化工原理课程设计苯对二甲苯分离结构设计 32页

'北京理工大学珠海学院课程设计化工原理课程设计苯对二甲苯分离结构设计一、课程设计题目苯和二甲苯物系分离系统的设计二、课程设计内容（含技术指标）生产能力：6000吨/年（每年按300天生产日计算）原料状态：苯含量45%（wt%）；温度：25℃；压力：100kPa；泡点进料；分离要求：塔顶馏出液中苯含量90%（wt%）；塔釜苯含量2%（wt%）操作压力：100kPa其它条件：塔板类型：浮阀塔板；塔顶采用全凝器；R=1.6Rm2.具体设计内容和要求（1）设计工艺方案的选定（2）精馏塔的工艺计算（3）塔板和塔体的设计（4）水力学验算（5）塔顶全凝器的设计选型（6）塔釜再沸器的设计选型（7）进料泵的选取（8）绘制流程图（9）编写设计说明书（10）答辩三、进度安排时间设计安排10.14—10.21设计动员，下达任务书，查阅资料，拟定设计方案，方案论证，物性数据计算10.21—11.11工艺计算（物料衡算、确定回流比、计算理论板层数、实际板层数、实际进料板位置）11.11—11.18塔结构设计（物性数据的计算、塔径计算、塔结构尺寸的计算、水力学性能校验、负荷性能图及塔高的计算）11.18—11.25热量衡算；附属设备的选型和计算11.25-12.02绘制带控制点的工艺流程图（CAD图）19 北京理工大学珠海学院课程设计12.02—12.09绘制带控制点的工艺流程图，（借图板和丁字尺，手工绘制图）12.09—12.16编写设计说明书，答辩要求2012.01.03将说明书及图纸装订并提交2012.1.4—1.5答辩四、基本要求序号设计内容要求1设计工艺方案的选定精馏方式及设备选型等方案的选定和论证（包括考虑经济性；工艺要求等）绘制简单流程图2精馏塔的工艺计算物料衡算，热量衡算，回流比、全塔效率、实际塔板数、实际进料位置等的确定3塔板和塔体的设计设计塔高、塔径、溢流装置及塔板布置等4水力学验算绘制塔板负荷性能图5塔顶全凝器的设计选型计算冷凝器的传热面积和冷却介质的用量6塔釜再沸器的设计选型计算再沸器的传热面积和加热介质的用量7进料泵的选取选取进料泵的型号8绘图绘制带控制点的流程图（CAD和手工绘制）9编写设计说明书目录，设计任务书，设计计算结果，流程图，参考资料等10答辩每班数不少于20人答辩教研室主任签名：2011年10月14日19 北京理工大学珠海学院课程设计摘要：根据任务要求，本塔在100KPa压强下，苯和对二甲苯的分离操作，年处理量为6000吨(按300天计)，查阅相关资料，初步确定分离方法、流程、以及设备、操作条件，查阅相关物理数据，制作相关曲线图，由原料组成和塔顶、塔釜组成通过物料衡算来确定产量、釜液量、最小回流比及回流比，继而得到精馏段，提馏段的操作线方程，并结合经验值通过计算来确定塔的理论塔板数和实际塔板数，进料板位置，以及全塔效率，进而得出塔的工艺尺寸，然后根据流体力学验算，来确定各工艺尺寸是否均符合要求，符合要求之后，再确定本塔的负荷性能图及其附属设备，完成工艺流程图（CAD图纸，手工图纸各一份），进而完成设计任务。关键词：精馏塔精馏段提馏段塔板目录：第一章绪论1.1分离方法的选择-——精馏1.2流程设计1.3设备初选1.4操作条件第二章精馏塔工艺计算2.1基础数据2.2物料衡算第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计3.1塔的工艺条件及物性数据3．2精馏塔主要工艺尺寸计算第四章附属设备与接管的选取4.1原料液预热器的设计4.2塔顶冷凝热负荷及冷却水用量4.3塔底再沸器热负荷及水蒸气用量4.4进料泵的选取4.5主要接管尺寸的选取第一章绪论1.1分离方法的选择-——精馏蒸馏分简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏和特殊蒸馏较易分离的物系或对分离要求不高——简单蒸馏或闪蒸较难分离——精馏很难分离的或者用普通精馏方法不能分离——特殊精馏19 北京理工大学珠海学院课程设计1.2流程设计1.3设备初选塔板类型——浮阀塔泡罩塔板。优点：不易发生液漏现象。有较好操作弹性，塔板不易堵塞缺点：结构复杂，金属耗量大，造价高；板上夜层厚，气体流经曲折，通过塔板的压强降大，兼雾沫夹带严重，板效率低。筛板塔板。优点：造价低廉，气体压降小，板上液面落差小，生产能力及板效率均较泡罩塔高。缺点：操作弹性小，容易堵塞。浮阀塔板。优点：生产能力大，操作弹性大，塔板效率高，压降液面落差较小，塔板造价低。换热器——管壳式换热器有点：单位体积所具有的传热面积较大及传热效率好，结构简单，制造材料范围较广，操作弹性较大。离心泵——油泵油泵特点：用于易燃、易爆油品。19 北京理工大学珠海学院课程设计管路选择——无缝钢管（常压管路）1.4操作条件操作压力——100Kpa(常压)常压下为气态混合液——加压沸点较高又是热敏性混合液——减压进料状态——泡点进料泡点进料优点：塔内无聊在平衡态下进料不需要进行热交换，计算简便。塔底加热方式——间接蒸汽加热优点：方便、便宜，相变潜热放出的热量大。第二章精馏塔工艺计算2.1基础数据[1]2.1.1苯和二甲苯液体的物性表2-1物性沸点T/°C密度ρ/kg/m相对分子质量M临界压力P/MPa水中的溶解度g/ml折射率19 北京理工大学珠海学院课程设计熔点T/°C3苯80.15.51878.678.114.920.00181.50108对二甲苯138.513.2861106.173.51不溶1.495752.1.2苯和二甲苯液体的密度表2-2T/°C苯ρ/kg.m-3对二甲苯ρ/kg.m-380815.83809.6885810.31805.190804.74800.4995799.11795.84100793.42791.14105787.65786.41110781.82781.63115775.91776.8120769.92771.93125763.86767.01130757.71762.05135751.47757.03140747.04753.48ρ苯=-1.1643T+909.52ρ对二甲苯=-0.9515T+886.092.1.3苯和对二甲苯的表面张力表2-3T/°C苯σ/mN/m对二甲苯σ/mN/m8021.13821.9398520.51421.4099019.89320.8829519.27720.35810018.66419.83719 北京理工大学珠海学院课程设计10518.05419.31911017.44918.80411516.84818.29212016.25117.78312515.65817.27713015.06916.77413514.48516.27514013.90515.778σ对二甲苯=-0.1027T+30.121σ苯=-0.1206T+30.7412.1.4苯和对二甲苯的粘度表2-4T/°C苯μ/Pa.S对二甲苯μ/Pa.S80.1311.8349.58529933590286.632495272.1310100260298.9105247.2289.8110235.5280115228268.7120219.7259125210.4249130200240135192.8230138.5187.522319 北京理工大学珠海学院课程设计2.1.5常压下苯—对二甲苯气液平衡数据(1)苯—对二甲苯Antoine常数表2—5组分ABC苯6.90565  1211.033 220.790对二甲苯6.99052  1453.430215.307(2)Antoime公式  其中P为饱和蒸汽压，单位mmHg,T单位表2—6T/°C苯饱和蒸汽压对二甲苯饱和蒸汽压xyα80.1101.3315.6816.4685117.5518.360.8360.9696.4090136.1322.640.6930.9316.0195156.9127.010.5720.8865.81100180.0632.050.4680.8325.62105205.7637.830.37780.7675.44110234.1844.420.3000.6935.27115265.4951.900.2310.6065.12120299.960.370.1710.5064.97125337.5669.90.1070.3914.83130378.6880.60.070.264.7135423.4492.560.0270.1114.57138.5472.02105.88-0.012-0.0584.46①根据列表的数据作图19 北京理工大学珠海学院课程设计①计算=5.32(2-1)②根据所作的图，算得的泡点温度为③露点温度为19 北京理工大学珠海学院课程设计2.2物料衡算[2]2.2.1组成平均相对分子量2.2.2全塔物料衡算代入数据，解得：2.2.3确定及R值原料液为泡点进料最小回流比为即2.2.4精馏段操作线方程(2-2)提留段操作线方程(2-3)19 北京理工大学珠海学院课程设计则2.2.5理论塔板数及实际塔板数（1）简捷法全塔最小理论板数(2-4)由上可算得根据吉利兰图公式可得：算得：N=9.7310精馏段最小理论板数根据吉利兰图公式可得：算得：N=5.146故进料塔板位置为塔顶往下数第6块板。(2)作图法19 北京理工大学珠海学院课程设计由图可得：理论塔板数N=7（包括再沸器）2.2.6全塔效率=0.027=0.9244由图2-4苯-对二甲苯混合液的t-x-y图可查得塔釜温度=135塔顶温度=90.73又泡点进料=96.498=107.41可由粘度表查得，=107.41时，=241.5606=285.0764则μ=0.5265全塔效率为(2-5)2.2.7实际塔板数则进料塔板数本章符号说明19 北京理工大学珠海学院课程设计英文字母T—温度，°CM─相对分子质量g/mol─平均相对分子质量,g/molP─压力,Pax─液相摩尔分数y─气相摩尔分数F─原料液摩尔量,kmol/hD─塔顶产品液量,kmol/hW─塔釜产品液量,kmol/hR─回流比L─塔内下降的液体流量,kmol/hN─理论塔板数ET─全塔效率希腊字母ρ─密度,kg/m3σ─表面张力,mN/mμ─粘度，Pa.sα─相对挥发度下标F─进料液D─馏出液W─釜液b─泡点d─沸点Min─最小或最少19北京理工大学珠海学院课程设计19 北京理工大学珠海学院课程设计第二章精馏塔主要工艺尺寸的设计3.1塔的工艺条件及物性数据[3]3.1.1塔的工艺条件1.操作压强2.操作温度4可由t-x-y图查得塔釜温度=135°C塔顶温度=90.73°C泡点进料=96.498°C即3.1.2各种物性数据1.平均分子量根据平衡关系式可得(3-1)塔顶：==0.924=0.6968进料塔：=0.5265=0.8554塔釜：=0.027=0.12862419 北京理工大学珠海学院课程设计①精馏段的平均分子量②提留段的平均分子量98.4044g/mol2.平均密度①气相密度精馏段实际塔板数：提馏段实际塔板数：a.精馏段：塔顶操作压强=100Kpa每层塔板的压强降△P=0.7Kpa进料板压强平均压强(3-2)b.提馏段：塔釜操作压强平均压强②液相密度=96.498°C可查表2-2得=797.4053=794.4319=795.7664=90.78°C可查表2-2得=803.8617=799.764619 北京理工大学珠海学院课程设计=803.4501=135°c可查表2-2得=751.47=757.03=756.9180即3.液体表面张力=96.498°C可查表2-3得=19.0933mN/m=20.2019mN/m=19.6875mN/m=90.78°C可查表2-3得=19.7969mN/m=20.8003mN/m=19.8929mN/m=135°c可查表2-3得=14.485mN/m=16.275mN/m=16.2349mN/m即mN/mmN/m4．液体粘度=96.498°C可查表2-4得=268.4748Pa.s=306.6744Pa.s=143.153Pa.s=90.78°C可查表2-4得=284.338Pa.s=321.816Pa.s=150.9592Pa.s=135°c可查表2-4得=192.8Pa.s=230Pa.s=104.8817Pa.s即Pa.s19 北京理工大学珠海学院课程设计Pa.s5.体积流率由上可得R=0.3357L=RD(3-3)①精馏段L=RD=0.33575.0748=1.7036kmol/hV=(R+1)D(3-4)V=(R+1)D=1.33575.0748=6.7784kmol/h已知=88.975g/mol=81.2159g/mo=799.6087=2.7573则体积流量=0.1896/3600=5.2667=199.6161/3600=0.0554②提留段kmol/hkmol/h已知=98.4044g/mol=92.3645g/mol=776.3426=3.1108则质量流量体积流量19 北京理工大学珠海学院课程设计表3-1物性数据精馏段提留段操作温度t/°c93.639115.739液体粘度Pa.s147.0561124.0174液体表面张力mN/m19.790217.9612液相气相液相气相平均分子量g/mol89.007181.199398.404492.3645平均密度799.60872.7576766.34263.1502体积流率5.26670.05543.80670.05590.1896199.61611.3776201.26133．2精馏塔主要工艺尺寸计算[3]3.2.1塔径的计算1.精馏塔：取板间距查史密斯关联图可知C20=0.07(3-5)(3-6)即(3-7)19 北京理工大学珠海学院课程设计圆整D=300mm横截面积AT=0.7850.32=0.0707m2空塔气速：un’=0.0554/0.0707=0.7836m/s1.提馏段：查史密斯关联图可知C20=0.079即圆整D=300mm横截面积AT=0.7850.32=0.0707m2空塔气速：um’=0.0559/0.0707=0.7907m/s3.2.2浮阀塔的塔板结构与设计1．堰长=0.65D=0.650.3=0.195m采用平直堰，堰上高度按公式()计算(3-8)（1）精馏段m（2）提馏段m2.弓形降液管的宽度和横截面积查弓形降液管的宽度与面积关系图得则精馏段19 北京理工大学珠海学院课程设计(3-9)提馏段3、降液管底隙高度(3-10)（1）精馏段取液体通过降液管底隙流速uo=0.13m/s则m（2）提馏段取液体通过降液管底隙流速uo’=0.13m/s则3.2.3塔板布置1.塔板分布塔径D=0.3m2.浮阀数目与排列(3-11)（1）精馏段取阀孔动能因子=12，则孔速每层塔板上浮阀数目(3-12)11根据经验值取边缘区宽度Wc=0.06m、破沫区宽度Ws=0.1m计算塔板上的鼓泡区面积，即(3-13)其中m19 北京理工大学珠海学院课程设计故4.485510-3取同一个横排的孔心距t=75mm则排间距t’===5.4m(2)提馏段取阀孔动能因子=12，则控速12根据经验值取边缘区宽度Wc=0.060m、破沫区宽度Ws=0.1m即取同一个横排的孔心距t=75mm则排间距t’==4.9839m3.2.4塔板的流动性能的校核1.气相通过浮阀塔板的压降（1）精馏段①干板阻力(3-14)②板上重启夜层阻力取则③液体表面张力所造成的阻力=0.025+0.0529=0.0779△=g=610.4373Pa（2）提馏段①干板阻力19 北京理工大学珠海学院课程设计①板上重启夜层阻力取则②液体表面张力所造成的阻力=0.014+0.0512=0.0762m△=g=572.2767Pa1.淹塔（1）精馏段①单层气体通过塔板的压降相当液柱高度=0.0779m②液体通过液降管的压头损失③板上液层高度则=0.0779+2.530810-3+0.05=0.1304m取ψ=0.5=0.4m=0.0472m则ψ（+）=0.2236m可见ψ（+）符合要求（2）提馏段①单层气体通过塔板的压降相当液柱高度=0.0762m②液体通过液降管的压头损失③板上液层高度则=0.0762++0.07=0.1288取ψ=0.5=0.45m=0.0395m则ψ（+）=0.2448m可见ψ（+）符合要求2.雾沫夹带(3-15)（1）精馏段=52.3%19 北京理工大学珠海学院课程设计板上液体流经长度：m板上液流面积：取物性系数K=1，泛点负荷系数=0.103（1）提馏段取物性系数K=1，泛点负荷系数=0.103=57.53%4.塔板负荷性能图（1）雾沫夹带线据此可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。按泛点率80%计算。①精馏段整理得：②提馏段整理得：（2）液泛线而①精馏段②提馏段（3）液相负荷上限以θ=5s作为液体在降液管内停留时间的下限，则19 北京理工大学珠海学院课程设计（3）漏夜线①精馏段②提馏段（5）液相负荷下限线精馏段取堰上液层高度how=0.002m作为液相负荷下限条件提馏段取堰上夜层高度how=0.006m作为液相负荷下限条件3.2.5塔板负荷性能图19 北京理工大学珠海学院课程设计呦塔板负荷性能图可看出：（1）在任务规定的气液负荷下的操作点处在适宜操作区内的适中位置；（2）塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制，操作下限由液漏控制；（3）按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限（Vsn）max=0.0849m3/s(Vsm)max=0.0834m3/s气相负荷下限（Vsn）min=0.035m3/s(Vsm)min=0.036m3/s故：精馏段操作弹性=0.0849/0.035=2.4257提馏段操作弹性=0.0834/0.038=2.1947表3-2浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位计算数据备注精馏段提馏段塔径Dm0.30.3板间距HTm0.40.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s0.78360.7907堰长lwm0.1950.195堰高hwm0.04720.0395板上液层高度hLm0.050.05降液管低隙高h0m0.00210.015浮阀数N1112等腰三角叉排阀孔气速u0m/s7.22636.761浮阀动能因子F01212临界阀孔气速uocm/s孔心距tm0.0750.07519 北京理工大学珠海学院课程设计同一横排孔心距排间距t’M5.410-34.983910-3相邻横排中心距离单板压强△PpPa610.4373572.2767降液管内清夜层高度Hdm0.13040.1288泛点率%52.3%57.53%气相负荷上限(Vs)maxm3/s0.08490.0834气相负荷下限(Vs)minm3/s0.0350.038雾沫夹带控制操作弹性2.42572.1947液漏控制3.2.6塔高(1)设塔顶空间高度为2HT=0.8m(2)全塔=22故设人孔n=2人孔处板间距为h=0.6m(3)设釜液在塔釜停留时间为2min塔底液面至最下层塔板之间留1.5m的间距g/moltw=135°C故塔釜液层高度HB’==0.2656m(4)塔高19北京理工大学珠海学院课程设计本章符号说明19北京理工大学珠海学院课程设计英文字母P─压强，Kpax─液相摩尔分数y─气相摩尔分数t─温度，°CM─平均相对分子量，g/molL─塔内下降液体流量，kmol/hV─塔内上升气体流量，kmol/hHT─板间距，mhL─板及堰上总高，mC20─物系表面张力为20mN/m的负荷系数u─流体流量，m/sD─塔内径，mA─塔内横截面积，m2lw─堰长how─堰上高度，mhw─板高，mAF─降液管横截面积，m2WD─降液管宽度，mH0─降液管低隙高度，mF0─阀孔动能因子N─每层塔板上浮阀数Wc─边缘区宽度，mWs─破抹区宽度，mAa─鼓泡区面积，m2hcn─干板阻力，m（n=1、2）hln─板上重启液层阻力，mhpn─液体表面张力所造成的阻力，mhdn─单层气体通过塔板的压降相当的液柱高度，mZL─板上液体流经长度，mAb─板上液流面积，m2CF─泛点负荷系数希腊字母ρ─密度，kg/m3σ─表面张力，mN/m19 北京理工大学珠海学院课程设计μ─粘度，Pa.sε0─阻力系数上标’─提馏段_─平均下标F─原料液D─馏出液W─釜残液L─液相V─气相n─精馏段m─提馏段max─最大min─最小19北京理工大学珠海学院课程设计19北京理工大学珠海学院课程设计19 北京理工大学珠海学院课程设计第四章附属设备与接管的选取4.1原料液预热器的设计[4]采用压强为200KPa、温度为120°C的饱和水蒸气加热，水蒸气离开时为饱和液体；原料液由25°C加热到泡点温度96.498°C。蒸汽走壳层，原料液走管层，逆流操作。定性温度查表得=1.942kj/(kg.°c)=1.845kj/(kg.°c)故kj/(kg.°c)热负荷（4-1）预计热损失为2%热流体T120°C120°C冷流体t96.498°C25°C23.502°C95°C故平均温差（4-2）总产热系数k0取300W/(m2.°c)故总传热面积为（4-3）4.1.1物性数据[1]19 北京理工大学珠海学院课程设计表4-1ρ/kg.m-3μ/mpa.sCp/kj/(kg.°c)γ/kJ/kgλ/W/(m.k)苯839.150.43341.94231.190.151对二甲苯826.430.41731.84540.000.155原料液795.9990.28671.33480.12414.1.2、计算热负荷Q及蒸汽用量由上可知=31.2822kw=1.4387kj/(kg.°c)根据公式可得kg/s查得120°C下饱和水蒸气2205.2kJ/kg可得4.1.3计算平均温度4.1.4初选换热器规格[3]表4-2公称直径/mm管程数管子总根数中心排管数管程流通面积/m2计算的换热器面积/m3管子长度3000管子尺寸φ25φ19φ192φ2532542840.00236.4排管数按正方形旋转450排列4.1.5核算总传热系数表4-31200C水蒸气物性数据ρ/kg.m-3μ/mpa.sCp/kj/(kg.°c)γ/kJ/kgλ/W/(m.k)1.12731030.23734.262205.20.3931(1)管程对流传热系数αi（4-4）(2)壳程对流传热系数α019 北京理工大学珠海学院课程设计（4-5）取换热器列管之中心距t=32mm折留挡板间距h=0.15m=0.95流体通过管间最大截面积为所以（3）污垢热阻(4)总传热系数K0（壁热阻忽略）（4-6）由前面计算可知，选用选用该型号换热器时要求过程的总传热系数为300计算出的Ko为180.99，故所选择的换热器是合适的，安全系数为设计结果为：选用浮头式换热器，型号为FB325Ⅱ----2.5---234.2塔顶冷凝热负荷及冷却水用量塔顶采用全凝器，即y1=xd=0.9244查t-x-y图得td=91.56°C查得该温度下苯的汽化热r苯=395.38kJ/kg对二甲苯的汽化热r对二甲苯=341.19kJ/kg故塔顶汽化热为rD=0.9244395.38+（1-0.9244）341.19=391.28kJ/kg塔顶冷凝热负荷QD=Qh=WhrD=VsnρvnrD=0.055812.7386391.28=59.8037kw19 北京理工大学珠海学院课程设计水的定性温度为可查得Cpc=4.174kJ/（kg.°c）又QD=WcCpc(t2-t1)冷却水用量Wc=59.8037/4.17420=0.7164kg/s4.3塔底再沸器热负荷及水蒸气用量查得1200C时=2709.2kJ/kg=493.71kJ/kg=0.056(2709.2-493.71)+0.5%解得=124.6909kw故水蒸气用量4.4进料泵的选取进料板的高度为H=130.45+0.15=5.99查得在25°C时，ρ苯=874kg/m3ρ对二甲苯=857kg/m3设原料液在管路的流速u=0.25m/s其体积流量为m3/s故圆整d=40mm设λ=0.037所以其杨程选用IS50-32-125型号的离心泵符合要求扬程H=18.5m流量为7.5m3/h4.5主要接管尺寸的选取4.5.1.进料管由上可得进料管直径圆整d=40mm流量为7.5m3/h选取φ400.5nn4.5.2.回流管m圆整=17mm选取φ170.25nn4.5.3.塔顶蒸汽管19 北京理工大学珠海学院课程设计圆整=32mm选取φ320.5nn4.5.4.塔釜出料管圆整=45mm选取φ451.5nn本章符号说明19北京理工大学珠海学院课程设计英文字母T(t)─温度，°CC─比热容，KJ/(kg.°C)m─原料液质量流量，kg/sQ─热负荷，J/S或者wW─流体的质量流量，kg/hK─传热系数，w/(m2.°c)S─传热面积，m2x─液相摩尔分数y─气相摩尔分数Re─雷诺指数Pr─普兰特数d─管径，mH(h)─高度，mA─截面积，m2D─塔径，m19北京理工大学珠海学院课程设计u─流体流量，m/sR─阻力，c/wI─焓，kJ/kg.cV─体积流量，m3/sHf─压头损失，mHe─杨程，m希腊字母ρ─密度，kg/m3μ─粘度，pa.sγ─汽化热，KJ/kgλ─导热系数，w/(m.k)上标-─平均下标F─原料液o─管外i─管内m─平均c─冷流体h─热流体n─塔顶w─塔釜19北京理工大学珠海学院课程设计参考文献：[1]刘光启，马连湘邢志有．化学化工物性算图手册.有机卷[M].北京.化学工业出版社,1996[2]姚玉英黄凤廉陈长贵柴诚敬，化工原理（下册）[M]，天津，天津科学技术出版社，2009[3]王国胜，化工原理课程设计（第二版）[M]，大连，大连理工大学出版社，2006年8月[4]姚玉英黄凤廉陈长贵柴诚敬，化工原理（上册）[M]，天津，天津科学技术出版社，200919'