分离正戊烷正己烷用筛板精馏塔设计课程设计.doc

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1、化工原理课程设计 院 系： 机械工程学院 专业班级： 过控11-1班 学 号： 2011301911 学生姓名： 李阳 指导教师： 李雪斌 2014年1月13日安徽理工大学课程设计（论文）任务书 机械工程学院 过控 教研室学 号2011301911学生姓名李阳专业（班级）过控11-1设计题目分离正戊烷-正己烷用筛板精馏塔设计设计技术参数料液种类：正戊烷-正己烷混合液年处理量： 35000 吨料液浓度： 55% （轻组分质量分数）塔顶产品浓度：96%（轻组组分质量分数）塔底釜液浓度：96%（重相组分质量分数）每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4kPa（表压）设备形式

2、：筛板精馏塔厂址：淮南地区设计要求完成精馏塔工艺设计、精馏设备设计、配管设计，绘制塔板结构简图，编制设计说明书。工作量 说明书总页数不少于25页工作计划参考资料 指导教师签字教研室主任签字 2013年12月16日 学生姓名： 李阳 学号： 2011301911 专业班级：过控11-1课程设计题目： 分离正戊烷-正己烷用筛板精馏塔设计 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表目录第一章 概述51.1 设计原理61.2 设计依据91.3 技术来源91.4 设计任务及要求9第二章 筛板精馏塔工艺设计92.1 正戊烷-正己烷加料方式92.2 正戊烷-正己烷进

3、料状态92.3 正戊烷-正己烷冷凝方式102.4正戊烷-正己烷加热方式10第三章 筛板精馏塔设计103.1 设计技术参数103.1.1 物料的摩尔组成123.1.2 平均挥发度的计算133.1.3 平均温度的计算133.1.4 平均混合物的黏度的计算143.1.5 平均表面张力的计算153.1.6 操作压力的计算153.1.7 密度的计算163.2 最小回流比及操作回流比的确定173.3 进液流量F、馏出液流量D与釜液流量W的确定173.3.1 原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量183.3.2 物料衡算183.3.3 气液相体积流量衡算183.4 理论塔板层数确定183.5 全塔效率估算19

4、3.6 实际操作中的塔板的数目203.7 塔的尺寸设计203.7.1 塔径设计213.7.2 塔高设计233.8 溢流装置243.8.1 堰长243.8.2 溢流堰高度243.8.3 弓形降液管的宽度和横截面积243.8.4 降液管底隙高度253.9 塔板布置及浮阀数目与排列253.9.1 塔板布置253.9.2 浮阀数目与排列263.9.3 浮阀数与开孔率27第四章 塔板负荷性能图284.1 雾沫夹带线284.2 液泛线294.3 液相负荷上限304.4 漏液线314.5 液相负荷下限31第五章 筛板精馏塔管配设计325.1 接管 进料管325.2 法兰335.3 筒体与封头335.4 人孔

5、33第一章 概述筛板精馏塔是化学工业中常用的传质设备之一。它具有结构简单、造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率高的优点。板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作状况下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时两相接触进行传质。在生成的气相中，混合物的组成将发生改变，相对挥发度大的轻相在气相中得到富集，而相对挥发度小的重相则在液相中富集，从而达到分离提纯的目的。

6、整个过程熵增为负，需外界提供能量。在化工、炼油和石油化学工业生产中,塔设备作为分离过程工艺设备,在蒸馏、精馏、萃取、吸收和解吸等传质单元操作中有着重要的地位。据统计,在整个化工工艺设备总投资中塔设备所占的比重,在化肥厂中约为21%,石油炼厂中约为20一25%,石油化工厂中约占10。若就单元装置而论,塔设备所占比重往往更大,例如在成套苯蒸馏装置中,塔设备所占比重竟高达75.7%。此外,蒸馏用塔的能量耗费巨大,也是众所周知的。故塔设备对产品产量、质量、成本乃至能源消耗都有着至关重要的影响。因而强化塔设备来强化生产操作是生产、设计人员十分关心的课题。 精馏塔工艺流程图1.1 设计原理（1）精馏塔内气

7、液两相的流动、传热传质 精馏装置主要有精馏塔、冷凝器与蒸馏釜组成。精馏塔有板式塔、填料塔。 如图所示，原料从塔的中部附近的进料扳进入塔内，沿塔向下留到蒸馏釜。釜中液体别加热，蒸汽中易挥发组分的组成y大于液相中易挥发组分x蒸汽沿塔向上流动，与下降的液体接触，因气相温度高于液体温度，气相进行部分冷凝，同时把热量传递给液相，使液相部分汽化。因此易挥发组分从液相向气相传递。难挥发组分从气相向液相传递。结果上升气体中易挥发组分增多，下降液体中难挥发组分增多。由于在塔的进料扳以下的塔段中，上升的气相从下降的液相中提出了易挥发组分，故称为提馏段。塔板上气液两相的传质与传热 如图组成关系式如下 其温度关系如下

8、 液相组成越向上浓度越大，气相中易挥发成分也是越向上越多，温度者相反，是越想温度越大。回流的作用 由上的讨论可知，精馏过程需要气液两相逐板接触，气相进行多次部分冷凝，同时液相进行多次汽化，是混合物中的气液两相之间进行传热和传质，已达到两组分的分离。 为此，需要塔顶液体回流以及塔底蒸馏釜的上升蒸汽。他们为塔板上气液两相进行部分冷凝和部分汽化提供所需要的热量和冷量，这是保证精馏操作的必要条件。1.2 设计依据依据于教科书中设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.3 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

9、计算也采用严格计算法。1.4 设计任务及要求 完成精馏塔工艺设计、精馏设备设计、配管设计，绘制塔板结构简图，编制设计说明书第二章 筛板精馏塔工艺设计完成精馏塔从入料到出料的整个过程的操作工况与处理情况，并有选择的选择某些加热和冷凝方式，使其整个工艺更加节能、环保、高效率、低成本、高产出率等。2.1 正戊烷-正己烷加料方式加料分两种方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定流量，但要求搭建塔台，增加基础建设费用：泵加料属于强制进料方式，本次加料可选泵加料。泵和自动调节装置配合控制进料。原料从塔的中部附近的进料扳进入塔内。2.2 正戊烷-正己烷进料状态进料方式一般有冷液进料

10、，泡点以下的饱和液体、温度介于泡点和露点之间的汽液混合物进料、露点以下的饱和蒸汽、温度高于露点的过热蒸汽进料等。饱和液体进料对塔操作方便，不受季节气温影响。饱和液体进料基于恒摩尔流，假定精馏段和提馏段上升蒸汽量相等，精馏段和提馏段塔径基本相等。由于饱和液体进料时，塔的制造比较方便，而其他进料方式对设备的要求高，设计起来难度相对加大，所以采用饱和液体进料。2.3 正戊烷-正己烷冷凝方式选全凝器，塔顶出来的气体温度不高。冷凝后回流液和产品温度不高，无需再次冷凝，制造设备较为简单，为节省资金，选全凝器。2.4正戊烷-正己烷加热方式采用间接加热，因为塔釜设了再沸器，故采用间接加热。第三章 筛板精馏塔设

11、计 3.1 设计技术参数料液种类：正戊烷-正己烷混合液年处理量： 35000吨料液浓度： 55% （轻组分质量分数）塔顶产品浓度：96%（轻组组分质量分数）塔底釜液浓度：96%（重相组分质量分数）每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4kPa（表压）设备形式：筛板精馏塔正戊烷正己烷的参数如下表3.1 组分的饱和蒸汽压Pio (mmHg)温 度 （）36.140455055606568.7Pio正戊烷101.33115.62136.05159.16185.18214.35246.89273.28正己烷31.9837.2645.0254.0564.6676.3689.96

12、101.33x10.820.620.450.310.180.070y10.930.830.710.570.380.170表3.2 组分的液相密度（kg/m3）温 度 （）20406080100正戊烷626.2605.5583.7560.3535.0正戊烷657.2638.9620600.2579.3表3.3 表面张力()温 度 （）020406080100正戊烷18.2016.0013.8511.769.7197.752正己烷20.1018.0215.9913.2312.0610.18表3.4 混合物的粘度（mpa.s）温度 （）0255075100正戊烷6.236.807.377.968.5

13、0正己烷6.006.547.107.668.203.1.1 物料的摩尔组成进料F 馏出液D 釜液W 3.1.2 平均挥发度的计算tD =36.84时 tW=66.16时 3.1.3 平均温度的计算利用表1中的数据由拉格朗日插值可求得tF、tD、tW.tF: tF=45.76tD: tD =36.84tW: tW=66.16精馏段的平均温度： = =41.3提镏段的平均温度： =41.3时的x1及y1时的x2及y2 3.1.4 平均混合物的黏度的计算 时 3.1.5 平均表面张力的计算 精馏段的平均温度时的表面张力 提留段的平均温度的表面张力 3.1.6 操作压力的计算取压力降为0.7kPa塔顶

14、操作压力（绝对压力） 塔板压降 进料板压力（由下可知 精馏段平均压力 塔底操作压力 提馏段平均压力 3.1.7 密度的计算已知：混合液密度： (质量分率，为平均相对分子质量)，不同温度下正戊烷和正己烷的密度见表2.混合气体密度： 精馏段： =41.3时，液相x1=0.768气相y1=0.90液相：气相：提留段：时，液相x2=0.29气相y2=0.53液相：气相：时 精馏段气相平均密度精馏段 提留段平均气相密度精馏段液相平均密度提留段的液相平均密度3.2 最小回流比及操作回流比的确定 由于饱和液体进料， 0.594 带入公式 其中a为平均相对挥发度 a取2.92 得 =0.81 可取回流比为 R

15、=2x=2x0.722=1.4443.3 进液流量F、馏出液流量D与釜液流量W的确定塔顶产品产量：要求年产量3.5万顿，出去每年的设备维护及放假时间，每年按330天的工作日计算，连续操作，每天24小时，日产量为106.061顿3.3.1 原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量3.3.2 物料衡算 由物料平衡方程得 F=127.8kmol/h D=76.01kmol/h V=185.77kmol/h3.3.3 气液相体积流量衡算 由;精馏段 V=L+D 得：L=V-D=185.77-76.01=109.76kmol/h 由；提馏段=L+qF=109.76+127.8=237.56kmol/h =V

16、=187.77kmol/h3.4 理论塔板层数确定 精馏段操作线方程： 提馏段操作线方程： 其中 得： 由 计算下面值得： =0.594 =0.048精馏段有4块塔板，第5块为进料板，全塔共有10块理论板。3.5 全塔效率估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：取进料平均温度下的进料液体黏度=其中由上求黏度相同方法求得为=(6.96+7.27)/2=7.11a为塔的平均相对挥发度取值为2.92者值a=2.92x7.11/10=2.01 精馏塔全塔板效率关联图由图可以看出，当a=2。01时，=40%3.6 实际操作中的塔板的数目因在实际操作中的塔板数肯定比理论数目多点，具体数目用全塔效率可以计算

17、出来。具体公式如下：其中精馏段的板数：10块，提馏段15块 3.7 塔的尺寸设计气液相体积流量计算； 已知：精馏段：提馏段：3.7.1 塔径设计精馏段由横坐标数值：取板间距： 计算筛板塔气液负荷因子用的曲线图查图可知安全系数取0.8取整 =1.8m空塔气速：提馏段：横坐标数值：取板间距：查图可知安全系数取0.8取整 =2.1m空塔气速： 综上，去塔径为2.1m3.7.2 塔高设计板式塔的有效段高度有实际塔板数和板间距决定 Z=为板间距，m取 Z=45025=11.25m3.8 溢流装置3.8.1 堰长取3.8.2 溢流堰高度出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算： 近似取E=1 ，精

18、馏段：提馏段：3.8.3 弓形降液管的宽度和横截面积取为提馏段面积，塔径也用提馏段的。查图得： 则： 验算降液管内停留时间：精馏段：提馏段：3.8.4 降液管底隙高度精馏段：取降液管底隙的流速 提馏段：取降液管底隙的流速 因为不小于20mm，故满足要求。3.9 塔板布置及浮阀数目与排列3.9.1 塔板布置本设计塔径2.1m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。阀孔临界速度 精馏段 提馏段 上下两段相应的阀孔动能因子为： 均属正常操作范围。3.9.2 浮阀数目与排列精馏段：取阀孔动能因子则孔速为：取边缘区宽度Wc0.055m,安定区宽度，开孔区面积 提馏段：取边缘区宽度Wc0.030m,安定区

19、宽度，开孔区面积 其中， 3.9.3 浮阀数与开孔率F1 型浮阀的阀孔直径为39mm阀孔气速，其中取F0=10浮阀数目开孔率精馏段 提留段 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=0.075m，则排间距为精馏段 提留段 考虑到塔的直径较大，故采用分块式塔板，而各分快板的支撑 与衔接将占去一部分鼓泡区面积，因此排间距应小于计算值，故取=240mm=0.24m重新计算孔速及阀数精馏段 提留段 由此可知，阀孔动能因数变化不大 第四章 塔板负荷性能图4.1 雾沫夹带线泛点率据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算：精馏段：查物性系数K=1.0 整理得：由上式可知物沫夹带线为

20、直线，则在操作范围内任取两个值算出提馏段：整理得：精馏段0.0020.013.9353.697提馏段0.0020.013.6153.3964.2 液泛线由此确定液泛线，忽略式中的取0.5 取0.5而精馏段：整理得：提馏段:整理得：在操作范围内任取两个值，算出相应的精馏段0.0010.0030.0040.0076.225.845.655.06提馏段0.0010.0030.0040.0076.055.735.605.234.3 液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35秒。液体降液管内停留时间以作为液体在降液管内停留时间的下限，则：4.4 漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的

21、标准， 则 精馏段：提馏段：4.5 液相负荷下限取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。 取E=1.0由以上15作出塔板负荷性能图精馏塔的负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：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；塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下由漏液控制；第五章 筛板精馏塔管配设计5.1 接管 进料管本设计采用直管进料，管径的计算如下：取=1.6m/s，得m=52mm5.2 法兰 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径选用相应法兰。根据进料管选取进料管接管法兰：PN 0.25，DN 32（

22、GB 205931997）。5.3 筒体与封头筒体 用钢板卷制而成的筒体，其公称直径的值等于内径。当筒体直径较小时可直接采用无缝钢管制作。此时公称直径的值等于钢管外径。根据所设计的塔径，先按内压容器设计厚度，厚度计算见下式：式中 计算压力，MPa,根据设计压力确定： D 塔径； 焊接接头系数，对筒体指纵向焊接系数； 设计温度下材料的许用应力，MPa，与钢板厚度有关。由上式计算出的计算厚度加上腐蚀裕量C2得到设计厚度。封头 本设计采用椭圆形封头5.4 人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道。一般每隔1020块塔板设1个人孔，本设计的精馏塔共设27块塔板，需设2个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为800mm，裙座上应开2个人孔，直径为450mm，人孔伸入塔内部应与塔内壁修平。