化工原理课程设计苯甲苯连续精馏塔的工艺设计.docx
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化工原理课程设计苯甲苯连续精馏塔的工艺设计
第1章前言
1.1设计题目
苯-甲苯连续精馏塔的工艺设计(浮阀塔)
1.2精馏及精馏流程
精馏是多级分离过程,即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。
因此可是混合物得到几乎完全的分离。
精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。
精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物,是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。
化工成产中,精馏主要用于以下几种目的:
获得馏出液塔顶的产品;
将溶液多级分离后,收集馏出液,用于获得甲苯,氯苯等;
脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品,如酒精提纯,进行精馏操作的设备叫做精馏塔。
精馏过程中采用连续精馏流程,原料液经预热器加热到指定温度后,送入精馏塔的进料板,在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后,逐板溢流,最后流入塔底再沸器中。
在每层板上,回流液体与上升蒸汽互相接触,进行热和质的传递过程。
操作时,连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品,部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。
塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝,并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体,其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
根据精馏原理可知,单有精馏塔还不能完成精馏操作,必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器,有时还有配原料液,预热器、回流液泵等附属设备,才能实现整个操作。
1.3精馏的分类
按操作方式可分为:
间歇式和连续式,工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。
化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。
多组分精馏的特点:
能保证产品质量,满足工艺要求,生产能力大;
流程短,设备投资费用少;
耗能量低,收率高,操作费用低;
操作管理方便。
1.4精馏操作的特点
从上述对精馏过程的简单介绍可知,常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程,精馏塔也就是一种换热器。
但和一般的传热过程相比,精馏操作又有如下特点:
(1)沸点升高
精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂,在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低,使溶液的沸点高于醇溶液的沸点,这种现象称为沸点的升高。
在加热汽化温度一定的情况下,汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差,而且溶液的浓度越高,这种影响也越显著。
(2)物料的工艺特性
精馏溶液本身具有某些特性,如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。
如何利用物料的特性和工艺要求,选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。
(3)节约能源
精馏汽化的溶剂量较大,需要消耗较大的加热蒸汽。
如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。
1.5塔板的类型与选择
塔板是板式塔的主要构件,分为错流式塔板和逆流式塔板两类,工业应用以错流式塔板为主,常用的错流式塔板有:
泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。
我们应用的是浮阀塔板,因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的,它吸收了两种塔板的优点。
它具有结构简单,制造方便,造价低;塔板开孔率大,生产能力大;由于阀片可随气量变化自由升降,故操作弹性大,因上升气流水平吹入液层,气液接触时间较长,故塔板效率较高。
1.6相关符号说明
英文字母
Aa—塔板开孔区面积,m2;
Af—降液管截面积,m2;
A0—筛孔总面积,m2;
AT—塔截面积,m2;
c0—流量系数,无因次;
C——计算umax时的负荷系数,m/s;
CS—气相负荷因子,m/s;
d——填料直径,m;
d0——筛孔直径,m;
D——塔径,m;
ev—液体夹带量,kg(液)/kg(气);
E——液流收缩系数,无因次;
ET—总板效率,无因次;
F—气相动能因子,kg1/2/(s·m1/2);
F0—筛孔气相动能因子,kg1/2/(s·m1/2);
g——重力加速度,9.81m/s2;
h——填料层分段高度,m;
h1—进口堰与降液管间的水平距离,m;
hc—与干板压降相当的液柱高度,m液柱;
hd—与液体流过降液管的压降相当的液柱
hf—塔板上鼓泡层高度,m;
h1—与板上液层阻力相当的液柱高度,m;
hL—板上清液层高度,m;
h0—降液管的底隙高度,m;
hOW—堰上液层高度,m;
hW—出口堰高度,m;
h,W—进口堰高度,m;
hб——与阻力表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱;
H——板式塔高度,m;
Hd——降液管内清液层高度,m;
HD——塔顶空间高度,m;
HF——进料板处塔板间距,m;
HP——人孔处塔板间距,m;
HT——塔板间距,m;
K——稳定系数,无因次;
LW—堰长,m;
Lh—液体体积流量,m3/h;
Ls—液体体积流量,m3/s;
Lw—润湿速率,m3/(m·s);
m——相平衡系数,无因次;
n——筛孔数目;
NT——理论板层数;
P——操作压力,Pa;
△P—压力降,Pa;
△PP气体通过每层筛板的降压,Pa;
t——筛孔的中心距,m;
u——空塔气速,m/s;
uF—泛点气速,m/s;
u0—气体通过筛孔的速度,m/s;
u0,min—漏液点气速,m/s;
u′0—液体通过降液管底隙的速度,m/s;
Vh——气体体积流量,m3/h;
Vs——气体体积流量,m3/s;
wL——液体质量流量,kg/s;
wV—气体质量流量,kg/s;
Wc——边缘无效区宽度,m;
Wd——弓形降液管宽度,m;
Ws——泡沫区宽度,m;
x—液相摩尔分数;
X——液相摩尔比;
y——气相摩尔分数;
Y——气相摩尔分比;
Z——板式塔的有效高度,m;
填料层高度,m。
下标
max—最大的;
min—最小的;
L——液相的;
V——气相的θ——液体在降液管内停留时间,s;
μ——粘度,mPa·s;
Φ—开孔率或孔流系数,无因次;
σ——表面张力,N/m;
ρ——密度,kg/m3;
第2章精馏塔的精馏段的设计计算
2.1设计方案的确定
本设计任务为分离苯和甲苯混合物。
对于二元混合物的分离,应采用常压下的连续精馏装置。
本设计采用气液两相混合进料。
将原料液通过预热器加热后送入精馏塔内。
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入储罐。
该物系属易分离物系,最小回流比较小,操作回流比取最小回流比的1.5倍。
塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
2.2精馏塔的物料衡算
2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
苯的摩尔质量
甲苯的摩尔质量
2.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
2.2.3物料衡算
产品产出量
总物料衡算
苯物料衡算
联立解得
2.3塔板数的确定
2.3.1理论板层数的确定
(1)求最小回流比及操作线回流比
由于是饱和液体进料,查表得苯—甲苯的相对挥发度α=2.47。
故最小回流比为
取操作回流比为
(2)求精馏塔的气液相负荷
(3)操作线方程
精馏段操作线方程
提留段操作线方程
相平衡方程
(4)逐板计算法求理论塔层数
逐板计算法是利用相平衡方程与操作线方程从塔顶开始逐板计算各板的汽相和液相组成,从而求得所需要的理论板数。
塔顶第一块塔板上升蒸气进入冷凝器,冷凝为饱和液体。
馏出液组成与蒸气组成相同,即。
离开第一块理论板的液体组成应与平衡,可由相平衡关系求得。
第二块板的上升蒸气组成可由精馏段操作方程从求得。
以此类推,基本过程如下:
第7块板为加料板
因此总理论板数为13(包括蒸馏釜),精馏段理论板数为6,第7块板为进料板。
2.3.2实际板层数求取
(1)求全塔效率
求精馏塔中液相混合液的平均黏度
当p=101.33kPa时,苯和甲苯混合液(理想混合液)的数据求得:
塔顶泡点温度
塔底泡点温度
由液体黏度共线图查得:
塔顶液体的黏度
塔底液体的黏度
由液相平均黏度计算公式分别求塔顶、塔底混合液的平均黏度
则精馏塔中液相的平均黏度为:
②求全塔效率
所以,全塔效率。
(2)求实际塔板数
精馏段实际板层数
提留段实际板层数
总实际板层数
2.4精馏塔的精馏段工艺条件及有关物性数据的计算
2.4.1精馏段的操作压力
塔顶操作压力
每层塔板压降
进料板压降
精馏段平均压降
2.4.2精馏段的操作温度
由苯和甲苯混合液(理想混合液)的数据查出各点温度
塔顶温度
进料板温度
精馏段平均温度
2.4.3精馏段气、液混合物的平均摩尔质量
塔顶气、液混合物平均摩尔质量:
由,得。
进料板气、液混合物平均摩尔质量:
;
精馏段气、液混合物平均摩尔质量:
2.4.4精馏段气、液相的平均密度
(1)气相平均密度由理想气体状态方程计算,即
(2)液相平均密度液相平均密度计算公式
塔顶液相平均密度:
由,查得
进料板液相平均密度:
由,查得
进料板液相的质量分数为
精馏段液相平均密度为
2.4.5精馏段液相平均表面张力
液相平均表面张力计算公式:
塔顶液相平均表面张力:
由℃,查得N/mN/m
N/m
进料板液相平均表面张力:
由℃,查得N/mN/m
N/m
精馏段液相平均密度为:
N/m
2.5精馏段的塔体工艺尺寸计算
2.5.1精馏段塔径和实际空塔气速的确定
(1)最大空塔气速和空塔气速最大空塔气速计算公式:
精馏段的气、液相体积流率为
求C,其中由附图1查取,图中横坐标为
取板间距m,板上液层高度m,则
m
附图1
查附图1得=0.070
m/s
取安全系数为0.6,则空塔气速为
m/s
(2)塔径
m
按标准塔径圆整后为
D=1.4m
塔截面积为
实际空塔气速为m/s
2.5.2精馏段精馏塔有效高度的求取
精馏段有效高度为
m
提馏段有效高度为
m
在进料板处及提馏段各开一个人孔,其高度均为0.8m,故精馏塔德有效高度为
m
2.6精馏段塔板主要工艺尺寸的计算
2.6.1精馏段溢流装置性能参数的确定
因塔径D=1.4m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹型受液盘,各项计算如下:
(1)堰长取m
(2)溢流堰高度溢流堰高度计算公式
选用平直堰,堰上液层高度依下式计算,即
近似取E=1,则
m
取板上液层高度=0.06m,故
m
(3)弓形降液管宽度及将面积由,查得:
,,故
m
依式验算液体在降液管中停留时间,即
故降液管设计合理。
(4)降液管底隙高度计算公式
取
m
故降液管底隙高度设计合理。
2.6.2精馏段塔板布置及浮阀的数目与排列
取阀孔动能因数,用式求孔速,即
依式求每层塔板上的浮阀数,即
取边缘区宽度,破沫区宽度。
依式计算鼓泡区面积,即
浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。
取同一横排的孔心距,则可按下式估算排间距,即
取。
按,,以等腰三角形叉排方式作图,
附图2.
得阀数个
按重新核算孔速及阀孔动能因数:
阀孔动能因数变化不大,仍在9~12范围内。
塔板开孔率=
2.7精馏段塔板流体力学验算
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