【苯-乙苯常壓精餾塔設(shè)計】 某精餾塔在常壓下分離苯甲苯

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1、【苯-乙苯常壓精餾塔設(shè)計】 某精餾塔在常壓下分離苯甲苯目錄1 課程設(shè)計任務(wù)書 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3 2 前言- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 32.1塔設(shè)備的化工生產(chǎn)中的作用和地位- - - - - - - - - - - - - 3 2.2設(shè)計方案- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 2.

2、3符號說明- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 3 物料衡算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -53.1進料組成- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 3.2全塔物料衡算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3 3.3相對揮發(fā)度確定- - -

3、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 3.4理論塔板數(shù)和進料位置確定- - - - - - - - - - - - - - - - - - -7 3.5實際板數(shù)和實際進料位置確定- - - - - - - - - - - - - - - - - 8 3.6精餾塔的氣液負荷- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 4 熱量衡算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -114.1塔

4、頂冷卻水用量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11 4.2塔釜飽和水蒸氣用量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -11 4.3液體平均表面張力- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -12 5 塔板工藝尺寸計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -125.1塔徑計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5、- - - - - - - - - -12 5.2溢流裝置- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13 5.3弓形降液管寬度和截面- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15 5.4降液管底隙高度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 17 5.5篩孔計算及其排列- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -17 5.6塔有效高度的計算- - - - - - - - -

6、 - - - - - - - - - - - - - 18 6 塔板流體力學驗算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 196.1氣相通過浮閥塔板的壓強降- - - - - - - - - - - - - - - - - - -19 6.2淹塔- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20 6.3霧沫夾帶- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -217 塔板負荷

7、性能圖 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 217.1、霧沫夾帶線 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21 7.2、液泛線- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22 7.3、液相負荷上限線 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -23 7.4、漏液線- - - - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23 7.5、液相負荷下限線- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25 9 輔助設(shè)備的計算及選型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26 9.1、裙座- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26 9.2、吊柱- - - - - - - - - - - - - - - - -

9、- - - - - - - - - - - - - - - - - -26 9.3、冷凝器的選擇 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26 9.3、再沸器的選擇 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27 10 計算結(jié)果列表（參考資料）- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -28 附表：性能負荷圖等- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

10、- - -29第1節(jié) 設(shè)計任務(wù)書題 目：苯乙苯雙組分均相混合液常壓精餾塔設(shè)計。 工藝條件及數(shù)據(jù)：原料液量10000kgcm2(絕壓) ； 冷卻水進口溫度25，出口溫度50； 設(shè)備熱損失為加熱蒸汽供熱量的5%。 設(shè)計成果：設(shè)計說明書一份 設(shè)計圖紙包括負荷性能圖、塔盤布量圖、浮閥塔（或篩板塔）工藝條件圖。第2節(jié) 前言2.1塔設(shè)備的化工生產(chǎn)中的作用和地位 塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相進行緊密接觸，達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的?？稍谒O(shè)備中完成的常見操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法靜制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)

11、和傳熱的增濕、減濕等。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報道，塔設(shè)備的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。 2.2設(shè)計方案本設(shè)計任務(wù)為分離苯乙苯雙組分均相混合液。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾。精餾過程的流程設(shè)計如下：如圖1所示。原料液由高位槽經(jīng)過預熱器預熱后進入精餾塔內(nèi)。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產(chǎn)生上升蒸

12、汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經(jīng)過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)過冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設(shè)置原料槽。產(chǎn)品槽和相應(yīng)的泵, 有時還要設(shè)置高位槽。且在適當位置設(shè)置必要的儀表（流量計、溫度計和壓力表）。以測量物流的各項參數(shù)。設(shè)計方案簡介：設(shè)計中采用泡點進料，塔頂上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)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1.5倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。

13、加料方式采用直接流入塔內(nèi)，采用泡點進料，即熱狀態(tài)參數(shù)q=1.0。具體如下： 塔型的選擇：本設(shè)計中采用篩板塔。篩板塔的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。塔板效率高，比泡罩塔高15左右。壓降較低。缺點是塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 設(shè)計的依據(jù)與技術(shù)來源：本設(shè)計依據(jù)于精餾的原理（即利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使輕重組分分離），并在滿足工藝和操作的要求，滿足經(jīng)濟上的要求，保證生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上， 對設(shè)計任務(wù)進行分析并做出理論計算。2.3符號說明英文字母 h c 與

14、平板壓強相當?shù)囊褐叨?，L s 液體體積流量，m 3m的 u 空塔氣速，mse v 液沫夾帶量，kg 液sR min 最小回流比 W c 邊緣無效區(qū)寬度，m H T 塔板間距，m K 穩(wěn)定系數(shù)H 板式塔高度，m H d 降液管內(nèi)清夜層高度，m H F 進料處塔板間距，m l w 堰長，mL h 液體體積流量，m 3kmol W d 弓形降液管高度，mT 平均溫度， W s 破沫區(qū)寬度，mg 重力加速度，mm3h f 板上清液高度，m 表面張力，mNh， W=38.8265 KmolKi=1由應(yīng)滿足歸一方程KiXi=1即：0. 9627101. 3250. 0373101. 325+=1P 苯P

15、 乙苯0. 0270P 苯101. 325+0. 9730P 乙苯101. 325=1由X D =0.9627，X W =0.0270 計算得：塔頂t 1=85.5 塔底t N =132.9,則：全塔平均相對揮發(fā)度苯-乙苯=（5.795.444.36）10.4618 =24塊 E T即，實際塔板數(shù)為24 計算實際塔板數(shù) 精餾段N P 精=N T 5=11 E T 0. 4618N T 6=13 E T 0. 4618提餾段N P 提=實際加料板位置在第11塊 3.6精餾塔的氣液負荷苯與乙苯在某些溫度下的密度如下表：精餾段：M 塔頂=78X D +106（1X D ）=780.9627+106(

16、10.9627) = 79.04 gmol 則，精餾段平均摩爾質(zhì)量M =M 塔頂+M 進料2=83. 52 gm3 ，乙苯=795.2 Kgm3v =PM 101. 32583. 52=2. 73 KghL =RD =0. 37574.8135=28.06kmol S3600V 36002. 73L M 28. 0683. 52=0. 0010 m 3 mol 則，提餾段平均摩爾分數(shù)M=（M 塔底+ M進料）=96.62 gm3, =VPM 101. 32596. 623=2. 97 KghL =L +qF =28.06+113.64=141.70kmol S ,36002. 973600vV

17、 , M 141. 7096. 62L t =0. 0048 m 3 Kg； =389 KJKg，苯則，平均汽化熱= XD +（1- XD ）乙苯比熱容為Cp 苯 =1.92KJKg.k 則，平均比熱容Cp= XD Cp 苯+（1- XD ） Cp 乙苯=1.92餾出液D 的質(zhì)量Q D =XD D M 苯+（1- XD ）D M 乙苯=5913.26Kgh則冷凝器熱負荷Q=（Q D +QL ）+（Q D +QL ）Cp T=(5913.26+2217.47)389+(5913.26+2217.471.92(85.5-81.1)=3.23106 KJKg.k 則，冷卻水用量m 冷水Q 3. 23

18、106=3. 08104 KgKg，乙苯乙苯=340.1 KJKg釜液的質(zhì)量流量Q w =10000-QD =4086.74 Kgh再沸器采用間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為5kgfkg，密度蒸汽可近似估算5kgfm3m 蒸汽=Q 再沸器塔釜m 蒸汽1. 39106=4083. 43kg h2. 61694.3液體平均表面張力 由公式m =x i i 進行計算i =1n則，由內(nèi)差法求得塔頂、進料、塔釜溫度下苯與乙苯的表面張力如下：進料板表面張力m 進=0. 643019. 48+0. 373021. 39=20. 50mN m 塔底表面張力m 底=0. 02714. 99+0. 97317. 53

19、=17. 46mN m220. 66+17. 46=19. 06mN m第5節(jié) 塔板工藝尺寸計算：5.1塔徑計算塔徑的計算按照下式計算：D =式中 D 塔徑m ；V s 塔內(nèi)氣體流量m 3s。空塔氣速u 的計算方法是，先求得最大空塔氣速u max ，然后根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，乘以一定的安全系數(shù)，即u =(0.60.8) u max因此，需先計算出最大允許氣速u max 。u max =式中 u max 允許空塔氣速，mm3 ； C 氣體負荷系數(shù)，mm時繪制的，故氣體負荷系數(shù)C 應(yīng)按下式校正：0. 2)C =C 20(0. 02精餾段塔徑的計算由以上的計算結(jié)果可以知道：精餾段的氣，液相體積流率為：33L

20、 R =0.0010m s精餾段的汽，液相平均密度為：L =792. 6kg m 3板間距與塔徑的關(guān)系 3塔徑Dmm 200300 250350 300450 350600那么分離空間，初選板間距H T =0. 45m ，取板上液層高度h L =0. 07m 。H T -h L =0. 45-0. 07=0. 39mL s V s L S 0. 50. 0010792. 6= 0. 84722. 730. 5=0. 01950. 2查上圖smith 關(guān)聯(lián)圖，得C 20=0. 085，依式C =C 20 校正到物系表面張力20為20.58mNs V 2. 73取安全系數(shù)為0.7，則u =0. 7

21、u max =0. 71. 463=1. 02m s 、V s =0.9296m m 3、V =2. 97kg m時的C19. 06C =C 20 200. 2=0. 078L -V 795. 13-2. 97u max =C =0. 078=1. 27m sD =4V s 40. 9296=1. 15m u 3. 140. 889調(diào)整塔徑為1.2m ，綜上，則取塔徑為1.2m 5.2溢流裝置采用單溢流，弓形降液管，平行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進口堰。 溢流堰長l w取堰長為0.6D ，則L W =0. 61. 2=0. 72m 出口堰高h w由h w =h l -h ow , 選用平直堰,

22、堰上液層高度h ow =式中 h ow 堰上液流高度，m ； l s 塔內(nèi)平均液流量，m 3s 根據(jù)經(jīng)驗一般u 0=0.07-0.25ms，則h （精）=oL R 0. 0010=0. 0174ml w 0. 080. 720. 08L s 0. 0048h （提）=0. 0833m ol w 0. 080. 720. 085.5篩孔計算及其排列采用F1型重閥，重量為33g ，孔徑為39mm一般正常負荷情況下，希望浮閥是在剛?cè)_時操作，實驗結(jié)果表明此時閥孔動能因子F o 為8 11。所以，取閥孔動能因子 F o = 10 ， 用式u o = F o12V求孔速V 為氣相密度。精餾段：u o =

23、 提餾段：F o= 12102.7312= 6.05 msVV h依式N =0.232求塔板上的理論浮閥數(shù)，即u 0精餾段：V h 3147. 12N = 0.232= 0.232=121u 06. 05提餾段：V h 3346. 56N = 0.232= 0.232=134u 05. 80浮閥排列方式采用等腰三角形叉排（如圖）。取同一橫排的孔心距t = 75 mm=0.075 m ，則可按下式估算排間距t， 精餾段：t , =Aa 0.83= =0.097 m = 97 mm N t 1210.075提餾段：t , =Aa 0.83= =0.085 m = 85 mm N t 1310.07

24、5考慮到塔的餓直徑較大, 必須采用分快式塔板, 而各分快板的支承與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距應(yīng)小于此值，故取 精餾段：t = 90mm = 0.09 m 。提餾段：t = 80mm = 0.08 m按t=75 mm，t= 90 mm 和t= 80 mm以等腰三角形叉排方式作圖，見附圖, 排得精餾段實際閥數(shù) 118 個、提餾段實際閥數(shù)133個 5.6精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度的計算：Z1 = 100.45=4.5m 提餾段有效高度的計算：Z2 = 130.45=5.85m人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。 對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔810塊塔板設(shè)置一個人

25、孔；對于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔46塊塔板開一個人孔。人孔直徑通常為450-550mm 。 此處每隔5層塔板開一人孔，人孔高度為0.5m 人孔直徑H T ，為0.5m. 人孔數(shù)：S= (242 +1.36L S Z L L -VK C F A T100% =80%得出： V S 2. 7312 +1.36L S 0.96 = 80 %1.020.126 1.0整理得V S =1.6821.33 LS 2由式2知霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個L S 值，依式2算出相應(yīng)的 V S 值列與下表中。據(jù)此可做出霧沫夾帶線2。7.2液泛線當H d =（H T + hW ）時將發(fā)生液泛

26、 H d = hw + how + hf + hof由上式確定液泛線，將各式帶入上式，得5.34V u 2. 84L S（H T + h W ）=+0.1532 +（1+o ）hW +（）E1000 (l h ) L 2g W o （3600L Sl W23 在操作范圍內(nèi)任取若干個L S 值，依式 算出相應(yīng)的V S 值列入下表：4V s因此可將上式簡化2d 0N根據(jù)表中數(shù)據(jù)做出液泛線。提餾段：V S 2= 4.16 1069.40 LS 2 27.68 LS 2s 55求出上限液體流量L S 值（常數(shù)）。在V S L S 圖上液相負荷上限線為與氣體流量V S 無關(guān)的豎直線 。7.4漏液線對于F

27、1型重閥，依式F o = u o （V ）12。）d 2o N u o ， 45）d 2o N 12V 12610-3 N610-3 121=0.44 m322.73V 1s 132.184E = 0.006 1000l W取E=1，則 （L S ）min =0.00610003s 12. 843600根據(jù)式可分別做出塔板負荷性能圖上的五條線. 由塔板負荷性能圖可以看出：任務(wù)規(guī)定的氣，液負荷下的操作點P （設(shè)計點），處在適宜的操作區(qū)內(nèi)的適中位置。塔板的氣相負荷上限由霧沫夾帶控制，操作下限由漏液控制。 按照固定的液氣比，由塔板負荷性能圖查出3精餾段：塔板的氣相負荷上限（V S ）氣相負荷下限（V

28、 S ）max =1.47ms ，所以精餾段操作彈性 k=1.47= 2.67 0.550.98= 2.23 0.44提餾段：塔板的氣相負荷上限（V S ）max = 0.98m3s ，所以精餾段操作彈性 k=第八節(jié) 各接管的設(shè)計8.1進料管苯與乙苯在某些溫度下的密度如下：乙苯苯則，進料的平均密度=798. 20. 643+800. 00. 357=798. 84Kgs, 則：輸送管徑d 進=4V 進料u 4V 進料2d 進=40. 0035=0. 046m23. 14經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GBs3. 140. 052. 10Kg h 釜殘液的質(zhì)量流量Q =M W =105. 2438. 8

29、265=4086可近似查得，塔底溫度132.9時，苯=752.8Kgm33釜殘液的平均密度=752. 80. 027+763. 50. 973=763. 2kg m 則，殘液的體積流量V 釜液=Q =4086. 10=5. 35m 3h =0. 0015m 3s763. 2取適宜的輸送速度：u f =1.0ms3. 140. 0452經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：452.5mm 實際管內(nèi)流速：u f =8.3回流液管回流液的質(zhì)量流量：=Q 回流=R (F m -Q W ) =0. 375(10000-4086. 1) =831. 64kg h乙苯可近似查得，塔頂回流溫度81.1 時，苯=813

30、.8Kgm33回流液的平均密度=752. 80. 027+763. 50. 973=763. 2kg m 則：回流液的體積流量V 回流=Q 回流=831. 64=1. 09m 3=0. 0003m 3s 763. 2利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度u L =0.5ms 23. 140. 028. 10=5913. 9Kg h 塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量流量Q D =10000-4086可近似查得，塔頂產(chǎn)品溫度81.1 時，苯=813.8Kgm33產(chǎn)品液的平均密度=752. 80. 027+763. 50. 973=763. 2kg m 則：產(chǎn)品液的體積流量V D =Q D=5913. 9=7. 7

31、5m 3=0. 0022m 3s 763. 2取適宜的回流速度u L =0.5ms 23. 140. 039第9節(jié) 輔助設(shè)備的計算及選型9.1裙座塔底采用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于裙座內(nèi)徑800mm，故裙座壁厚取16mm 。基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 圓整：D bi =(2000+216)-(0.20.4)103=1632mmD bo =(2000+216)+(0.20.4)103=2432mmD bi =1800mm ，D bo =2600mm ，基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm ，考慮到再沸器，裙

32、座高度取3m 。地角螺栓直徑取M30。 9.2吊柱對于較高的室內(nèi)無框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，即經(jīng)濟又方便的一項設(shè)施，一般取15m 以上的塔物設(shè)吊柱，本設(shè)計中塔高度大，因此設(shè)吊柱。因設(shè)計塔徑D=2000mm，可選用吊柱500kg S=1000m,L=3400mm,H=1000mm材料為A3。9.3冷凝器的選擇有機物蒸氣冷凝器設(shè)計選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為：5001500kcalhQ 3. 23106=5. 43m 2 則，傳熱面積為A S =K t m 3. 762360045. 02故所選換熱器為: JBhQ 1. 39106=4. 78m 2則，傳熱面積為A S =K t m 5. 016360018故所選換熱器為: JB/T 471492第10八節(jié) 計算結(jié)果列表參考文獻：化學工程手冊編輯委員會：化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，化學工業(yè)出版社，1979 化學工程手冊編輯委員會：氣液傳質(zhì)設(shè)備，化學工業(yè)出版社，1979 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計陳英蘭、劉玉蘭主編，華東理工大學出版社，x.4 化工設(shè)計黃璐、王保國編著，北京-化學工業(yè)出版社，2001.2 附表：性能負荷圖工藝流程圖：塔板布量圖： 精餾段：精餾段；提餾段：