 罐 的 容 积 量 Vd(m3)=D* 2/ l/ =440.; 塔底产品罐 因 为 3(s)= , 所 以 塔 顶 产 品 罐 的 容

24、积 量 Vw(m3)=W* 3/ l/ =963.。 3.4 设计参数表17塔板设计结构汇总表数据 塔板主要结构参数 数据 塔板主要流动性能参数 数据塔的有效高度Z0(m) 13.5 液泛气速 uf(m/s) 1.实际塔板数 Np 30 空塔气速 u(m/s) 0.塔 ( 塔 板 ) 内径D(m) 1.2 设计泛点率 rf=u/uf 0.板间距 Ht(m) 0.45 阀孔动能因子 F0 11.流动形式 单流型 阀孔气速 uo(m/s) 6.降液管总截面积与塔截面之比 Ad/At 10.2% 泄 漏 点 气 速uo(m/s) 3.降 液 管 堰 长lw(mm) 876 雾 沫 夹 带 泛 点 率

25、F1 0.降液管截面积的宽度 bd(mm) 290 稳定系数 k 2.溢 流 堰 高 度hw(mm) 60 临界孔速 u0c(m/s) 5.降 液 管 底 隙hb(mm) 30 堰上方的液头高度how(mm) 25.边 缘 区 宽 度bc(mm) 50 塔板阻力 hf(m) 0.出入口安定区宽 bs,bs(mm) 60 液体在降液管中平均停留时间(s) 7. 塔 板 厚 度 (mm) 4 液体通过降液管的流动阻力 hd(mm) 9.9塔板分块数 3 降液层的泡沫高度hd(mm) 19.80浮阀形式 F 1 底隙流速 ub(m/s) 0.浮阀个数 104 Vmax(m3/h) 4779浮阀排列形式 等腰三角形排列 Vmin(m3/h) 1349 开孔率 0.10985 操作弹性=Vmax/Vmin 3.4.对设计的评述和有关问题的分析讨论 4.1 对设计的评述 本设计是一次常规的练习设计,目的在于掌握设计的过程和分析问题的能力,必定有许多不足之处,希望老师多多批评。 4.2 有关问题的讨论

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