化工原理課程設(shè)計---苯-甲苯精餾塔設(shè)計

1、<p>　　填料精餾塔設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　一、設(shè)計題目：填料塔設(shè)計</p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)：苯-甲苯精餾塔設(shè)計</p><p><b>　　三、設(shè)計條件：</b></p><p>　　1、年處理含苯41%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的苯-甲苯混合液3萬噸；</p><p>　

2、　2、產(chǎn)品苯含量不低于96%；</p><p>　　3、殘液中苯含量不高于1%；</p><p><b>　　4、操作條件：</b></p><p>　　填料塔的塔頂壓力：4kPa（表壓）</p><p><b>　　進料狀態(tài)：自選</b></p><p><b>

3、　　回流比：自選</b></p><p>　　加熱蒸汽壓力：101.33kPa（表壓）</p><p>　　5、設(shè)備型式：規(guī)整填料塔</p><p>　　6、設(shè)備工作日：300天/年，24h連續(xù)運行</p><p><b>　　四、設(shè)計內(nèi)容和要求</b></p><p><b&g

4、t;　　目錄</b></p><p>　　第1章 流程的確定和說明3</p><p><b>　　1.1加料方式3</b></p><p><b>　　1.2進料狀態(tài)3</b></p><p><b>　　1.3冷凝方式3</b></p>&l

5、t;p><b>　　1.4回流方式3</b></p><p><b>　　1.5加熱方式3</b></p><p><b>　　1.6加熱器4</b></p><p>　　第2章 精餾塔設(shè)計計算5</p><p>　　2.1操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)5</p>

6、;<p>　　2.1.1操作壓力5</p><p>　　2.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)5</p><p>　　2.2精餾塔工藝計算7</p><p>　　2.2.1物料衡算7</p><p>　　2.2.2熱量衡算9</p><p>　　2.2.3理論塔板數(shù)計算11</p><p>

7、;　　2.3精餾塔的主要尺寸13</p><p>　　2.3.1精餾塔設(shè)計的主要依據(jù)13</p><p>　　2.3.2塔徑設(shè)計計算15</p><p>　　2.3.3填料層高度的計算17</p><p>　　第3章 附屬設(shè)備及主要附件的選型計算18</p><p><b>　　3.1冷凝器18&

8、lt;/b></p><p>　　3.1.1計算冷卻水流量18</p><p>　　3.1.2冷凝器的計算與選型18</p><p><b>　　3.2再沸器19</b></p><p>　　3.2.1間接加熱蒸汽19</p><p>　　3.2.2再沸器加熱面積19</p&

9、gt;<p>　　3.3塔內(nèi)其他結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.3.1接管的計算與選擇19</p><p>　　3.3.2液體分布器20</p><p>　　3.3.3除沫器22</p><p>　　3.3.4液體再分布器22</p><p>　　3.3.5填料支撐板的選擇22</p&

10、gt;<p>　　3.3.6塔底設(shè)計23</p><p>　　3.3.7塔的頂部空間高度23</p><p>　　第4章 結(jié)束語25</p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p>　　第1章 流程的確定和說明</p><p><b>　　1.1加

11、料方式</b></p><p>　　加料分兩種方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定流量，但要求搭建塔臺，增加基礎(chǔ)建設(shè)費用：泵加料屬于強制進料方式，泵加料易受溫度影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，影響傳質(zhì)效率?？恐亓Φ牧鲃臃绞秸n省去一筆費用，本次加料可選泵加料，泵和自動調(diào)節(jié)裝置配合控制加料。</p><p><b>　　1.2進料狀態(tài)&l

12、t;/b></p><p>　　進料方式一般有冷夜進料、泡點進料、氣液混合物進料、露點進料、加熱蒸氣進料等。冷夜進料對分離有利，但會增加操作費用。泡點進料對搭操作方便，不受季節(jié)氣溫影響。泡點進料基于恒摩爾流，假定精餾段和提餾段上升蒸氣量相等，精餾段和提餾塔徑基本相等。</p><p>　　由于泡點進料時塔的制造比較方便，而其他進料方式對設(shè)備的要求高，設(shè)計起來難度相對加大，所以采用泡點

13、進料。</p><p><b>　　1.3冷凝方式</b></p><p>　　選全凝器，塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高，無需再次冷凝，且本次分離是為了分離苯和甲苯，且制造設(shè)備較為簡單，為節(jié)省資金，選全凝器。</p><p><b>　　1.4回流方式</b></p><p>　

14、　宜采用重力回流，對于小型塔，冷凝器由重力作用回流入塔。優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)；缺點是回流控制較難安裝，但強制回流需用泵，安裝費用、電耗費用大，故不用強制回流，塔頂上升蒸氣采用冷凝冷卻器以冷凝回流入塔內(nèi)。</p><p><b>　　1.5加熱方式</b></p><p>　　采用間接加熱，因為對同一種進料組成，熱狀況及回流比得到相同的餾出液組成及回收率時，利用

15、直接蒸氣加熱時，所理論塔板數(shù)比用間接蒸氣時要多一些，若待分離的混合液為水溶液，且水是難揮發(fā)組分，釜液近于純水，這時可采用直接加熱方式，由于本次分離的是苯-甲苯混合液，故采用間接加熱。</p><p><b>　　1.6加熱器</b></p><p>　　選用管殼式換熱器。只有在工藝物料的特征性或工藝條件特殊時才考慮選用其他型式。例如，熱敏性物料加熱多采用降膜式或者波紋

16、式管式換熱器或者換熱器流路均勻、加熱效率高的加熱器。</p><p>　　第2章 精餾塔設(shè)計計算</p><p>　　2.1操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　2.1.1操作壓力</b></p><p>　　精餾操作按操作壓力可分為常壓精餾、加壓精餾和減壓精餾。一般采用常壓精餾，壓力對揮發(fā)度的影響不大。在常壓

17、下不能進行分離或達不到分離的要求時，采用加壓精餾；對于熱敏性物質(zhì)采用減壓精餾。</p><p>　　當壓力較高時，對塔頂冷凝有利，對塔底加熱不利，同時壓力升高，相對揮發(fā)度降低，管徑減小，壁厚增加。本次設(shè)計選用常壓101.325kPa作為操作壓力。</p><p><b>　　2.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　1、

18、飽和蒸汽壓</b></p><p>　　表2-1 苯和甲苯的飽和蒸汽壓</p><p>　?。ㄗⅲ篈-苯，B-甲苯，下同。）</p><p>　　2、氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　表2-2 常壓下苯——甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　表2-3 組分的液相密度</p>&

19、lt;p>　　表2-4 液體粘度µ</p><p>　　表2-5 純組分的表面張力</p><p><b>　　3、回流比</b></p><p>　　通常R=（1.1~2），此設(shè)計取。</p><p>　　2.2精餾塔工藝計算</p><p><b>　　2.2.1物

20、料衡算</b></p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　已知：/a，,年開工300d。 </p><p>　　苯的摩爾質(zhì)量 甲苯的摩爾質(zhì)量 </p><p>　　進料液、溜出液、釜殘液的摩爾分數(shù)分別為</p><p>　

21、　原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量：</p><p><b>　　根據(jù)物料衡算方程：</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　解得：D=22.29 , W=26.26</p><p>　　由于泡點進料q=1，有氣液平衡數(shù)據(jù)，查表2-2得進料液溫度=92.69

22、。</p><p>　　根據(jù)標2-1利用內(nèi)插法求得在此溫度下苯和甲苯的飽和蒸汽壓分別為</p><p><b>　　則： </b></p><p><b>　　=1.35</b></p><p><b>　　物料衡算結(jié)果</b></p><p>　　

23、表2-6 物料衡算結(jié)果（a）</p><p>　　表2-7 物料衡算結(jié)果（b）</p><p><b>　　3、塔板效率的計算</b></p><p><b>　?。?）、精餾段</b></p><p><b>　?。?）、提餾段</b></p><p>

24、;<b>　　2.2.2熱量衡算</b></p><p><b>　　1、加熱介質(zhì)的選擇</b></p><p>　　選用飽和水蒸氣，加熱蒸汽壓力為101.33kPa（表壓）。</p><p>　　原因：水蒸氣清潔易得，不易結(jié)垢，不腐蝕管道。飽和水蒸汽冷凝放熱越大，水蒸氣壓力越高，冷凝溫差越大，管程數(shù)數(shù)相應(yīng)減少，但蒸汽壓力

25、不易太高。</p><p><b>　　2、冷凝劑的選擇</b></p><p><b>　　選冷卻水。</b></p><p>　　原因：冷卻水方便易得，清潔不易結(jié)垢，升溫線越高，用水量越小，但平均溫差小，傳熱面積大。</p><p><b>　　熱量衡算</b></p

26、><p>　　根據(jù)表2-2的氣液平衡數(shù)據(jù)，用內(nèi)插法可求塔頂溫度，塔底溫度。</p><p>　　（1）、0℃塔頂氣體上升焓</p><p><b>　　塔頂以0℃為基準，</b></p><p><b>　　（2）、回流液的焓</b></p><p>　　回流液組成與塔頂組成相同

27、</p><p>　　（3）、塔頂溜出液的焓</p><p>　　因餾出口與回流口組成一樣，所以</p><p>　?。?）、冷凝器消耗的焓</p><p><b>　?。?）、進料口的焓</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p&

28、gt;　?。?）、塔底殘液的焓</p><p>　　（7）、再沸器（全塔范圍內(nèi)列衡算式）</p><p>　　塔釜熱損失為10%，則</p><p><b>　　設(shè)再沸器損失熱量</b></p><p><b>　　加熱器實際熱負荷：</b></p><p>　　表2-8 熱

29、量衡算表</p><p>　　2.2.3理論塔板數(shù)計算</p><p><b>　　1、操作線方程</b></p><p><b>　　相平衡方程：</b></p><p>　　2、逐板法求理論塔板數(shù)</p><p>　　根據(jù)逐板計算步驟，現(xiàn)從塔頂開始計算，將各點的計算結(jié)果列

30、表如下：</p><p>　　在以上表中可以得到加料板的位置在第11塊，最后一塊的塔板是</p><p>　　所以理論塔板數(shù)（塊）（含再沸器）。其中，精餾段。</p><p>　　2.3精餾塔的主要尺寸</p><p>　　2.3.1精餾塔設(shè)計的主要依據(jù)</p><p>　　根據(jù)表2-3，用內(nèi)插法求得在溫度下下苯和甲苯

31、的密度，列表如下。</p><p>　　表2-9 苯-甲苯不同溫度下的密度</p><p>　　塔頂條件下的流量和物性參數(shù)</p><p>　　進料條件下的流量和物性參數(shù)</p><p>　　塔底條件下的流量和物性參數(shù)</p><p>　　精餾段的流量和物性參數(shù)</p><p>　　提餾段的流量

32、和物性參數(shù)</p><p><b>　　體積流量</b></p><p>　　2.3.2塔徑設(shè)計計算</p><p><b>　　填料的選擇</b></p><p>　　按設(shè)計任務(wù)書要求，本次設(shè)計選用的是規(guī)整填料。規(guī)整填料是按一定幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何構(gòu)型可分為格

33、柵填料、波紋填料、脈沖填料等，工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料。</p><p>　　金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，由金屬絲網(wǎng)制成的。其特點是壓降低、分離效率高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物性的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但其優(yōu)良的性能仍得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　綜上考慮，本次設(shè)計選用250Y金屬板波紋填料。</p&g

34、t;<p><b>　　2、精餾段</b></p><p>　　根據(jù)表2-4，用內(nèi)插法求得在溫度下下苯和甲苯的粘度，列表如下。 </p><p>　　表2-10 苯-甲苯不同溫度下的粘度</p><p>　　由于平均黏度在數(shù)值上與甲苯粘度近似相等，且液相中甲苯居多，故本次采用甲苯粘度代替混合物的平均黏度。</p>

35、<p><b>　　式中： </b></p><p>　　、 </p><p>　　圓整后：D=700，空塔氣速。</p><p><b>　　提餾段</b></p><p><b>　　與精餾段算法相同，</b></p>&

36、lt;p>　　圓整后：圓整后：D=700</p><p><b>　　取全塔塔徑700。</b></p><p>　　2.3.3填料層高度的計算</p><p>　　1、等板高度設(shè)計計算</p><p><b>　?。?）、填料層高度</b></p><p>　　對于2

37、50Y金屬絲網(wǎng)波紋填料，查資料可得，每米填料理論板數(shù)為2~3塊，取。則</p><p><b>　　2、填料層壓降計算</b></p><p>　　對于250Y金屬絲網(wǎng)波紋填料，查資料可得，每米填料層壓降為</p><p>　　第3章 附屬設(shè)備及主要附件的選型計算</p><p><b>　　3.1冷凝器<

38、;/b></p><p>　　本設(shè)計冷凝器選用重力回流直立或管殼式冷凝器。原因在于本設(shè)計冷凝器與被冷凝氣體走管間，對于蒸餾塔的冷凝器，一般選管殼式冷凝器或空冷器，螺旋板式換熱器，以便及時排除冷凝液。</p><p>　　冷凝水循環(huán)與氣體之間方向相反，當逆流式流入冷凝器時，其液膜減少，傳熱系數(shù)增大，利于節(jié)省面積，減少材料費用。</p><p>　　設(shè)杭州夏天最熱

39、月平均水溫35℃。</p><p><b>　　冷卻水出口溫度。</b></p><p><b>　　泡點回流溫度</b></p><p>　　3.1.1計算冷卻水流量</p><p>　　3.1.2冷凝器的計算與選型</p><p>　　冷凝器選擇列管式，逆流方式。<

40、/p><p><b>　　取冷凝器傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　操作彈性為1.2，</b></p><p><b>　　3.2再沸器</b></p><p>　　選用臥式U型管換熱器，經(jīng)處理后，放在塔釜內(nèi)，蒸氣選擇3.69atm、140℃的水蒸氣，傳熱系數(shù)K取600

41、kcal/(m2.h.℃)=2520kJ/(m2.h.℃)，r=531kcal/kg。</p><p>　　3.2.1間接加熱蒸汽</p><p><b>　　W=</b></p><p>　　3.2.2再沸器加熱面積</p><p>　　tw1=109.81℃為再沸器液體入口溫度；</p><p&g

42、t;　　tw2=109.81℃為回流汽化為上升蒸氣時的溫度；</p><p>　　t1=140℃為加熱蒸氣溫度；</p><p>　　t2=140℃為加熱蒸氣冷凝為液體的溫度；</p><p>　　用潛熱加熱可節(jié)省蒸氣量從而減少熱量損失。</p><p><b>　　℃</b></p><p>　

43、　=140-109.81=30.19℃</p><p><b>　　=30.19℃，</b></p><p><b>　　A=。</b></p><p><b>　　3.3塔內(nèi)其他結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　3.3.1接管的計算與選擇</p><p&g

44、t;<b>　　塔頂蒸汽管</b></p><p>　　從塔頂至冷凝器的蒸氣導管，尺寸必須適合，以免產(chǎn)生過大壓降，特別在減壓過程中，過大壓降會影響塔的真空度。</p><p>　　操作壓力為常壓，蒸氣速度Wp=12~20m/s,本次設(shè)計取Wp=15m/s</p><p><b>　　dp=</b></p>&

45、lt;p><b>　　=</b></p><p>　　圓整后 dp=200mm</p><p><b>　　回流管</b></p><p>　　冷凝器安裝在塔頂時，回流液在管道中流速一般不能過高，否則冷凝器高度也要相應(yīng)提高，對于重力回流，一般取速度WR為0.2~0.5m/s,本次設(shè)計取WR=0.5m/s</p

46、><p><b>　　dR=</b></p><p>　　圓整后 dR=50mm</p><p><b>　　進料管</b></p><p>　　本次加料選用泵加料，所以由泵輸送時WF可取1.5~2.5m/s，本次設(shè)計取WF=2.0m/s</p><p><b>　　

47、dF=</b></p><p>　　圓整后 dF=30mm</p><p><b>　　塔底流出管</b></p><p>　　塔釜流出液體的速度Ww一般可取0.5~1.0m/s，本次設(shè)計取Ww=0.6m/s</p><p><b>　　dw=m</b></p><

48、p>　　其中=26.26=2415kg/h</p><p>　　圓整后 dw=42.7mm</p><p>　　3.3.2液體分布器</p><p>　　采用蓮蓬頭式噴淋器。選用此裝置能使截面積的填料表面較好的潤濕。結(jié)構(gòu)簡單，制造和維修方便，噴灑比較方便，安裝簡便。</p><p><b>　　回流液分布器</b>

49、</p><p>　　式中：U—小孔流速，； </p><p>　　H—推動力液柱高度H=60mm；</p><p><b>　　Q—小孔輸液能力。</b></p><p><b>　　進料液分布器</b></p><p>　　由上一步可知U=0.89m/s</p>

50、;<p><b>　　3.3.3除沫器</b></p><p>　　為了確保氣體的純度，減少液體的夾帶損失，選用除沫器。常用的除沫器裝置有折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及旋流板除沫器。</p><p><b>　　氣速計算</b></p><p>　　3.3.4液體再分布器</p><p>

51、　　由于規(guī)整填料本身就就具有使液體均勻分布的性能，故本次設(shè)計不需另外設(shè)液體再分布器對液體再次分布。</p><p>　　3.3.5填料支撐板的選擇</p><p>　　填料支承的作用是支承塔內(nèi)填料及其持液的重量。為了使氣、液兩相流體順利通過填料層，填料塔的填料支承裝置應(yīng)滿足一下三個基本條件：</p><p>　?。?）足夠的機械強度以承受設(shè)計載荷量，支承板的設(shè)計載荷

52、主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下的持液的重量；</p><p>　?。?）足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過?？傞_孔面積應(yīng)盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導致液泛提前發(fā)生；</p><p>　?。?）要有一定的耐腐蝕性能。</p><p>　　常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型。對于規(guī)整填料，通常選用柵板裝置，設(shè)計中，為了防止在填料支承裝置

53、處壓降過大，甚至發(fā)生液泛，要求填料支承裝置的自由截面積應(yīng)大于73%。</p><p>　　柵板填料支承裝置通?？梢灾瞥烧麎K或分塊。一般直徑小于500mm可制成整塊的；直徑在600~800mm時，可以分成兩塊：直徑在900~1000mm時，分成三塊；直徑大于1400mm時，分成四塊，是每塊寬度約在300~400mm之間，以便裝卸。</p><p><b>　　3.3.6塔底設(shè)計&l

54、t;/b></p><p>　　料液在釜內(nèi)停留15min，裝料系數(shù)取0.6。塔底高（h）：塔徑（d）=2:1</p><p><b>　　塔底料液量</b></p><p><b>　　塔底體積</b></p><p>　　3.3.7塔的頂部空間高度</p><p>　

55、　塔的頂部空間高度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭切線的距離。為了減少塔頂出口氣體中夾帶的液體量，頂部空間一般取1.2~1.5m，本設(shè)計取1.2m。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計我經(jīng)歷并學到了很多知識，熟悉了大量課程內(nèi)容，懂得了許多做事方法，可謂是我從中受益匪淺，我想這也許就是這門課程的最初本意。從接到課題并完成分組的那

56、一刻起我們就立志要盡最大努力把它做全做好。首先，我們?nèi)D書館借閱了大量有關(guān)書籍，并從設(shè)計書上了解熟悉了設(shè)計的流程和方法。通過查閱資料我們從對設(shè)計一無所知變得初曉門路，而進一步的學習和討論使我們使我們具備了完成設(shè)計的知識和方法，這使我們對設(shè)計有了極大的信心。   </p><p>　　這次歷時近兩周的的課程設(shè)計使我們把平時所學的理論知識運用到實踐中，使我們對書本上所學理論知識有了進一步的理解.通

57、過這次課程設(shè)計提高了我們的認識問題、分析問題、解決問題的能力。更重要的是，該課程設(shè)計需要我們充分發(fā)揮團隊合作精神，組員之間緊密協(xié)作，相互配合的能力，才可能在有限的時間內(nèi)設(shè)計出合理的設(shè)計方案。</p><p>　　最后，我們要感謝張良佺老師給予我們的指導和幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 何潮洪，馮

58、霄.化工原理（上冊）.北京：科技出版社，2007.</p><p>　　[2] 何潮洪，馮霄.化工原理（下冊）.北京：科技出版社，2007.</p><p>　　[3] 王衛(wèi)東.化工原理課程設(shè)計.北京：化學工業(yè)出版社，2011.</p><p>　　[4] 馬江權(quán)，冷一欣.化工原理課程設(shè)計.北京：中國石化出版社，2011.</p><p>　

59、　[5] 付家新，王為國等.化工原理課程設(shè)計（典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計）.北京：化學工業(yè)出版社，2010.</p><p>　　[6] 湯金石.化工原理課程設(shè)計.北京：化學工業(yè)出版社，1990.</p><p>　　[7] 賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計）.天津：天津大學出版社，2002.</p><p>　　[8] 賈紹義，柴誠敬.化