化工课程设计-苯-甲苯二元混合液连续精馏的工艺设计和塔设备设计.docx

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课程设计

题目苯-甲苯二元混合液连续精馏的

工艺设计和塔设备设计

学院化学化工学院

专业化学工程与工艺

班级

学生

学号

指导教师

二〇一六年十二月十六日

化工原理课程设计

任务书

一、设计课题：

苯-甲苯二元混合液连续精馏的工艺设计和塔设备设计

二、设计条件与工艺要求

利用连续精馏装置，分离苯-甲苯二元混合液。

1、生产能力（以进料量计）：

60000吨/年

2、料液组成：

xAF=0.35

3、产品要求：

0.98，0.02（注：

浓度均指易挥发组分的摩尔分率）

4、原料入塔时所指定的温度60℃

5、设计用原始条件

（1）操作压力：

塔顶压力（表压）4kPa。

（2）原料温度：

原料原始温度20℃，经过与塔釜高温液体间接换热之后达到入塔时所指定的温度。

（3）进料方式：

在最适宜的进料板上连续进料。

（4）回流热状态：

泡点回流。

（5）塔板压降：

≤0.7kPa。

（6）塔釜间接蒸汽加热，所用的加热蒸汽压力为200kPa（绝对压），仅利用其冷凝热。

（7）塔顶设全凝器，利用冷却水间接换热，冷却水的进口温度、出口温度分别为tin=25℃，tout=43℃。

（8）年工作日：

300天。

三、设计内容

1、苯-甲苯二元混合液连续精馏工艺流程的设计

2、筛板精馏塔的工艺设计

3、精馏附属设备的选型设计计算

（1）计算塔釜加热蒸汽消耗量和塔顶冷凝器冷却水消耗量。

（2）估算塔釜所需换热面积和塔顶冷凝器所需换热面积。

（3）估算原料管路的阻力损失并确定原料泵的选型参数。

四、设计成果要求

按照所指定的模板书写课程设计的说明书，包括封面、设计任务书、设计说明、目录、设计正文、设计总结及致谢语、参考文献。

目录要求内容层次分明。

设计正文中详细地表达各项内容的设计计算过程，均要求以文字说明作过程引导，在相关的内容中穿插入连续精馏装置工艺流程图、t~x（y）图、x~y图（图中包括进料线、精馏段操作线、提馏段操作线、图解法确定理论塔板数的过程）、精馏段塔板的负荷性能图、提馏段塔板的负荷性能图、筛板塔设计工艺条件图。

在筛板塔设计工艺条件图中，表达工艺计算所设计的设备结构，主要包括塔直径、实际塔板数、实际进料板位置、板间距、塔顶空间高度、塔底空间高度、塔总高度，同时表达出塔体上的各种开孔情况，并且列出管口表。

在正文中按照顺序标注所引用的参考文献。

最后按照被引用的顺序和格式规范列出参考文献。

学生：

专业班级：

指导教师：

化学化工学院

2016年12月16日

目录

设计说明 -1-

1设计概述 -2-

1.1设计的目的 -2-

1.2塔设备在化工生产中的作用与地位 -2-

1.3塔设备的分类 -2-

1.4板式塔 -2-

1.4.1泡罩塔 -2-

1.4.2筛板塔 -3-

1.4.3浮阀塔 -3-

2设计方案的确定及流程说明 -4-

2.1塔类型的选用 -4-

2.2装置流程说明 -4-

3设计方案中参数的确定 -5-

3.1操作压力 -5-

3.2进料热状态 -5-

3.3加热方式 -5-

3.4冷却方式 -6-

3.5回流比 -6-

3.6热能的利用 -6-

4板式精馏塔的工艺计算 -7-

4.1物性数据 -7-

4.2精馏塔的物料衡算 -9-

4.3塔板数的确定 -11-

4.3.1塔板数的计算 -11-

4.3.2全塔效率 -14-

4.3.3实际塔板数 -14-

5塔的工艺条件及有关物性数据计算 -15-

5.1操作压强 -15-

5.2操作温度 -15-

5.3平均分子量 -15-

5.4平均密度 -16-

5.5液体表面张力 -17-

5.6液体粘度 -18-

5.7求精馏塔的气液相负荷 -18-

6精馏塔的塔体工艺尺寸计算 -20-

6.1塔径的计算 -20-

6.2溢流装置 -22-

6.3塔板布置 -23-

6.4筛孔数与开孔率 -23-

6.5塔的精馏段有效高度 -24-

6.5.1塔顶空间高度HD -24-

6.5.2塔板间距HT -24-

6.5.3开有人孔的板间距HTˊ -24-

6.5.4进料板空间高度HF -25-

6.5.5塔底空间高度HB -25-

6.5.6塔体总高度H -25-

7筛板流体力学验算 -26-

7.1气体通过筛板压降相当的液柱高度 -26-

7.2雾沫夹带量的验算 -27-

7.3漏液验算 -27-

8塔板负荷性能图 -28-

8.1精馏段 -28-

8.1.1雾沫夹带线

（1） -28-

8.1.2液泛线

（2） -29-

8.1.3液相负荷上限线（3） -29-

8.1.4漏液线（气相负荷下限线）（4） -30-

8.1.5液相负荷下限线（5）：

-30-

8.2提馏段 -31-

8.2.1雾沫夹带线

（1） -31-

8.2.2液泛线

（2） -32-

8.2.3液相负荷上限线（3） -33-

8.2.4漏液线（气相负荷下限线）（4） -33-

8.2.5液相负荷下限线（5）：

-34-

9板式塔的结构与附属设备设计 -35-

9.1塔体结构 -35-

9.2塔板结构 -35-

10辅助设备设计或选型 -36-

10.1冷凝器 -36-

10.2再沸器 -36-

10.3接管管径的计算和选择 -37-

10.3.1进料管（直料管） -37-

10.3.2回流管 -37-

10.3.3塔底出料管 -37-

10.3.4塔顶蒸汽出料管 -37-

10.3.5法兰 -38-

总结 -39-

参考文献 -40-

设计说明

本次设计的任务是利用连续精馏装置，分离苯-甲苯二元混合液。

其生产能力为60000吨/年，料液组成xAF=0.35，产品要求xAD=0.98，xAW=0.02。

原料入塔温度为60℃。

本次设计主要进行分离精馏工艺设计及筛板精馏塔的相关计算设计，主要包括塔直径、实际塔板数、实际进料板位置、板间距、塔顶空间高度、塔底空间高度、塔总高度，同时表达出塔体上的各种开孔情况，并且列出管口表。

绘制相关工艺流程图。

关键词：

连续精馏；筛板塔；苯-甲苯；精馏塔

1设计概述

1.1设计的目的

（1）查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；

（2）综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型；

（3）迅速准确进行工程计算的能力；

（4）用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

1.2塔设备在化工生产中的作用与地位

塔设备是是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。

它可使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。

可在塔设备中完成常见的单元操作有：

精馏、吸收、解吸和萃取等。

此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。

在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保护等各个方面都有重大影响。

塔设备的设计和研究受到化工炼油等行业的极大重视。

1.3塔设备的分类

塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔，长期以来，人们最长用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。

1.4板式塔

板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，注意到的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。

1.4.1泡罩塔

泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下优点：

（1）.操作弹性大

（2）.无泄漏

（3）.液气比范围大

（4）.不易堵塞

泡罩他的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。

1.4.2筛板塔

筛板塔液是很早就出现的板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：

（1）.生产能力大（20％－40％）

（2）.塔板效率高（10％－15％）

（3）.压力降低（30％－50％）而且结构简单，塔盘造价减少40％左右，安装维修都比较容易[1]。

1.4.3浮阀塔

20世纪50年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质过程。

浮阀式之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：

（1）.处理能力大

（2）.操作弹性大

（3）.塔板效率高

（4）.压力降小

其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。

浮阀的形式有很多，目前常用的浮阀形式有F1型和V-4型，F1型浮阀的结构简单，制造方便，节省材料，性能良好。

F1型浮阀又分为轻阀和重阀两种。

V-4型浮阀其特点是阀孔冲成向下弯曲的文丘里型，以减小气体通过塔板的压强降，阀片除腿部相应加长外，其余结构尺寸与F1型轻阀无异，V-4型阀适用于减压系统。

2设计方案的确定及流程说明

2.1塔类型的选用

本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯-甲苯的分离。

苯-甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁，此次设计选用筛板塔。

筛板塔，是扎板塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。

操作时，液体由塔顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。

气体（或蒸气）由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。

泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。

2.2装置流程说明

精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

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。

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