分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設計

溫州大學甌江學院

WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE

化工原理課程設計

題 目：分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設計 專 業(yè)： 應用化學 班 級： 08甌應化 姓 名： 陳 媛 學 號： 指導教師： 張 偉 祿 完成日期：

精餾塔設計任務書

專業(yè)： 應用化學 班級 08甌應化 姓名：陳媛 學號： 08205023104

指導教師： 張偉祿 設計日期： 2011.6.15

一、設計題目：

分離苯-甲苯篩板式精餾塔的設計

二、設計任務及操作條件

1、設計任務

生產(chǎn)能力（進料量） 11萬 噸／年 操作周期 300×24 = 7200 小時／年

進料組成 50% （質(zhì)量分率，下同） 塔頂產(chǎn)品組成 >99% 塔底產(chǎn)品組成

2、操作條件

操作壓力 常壓 （表壓） 進料熱狀態(tài) 泡點進料 冷卻水： 20℃ 加熱蒸汽： 0.2MPa 塔頂為全凝器，中間泡點進料，連續(xù)精餾。

3、設備型式 篩板式

4、廠址 溫州

三、設計內(nèi)容

1、概述

2、設計方案的選擇及流程說明

3、塔板數(shù)的計算（板式塔）或填料層高度計算（填料塔） 4、主要設備工藝尺寸設計

板式塔：（1）塔徑及提餾段塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （2）塔板的流體力學校核(難) （3）塔板的負荷性能圖(難) （4）總塔高、總壓降 填料塔：填料塔流體力學計算

（1）壓力降計算 （2）噴淋密度計算

6、設計結(jié)果匯總

7、工藝流程圖及精餾塔裝配圖 8、設計評述(自己評價自己的設計) 四、圖紙要求

1工藝流程圖（在說明書上花草圖） 2精餾塔裝配圖 五、參考資料

1.石油化學工業(yè)規(guī)劃設計院.塔的工藝計算.北京：石油化學工業(yè)出版社，1997 2.化工設備技術全書編輯委員會.化工設備全書—塔設備設計.上海：上�？茖W技

術出版社，1988

3.時鈞，汪家鼎等.化學工程手冊，.北京：化學工業(yè)出版社，1986

4.上海醫(yī)藥設計院.化工工藝設計手冊(上、下).北京：化學工業(yè)出版社，1986 5.陳敏恒，叢德茲等.化工原理(上、下冊)(第二版).北京：化學工業(yè)出版社，2000 6.大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計.大連：大連理工大學出版 社，1994

7.柴誠敬，劉國維，李阿娜.化工原理課程設計.天津：天津科學技術出版社，1995

目錄

目錄................................................................................................................................................... 1 1. 概述 .............................................................................................................................................. 6

1.1 精餾塔 ............................................................................................................................... 6 1.2 再沸器 ............................................................................................................................. 6 1.3 冷凝器 ............................................................................................................................... 6 2. 精餾設計方案的制定及說明 ...................................................................................................... 6 3. 工藝計算 ...................................................................................................................................... 7

3.1 生產(chǎn)要求: .......................

www.ishadingyu.com ................................................................................................... 7 3.2 塔的物料衡算 ................................................................................................................... 7 4. 塔板數(shù)的確定 .............................................................................................................................. 8

4.1 理論板層數(shù)NT的求取 ................................................................................................... 8 4.2 實際板層數(shù)的求取 ........................................................................................................... 9 5. 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算 ................................................................................................ 10

5.1 操作壓強的計算 Pm ..................................................................................................... 10 5.2 操作溫度 ......................................................................................................................... 10 5.3 平均摩爾質(zhì)量計算 ......................................................................................................... 10 5.4 平均密度計算 ................................................................................................................. 10 5.5 液體平均表面張力的計算σm ...................................................................................... 11 5.6 液體粘度計算 ................................................................................................................. 12 6. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 .................................................................................................... 12

6.1 塔徑的計算 ..................................................................................................................... 12 6.2 精餾塔有效高度的計算 ................................................................................................. 13 7. 塔板主要工藝尺寸的計算 ........................................................................................................ 14

7.1 溢流裝置計算 ................................................................................................................. 14 7.2 塔板布置 ......................................................................................................................... 15 8. .篩板的流體力學驗算 ................................................................................................................ 16

8.1 塔板壓降 ......................................................................................................................... 16 8.2 液沫夾帶 ......................................................................................................................... 16 8.3 漏液 ................................................................................................................................. 17 8.4 液泛 ................................................................................................................................. 17 9. 塔板負荷性能圖 ........................................................................................................................ 17

9.1 液漏線 ............................................................................................................................. 17 9.2 液沫夾帶線 ..................................................................................................................... 18 9.3 液相負荷下限線 ............................................................................................................. 19 9.4 液相負荷上限線 ............................................................................................................. 19 9.5 液泛線 ............................................................................................................................. 19 10. 工藝計算匯總表 ...................................................................................................................... 21 11. 總結(jié) .......................................................................................................................................... 22

1. 概述

精餾是分離過程中的重要單元操作之一，所用設備主要包括精餾塔及再沸器和冷凝器。

1.1 精餾塔

精餾塔是一圓形筒體，塔內(nèi)裝有多層塔板或填料，塔中部適宜位置設有進料板。兩相在塔板上相互接觸時，液相被加熱，液相中易揮發(fā)組分向氣相中轉(zhuǎn)移；氣相被部分冷凝，氣相中難揮發(fā)組分向液相中轉(zhuǎn)移，從而使混合物中的組分得到高程度的分離。

簡單精餾中，只有一股進料，進料位置將塔分為精餾段和提餾段，而在塔頂和塔底分別引出一股產(chǎn)品。精餾塔內(nèi)，氣、液兩相的溫度和壓力自上而下逐漸增加，塔頂最低，塔底最高 本設計為篩板塔，篩板的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板阻力小且效率高。但易漏液，易堵塞。然而經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)其尚能滿足生產(chǎn)要求，目前應用較為廣泛。

1.2 再沸器

作用：用以將塔底液體部分汽化后送回精餾塔，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進行。

本設計采用立式熱虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管殼式換熱器。液體在自下而上通過換熱器管程時部分汽化，由在殼程內(nèi)的載熱體供熱。 立式熱虹吸特點：

▲循環(huán)推動力：釜液和換熱器傳熱管氣液混合物的密度差。 ▲結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱系數(shù)高。

▲殼程不能機械清洗，不適宜高粘度、或臟的傳熱介質(zhì)。 ▲塔釜提供氣液分離空間和緩沖區(qū)。

1.3 冷凝器

用以將塔頂蒸氣冷凝成液體，部分冷凝液作塔頂產(chǎn)品，其余作回流液返回塔頂，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以進行，最常用的冷凝器是管殼式換熱器。

2. 精餾設計方案的制定及說明

3. 工藝計算

3.1 生產(chǎn)要求:

原料液組成：苯50%（wt%）。產(chǎn)品中：苯含量>99% 殘夜中：苯含量

3.2 塔的物料衡算：

料液及塔頂.塔底產(chǎn)品含苯摩爾分數(shù)

x78.11

f?78.11?.13?0.541

x78.11

D?78.11?.13?0.992

x78.11

w?

78.11?92.13

?0.0235

平均摩爾質(zhì)量

MF=0.5?78.11+(1-0.5) ?92.13=85.12kg/mol MD=0.99?78.11+(1-0.99) ?92.13=78.25kg/mol MW=0.0235?78.11+(1-0.0235) ?92.13=91.85kg/mol 物料衡算

總物料衡算 D+W=F 易揮發(fā)組分物料衡算 DxD+WxW=FxF

?11?104?103

F300?24?85.12

?179.48kmol/h

R?xq?yqyx?0.992?0.728min?1.16

q?q0.728?0.5

D?83.58kmol/hw?95.90kmol/h

4. 塔板數(shù)的確定

4.1 理論板層數(shù)NT的求取

苯－甲苯屬于理想物系，可采用圖解法求理論層數(shù)

采用作圖法求最小回流比，在圖中對角線上，自e（0.5，0.5）作垂線ef即為進料線，該線于平衡線的交點坐標為yq＝0.728，xq＝0.5

Ryqmin?

xq?y?

0.992?0.728

q?xq

0.728?0.5

?1.16

本設計取R=1.5Rmin=1.74 求精餾塔的氣液相負荷 L=RD=1.74*83.58=145.43kmol/h

V=（R+1）D＝（1.74+1）*83.58＝229.01 kmol/h

L??L?F?145.43+229.01=374.44kmol/h V?=V=229.01kmol/h

.操作線方程 精餾段操作線方程：

y?

LVx?DxD

V

=0.635x+0.362 提餾段操作方程：y＝1.318x-0.0075

圖解法求理論板層數(shù)

由圖得NT＝18（包括再沸器）。

其中精餾段理論板數(shù)為7層，，第8層為加料板。

4.2 實際板層數(shù)的求取

精餾段實際板數(shù) N精＝7/0.5＝14

提餾段實際板數(shù) N提＝11/0.5＝22

5. 塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算

5.1 操作壓強的計算 Pm

取每層塔板壓強△P=0.7kpa

塔頂壓強 PD=101.3-14*0.7=91.5kpa 進料板壓強PF101.3=kpa 精鎦段平均操作壓強Pm=

101.3?91.5

2

?96.4kpa

5.2 操作溫度

塔頂溫度 tD＝80.2oC 進料溫度tF＝90.1oC 精餾段平均溫度 tm=(80.2+90.1)/2=85.2oC

5.3 平均摩爾質(zhì)量計算

由xD

?y1?0.992 查平衡曲線得 x1?0.9 3

MvDm?0.992*78.11?(1?0.992)*92.13?78.22kg/kmol

MLDm?0.93*78.11?(1?0.93)*92.13?83.78kg/kmol

進料段

yF?0.7 1查平衡曲線得

XF

?0.47

MVFM?0.71*78.11?(1?0.1)*92.14?82.18kg/kmol MLFM?0.47*78.11?(1?0.47)*92.14?85.55kg/kmol 則精餾段平均分子量 MVm?

78.2?282.12

?88

0.2k2g/km ol

MLm?

83.78?85.55

2

?84.67kg/kmol 5.4 平均密度計算

（1）氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算 即

?mvvm?

pmMRT?96.4*80.22

?2.60kg3

m8.314*85.2?273.15m塔頂液相平均密度計算 由tD＝80.2oC 查手冊得

?A＝814.5kg

m3

?B＝809.7kg

m3

?LDm

＝1/（0.992/814.5+0.008/809.7）=814.5

kg3

⑵液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即

1

aA

aB

??

LM

??

LA

?LB (a為質(zhì)量分數(shù))

塔頂

1

?0.99?815.3?0.01

LMD

809.6

?LMD=815.2kg/m3

（3）進料板液相平均密度的計算 tF＝90.1℃，查手冊得

?LA＝806.7 kg/m3 ?LB＝794.1 kg/m3

進料板液相的質(zhì)量分率 a0.4778.11

A＝

?0.47?78.11+0.53?92.13

＝0.429

?LFm＝1

）

＝833kg/m3（0.423/806.7+0.531/794.1

（4）精餾段平均液相密度為

?Lm＝?815.2+833?/2＝824.1kg/m3

5.5 液體平均表面張力的計算σm

由tD=80.2℃ 查手冊，得

σA=21.2mNm σB=21.3mNm

?LDm?0.99?21.2??1?0.99??21.3?21.2mNm

由 tF＝90.1℃ 查手冊，得

σA=20.36mNm σB=20.76mNm

LFm?0.45?20.6??1?0.45??20.9?20.77mNm

?Lm=?21.2+20.9?/2?21mN/m

5.6 液體粘度計算

液相平均粘度依下式計算，即

lg?Lm??xilg?i

塔頂液相平均粘度的計算 由 tD＝80.2℃，查手冊得

?A?0.30m

6Pa s.?B?0.312mPa.s lg?LDm?0.99g?0.31??0.01lg?0.313?

解得 ?LDm?0.310mPa.s 進料板液相平均粘度的計算 由tF＝90.1℃

?A?0.272mPa.s ?B?0.284mPa.s lg?LFm?0.47lg?0.264??0.53lg?0.273?

?LFm?0.269mPa.s

精餾段液相平均粘度的計算

?Lm??0.310?0.269?/2?0.289mPa.s

6. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算

6.1 塔徑的計算

精餾段的氣、液相體積流率為

Vs?

VMVm3600??229.01?80.22?1.96m3/s

Vm3600?2.6Ls?

LMLm3600??145.43?84.67

?0.0042m3/s

Lm3600?824.1

由

umax?式中C由式，其中的C20由史密斯關聯(lián)圖查得，圖的橫坐標為

Lh??L?0.0042?3600?824.1?V????

h?V?1.96?3600??2.6??

?0.00382 取板間距HT＝0.40m 板上液層高度hL＝0.06m

HT?hL?0.40?0.06?0.34m

查圖得 C20＝0.072

0.20.2

C?C20???L??21?

?20???0.072??20??

?0.071

umax??1.262m/s

取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為

u理

?0.7umax?0.7?1.262?0.883m/s

D?

??1.68m 根據(jù)標準塔徑圓整后為 D＝2.2m 塔截面積為

AT?

?

24

D?

?

4

?1.682?2.22m2

實際空塔氣速為

u實?

1.96

2.22

?0.883m/s

6.2 精餾塔有效高度的計算

精餾段有效高度為

Z精＝?N精?1?HT＝?14-1??0.40＝5.2m

提餾段有效高度為

Z提＝?N提?1?HT＝?22?1??0.40＝8.4m

在進料板上方開一入孔，其高度為0.8m。 故精餾塔的有效高度為

Z＝Z精?Z提?0.8＝5.2?8.4?0.8＝14.4m

7. 塔板主要工藝尺寸的計算

7.1 溢流裝置計算

因塔徑 D＝1.68m，可選用68單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下： ⑴堰長′

D取 lw＝0.66＝

⑵溢流堰高度hw 由

0.?66＝1.68 1.11m

hW＝hL?hOW

選用平直堰，堰上液層高度由

2.84?Lh?hOW＝E??

1000?lW?

近似取E＝1，則

2.84?0.0042?3600?hOW＝?1???＝0.0162m

10001.11??

取板上清液層高度 hL＝0.06m 故 hW＝0.06?0.00162＝0.0438m ⑶弓形降液管寬度Wd 和截面積Af 由弓形降液管的參數(shù)圖，得

AfWd

＝0.0722 ＝0.124 ATD

故 Af＝0.0722AT＝0.0722?2.22＝0.160m

2

Wd＝0.124D＝0.124?1.68＝0.208m

驗算液體在降液管中的停留時間，即

?＝

3600AfHT3600?0.160?0.4

＝＝15.24s?5s 故降液管設計合理。 Lh0.0042?3600

⑷降液管底隙高度ho

ho＝

Lh

3600l

Wu'o

取u'o＝01m/s 則 ho＝

0.004?2360360?01.?11＝0

0.0.1

036 m

hW?ho＝0.0438-0.036＝0.0078m?0.006m 故降液管底隙高度設計合理。

選用凹形受液盤，深度h’

w＝60mm

7.2 塔板布置

⑴塔板的分塊

因D

取 Ws?W'

s?0.065m Wc?0.035m

⑶開孔區(qū)面積計算

開孔區(qū)面積Aa 按式

Aa?2?2

??

?rx?180si?n1r?計 算

?其中 x?1.68

??Wd?Ws??

2

??0.208?0.065??0.567m r?D2?Wc?1.682

?0.035?0.805m 故

Aa?2???

?0.8052?10.567?2

180sin0.805?

??1.66m ⑷篩孔計算及排列

本例所處理的物系無腐蝕性，可選用δ＝3mm碳鋼板，取篩孔直徑do＝5mm。

篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為 t?3d0?3?5?15mm

篩孔數(shù)目n為 n?

1.155Aat2?1.155?1.66

0.015

2

?8521 個 開孔率為 ??0.907??d0?2

?t???0.907??0.005?

2

?0.015??

?10.1

％ 氣體通過閥孔的氣速為 us0＝

V1.9A＝6

＝11.69m /s00.10?11.66

8. .篩板的流體力學驗算

8.1 塔板壓降

⑴干板阻力hc的計算

2

hc＝0.051??u0??c????V?

? 由d0/δ＝5/3＝1.67， 查圖得，c0＝0.772

0???L?2

故 hc＝0.051??11.69???0.772?2.6?

???824.1??

＝0.0369m液柱

⑵氣體通過液層的阻力hl計算

hl??hL

ua?

VsA?1.96

2.22?

0.1?60.0

95m1sT?Af /

F0?u?1.53kg1/2/(s.m1/2)

查圖，得??0.60

hl??hL??(hW?hOW)?0.60??0.0438?0.0162??0.036m液柱⑶液體表面張力的阻力h?的計算

液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h?由下式計算，即

4?L4?21?10?3

h????824.1?9.81?0.005

?0.00208m液柱

Lgd0氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即

hp?hc?hl?h??0.0369?0.036?0.0021?0.075m 液柱

氣體通過每層塔板的壓降為

?Pp?hp?Lg?0.075?824.1?9.81?606Pa?0.7kPa （設計允許值）

8.2 液沫夾帶

5.7??63.2

e?v＝10???u?a

??HT

?hf? hh

Lf??2.5h?

0.4L

3.2

e5.7?10?6?0.951?v?21?10?3???0.4?0.15?

?

?0.0195?0.1kg液/kg氣

在允許范圍內(nèi)。

8.3 漏液

漏液點氣速的計算，得

u0,min?4.4c

?4.4?　　?6.42m/s

實際孔速u0＝

11.69m/s>u0,min 穩(wěn)定系數(shù)為 K?

uou?11.69

?1.82?1.5 故在本設計中無明顯漏液。 ow6.42

8.4 液泛

防止發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應服從

Hd???Ht?hw?關系，取??0.5,則 ??HT?hw??0.5??0.4?0.0438??0.2219m

而Hd＝h??HL?hd

2

2

h?0.153??LS??0.0042?

d?L??0.153??W?ho?

?1.11?0.036???0.00169m

Hd?0.075?0.06?0.00169?0.13669m

Hd???HT?hw?故不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。

9. 塔板負荷性能圖

9.1 液漏線

根據(jù)氣速式

uow?4.4C

Vs.min

?4.4?0.772A0

Vs.min?1.0259.2 液沫夾帶線

以ev?0.1kg液/kg氣為限，

5.7?10?u?

ev???H?h?f?T

?6?Vs

?0.485V4 ua??s ?A?ATf?

3.2

2

??23???3600L?3s??2.50.0438?0.6222L3?hf?2.5?hw?how??2.5?hw?2.84?10E????s??lw????? ???

?0.1095?1.5555Ls

23

HT?hf?0.2905?1.5555Ls

5.7?10ev?

21?10?3

?6

3.2

?0.4854Vs?

?0.1??0.2905-1.5555L??s??

Vs＝13058.?0.2909?1.5555Ls＝37933.?20.3117Ls

在操作范圍內(nèi)，任取幾個數(shù)據(jù)計算Vs值，列表得

?

?

9.3 液相負荷下限線

液相負荷下限線 取平堰.堰液層高度how=0.006作為液相下限條件

取E=1.0

how=2.843600Ls.min2

31000

E（l）

w2/3

得0.006= 2.841000?1? ??3600Ls.min??1.11??

Ls.min=0.000947m3/s

9.4 液相負荷上限線

以?＝4s作液體在降液管中的停留時間下限，由

L0.160

smax?

HT?Af

4

?

0.4?4

?0.016m3/s

9.5 液泛線

令 Hd＝??HT?hw? 由

Hd＝hp?hL?hd；hp＝hc?hl?h?；hl＝?hL；hL?hw?how

?HT?(????1)hw?(??1)how?hc?hd?h?

忽略h?，將與Vs的關系代入上式，并整理得

a'V2?b'?c'L2s?d'L2/3

ss 式中

a'?

0.051??(A2?

?V

0c0)?????0.051?2.6?L(0.101?1.66?0.772)2?

?824.1??

=0.0096 b'??HT?(????1)hw?0.5?0.4?（0.5?0.60?1）?0.0438＝0.175c'＝0.153/（l22wh0）＝0.153/（1.11?0.036）＝9582.

聯(lián)立得

?3600??3600?-3

d'＝2.84?10-3E（1??）??＝2.84?10?1?1.60???＝0.9956

?1.11??lw?

2/3

故 0.0096Vs2＝0.175?95.82L2s?0.9956Ls

2/3

2/3

在負荷性能圖上，作操作點A，連接OA，即為操作線，由圖可知，該篩板的操作上限

Vs，3.68m3/smax為液泛控制，下限為液漏控制。 操作彈性為＝＝192. 33

Vs，min1.92m/sVs，min=1.92m/s

3

Vs，max＝3.68m/s

10. 工藝計算匯總表：

21

總結(jié)

1.流程的說明

首先，苯和甲苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與甲苯的分離。 2.流程示意圖

冷凝器→塔頂產(chǎn)品冷卻器→苯的儲罐→苯 ↑↓回流 原料→原料罐→原料預熱器→精餾塔 ↑回流↓

再沸器← 塔底產(chǎn)品 → 冷卻器→甲苯的儲罐→甲苯

3.工藝流程圖

22

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