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1、攀 枝 花 学 院化 工 原 理 课 程 设 计说 明 书 题目：50000吨/年苯甲苯混合液筛板(浮阀)精馏塔设计 年 级2008专 业 设计者姓名张 三指导教师设计成绩完成日期年 月 日攀 枝 花 学 院 化工原理课程设计任务书设计者：张 三 班级：指导教师：设计时间：2010年 月 日 至 月 日一、设计任务设计题目：苯甲苯混合液筛板(浮阀)精馏塔设计 给定条件：原料液： 组 成：52%（苯质量分率）处理量：50000t/a馏出液： 组 成：98.5%（苯质量分率）残 液： 组 成：2（苯质量分率）塔顶压强：4 kpa（表压）单板压降不超过0.7kPa二、设计内容：（一）设计说明书一份，
2、其内容包括：（1）说明书封面 （2）设计任务书 （3）目录 （4）工艺流程选择论证及说明，流程图 （5）主要设备的设计 塔板数、塔径、塔板结构元件 （6）主要辅助设备的选用与计算 原料预热器、塔顶冷凝器（二）绘制工整的设备结构图目 录1 概述31.1 设计依据31.2 技术来源41.3 设计任务及要求42 正戊烷正己烷精馏塔设计42.1 塔型选择42.2 操作条件的确定52.3 进料状态52.4 加热方式52.5 热能利用53 有关的工艺计算53.1 精馏塔的物料衡算53.2 塔板数的确定63.3 实际板层数的求取74 馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算84.1 操作压力计算84.2 操作温度
3、计算94.3 平均摩尔质量计算94.4 平均密度计算104.5 液体平均表面张力计算114.6 液体平均粘度计算125 精馏塔的塔体工艺尺寸计算135.1 塔径的计算135.2 精馏塔有效高度的计算156 塔板主要工艺尺寸的计算156.1 溢流装置计算156.2 塔板布置177 浮阀塔板流体力学验算207.1 塔板压降207.2 雾沫夹带量227.3 降液管内液面高度237.4 漏液257.5 液体在降液管内的停留时间及流速258 塔板的负荷性能图278.1 精馏段278.2提馏段299 浮阀塔的辅助设备339.1配管339.2辅助设备3410 塔体的初步设计3510.1筒体的设计3510.2
4、封头的设计3610.3人孔3610.4塔高（不包括封头、裙座）361 概述正戊烷、正己烷均是石油的组分之一。也可从轻石脑油中分离出正戊烷、正己烷。正戊烷可作溶剂、萃取剂、Brillouin散射激发媒介和反应介质，制造人造冰、麻醉剂，合成戊醇、异戊烷等，同时由于它在常温下具有很高的凝固压力，因此被广泛地用于高压实验中的传压介质。例如：正戊烷发泡法制备多孔碳泡沫材料和用于浸出大豆油。正己烷可用于有机合成，用作溶剂、化学试剂、涂料稀释剂、聚合反应的介质等。例如：高纯度正己烷主要是作为医药合成反应的稀释剂和高级溶剂，如制备乙酰氧乙酯等甾族类、激素类、头孢类等无菌级药物，均使用正己烷作助溶剂。随着国内外
5、制药工程、生物基因工程和相关领域的快速发展，高纯度正己烷市场需求在未来几年内将大大增加，市场前景广阔。也可用于浸出大豆油。塔设备是最常采用的精馏分离装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1.1 设计依据主要基础数据(1)正戊烷和正己烷的物理性质项目分子式分子量M沸点，临界温度tc，临界压强Pc，kPa正戊烷C5H1272.1536.1196.43370正己烷C6H1486.1768.7234.83090(2)常压下正戊烷和正己烷的蒸汽压温度，POA mmHgPOB mmHg40115.837
6、.2650159.1654.0455185.1864.4460214.276.36(3)正戊烷和正己烷的液相密度L温度20406080正戊烷kg/m3626.2605.5583.7560.3正己烷kg/m3657.2638.9620600.2(4)液体表面张力温度20406080正戊烷mN/m1613.856.3999.719正己烷mN/m18.0215.998.02812.06(5)液体粘度L温度20406080正戊烷mPas0.2340.1990.1720.151正己烷mPas0.6370.480.3770.3061.2 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但
7、是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.3 设计任务及要求原料：正戊烷正己烷溶液，年处理量100000吨 正戊烷含量： (质量分数，下同)设计要求：塔顶的产品浓度98% 塔底的产品浓度不高于2% 冷却水温度： 饱和水蒸汽压力： 设备型式：浮阀塔2 正戊烷正己烷精馏塔设计2.1 塔型选择根据生产任务，若按年工作日330天，每天开动设备24小时计算，产品流量为，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。2.2 操作条件的确定由于正戊烷正己烷体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用
8、，操作压力选为常压。其中塔顶压力为 塔底压力 2.3 进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料。2.4 加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于正戊烷正己烷系中，正戊烷是轻组分，正己烷由塔底排出，且正己烷的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费
9、用还是操作费用都可以降低。2.5 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。3 有关的工艺计算3.1 精馏塔的物料衡算（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率正戊烷的摩尔质量 正己烷的摩尔质量 （2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量（3）物料衡算原料处理量 总物料衡算 正戊烷衡算 联立解得 3.2 塔板数的确定（1）理论板层数的求取求最小回流比及操作回流比相对挥发度：饱和液体进料故 最小回流比：操
10、作回流比：求精馏塔的气、液相负荷求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为图解法求理论板层数采用逐板计算法计算理论板层数 同理计算到，得，再令同理计算到，得,故得总理论板数 进料板位置 （从塔顶第一块数起）3.3 实际板层数的求取奥康奈尔法求取全塔效率（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）经验关联式：式中：全塔效率；塔顶、塔底平均温度下的相对挥发度；进料液在塔顶、塔底平均温度下的粘度，单位：厘泊（）（法定计量单位为：，换算关系为：），可由式计算；进料中组分的摩尔分率； 组分的液相粘度（），取塔顶、底平均温度下的数值；进料液在塔顶、塔底平均温度下的黏度：全塔效率 精馏段实际板层数提馏
11、段实际板层数4 馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1 操作压力计算塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 塔底操作压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 4.2 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，其中正戊烷、正己烷的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。塔顶温度 塔底温度 进料板温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 4.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由故 进料板平均摩尔质量计算 塔底平均摩尔质量计算 精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量4.4 平均密度计算（1） 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即精馏段： 提馏段： （2） 液相平均密度计算液相平均密度依下
12、式计算（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计），即塔顶液相平均密度的计算由，查化学化工物性数据手册得进料板液相平均密度的计算由，查化学化工物性数据手册得进料板液相的质量分率 由，查化学化工物性数据手册得 精馏段液相平均密度为提馏段液相平均密度为4.5 液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算由，查化学化工物性数据手册得进料板液相平均表面张力的计算由，查化学化工物性数据手册得塔底液相平均表面张力的计算由，查化学化工物性数据手册得精馏段液相平均表面张力为提馏段液相平均表面张力为4.6 液体平均粘度计算塔顶液相平均粘度的计算由，查化学化工物性数据手册得解出 进
13、料板液相平均粘度的计算由，查化学化工物性数据手册得解出 塔底液相平均粘度的计算由，查化学化工物性数据手册得解出 精馏段液相平均粘度为提馏段液相平均粘度为5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径的计算（1）精馏段的气、液相体流率为由（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）式中由式计算，其中的由史密斯关联图查取，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则查史密斯关联图得 取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为 （2）提馏段塔的气、液相体流率为 由式中由式 计算，其中的由史密斯关联图查取，图的横坐为 取板间距，板上液层高度，则查史密斯关联图得 取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径
14、圆整后为 故为方便设计，另全塔塔径（内径）塔截面积为实际空塔气速为精馏段： 提馏段： 5.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为在进料板上方开一人孔，其高度为0.8 m故精馏塔的有效高度为 6 塔板主要工艺尺寸的计算6.1 溢流装置计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1）堰长（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）（2） 溢流堰高度 由 选用平直堰，堰上液层高度由式计算 近似取，则精馏段： 提馏段： 精馏段：取板上清液层高度 提馏段：取板上清液层高度 （3）弓形降液管宽度和截面积由 查弓形降液管的参数图，得 故 依式验算液体在降液管中停留时
15、间，即精馏段： 提馏段： 故降液管设计合理。（4） 降液管底隙高度精馏段： 取 则 提馏段： 取 则 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度6.2 塔板布置（1）塔板的分块因，故板塔采用分块式。由表塔径，mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456得，塔板分块数4块。（2） 边缘区宽度确定取 （3） 开孔率的确定精馏段： 临界阀孔气速 故取 开孔率： 提馏段： 临界阀孔气速 故取 开孔率（4） 浮阀数的确定 取阀孔直径故精馏段：浮阀总数提馏段：浮阀总数 塔板上有效鼓泡面积由故开孔区面积 令浮阀按等腰三角形排列取 等腰三角形底边长则 排间距（即三
16、角形的高）精馏段： 圆整得： 提馏段： 圆整得： 与液流方向垂直的浮阀排数7 浮阀塔板流体力学验算7.1 塔板压降精馏段：（1）干板压力降对于型重阀，全开前的干板压力降（）：全开后的干板压降 故取较大值 （2）液层压力降取液流收缩系数堰上液头高（平口堰）取(3) 克服表面张力的压力降于是，塔板压降为气体通过每层塔板的压降为： 提馏段：（1）干板压力降hc对于型重阀，全开前的干板压力降（）：全开后的干板压降 故取较大值 （2）液层压力降取液流收缩系数堰上液头高（平口堰）取克服表面张力的压力降于是，塔板压降为气体通过每层塔板的压降为：7.2 雾沫夹带量 （公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）
17、式中：泛点率，；气相负荷因数，；气、液相体积流率，；泛点负荷因数，与气相密度及塔板间距有关，可由浮阀塔板泛点负荷因数图查得。系统因数，查系统因数表得；液相流程长，；查系统因数表，取查浮阀塔板泛点负荷因数图，得精馏段：提馏段：对单流式： 对单流式： 精馏段：故式中：故式中：取二式中较大值，即故其雾沫夹带量提馏段：故式中：故式中：取二式中较大值，即故其雾沫夹带量7.3 降液管内液面高度（1）精馏段：（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）其中： 式中：液体流经降液管底隙及流经进口堰的阻力损失，液柱；降液管底隙高，；弓形降液管长，；液体流经进口堰时的最窄截面面积，.如果采用凹形受液盘，则 应为降
18、液管下沿到受液盘直边的水平截面积，通常.故：忽略不计。故 取故，即可防止淹塔。（2）提馏段：忽略不计。故 取故，即可防止淹塔。7.4 漏液（公式出自贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计）（1）精馏段故 故为正常操作，不发生泄漏。（2）提馏段故 故为正常操作，不发生泄漏。7.5 液体在降液管内的停留时间及流速（1）液体在降液管内的停留时间的计算精馏段：提馏段：故 降液管不超负荷（2）液体在降液管中的流速精馏段：故取其中较小值，故 故符合塔设计的要求提馏段： 故取其中较小值，故 故符合塔设计的要求8 塔板的负荷性能图8.1 精馏段（1）过量雾沫夹带线故：（2）淹塔线故故： 故：（3）过量泄漏线故：（4
19、）降液管超负荷线液体在降液管中的最小停留时间：故 （5）液相负荷下限线故 由以上各线的方程式，可画出精馏段塔的操作性能负荷图：在负荷性能图上，作出操作点A（0.0040，1.279），连接OA，即作出操作线。由图可看出，由该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：该塔板的操作弹性K，即8.2提馏段（1）过量雾沫夹带线故：（2）淹塔线故故： 故： （3）过量泄漏线故： （4）降液管超负荷线液体在降液管中的最小停留时间：故：（5）液相负荷下限线故：由以上各线的方程式，可画出提馏段塔的操作性能负荷图：在负荷性能图上，作出操作点A（0.0043，1.247），连接OA，即作出操作线。由
20、图可看出，由该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：该塔板的操作弹性，即浮阀塔设计计算结果序号项目精馏段提馏段备注1平均温度tm,47.5863.442平均压力Pm，kPa109.9117.553气相流量VS，(m3/s)1.2791.2474液相流量LS，m3/s 0.0040.01155实际塔板数13136有效段高度Z，m4.8487塔径（内径）1.71.78板间距Hr，m0.459溢流形式lW，m单溢流分块式塔板10降液管形式hW，m弓形降液管11堰长hL，m1.12212堰高hW，m0.04913板上液层高度hL，m0.0650.0814堰上液层高度m0.01715降
21、液管底隙高度h0，m0.0250.02716安定区宽度m0.0917边缘区宽度m0.08518开孔区面积m21.327219浮阀数N，个189196等腰三角形叉排20阀孔气速u0，m/s5.6795.35221阀孔动能因数F0522临界阀孔气速u0C，m/s5.6795.35223孔心距t，m0.075同一横排的孔心距24排间距t，m0.09相临二横排的中心线距离25单板压降P，Pa46050526液体在降液管内的停留时间，s16.35515.19527降液管内的清液高度0.13770.139128泛点率Hd，m46.6147.9429气相负荷上限%2.3612.288雾沫夹带控制30气相负荷
22、下限(VS)max0.6410.634漏液控制31开孔率%11.2011.8832操作弹性K3.6833.6099 浮阀塔的辅助设备9.1配管（1）塔顶蒸汽管直径取经圆整选取热轧无缝钢管()，规格：（2）回流管管径塔顶冷凝器安装在塔顶平台上时，回流液靠重力自流入塔，流速可取为。取经圆整选取热轧无缝钢管()，规格：（3）进料管管径取经圆整选取热轧无缝钢管()，规格：（4）塔底出料管径取经圆整选取热轧无缝钢管()，规格：9.2辅助设备（1）冷凝器a.热负荷b.冷却水用量c.换热平均温度差d.换热系数e.换热面积换热器型号： （2）再沸器a.热负荷b.加热蒸汽用量（不计热损失）c.换热器平均温度差d.换热系数e.换热面积采用立式热虹式再沸器,加热管为。10 塔体的初步设计10.1筒体的设计（1）塔顶空间高度取（2）塔底空间高度取（3）进料空间高度取10.2封头的设计采用椭圆形封头：10.3人孔人孔采用圆形的人孔，规格为，即。人孔处板间距，伸出塔体的筒体长为，人孔中心距操作平台。每隔7个板设置一个人孔，故人孔个数。10.4塔高（不包括封头、裙座）式中：实际塔板数；进料板数；进料板处板间距，；人孔数；设人孔处的板间距，；塔顶空间，（不包括头盖部分）；塔底空间，（不包括底盖部分）。38