苯-甲苯混合物分离精馏塔设计

课程目的和要求 目的： 锻炼学生的综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。 培养工程观念：理论→小试→放大。 要求： 设定大致框架，绘制工艺流程图； 进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，直径，塔板数等）； 选择附属设备； 根据计算结果绘制主体设备图形； 编写设计说明书。 具体要求 所有工作必须独立完成； 时间：5月24-6月11日： 6月2日提交设计说明书草稿、乙醇—水溶液的y-x图、主体设备草图和流程图，老师批改后返回学生。 6月9日完成正式的设计说明书、乙醇—水溶液的y-x图、主体设备图和流程图。 说明书右边留30mm，用来标注参考文献，图纸必须规范，标注清楚。 6月10日—11日答辩。 化工原理课程设计题目 酒精生产过程板式精馏塔的设计： 设计题目： 设计生产能力为X吨/日的二级酒精精馏塔。 一、 设计条件 1、生产能力： X吨／日二级酒精 2、原料：乙醇含量29．8（W）的粗馏冷凝液，以乙醇——水二元系为主； 3、采取直接蒸汽加热： 4、采取泡点进料： 5、馏出液中乙醇含量>95％(V)，并符合二级酒精标准： 6、釜残液中乙醇含量不大于0．2％(W)： 一、 设计条件 7、四级酒精(含乙醇为95％(V)其它无要求)的产出率为二级酒精的2％； 8、塔顶温度 78℃，塔底温度100-104℃； 9、塔板效率0.3-0.4或更低； 10、精馏段塔板数计算值 ～22层，工厂 32层， 提馏段塔板数计算值 ～10层，工厂 16层； 11、二级酒精从塔第三、四、五层提取； 12、二、四级酒精的冷却温度为25℃， 冷却水温度：进口20℃，出口35-40℃ 13、回流比大致范围 3.5-4.5（通过最少回流比计算） 14、其他参数(除给出外)可自选。 二、设计说明书的内容 1、目录； 2、设计题目及原始数据(任务书)； 3、简述酒精精馏过程的生产方法及特点， 4、论述精馏总体结构(塔型、主要结构)的选择和材料选择； 5、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径塔板设计、进出管径等)设计说明书的内容 6、设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)7、主体设备设计计算及说明； 8、主要零件的强度计算（选做）； 9、主要附属设备的选择（换热器等）； 10、参考文献 ； 11、后计及其它． 三、设计图要求 1、用594×841图纸绘制装置图一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。 2、 用420×594图纸绘制设备流程图一张； 3、用坐标纸绘制乙醇—水溶液的y-x图一张，并用图解法求理论塔板数

筛 板 式 精 馏 塔 设 计 报 告

一、设计任务：

要精馏分离的混合物为：苯-甲苯

原料液组成为 xf= 54.1200 %(摩尔)

塔顶产品产量 D = 108.20 kmol/h (每小时 108.20千摩尔)

塔顶产品组成 xd= 95.7300 %(摩尔)

塔底残液组成 xw= 3.5200 %(摩尔)(以间接蒸汽加热计)

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二、物料衡算：

设计者选取的D、Xd、Xf、Xw见以上“设计任务”

可计算出：

若按间接蒸汽加热计, 则由以下物料平衡关系式：

F = D + W

FXf= DXd+WXw

可计算得：

原料液量 F = 197.18 kmol/h

塔底产品产量 W = 88.98 kmol/h

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三、塔板数的确定:

设计时选取：

实际回流比是最小回流比的 1.60倍，进料液相分率q= 1.00，

此时，最小回流比 Rmin=1.02

实际回流比 R= 1.60* 1.02=1.63

理论板数N =12.4, 其中，精馏段N1 = 5.2, 提馏段N2 = 7.3

由平均黏度、相对挥发度μav, αav, 可算得全塔效率 Et = 0.5946

实际板数Ne= 22, 其中，精馏段Ne1= 9, 提馏段Ne2= 13

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四、塔径的确定：

可由板间距 Ht 和 (Vl/Vg)(ρl/ρg)^0.5

确定气液负荷参数C, 从而求得液泛气速Uf=C ?[(ρl-ρg)/ ρg]^0.5,

最后根据塔内气体流通面积A=Vg/U=Vg/[(0.6---0.9)Uf]估算塔径D, 再圆整之。

按精馏段首、末板，提馏段首、末板算得的塔径分别为：

1.620米、1.663米，1.731米、1.807米

程序自动圆整（或手工强行调整）后的塔径为：

---1800.0毫米，即 1.800米---

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五、塔板和降液管结构设计:

堰长与塔径之比Lw/D= 0.70

堰长Lw= 1 mm

塔径D = 1800 mm

安定区宽度 Ws= 75 mm

开孔区至塔壁距离Wc= 50 mm

孔径do= 5 mm

孔中心距t = 15 mm

堰高hw= 50 mm

降液管底隙高度 hd'= 40 mm

塔板厚度tp= 4 mm

板间距 Ht=450 mm

以上为选定[调整]值； 以下为计算值：

计算孔数 n= 9111

塔截面积 A= 2544690 mm^2

降液管截面积Ad= 223155 mm^2

有效截面积 An= 2321535 mm^2

工作区面积 Aa= 2098380 mm^2

开孔区面积 Aa'= 1775172 mm^2

总开孔面积 Ao= 178898 mm^2

Ad/A= 0.0877

An/A= 0.8246

Ao/Aa'= 0.1008

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六、流体力学校核:

精馏段首板：

单板压降 ΔHt=ho+he=ho+β(hw+how)= 0.08m清液柱

要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm

堰上液头how=0.0028Fw(Vl'/Lw)^(2/3)=0.01645m

为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。

液沫夹带率 ψ=0.0611

要求，ψ〈0.1 (0.15)

降液管内泡沫层高度Hd'=ΔHt+(hw+how)+hd= 0.30m

要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛

液体在降液管内平均停留时间τ=Hd*Ad/Vl= 7.02秒

要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板

实际孔速与漏液时孔速之比Uo/Uomin=12.87/ 6.87=1.873

Uo必须大于Uo（即比值>1）。要求该比值最好 >1.5,以免漏液过量

精馏段末板：

单板压降(气体)ΔHt= 0.09m清液柱

要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm

堰上液层高度 how=0.01740m

为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。

液沫夹带率 ψ=0.0737

要求，ψ〈0.1 (0.15)

降液管泡沫层高度 Hd'= 0.31m

要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛

液体在降液管内停留时间 τ= 6.69秒

要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板

孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.21/ 6.81=1.939

要求该比值最好 >1.5, 否则可导致漏液过量

提馏段首板：

单板压降(气体)ΔHt= 0.10m清液柱

要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm

堰上液层高度 how=0.02945m

为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。

液沫夹带率 ψ=0.0439

要求，ψ〈0.1 (0.15)

降液管泡沫层高度 Hd'= 0.36m

要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛

液体在降液管内停留时间 τ= 3.62秒

要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板

孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.28/ 7.20=1.845

要求该比值最好 >1.5, 否则可导致漏液过量

提馏段末板：

单板压降(气体)ΔHt= 0.10m清液柱

要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm

堰上液层高度 how=0.03107m

为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。

液沫夹带率 ψ=0.0542

要求，ψ〈0.1 (0.15)

降液管泡沫层高度 Hd'= 0.39m

要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛

液体在降液管内停留时间 τ= 3.55秒

要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板

孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.80/ 7.04=1.960

要求该比值 最好 >1.5, 否则可导致漏液过量

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七、塔高：

塔高约11.7米

温度，℃80 90 100 110 120 130 131.8

苯 760 1025 1350 1760 2250 2840 2900

氯苯 148 205 293 400 543 719 760要求年产纯度为99.8%的氯苯2.6万吨，塔顶馏出液中含氯苯不得高于2%，原料液中含氯苯35%

1）塔顶压强 4kPa（表压）

（2）进料热状况 q=1

（3）回流比 R/Rmin=2

（4）塔底加热蒸汽压强 506Kpa（表压）

(5) 单板压降≤0.7kPa

冷却水进口温度 20C,出口温度50C

工作日：

每年330 天，每天24 小时连续工作

厂址：

天津地区

设计内容：

（1） 精馏塔的物料衡算

（2） 塔板数的确定

（3） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

（4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算

（5） 塔板主要工艺尺寸的计算

（6） 塔板的流体力学验算

（7） 塔板负荷性能图

（8） 精馏塔接管尺寸计算

（9） 绘制生产工艺流程图

（10） 绘制精馏塔设计条件图

（11） 对设计过程的评述和有关问题的讨论

设计基础数据

2、确立工艺条件：进料状态（决定着是否需要加热）、产品纯度标准（决定着回流比等）、加热热源（决定着塔底再沸器设计）

3、进行物料平衡计算、能量平衡计算；

4、进行塔板计算与设计，分别确立提馏段（如果需要的话）、精馏段的塔板数；

5、根据产品纯度标准，确定回流比，进料状态的调整（操作参数确立）；

6、完善塔顶冷凝器、进料加热器和塔底再沸器设计；

7、全部装置的保温设计；

8、绘出总装图、部件图和零件图；

9、整理完成《“乙醇-水”浮阀式精馏塔设计计算说明书》，OK！

分离任务：

1.乙醇的质量分数为30%；

2.处理量为20000t/a；

3.塔顶产品组成（质量分数）为93.5%；

4.塔顶易挥发组分回收率为99%；

5.每年实际生产时间为7200h.

6.操作条件

：

(1)操作压力：常压

(2)进料热状态：自选

(3)回流比：自选

(4)间接低压蒸汽

(表压为0.3MPa)

加热

(5)单板压降：0.7

KPa

我以前做过这个

包挂工艺尺寸计算

再沸器

原料预热器

离心泵

费用计算

折旧

你留个邮箱吧

我发给你

操作压力：105.325 Kpa(绝对压力)

进料热状况：泡点进料

回流比：自定

单板压降：≤0.7 Kpa

塔底加热蒸气压力：0.5M Kpa(表压)

全塔效率：ET=47%

建厂地址：宁夏

[设计计算]

(一) 设计方案的确定

本设计任务为分离甲醇-水混合物。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。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。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。塔釜采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

(二) 精馏塔的物料衡算

1、 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量：MA=32 Kg/Kmol水的摩尔质量：MB=18 Kg/Kmol

xF=32.4%

xD=99.47%

xW=0.28%

2、 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF= 32.4%*32+67.6%*18=22.54 Kg/Kmol

MD= 99.47*32+0.53%*18=41.37 Kg/Kmol

MW= 0.28%*32+99.72%*18=26.91 Kg/Kmol

3、 物料衡算

原料处理量：F=(3.61*103)/22.54=160.21 Kmol/h

总物料衡算：160.21=D+W

甲醇物料衡算：160.21*32.4%=D*99.47%+W*0.28%

得D=51.88 Kmol/h W=108.33 Kmol/h

(三) 塔板数的确定

1、 理论板层数MT的求取

甲醇-水属理想物系，可采用图解法求理论板层数

①由手册查得甲醇-水物搦的气液平衡数据，绘出x-y图(附表)

②求最小回流比及操作回流比

一、实验目的

1.了解筛板式精馏塔的结构流程及操作方法.

2.测取部分回流或全回流条件下的总板效率.

3.观察及操作状况.

二、实验原理

在板式精馏塔中,混合液的蒸汽逐板上升,回流液逐板下降,汽液两相在塔板上接触,实现传质,传热过程而达到两相一定程度的分离.如果在每层塔板上,液体与其上升的蒸汽到平衡状态,则该塔板称为理论板,然而在实际操作中、汽、液接触时间有限,汽液两相一般不可能达到平衡,即实际塔板的分离效果,达不到一块理论板的作用,因此精馏塔的所需实际板数一般比理论板要多,为了表示这种差异而引入了“板效率”这一概念,板效率有多种表示方法,本实验主要测取二元物系的总板效率Ep ：

板式塔内各层塔板的传质效果并相同,总板效率只是反映了整个塔板的平均效率,概括地讲总板效率与塔的结构,操作条件,物质性质、组成等有关是无法用计算方法得出可靠值,而在设计中需主它,因此常常通过实验测取.实验中实验板数是已知的,只要测取有关数据而得到需要的理论板数即可得总板效率,本实验可测取部分回流和全回流两种情况下的板效,当测取塔顶浓度,塔底浓度进料浓度 以及回流比 并找出进料状态、即可通过作图法画出平衡线、精馏段操作线、提馏段操作线,并在平衡线与操作线之间画梯级即可得出理论板数.如果在全回流情况下,操作线与对角线重合,此时用作图法求取理论板数更为简单.

三、实验装置与流程

实验装置分两种：

（1）用于全回流实验装置

精馏塔为一小型筛板塔,蒸馏釜为卧直径229m长3000mm内有加热 器.塔内径50mm共有匕块塔板,每块塔板上开有直径2mm筛孔12个板间距100mm,塔体上中下各装有一玻璃段用 以观察塔内的操作情况.塔顶装有蛇管式冷凝器蛇管为φ10×1紫铜管长3．25m,以水作冷凝剂,无提馏段,塔傍设有仪表控制台,采用1kw调压变压器控制釜内电加热器.在仪表控制台上设有温度指示表.压强表、流量计以及有关的操作控制等内容.

（2）用于部分回流实验装置

装置由塔、供料系统、产品贮槽和仪表控制柜等部份组成.蒸馏釜为φ250×340×3mm不锈钢罐体,内设有2支1kw电热器,其中一支恒加热,另一支用可调变压器控制.控制电源,电压以及有关温,压力等内容均有相应仪表指示,

塔身采用φ57×3.5mm不锈钢管制成,设有二个加料口,共十五段塔节,法兰连接,塔 身主要参数有塔板十五块,板厚1mm不锈钢板,孔径2mm,每板21孔三形排列,板间距100mm,溢流管为φ14×2不锈钢管堰高10mm.

在塔顶和灵敏板塔段中装有WEG—001微型铜阻感温计各一支由仪表柜上的XCE—102温度指示仪显示,以监测相组成变化.

塔顶上装有不锈钢蛇管冷凝器,蛇管为φ14×2长250mm以水作冷凝剂以LZB10型转子流量计计量,冷凝器装有排气旋塞.

产品贮槽上方设有观测罩,用于检测产品.

回流量、产品量及供料量分别由转子流量计计量.料液从料液槽用液下泵输送.釜液进料液和馏出液分别可由采出取样,此外在塔身上、中、下三部分各在二块上设有取样口,只要用针筒穿取样口中的硅胶板即可取样品,因此本装置不但可以进精馏操作性能的训练和塔冲总效率的测定,而且还可以进行全回流下单板效率的测定.

四、实验方法

（一）全回流操作实验方法

1、熟悉了解装置,检查加热釜中料液量是否适当,釜中液面必须浸没电加热器(为液面计高1/2以上,约5升0釜内料液组成乙醇10－25％(重量)左右的水溶液.

2、打开电源和加热器开关,控制加热功率在700W左右,打开冷却水,注意观察塔顶、塔釜情况,当上升蒸汽开始回流时此时塔顶冷凝器内冷却水流量应控制好使蒸汽基本处于全凝状况（50－100升/小时范围）若流量过小会使蒸汽从塔顶喷出,过大塔板上泡沫层不均,温度变低.

3、当塔板上泡沫层正常各泡沫层高度大体相等,且各点温度基本保持稳定、操作稳定持续一段时间（20分钟以上）后即可开始取样.

4、由塔顶取样管和釜底取样考克用烧瓶接取试样（150mι左右）取样前应取少许试样冲洗烧瓶,取样后用塞子塞好,并用水冲瓶外部,使其冷却到常温.

5、将常温试样用比重天平称出相对密度,然后用相对密度与质量百分数对照表查出质量百分数.

6、可加大加热电流（5安培左右）观察到液泛现象,此时塔内压力明显增加,观察后,将加热电流缓慢减到零,关闭电源开关.

（二）部分回流时操作方法

1、配制4～5％（体积）洒精水溶液,注入蒸馏釜（或由供料泵注入）至液位计上的标记为止.

2、在供料槽中配制15～20％（体积）洒精水溶液.

3、通电启动加热釜液,先可将可调变压器达到额定电压,开冷却水,观察塔各部情况.

4、进行全回流操作,控制蒸发量“灵敏板”温度应在80℃左右.

5、开加料泵,控制流量（需经几度调节才能适宜流量）

6、为了首先满足回流要求、故在回流分配器中的产品管（φ8）管口高于回流管的管口,应调小回流量（过一段时间即可馏出产品）进行部分回流并控制一定回比,使产品达到 要求的浓度94～95％（体积）

7、控制釜底排料量,使釜液面保持不变.

8、控制好冷却水用量(即塔顶冷凝器冷流体)便塔顶蒸汽基本处于全凝状态.

9、操作均达到稳定后,进行样品采集,可按进料、塔釜、塔顶、顺序采集.并记录进料回流、馏出各流量及温度等有关数据.

10、将样品降到常温后,在教师指导下用液体比重天平测定相对密度,再用对照关系曲线,查出质量百分数.

11、可加大加热电流观察液泛现象.

12、注意观察操作条件不同对结果的影响.

五、数据处理

1、用作图法确定实验条件下理论板数,并进一步得出总板效率.

2、对结果的可靠性进行分析.

六、实验讨论题

1、在实验中应测定哪些数据?如何测得?

2、比重天平如何使用?应注意什么问题?

3、全回流和部分回流在操作上有何差异?

4、塔顶回流液浓度在实验过程中有否改变?

（全回流及部分回流两种情况）

5、怎样采集样品才能合乎要求?

6、比较两种装置在内容和操作方面的不同?

7、在操作过程中各塔板上泡沫层状态有何不同?各发生过怎样的变化?为什么?

8、塔釜内压强由何决定?为会么会产生波动?

9、塔顶和塔底温度和什么条件有关?

10、精馏塔板效率都有几种表示方法,试讨论如何以板效率?

11、全回流操作是否为稳定操作?当采集塔顶样品时,对全回流操作可能有何影响?

12、塔顶冷凝器内冷流体用量大小,对精馏操作有何影响?

13、如何判别部分回流操作已达到稳定操作状态?