苯-甲苯精馏塔课程设计.doc
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1、标准文档课程设计任务书一、课题名称苯甲苯混合体系分离过程设计二、课题条件(原始数据)1、设计方案的选定 原料:苯、甲苯 年处理量:108000t 原料组成(甲苯的质量分率):0.5塔顶产品组成:塔底产品组成: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:0.2MPa塔顶为全凝器,中间泡点进料,连续精馏3、设备型式:筛板塔三、设计内容1、概述2、设计方案的选择及流程说明3、塔板的计算(板式塔)4、主要设备工艺尺寸设计 板式塔:(1)塔径及提馏段塔板结构尺寸的确定 (2)塔板的流体力学校核 (3)塔板的负荷性能图 (4)总塔高、总压降及接管尺寸的确定5、辅助设备选型与计算(泵
2、、塔顶冷凝器和塔釜再沸器)6、设计结果汇总7、工艺流程图设计内容摘要:精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作,在化工炼油石油化工等工业中得到广泛的应用。本设计的题目是苯甲苯二元物系板式精馏塔的设计。在确定的工艺要求下,确定设计方案,设计内容包括精馏塔工艺设计计算,塔辅助设备设计计算,精馏工艺过程流程图,精馏塔设备结构图,设计说明书。关键词:板式塔;苯-甲苯;工艺计算;结构图一、 简介塔设备是炼油、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
3、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
4、液管的塔板,如浮阀、筛板、泡罩塔板等。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0866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(0,5
5、2 g/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0,6 mPa s,也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg,闪点为4 ,燃点为535 。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
6、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、设计方案的确定2.1操作条件的确定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。2.1.1操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减
7、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。2.1.2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
8、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。2.1.3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1.12.0KPa(表压)。2.2 确
9、定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下,尽量采用科学技术上的最新成就,使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求,符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此,必须具体考虑如下几点:2.2.1满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备,首先必须保证产品达到任务规定的要求,而且质量要稳定,这就要求各流体流量和压头稳定,入塔料液的温度和状态稳定,从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性,各处流量应能在一定范围内进行调节,必要时传热量也可进行调整。因此,在必要的位置上要装置调节阀门,在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时,也应考虑到生产上的可能波动。再其次
10、,要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计,流量计等)及其装置的位置,以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常,从而帮助找出不正常的原因,以便采取相应措施。2.2.2满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗,减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热,就能节约很多生蒸汽和冷却水,也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低,一方面影响到冷却水用量,另方面也影响到所需传热面积的大小,即对操作费和设备费都有影响。同样,回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。2.2.3保证安全生产例如苯属有毒物料,不能让其蒸汽弥漫车间。又如,塔是指定在常压下操作的,塔内压力过大或塔骤冷而产生
11、真空,都会使塔受到破坏,因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中,对第一个原则应作较多的考虑,对第二个原则只作定性的考虑,而对第三个原则只要求作一般的考虑。三、塔体计算 3.1 设计方案的确定本设计采用连续精馏流程,饱和液体进料。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系,最小回流比比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用饱和蒸汽间接加热,塔底产品冷却后送至储罐。3.2 精馏塔的物料衡算3.2.1原料液进料量、塔顶、塔底摩尔分率进料量:F=108000t/年=15000kg/h
12、苯的摩尔质量 MA=78Kg/mol甲苯的摩尔质量 MB=92Kg/mol 3.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 MD=0.99153.2.3物料衡算原料处理量 总物料衡算 F=D+W=177.67kmol/h F.XF = D.XD + W.XW解得:D=94.9839Kmol/h W=82.6861Kmol/h四、塔板计算4.1 塔板数的确定4.1.1理论板数的求取(1)相对挥发度的求取苯的沸点为80.1,甲苯的沸点为110.8 当温度为80.1时 解得:, 当温度为110.8时 解得: ,=239.3316/101.8357=2.35(2)最小回流比的求取由于是饱和液体进料,
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