苯甲苯浮阀塔课程设计文档格式.docx
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一、设计题目苯-甲苯混合液浮阀精馏塔设计
二、设计条件
1、年处理量:
苯-甲苯混合液3.0万吨;
2、泡点进料,进料苯含量为40%(质量分率,下同);
3、塔顶苯含量不低于98%;
塔底苯含量不高于2%;
全塔效率0.6;
4、塔顶压力4Kpa(表压);
单板压降≤0.7Kpa;
常压操作(101.325kpa);
5、回流比R/Rmin:
1.5
6、每年实际生产天数:
300天(一年中有两个月检修);
7、冷却水进口温度:
30℃;
8、塔底加热蒸汽压力:
0.4MPa;
9、设备型式:
浮阀塔
10、建厂地址:
荆门地区
三、设计任务
完成精馏塔工艺设计,运用最优化方法确定最佳操作参数;
精馏设备设计,有关附属设备的设计和选用;
绘制生产工艺流程图,塔板结构简图和塔板负荷性能图;
编制设计说明书。
1、设计方案的确定及工艺流程的说明;
2、精馏塔的物料衡算;
3、塔板数的确定;
4、精馏塔的工艺条件及有关的物性数据的计算。
5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算;
6、塔板主要工艺尺寸的计算;
7、塔板流体力学的验算;
8、塔板负荷性能图;
9、精馏塔接管尺寸计算;
10、塔顶冷凝器、塔底再沸器选型计算;
11、绘制生产工艺流程图;
12、绘制塔板结构简图;
13、绘制精馏塔设计条件图;
14、对设计过程的评述和有关问题的讨论;
四、设计要求
1、设计步骤详细清楚,每项设计结束后列出计算结果明细表;
2、选用的计算公式、图表、数据正确并注明来源,符号和单位要统一。
3、要求能用计算机软件来辅助设计及绘图。
4、设计说明书要求字迹工整,装订成册上交。
五、设计时间:
两周
序言
化工原理课程设计是综合运用《化工原理》课程和有关先修课程(《物理化学》,《化工制图》等)所学知识,完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学,是理论联系实际的桥梁,在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。
通过课程设计,要求更加熟悉工程设计的基本内容,掌握化工单元操作设计的主要程序及方法,锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力,问题分析能力,思考问题能力,计算能力等。
精馏是分离液体混合物(含可液化的气体混合物)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应用。
精馏过程在能量剂驱动下(有时加质量剂),使气液两相多次直接接触和分离,利用液相混合物中各组分的挥发度的不同,使易挥发组分由液相向气相转移,难挥发组分由气相向液相转移,实现原料混合液中各组分的分离。
根据生产上的不同要求,精馏操作可以是连续的或间歇的,有些特殊的物系还可采用恒沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。
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,需设计一板式塔将其分离。
1、工艺流程图
2、浮阀塔工艺条件图
3、塔板布置图
4、弓形降液板参数图
1、设计方案的确定与说明
1.1苯-甲苯物性
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℃。
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。
1.2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、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。
下面结合课程设计的需要,对某些问题作些阐述。
1.2.1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。
1.2.2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。
1.2.3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。
若塔底产物近于纯水,而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液),便可采用直接蒸汽加热。
直接蒸汽加热的优点是:
可以利用压力较低的蒸汽加热;
在釜内只须安装鼓泡管,不须安置庞大的传热面。
这样,可节省一些操作费用和设备费用。
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。
但对有些物系(如酒精与水的二元混合液),当残液的浓度稀薄时,溶液的相对挥发度很大,容易分离,故所增加的塔板数并不多,此时采用直接蒸汽加热是合适的。
值得提及的是,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。
对于酒精水溶液,一般采用0.4~0.7KPa(表压)。
饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系,其温度可通过压力调节。
同时,饱和水蒸汽的冷凝潜热较大,价格较低廉,因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。
但若要求加热温度超过180℃时,应考虑采用其它的加热剂,如烟道气或热油。
当采用饱和水蒸汽作为加热剂时,选用较高的蒸汽压力,可以提高传热温度差,从而提高传热效率,但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求。
同时对于釜液的沸腾,温度差过大,形成膜状沸腾,反而对传热不利。
1.2.4冷却剂与出口温度
冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。
如果塔顶蒸汽温度低,可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。
如果能用常温水作冷却剂,是最经济的。
水的入口温度由气温决定,出口温度由设计者确定。
冷却水出口温度取得高些,冷却剂的消耗可以减少,但同时温度差较小,传热面积将增加。
冷却水出口温度的选择由当地水资源确定,但一般不宜超过50℃,否则溶于水中的无机盐将析出,生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。
1.2.5热能的利用
精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程,耗能较多,如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。
选取适宜的回流比,使过程处于最佳条件下进行,可使能耗降至最低。
与此同时,合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。
若不计进料、馏出液和釜液间的焓差,塔顶冷凝器所输出的热量近似等于塔底再沸器所输入的热量,其数量是相当可观的。
然而,在大多数情况,这部分热量由冷却剂带走而损失掉了。
如果采用釜液产品去预热原料,塔顶蒸汽的冷凝潜热去加热能级低一些的物料,可以将塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。
此外,通过蒸馏系统的合理设置,也可以取得节能的效果。
例如,采用中间再沸器和中间冷凝器的流程,可以提高精馏塔的热力学效率。
因为设置中间再沸器,可以利用温度比塔底低的热源,而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。
1.3确定设计方案的原则
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:
1.3.1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,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。
1.3.2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。
降低生产成本是各部门的经常性任务,因此在设计时,是否合理利用热能,采用哪种加热方式,以及回流比和其他操作参数是否选得合适等,均要作全面考虑,力求总费用尽可能低一些。
而且,应结合具体条件,选择最佳方案。
例如,在缺水地区,冷却水的节省就很重要;
在水源充足及电力充沛、价廉地区,冷却水出口温度就可选低一些,以节省传热面积。
1.3.3保证安全生产
例如酒精属易燃物料,不能让其蒸汽弥漫车间,也不能使用容易发生火花的设备。
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。
1.4本设计方案的流程和概述
塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
塔设备的设计和研究,已经受到化工行业的极大重视。
在化工生产中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面,都有非常重大的影响。
精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。
即在同一温度下,各组分的饱和蒸汽压不同这一性质,使液相中的轻组分转移到汽相中,汽相中的重组分转移到液相中,从而达到分离的目的。
因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。
拟设计一台年处理苯-甲苯混合液3.0万吨(开工率300天/年)的浮阀精馏塔,要求塔顶馏出液中苯含量不低于98%,塔底釜液中含苯量不高于2%。
先设计苯-甲苯混合液经预热器加热后,用泵送入精馏塔;
塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷凝后部分回流,其余作为塔顶产品冷却后送