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1、
成績
化工原理課程設計
設計說明書
設計題目：3.456萬噸/年苯—甲苯連續(xù)精餾裝置工藝設計
姓 名 陳 端
班 級 化工07-2班
學 號
完成日期 2009-10-30
指導教師 梁伯行
化工原理課程設計任務書
(化工07-1,2,3,4適用)
一、 設計說明書題目:
3.456(萬噸/年) 苯 - 甲苯連續(xù)精餾裝置工藝設計說明書
二、 設計任務及條件
(1).處
2、理量: (3000＋本班學號300) Kg/h (每年生產時間按7200小時計);
(2). 進料熱狀況參數：( 2班)為0.20,
(3). 進料組成: ( 2班) 含苯為25％(質量百分數),
(4).塔底產品含苯不大于2％(質量百分數);
(5). 塔頂產品中含苯為99％(質量百分數)。
裝置加熱介質為過熱水蒸汽(溫度及壓力由常識自行指定), 裝置冷卻介質為25℃的清水或35℃的循環(huán)清水。
三、 設計說明書目錄(主要內容) 要求
1) 前言〔說明設計題目設計進程及自認到達的目的〕，
2) 裝置工藝流程(附圖) 及工藝流程說明
3) 裝置物料衡算
4) 精餾塔工藝
3、操作參數確定
5) 適宜回流比下理論塔板數及實際塔板數計算
6) 精餾塔主要結構尺寸確實定
7) 精餾塔最大負荷截面處T-1型浮閥塔板結構尺寸確實定
8) 裝置熱衡算初算確定全凝器、再沸器型號及其他換熱器型號
9) 裝置配管及機泵選型
10) 適宜回流比經濟評價驗算(不少于3個回流比比擬)
11) 精餾塔主要工藝和主要結構尺寸參數設計結果匯總及評價
12) 附圖 : 裝置工藝流程圖、裝置布置圖、精餾塔結構簡圖(手繪圖)。
四、 經濟指標及參考書目
1) 6000元/(平方米塔壁)(塔徑1.1～1.4m乘1.3, 塔徑1.5～1.8m乘2.0, 塔徑1.9m以上乘2.8),
4、
2) 4500元/(平方米塔板),
3) 4000元/(平方米傳熱面積),
4) 16元/(噸新鮮水), 8元/(噸循環(huán)水),
5) 250元/(噸加熱水蒸汽), 設備使用年限10年,
6) 裝置主要固定資產年折舊率為10% , 銀行借貸平均年利息12.5%。
7) 夏清 陳常貴主編?化工原理?(上. 下) 冊修訂本【M】天津; 天津大學出版社2005
8) 賈紹文 ?化工原理課程設計?【M】天津; 天津大學出版社2002
目錄
一、前言 ..............................................................
5、...........................................................................5
2.1 處理量確定............................................................................................................................5
2.2 設計題目與進程..........................................................................
6、..........................................5
2.3 概述........................................................................................................................................5
2.4設計方案.....................................................................................................
7、.........................5
2.4.1塔設備的工業(yè)要求......................................................................................................5
2.4.2工藝流程如下..............................................................................................................6
2.4.3流程的說明 ........
8、........................................................................................................6
三、精餾塔設計...............................................................................................................................6
3.1工藝條件確實定............................................
9、.........................................................................6
3.1.1苯與甲苯的根底數據......................................................................................................6
3.1.2溫度的條件.......................................................................................
10、...............................7
3.1.3操作壓力選定..................................................................................................................7
3.2精餾塔物料恒算.....................................................................................................................7
3.2.
11、1摩爾分數..........................................................................................................................7
3.2.2原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾量......................................................................7
3.2.3質量物料恒算與負荷計算及其結果表..................................................
12、........................8
3.3塔板數計算.............................................................................................................................8
3.3.1.理論塔板數......................................................................................................................8
3
13、.3.2做X-Y曲線.....................................................................................................................8
3.3.3求Rmin............................................................................................................................8
3.3.4求理論塔板數..................
14、................................................................................................8
3.3.5求平均塔效率ET.............................................................................................................8
3.3.6求實際塔板數.............................................................
15、.....................................................8
3.4有關物性數據的計算 (以精餾段R1為例)..........................................................................9
3.4.1平均壓力計算...................................................................................................................9
3.4.2平均摩爾質量
16、計算...........................................................................................................9
3.4.3平均密度計算...................................................................................................................9
3.4.4液體平均外表張力計算........................................
17、...........................................................9
3.3.2.5液體的平均粘度..........................................................................................................10
3.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算................................................................................................1
18、0
3.5.1負荷計算.........................................................................................................................10
3.5.1.1摩爾計算：..............................................................................................................10
3.5.1.2同理得質量計算：............
19、......................................................................................10
3.5.1.3 不同回流比的負荷結果.........................................................................................10
3.5.1.4 Vs和Ls計算.......................................................................
20、..................................10
3.5.2塔徑的計算.....................................................................................................................10
3.5.3精餾塔有效高度的計算.................................................................................................11
3.5
21、.4塔頂、塔底空間.............................................................................................................11
3.5.4.1塔頂空間HD ...........................................................................................................11
3.5.4.2塔底空間HB ...........................
22、.................................................................................11
3.5.5塔壁厚計算.....................................................................................................................12
3.6.F1型浮閥塔板設計 ................................................................
23、.............................................12
3.6.1溢流裝置.........................................................................................................................12
3.6.1.1.堰長lw...............................................................................................
24、......................12
3.6.1.2.出口堰高hw.............................................................................................................12
3.6.1.3弓形降液管寬度Wd和面積Af：..........................................................................12
3.6.1.4降液管底隙高度ho.............
25、.....................................................................................12
3.6.2塔板布置及浮閥數目與排列.........................................................................................12
3.6.3塔板流體力學驗算................................................................................
26、.........................13
3.6.3.1氣相通過浮閥塔板的壓強降..................................................................................13
3.6.3.2淹塔..........................................................................................................................14
3.6.3.3霧沫夾帶..
27、................................................................................................................14
3.6.4塔板的負荷性能.............................................................................................................14
3.6.4.1霧沫夾帶線.....................................
28、.........................................................................15
3.6.4.2液泛線....................................................................................................................15
3.6.4.3液體負荷上限線...................................................................
29、.................................15
3.6.4.4漏夜線....................................................................................................................16
3.6.4.5 液相負荷下限線...................................................................................................16
30、3.7.操作彈性計算....................................................................................................................16
四.熱平衡確定熱換器...................................................................................................................16
4.1.塔頂全凝器..............................
31、............................................................................................16
4.1.1熱負荷Qc ..................................................................................................................16
4.1.2傳熱面積A........................................................
32、............................................................17
4.1.2.1求平均溫度.............................................................................................................17
4.1.2.2 K值選定.......................................................................................
33、..........................17
4.1.2.3傳熱面積A.............................................................................................................17
4.1.3 循環(huán)水的用量計算.......................................................................................................17
4.1.4熱換器選用
34、....................................................................................................................17
4.2.塔底再沸器.............................................................................................................................18
4.2.1熱負荷QB...........................
35、...........................................................................................18
4.2.2傳熱面積A.....................................................................................................................18
4.2.2.1求平均溫度.......................................................
36、.......................................................18
4.2.2.2傳熱面積A計算.....................................................................................................18
4.2.3 過熱蒸汽的用量......................................................................................................
37、......18
4.2.4再沸器的選用.................................................................................................................18
4.3.原料預熱器 ..............................................................................................................................19
4.3.1求平均溫度.......
38、..............................................................................................................19
4.3.2 求比熱和傳熱的熱量....................................................................................................19
4.3.3塔底產品預熱給的熱量..............................................
39、.................................................19
4.3.3 傳熱面積和過熱蒸汽的用量計算................................................................................19
4.3.4 預熱器選用....................................................................................................................19
4.4塔釜產品冷卻器
40、 ..................................................................................................................19
五、經濟估算..................................................................................................................................20
5.1 塔主要設備經費計算〔R1為例〕....................
41、..................................................................20
5.1.1塔壁面積計算.................................................................................................................20
5.1.2塔板面積計算...................................................................................
42、..............................20
5.1.3主要塔設備費用計算...................................................................................................20
5.1.4固定資產折舊費用.......................................................................................................20
5.2 主要操作費計算〔10年〕〔R1
43、為例〕...............................................................................20
5.2.1.清水用量費用................................................................................................................20
5.2.2 過熱蒸汽的用量費用.................................................................
44、...................................20
5.2.3設備費用和操作費用的總費用p....................................................................................21
5.2.4 銀行利息后的總本錢P總 ..............................................................................................21
5.3回流比的選擇.....................
45、...................................................................................................21
六、精餾塔附件及其重量計算......................................................................................................21
6.1.儲罐......................................................................
46、..................................................................21
6.2.精餾塔接管尺寸....................................................................................................................21
6.2.1進料管線管徑..................................................................................
47、...............................21
6.3.泵的選用................................................................................................................................22
6.4精餾塔重量計算...............................................................................................................
48、....22
七．設計結果一覽表......................................................................................................................23
八.個人總結及對本設計的評述.....................................................................................................24
九.參考文獻....................................
49、.................................................................................................24
十、附圖.....................................................................................................................................25-32
一、前言
化工原理課程設計是理論系實際的橋梁，是讓學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程
50、設計，要求我們能夠綜合運用化工原理上下冊的根本知識，進行融匯貫穿的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的設計任務，從而得到以化工單元操作為主的化工設計的初步訓練。通過課程設計，我們了解到工程設計的根本內容，掌握典型單元操作設計的主要程序和方法，培養(yǎng)了分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使我們樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度負責的工作作風。
二、設計方案確實定
2.1 處理量確定
依設計任務書可知，處理量為:300+6*300=4800Kg/h,4800*7200=3.456萬噸/年
2.2 設計題目與設計進程
該次設計題目為：3.456萬噸/年
51、苯—甲苯連續(xù)精餾裝置工藝設計。
本次設計為倆周，安排如下：表2-1. 進程表
找數據與上課
全部設計計算
畫圖
寫說明書
第一周的周一、二
第一周的周三到周日
第二周的周一到周四
剩余時間
2.3概述
塔設備是煉油、化工、石油化工等生產中廣泛應用的氣液傳質設備。根據塔內氣液接觸部件的結構型式，可分為板式塔和填料塔。板式塔大致可分為兩類：有降液管的塔板和無降液管的塔板。工業(yè)應用較多的是有降液管的塔板，如浮閥、篩板、泡罩塔板等。
浮閥塔廣泛用于精餾、吸收和解吸等過程。其主要特點是在塔板的開孔上裝有可浮動的浮閥，氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進入塔板上液層進行兩
52、相接觸。浮閥可根據氣體流量的大小而上下浮動，自行調節(jié)。浮閥塔的主要優(yōu)點是生產能力大，操作彈性較大，塔板效率高，氣體壓強降及液面落差較小，塔的造價低，塔板結構較泡罩塔簡單.
浮閥有盤式、條式等多種，國內多用盤式浮閥，此型又分為F－1型〔V－1型〕、V－4型、十字架型、和A型，其中F－1型浮閥結構較簡單、節(jié)省材料，制造方便，性能良好，故在化工及煉油生產中普遍應用，已列入部頒標準〔JB－1118－81〕。其閥孔直徑為39mm，重閥質量為33g，輕閥為25g。一般多采用重閥，因其操作穩(wěn)定性好。
2.4 設計方案
2.4.1塔設備的工業(yè)要求
總的要求是在符合生產工藝條件下，盡可能多的使用新技
53、術，節(jié)約能源和本錢，少量的污染。精餾塔對塔設備的要求大致如下：
一：生產能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會產生液泛等不正常流動。二：效率高：氣液兩相在塔內保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質效率。三：流體阻力小：流體通過塔設備時阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作是時，易于到達所要求的真空度。四：有一定的操作彈性：當氣液相流率有一定波動時，兩相均能維持正常的流動，而且不會使效率發(fā)生較大的變化。五：結構簡單，造價低，安裝檢修方便。六：能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等.
2.4.2工藝流程如下：
苯與甲苯混合液〔原料儲罐〕→原料預熱器→浮閥精餾塔〔塔頂：
54、→全凝器→分配器→局部回流，局部進入冷卻器→產品儲罐〕(塔釜：再沸器→冷卻器→產品進入儲罐〕
2.4.3流程的說明
本方案主要是采用浮閥塔，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103.5度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中?；旌衔镏屑扔袣庀嗷旌衔?，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)局部進入到塔頂產品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)局部重新回到精餾塔中，這個過程就
55、叫做回流。液相混合物就從塔底一局部進入到塔底產品冷卻器中，一局部進入再沸器，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參加。最終，完成苯與甲苯的別離。
本次設計的要求是先算出最小回流比，然后隨意選三個系數得到三個回流比，最后比擬那個最好，而不是找出最正確的回流比。
三、精餾塔設計
3.1工藝條件確實定
3.1.1苯與甲苯的根底數據
表3-1 相平衡數據
溫度/℃
80.1
85
90
95
100
105
110.6
POA/Kpa
101.33
116.9
135.5
1
56、55.7
179.2
204.2
240.0
POB/Kpa
40
46
54
63.3
74.3
86
101.33
2.54
2.51
2.46
2.41
2.37
x
1.00
0.780
0.581
0.412
0.258
0.130
0
y
1.00
0.897
0.773
0.633
0.461
0.269
0
表3-2 苯與甲苯的物理性質
工程
分子式
相對分子量
沸點/℃
臨界溫度/℃
臨界壓力/Pa
苯
C6H6
78.11
80.1
288.5
6833.4
57、
甲苯
C6H5-----CH3
92.13
110.6
318.57
4107.7
表3-3 Antoine常數值
組分
A
B
C
苯
6.023
1206.35
220.24
甲苯
6.078
1343.94
219.58
表3-4 苯與甲苯的液相密度
溫度/℃
80
90
100
110
120
810
800.2
792.5
780.3
768.9
815
803.9
790.3
780.3
770.9
表3-5 液體的外表張力
溫度/℃
80
90
58、
100
110
120
21.27
20.06
18.85
17.66
16.49
21.69
20.59
19.94
18.41
17.31
表3-6 液體的黏度
溫度/℃
80
90
100
110
120
0.308
0.279
0.255
0.233
0.215
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228
表3.7 液體的汽化熱
溫度/℃
80
90
100
110
120
苯/(KJ/Kg)
384.1
386.9
379.3
371.5
59、
363.2
甲苯/(KJ/Kg)
379.9
373.8
367.6
361.2
354.6
3.1.2溫度的條件：
假定常壓，作出苯—甲苯混合液的t-x-y圖，如后附圖所示。依任務書，可算出：xf=(0.25/78.11)/(0.25/78.11+0.75/92.13)=0.282;同理，xD=0.992，xw=0.024查t-x-y圖可得，tD=80.6℃,tW=109.7℃,tF=103.5℃
精餾段平均溫度tm=〔80.6*103.5〕1/2=91.34℃
3.1.3操作壓力選定
最底操作壓力：取回流罐物料的溫度為45℃，
60、查手冊得POA=29.33Kpa，POB=10.00Kpa.由泡點方程XD=(Pmin-POB)/(POA-POB)=0.992,可得Pmin=29.18Kpa.取塔頂操作壓力P=1.5P0=1.5*101.33Kpa=152Kpa
3.2精餾塔物料恒算
3.2.1摩爾分數
由以上可知，摩爾分數為xf=0.282，xD=0.992，xw=0.024
3.2.2原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾量
MF=xFMA+(1-xF)MB=0.28278.11+〔1-0.282〕92.13=88.18 kg/kmol ，
MD=xDMA+(1-xD)MB=0.992 78.1
61、1+(1-0.992) 92.13=78.22kg/kmol ，
MW=xWMA+(1-xW)MB=0.024 78.11+(1-0.024) 92.13=91.79 kg/kmol
3.2.3質量物料恒算與負荷計算及其結果表
總物料衡算D+W=4800〔1〕 易揮發(fā)組分物料衡算 0.99D+0.02W=0.254800〔2〕
聯立〔1〕、〔2〕解得：
F=4800 kg/h=1.33kg/s=3.456萬噸/年,F=4800/88.18=54.43 kmol/h=0.015kmol/s
W=3661.9 kg/h=1.02kg/s=2.637萬噸/年,W=3661.9
62、/91.79=39.92 kmol/h=0.011kmol/s
D=1138.1kg/h=0.32kg/s=0.81萬噸/年,D=1138.1/78.22=14.51kmol/h=0.004kmol/s
表3-8 物料恒算表
物料
kg/h
kg/s
萬噸/年
kmol/h
kmol/s
F
4800
1.33
3.456
54.43
0.015
D
1138.1
0.32
0.819
14.51
0.004
W
3661.9
1.02
2.637
39.92
0.011
3.3塔板數計算
3.3.1.理論塔板數
3.
63、3.2做X-Y曲線
作出苯與甲苯的X-Y圖如后面的附圖所示，因P=1.2P0 故可不對X-Y圖進行修正
3.3.3求Rmin
依Q線斜率K=-0.2/0.8=-0.25，且通過(XF,XF)=(0.282,0.282),作出Q線與平衡線交一點(Xq,Yq)=〔0.167，0.32〕，故Rmin=(XD-Yq)/(Yq-Xq)=(0.992-0.32)/(0.32-0.167)=4.39,
3.3.4求理論塔板數
取R1=1.2Rmin=5.3，故 可求精餾段操作方程為： y=0.841x+0.157,
提餾段操作方程為：y=1.834x-0.02 ，用圖解法
64、求出理論塔板數NT=18,進料板為第10層。
同理得出R2=1.5Rmin=6.595時，
精餾段操作方程為：y=0.881x+0.118, 提餾段操作方程為：y=1.51x-0.012
NT=14,進料板為第9層
R3=1.9Rmin=8.34時,
精餾段操作方程為：y=0.893x+0.106, 提餾段操作方程為：y=1.434x-0.010
NT=13,進料板為第8層
3.3.5求平均塔效率ET
塔頂與塔底的平均溫度：tm=(80.6*109.7)0.5=94.03℃
分別算出t=94.03℃下得相對揮發(fā)度和μL如下：
=POA/POB=152.91Kpa/
65、62.03Kpa=2.47 ,有t - x -y 圖查得該溫度下XA=0.45
μm=xAμ苯+〔1-xA〕μ甲苯=0.45*0.2754+0.55*0.0.2804=0.278
故 *μm=0.69
查塔效率關聯曲線得ET=0.53
3.3.6求實際塔板數
精餾段實際塔板數 N精=9/0.53=16.98=17 ; 提餾段實際塔板數 N提=8/0.53=16
全塔實際塔板數N=18/0.53=34
同理可得，R2和R3得如下：
R2=1.5Rmin=7.395
精餾段實際塔板數 N精=15 ，提餾段實際塔板數N提=10 ，全塔實際塔板數N=26
R3=1.9
66、Rmin=8.34時,
精餾段實際塔板數 N精=14 ，提餾段實際塔板數N提=10 ，全塔實際塔板數N=25
3.4有關物性數據的計算(以精餾段R1為例)
3.4.1平均壓力計算
取每層壓降為，那么進料板的壓力P=152+0.7*10=159KPa
精餾段的平均壓力位Pm=(152+159)/2=155.5KPa
同理其他回流比計算結果如下表：
表3-9 壓力表
R
R1
R2
R3
進料板壓力/KPa
159
158.3
157.6
精餾段平均壓力/KPa
155.5
155.15
154.8
3.4.2平均摩爾質量計算
由 xD=y1=0.992 查 t-x-y圖 得x1=0.983
塔頂氣相平均摩爾分子量 MVmD=y1MA+(1-y1)MB=0.992*78.11+0.08*92.13=78.22Kg/Kmol
塔頂液相平均摩爾分子量MLmD=x1MA+(1-x1)MB=0.983*78.11+0.017*92.13=78.38K
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