課程設計---苯-甲苯溶液分離過程板式精餾塔設計

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)中得到廣泛的應用。本設計的題目是苯—甲苯二元物系板式精餾塔的設計。在確定的工藝要求下，確定設計方案，設計內容包括精餾塔工藝設計計算，塔輔助設備設計計算，精餾工藝過程流程圖，精餾塔設備結構圖，設計說明書。</p><p>　　關鍵

2、詞：板式塔；苯--甲苯；工藝計算；結構圖</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　塔設備是化工、石油化工、生物化工、制藥化工等生產過程中廣泛采用的氣液傳質設備。根據塔內氣液接觸構件的結構形式，可分為板式塔和填料塔兩種。</p><p>　　精餾塔是進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。蒸氣由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點)組分不斷地向蒸氣中轉移，蒸氣中的難揮發(fā)(高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，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，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，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殘液取出。</p><p><b>　　設計方案的確定</b></p><p>　　2.1 操作條件的確定</p><p>　　確定設計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結構型式和某些操作指標。例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式等。下面結合課程設計的需要，

5、對某些問題作些闡述。</p><p><b>　　2.1.1操作壓力</b></p><p>　　蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進行。確定操作壓力時，必須根據所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性進行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設備。對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物

6、料，則應在加壓下進行蒸餾。當物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當地提高操作壓力可以提高塔的處理能力。有時應用加壓蒸餾的原因，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進料狀態(tài) </p><p>　　進料狀態(tài)與塔板數、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。在實

7、際的生產中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計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，設置再沸器。有時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)組分的濃度應較低，因而塔板數稍有增加。采用直接蒸汽加熱時，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。對于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表壓）。</p><p>　　2.2 確定設計方案的原則</p><p>　　確定設計方案總的原則是在可能的

9、條件下，盡量采用科學技術上的最新成就，使生產達到技術上最先進、經濟上最合理的要求，符合優(yōu)質、高產、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點：</p><p>　　2.2.1滿足工藝和操作的要求</p><p>　　所設計出來的流程和設備，首先必須保證產品達到任務規(guī)定的要求，而且質量要穩(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，從而需要采取相應的措施。其次所定的設計方

10、案需要有一定的操作彈性，各處流量應能在一定范圍內進行調節(jié)，必要時傳熱量也可進行調整。因此，在必要的位置上要裝置調節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標時，也應考慮到生產上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應措施。</p><p>　　2.2.2滿足經濟上的要求<

11、/p><p>　　要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設備及基建費用。如前所述在蒸餾過程中如能適當地利用塔頂、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，即對操作費和設備費都有影響。同樣，回流比的大小對操作費和設備費也有很大影響。</p><p>　　2.2.3保證安全生產</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，塔內壓力過大或塔驟冷而產生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。</p><p>　　以上三項原則在生產中都是同樣重要的。但在化工原理課程設計中，對第一個原則應作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。</p><p><b>　　塔的工藝計算</b&g

13、t;</p><p>　　3.1 設計方案的確定</p><p>　　本設計任務為分離苯一甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送人精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。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、，塔底產品經冷卻后送至儲罐。</p><p>　　3.2 精餾塔的物料衡算</p><p>　　3.2.1 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率</p><p>　　苯的摩爾質量 </p><p><b>　　甲苯的摩爾質量 </b></p><p>　　3.2.2 原料液及塔頂、塔底產品的平

15、均摩爾質量</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 塔板數的確定</p><p>　　3.3.1 理論板層數的求取</p><p>　　求最小回流比及操作回流比</p><p><b>　　已知，點</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、;　　理論板計算過程如下</b></p><p>　　因為所以本設計中共需六塊精餾板，第七塊板為進料板。</p><p>　　總理論板層數 （包括蒸餾釜）</p><p><b>　　進料板位置 </b></p><p>　　3.3.2 實際板層數的求取</p><p><b&g

19、t;　　精餾段實際板層數 </b></p><p><b>　　提餾段實際板層數 </b></p><p>　　3.4 精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算</p><p>　　以精餾段為例進行計算</p><p>　　3.4.1 操作壓力計算</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 操作溫度計算</p><p>　

21、　依據操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽有安托尼方程計算，計算結果如下：</p><p>　　塔頂溫度 </p><p>　　進料板溫度 </p><p>　　精餾段平均溫度 </p><p>　　3.4.3 平均摩爾質量計算</p><p>　　塔頂平

22、均摩爾質量的計算</p><p><b>　　由，得</b></p><p>　　進料板平均摩爾質量的計算</p><p><b>　　由計算知，從而得</b></p><p>　　精餾段的平均摩爾質量為</p><p>　　3.4.4 平均密度計算</p>&

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

24、p>　　進料板液相平均密度的計算。</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算</p><p>　　液相平均表面張力依下式計算，即：</p><p>　　塔頂液相平均表面張力的計算。</p>

25、<p>　　由，查液體表面張力共線圖得：</p><p>　　進料板液相平均表面張力的計算。</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 液體平均粘度計算</p><p>　　液相平均粘度依下式計算，即：</p>

26、<p>　　塔頂液相平均黏度的計算：</p><p>　　由，查氣體黏度共線圖得：</p><p><b>　　解出 </b></p><p>　　進料板液相平均黏度的計算：</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算 </p><p>　　3.5.1 塔徑的計算 </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荷因子曲線圖查取，圖橫坐標為</p><p>　　取板間距，，板上液層高度，則</p><p>　　查篩板塔汽液負荷因子曲線圖得</p><p>　　取安全系數為0.7，則空塔氣速為：</p><p>　　按標準塔徑圓整后為。</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算</p><p>　　3.6.1 溢流裝置計算</p><p>　　因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：</p><p><b>　　堰長</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，查弓形降液管參數圖得：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　驗算液體在降液管中停留時間，即：</p><p><b>　　故降液管設計合理。</b></p><p>　　降液管底隙的流

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

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

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 篩板的流體力學驗算</p><p&g

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

37、<p>　　查充氣系數關聯(lián)圖得。</p><p><b>　　故。</b></p><p>　　③ 液體表面張力的阻力計算</p><p>　　液體表面張力所產生的阻力由下式計算，即：</p><p>　　氣體通過每層塔板的液柱高度按下式計算：</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>　　對于篩板塔，液面落差很小，且本設計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>　　液沫夾帶按下式計算：</p><p>　　故在本設計中液沫夾帶量在允許的范圍內。</p>

39、<p><b>　　3.7.4 漏液</b></p><p>　　對篩板塔，漏液點氣速按下式計算：</p><p><b>　　實際孔速</b></p><p><b>　　穩(wěn)定系數為</b></p><p>　　故在本設計中無明顯漏液。</p><

40、;p><b>　　3.7.5 液泛</b></p><p>　　為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高應服從下式所表示的關系，即：</p><p>　　苯—甲苯物系屬一般物系，取，則：</p><p><b>　　而 </b></p><p>　　板上不設進口堰，按下式計算：</p&g

41、t;<p>　　，故本設計中不會發(fā)生液泛現象。</p><p>　　3.8 精餾段塔板負荷性能圖</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，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表</p><p>　　表3-1 漏液線計算結果</p><p>　　由上表數據即可作出漏液線1</p><p>　　3.8.2 液沫夾帶線</p><p>　　以為限，求關

43、系如下：</p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　整理得 </b></p><p>　　在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表</p><p>　　表3-2 液沫夾帶線計算結果</p><p>　　由上表數據即可作出液沫夾帶

44、線2</p><p>　　3.8.3 液相負荷下限線</p><p>　　對于平直堰，取堰上液層高度=0.006作為最小液體負荷標準:</p><p><b>　　取,則</b></p><p>　　據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3</p><p>　　3.8.4 液相負荷上限線&l

45、t;/p><p>　　以作為液體在降液管中停留時間的下限</p><p><b>　　故</b></p><p>　　據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線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，與的關系式代入上式，并整理得：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　將有關的數據代入整理，得<

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

48、p>　　在負荷性能圖上，作出操作點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>　　所設計精餾段篩板的主要結果匯總于下表4-7：</p&g

49、t;<p>　　表3-4 精餾段篩板塔設計計算結果</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　經過兩個星期的課程設計，終于完成了《苯-甲苯溶液分離過程板式精餾塔》的課程設計。總的來說，這次設計的內容不算復雜，計算量也不是很大。只要細心地計算，一步一步的把思路縷清晰，就能夠完成課程設計的任務。</p><p

50、>　　萬事開頭難，剛開始著手計算時，思路有點混亂，不知道應該先算哪個儲料罐里的物料量。在老師詳細地講解與分析下，終于茅塞頓開。老師仔細地把計算過程中容易算錯的位置給我們指出，并且把工藝流程仔細地講解了一遍。接下來的計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真地計算了。雖然在計算的過程中仍會遇到一些小小的困難，但是通過與同學之間的討論，問題也很快就解決了。</p><p>　　經過三天的認

51、真計算，大概完成計算部分，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。經過反復得修改，終于完成了初稿。</p><p>　　最后就只剩下畫圖部分了。因為本次課程設計的任務要求是需要畫一張Auto CAD的工藝流程圖。</p><p>　　本次課程設計內容雖然不是很復雜，但是通過這次課設，仍然學到了很多知識。非常感謝老師在課程設計中的指導與批評。</