化工课程设计书--苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计.doc

贵州理工学院化工原理课程设计 化工原理课程设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计学生姓名： 李 曦 洲 指导老师： 李 自 卫 学 院： 化学 工程 学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 能 源 131 学生学号： 2013 0718 24 时 间：2016.3.7.2016.3.18.院系：化学工程学院 专业：化学工程与工艺姓名：李曦洲 学号：2013071824 班级：能源131 实习性质：实习地点：学校 指导老师：李自卫课程设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计目 录第一章、设计任务书.41.1设计题目.41.2设计任务.41.3操作条件.41.4设计内容及要求.4第二章、设计方案的确定.4第四章、工艺设计计算.5第三章、设计条件及注意物性参数.53.1操作压力计算.53.2操作温度计算.53.3平均摩尔质量计算.53.3.1塔顶摩尔质量计算.53.3.2进料板平均摩尔质量计算.63.3.3提馏段平均摩尔质量.63.4平均密度计.算.63.4.1气相平均密度计算.63.4.2液相平均密度计算.63.5液相平均表面张力计算.63.5.1塔顶液相平均表面张力计算.73.5.2进料板液相平均表面张力计算.73.6液相平均粘度计算.73.6.1塔顶液相平均粘度计算.73.6.2进料板液相平均粘度计算.8第四章 工艺计算.74.1精馏塔的物料衡算.74.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数.74.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.84.1.3物料衡算原料处理量.8第五章 设备结构设计.85.1塔板数的确定.85.1.1相对挥发度的确定取.85.1.2精馏段与提馏段操作线方程的确定.95.1.3塔板数的确定.95.1.4全塔效率的确定.105.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算.105.2.1塔径的计算.105.2.2精馏塔有效高度计算.115.3塔板主要工艺尺寸的计算.115.3.1溢流装置计算.115.3.2塔板布置.125.4筛板的流体力学验算.135.4.1塔板压降.135.4.2液面落差.145.4.3液沫夹带.145.4.4漏液.155.4.5液泛.155.5塔板负荷性能图.155.5.1漏液线.155.5.2液沫夹带线.165.5.3液相负荷下限线.175.5.4液相负荷上限线.175.5.5液泛线.17第六章 附属设备类型.196.1冷凝器.196.2再沸器.196.3回流泵.206.4进料管.216.5塔顶产品接管.226.6塔底产品接管.226.7塔顶蒸汽接管.23第七章 设计一览表.23第八章 对设计的评述及有问题的分析.248.1对设计的评述分析.248.2设计心得.24九、参考文献.25前 言课程设计是“化工原理”的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识来解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它起着培养学生独立工作能力的重要作用。化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。苯和甲苯都是重要的基本有机化工原料。工业上常用精馏方法将他们分离。精馏是分离液体混合物最早实现工业化的典型单元操作，广泛应用于化工，石油，医药，冶金及环境保护等领域。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发度的差别实现组分的分离与提纯的目的。 实现精馏操作的主要设备是精馏塔。精馏塔主要有板式塔和填料塔。板式塔的核心部件为塔板，其功能是使气液两相保持密切而又充分的接触。塔板的结构主要由气体通道、溢流堰和降液管。本设计主要是对板式塔中的筛板进行塔设计。第一章 设计任务书1.1设计题目：苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计1.2设计任务1.2.1原料液中苯含量70%(质量分数)，剩余甲苯。1.2.2塔顶产品中苯含量苯含量为98%。1.2.3残液中苯含量苯含量不高于9%。1.3操作条件(1)精馏塔顶压强104kpa；(2)进料热状态：饱和；(3)原料温度：20度；(4)回流比R=1.7RMIN；(5)单板压降小于0.7kpa1.4设计内容及要求1.4.1设计方案的确定即要求1.4.2塔的工艺计算包括全塔物料衡算、塔顶、塔低温度、精馏段和提馏段气液负荷，塔顶冷凝器热负荷，冷却水用量，塔底再飞器热负荷，加热蒸汽用量，塔的理论板数，实际板数。1.4.3塔和塔板主要工艺尺寸的设计包括塔高、塔径以及降液管，溢流堰，开孔数及开孔率1.4.4塔板流体力学验算1.4.6编制设计一览表1.4.7附属设备的设计与选型冷凝器，再沸器，回流泵，进料管，塔顶产品接管，塔底产品接管、塔顶蒸汽接管1.4.8编写设备结果一览表1.4.9绘制精馏塔设备图，工艺流程图。第二章 设计方案的确定本设计任务书为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。第三章 设计条件及主要物性参数3.1操作压力计算塔顶操作压力：pD=104kPa每层塔板压降：p0.7kPa进料板压力：pF=104+0.7*17=115.9kPa塔底压力：pW=115.9-0.7*20=101.9kPa精馏段平均压力：pm=(104+115.9)/2=109.95kPa提馏段平均压力：pm=(115.9+101.9)/2=108.9kPa3.2操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。计算结果如下:塔顶温度，进料板温度3.3平均摩尔质量计算3.3.1塔顶摩尔质量计算由由相平衡曲线得3.3.2进料板平均摩尔质量计算联立精馏段操作线方程和提馏段操作线方程计算得：；3.3.3提馏段平均摩尔质量3.4平均密度计算3.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即3.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算：塔顶液相平均密度计算：由，查手册得 进料板液相平均密度计算由，查手册得 进料板液相的质量分数计算精馏段液相平均密度为：3.5液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即3.5.1塔顶液相平均表面张力计算由，查手册得3.5.2进料板液相平均表面张力计算由，查手册得精馏段液相平均表面张力为：3.6液相平均粘度计算液相平均粘度依下式计算：3.6.1塔顶液相平均粘度计算由，查手册得，解得3.6.2进料板液相平均粘度计算由，查手册得 解得精馏段液相平均粘度为第四章 工艺设计算4.1精馏塔的物料衡算4.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯的摩尔质量 =78.11Kg/mol甲苯的摩尔质量 =92.14Kg/mol=0.7335=0.9831=0.10454.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量=0.733578.11+(1-0.7335)92.14=81.8490kg/mol=0.983178.11+(1-0.9831)92.14=78.3470kg/mol=0.104578.11+(1-0.1045)92.14=90.6739kg/mol4.1.3物料衡算原料处理量=101.96kmol/h总物料衡算 F=101.96=D+W苯物料衡算 101.960.7335=0.9831D+0.1045W联立解得 D=72.99kg/mol，W=28.97kg/mol第五章 设备结构设计5.1塔板数的确定5.1.1相对挥发度的确定表1 纯组分的饱和蒸汽压P*与温度t的关系ABC苯6.954641341.800219.482甲苯6.905651211.033220.790log=Psat=AB/(T+C)，其中T用oC表示，T=20oC。顶=2.07628；底=1.35174=(顶*底)1/2=1.6755.1.2精馏段与提馏段操作线方程的确定Xe=0.7335代入y=0.823所以（Xe，Ye）=（0.7335,0.823）Rmin=(XD-Ye)/(Ye-Xe)=1.7978R=1.7Rmin=1.7*1.7978=3.056精馏段操作线方程yn+1=R/(R+1)+XD/(R+1)=0.753Xn+0.242精馏段气液流量：L=RD=223.057kmol/h；V=(R+1)D=296.047 kmol/h提馏段气液流量：L=L+qF=325.017 kmol/h；V=V-(1-q)F=296.047 kmol/h提馏段操作线方程：ym+1=(L/V)Xm-(WXW)/V=1.098Xm-0.015.1.3塔板数的确定（采用逐板计算法）y1=xD=0.9831 x1=0.972y2=0.9739 x2=0.9571y3=0.9627 x3=0.9390y4=0.9491 x4=0.9175y5=0.9329 x5=0.8925y6=0.9141 x6=0.8640y7=0.8926 x7=0.8323y8=0.8687 x8=0.7980y9=0.8429 x9=0.7621y10=0.8159 x10=0.7257xq=0.7335y11=0.7885 x11=0.6900y12=0.7616 x12=0.6560y13=0.7360 x13=0.6247y14=0.7124 x14=0.5966y15=0.6451 x15=0.5204y16=0.5614 x16=0.4332y17=0.4657 x17=0.3423y18=0.3658 x18=0.2561y19=0.2712 x19=0.1818y20=0.1896 x20=0.1226y21=0.1246 x21=0.0783xw=0.1045因为x105000,所以可由下面公式直接计算摩擦系数：，求得：=0.0426。根据塔高的数据：可取回流管长度为：所以直管阻力损失为：在回流管中装有标准弯头3个，半开阀（标准截止阀：球形阀）1个，孔板流量计1个（相当于一个半开阀（闸阀）的阻力系数）（见塔的工艺流程图），所以回流管中总阻力损失为：则单位重量流体的阻力损失：在回流泵的入口截面（设为A）和回流管进入精馏塔之前一截面（设为A）之间列机械能恒算式，令泵入口处液体流速所以回流泵的扬程为：所以，选择扬程为45m,型号为IS65-50-125的离心泵。6.4进料管料液质量流速：体积流速：取管内流速为：所以，进料管管径为：由上，原料进口管管径选取为542.5，则实际管径d=49mm。法兰选取公称压力为，公称直径为的带颈平焊钢制管法兰（HG20594）。6.5塔顶产品接管D=72.99koml/h，相平均摩尔质量为，溜出产品密度为则塔顶液体体积流量：取管内蒸汽流速为则可取回流管规格462.5，则实际管径d=41mm。塔顶蒸汽接管实际流速：6.6塔底产品接管取出料液质量流速：体积流速：所以，塔釜出料管管径：由上，塔釜出料管选322.5，则实际管径d=27mm。法兰选取公称压力为，公称直径为的带颈平焊钢制管法兰（HG20594）。6.7塔顶蒸汽接管则整齐体积流量：取管内蒸汽流速为则可取回流管规格47012 则实际管径d=446mm塔顶蒸汽接管实际流速：第七章 设计计算结果汇总表表五 筛板塔的主要结果汇总表序号项目数值序号项目数值1平均温度(OC)90.80018边缘区宽度(m)0.0402平均压力(kPa)109.4019开孔区面积(m2)0.9383气相流量(m3/s)2.199020筛孔直径(m)0.0054液相流量(m3/s)0.006221筛孔数目n48155实际塔板数37.00022孔中心距t(m)0.0156有效段高度Z(m)21.30023开孔率(%)10.107塔径D(m)2.000024空塔气速u(m/s)0.7008板间距(m)0.600025筛孔气速(m/s)23.219溢流形式单溢流26稳定系数3.86010降液管形式弓形27每层塔板压降(kPa)0.55911堰长(m)1.360028负荷上限液泛控制12堰高(m)0.041329负荷下限漏液控制13板上液层高度(m)0.060030液沫夹带（kg液/kg气）0.048014堰上液层高度(m)0.018731气相负荷上限()1.731215降液管底隙高度(m)0.025332气相负荷下限()0.506616安定区宽度(m)0.015033操作弹性3.417017塔总高Z(m)28.000第八章 对设计的评述及对有关问题的分析讨论8.1对设备的评述分析本设计进行苯和甲苯的分离，采用直径为2m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点：1.操用、调节、检修方便；2.制造安装较容易； 3.处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；4.操作弹性较大。该设计的缺点：设备的计算及选型都有较大的误差存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性。8.2心得体会本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备。通过近两周的团队努力，反经过复杂的计算和优化，我们三人组终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。通过这次课程设计我经历并学到了很多知识，熟悉了大量课程内容，懂得了许多做事方法，可谓是我从中受益匪浅，我想这也许就是这门课程的最初本意。从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好。首先，我们去图书馆借阅了大量有关书籍，并从设计书上了解熟悉了设计的流程和方法。通过查阅资料我们从对设计一无所知变得初晓门路，而进一步的学习和讨论使我们使我们具备了完成设计的知识和方法，这使我们对设计有了极大的信心，我们确定了设计方案和具体流程及设计时间表，然后就进入了正是的设计工作当中。这次历时近两周的的课程设计使我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，也使我们自主学习了新的知识并在设计中加以应用。此次课程设计也给我们提供了很大的发挥空间，我们积极发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据和标准，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间紧密协作，相互配合的能力，才可能在有限的时间内设计出合理的设计方案。总之，这次课程设计不仅锻炼了我们应用所学知识来分析解决问题的能力，也提高了我们自学，检索资料和协作的技能。最后，我们还要感谢李老师在这次课程设计中给予我们的敦促和指导工作。对于设计中我们问题遇到的问题他给予了我们认真明确耐心的指导，也给予了我们很多的资料，这极大的鼓励了我们完成设计的决心。因此，我们要再次感谢李自卫老师和班级同学给予的帮助。第九章 列出参考文献1王国胜.化工原理课程设计M.大连：大连理工大学出版社，2005.2杨同舟.食品工程原理.北京：中国农业出版社，20013匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社，20054贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计M.大连：天津大学出版社，20055国家医药管理局上海医药设计院.化学工艺设计手册.第二版.上册.北京：化学工业出版社，1996，2-2001. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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