化工原理课程设计样本

成绩

化工原理课程设计

设计说明书

设计题目：万吨/年苯—甲苯连续精馏装置工艺设计

。

姓名陈端

班级化工07-2班

学号 006

】

完成日期 2009-10-30

指导教师梁伯行

化工原理课程设计任务书

(化工07-1,2,3,4适用)

一、设计说明书题目:

—

(万吨/年) 苯 - 甲苯连续精馏装置工艺设计说明书

二、设计任务及条件

(1).处理量: (3000＋本班学号×300) Kg/h (每年生产时间按7200小时计);

(2). 进料热状况参数：( 2班)为,

(3). 进料组成: ( 2班) 含苯为25％(质量百分数),

(4).塔底产品含苯不大于2％(质量百分数);

(5). 塔顶产品中含苯为99％(质量百分数)。

装置加热介质为过热水蒸汽(温度及压力由常识自行指定), 装置冷却介质为25℃的清水或35℃的循环清水。

三、【

四、设计说明书目录(主要内容) 要求

1)前言（说明设计题目设计进程及自认达到的目的），

2)装置工艺流程(附图) 及工艺流程说明

3)装置物料衡算

4)精馏塔工艺操作参数确定

5)适宜回流比下理论塔板数及实际塔板数计算

6)精馏塔主要结构尺寸的确定

7)精馏塔最大负荷截面处T-1型浮阀塔板结构尺寸的确定

8)、

9)装置热衡算初算确定全凝器、再沸器型号及其他换热器型号

10)装置配管及机泵选型

11)适宜回流比经济评价验算(不少于3个回流比比较)

12)精馏塔主要工艺和主要结构尺寸参数设计结果汇总及评价

13)附图 : 装置工艺流程图、装置布置图、精馏塔结构简图(手绘图)。

五、经济指标及参考书目

1)6000元/(平方米塔壁)(塔径～乘, 塔径～乘, 塔径以上乘,

2)4500元/(平方米塔板),

3)#

4)4000元/(平方米传热面积),

5)16元/(吨新鲜水), 8元/(吨循环水),

6)250元/(吨加热水蒸汽), 设备使用年限10年,

7)装置主要固定资产年折旧率为10% , 银行借贷平均年利息%。

8)夏清陈常贵主编《化工原理》(上. 下) 册修订本【M】天津; 天津大学

出版社2005

9)贾绍文《化工原理课程设计》【M】天津; 天津大学出版社2002

}

目录

一、前言 ............................................................................ . (5)

处理量确定........................................................................... . (5)

设计题目与进程........................................................................... .. (5)

概述........................................................................... . (5)

设计方案............................................................................ .. (5)

塔设备的工业要求............................................................................. . (5)

|

工艺流程如下............................................................................. (6)

流程的说明............................................................................ (6)

三、精馏塔设计............................................................................. .. (6)

工艺条件的确定............................................................................. . (6)

苯与甲苯的基础数据............................................................................. . (6)

温度的条件............................................................................. .. (7)

操作压力选定........................................................................... (7)

精馏塔物料恒算........................................................................... (7)

:

摩尔分数........................................................................... .. (7)

原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量 (7)

质量物料恒算与负荷计算及其结果

塔板数计算........................................................................... .. (8)

理论塔板数........................................................................... . (8)

做X-Y曲线........................................................................... (8)

求

R MIN......................................................................... (8)

求理论塔板数........................................................................... (8)

…

求平均塔效率ET........................................................................... . (8)

求实际塔板数........................................................................... (8)

有关物性数据的计算(以精馏段R1为例) (9)

平均压力计算........................................................................... . (9)

平均摩尔质量计算........................................................................... .. (9)

平均密度计算........................................................................... . (9)

液体平均表面张力计算........................................................................... (9)

液体的平均粘度........................................................................... . (10)

,

精馏塔的塔体工艺尺寸计算........................................................................... (10)

负荷计算........................................................................... . (10)

摩尔计算：......................................................................... . (10)

同理得质量计算：......................................................................... . (10)

不同回流比的负荷结果............................................................................. (10)

Vs和Ls计

(10)

塔径的计算............................................................................. . (10)

精馏塔有效高度的计算............................................................................. .. (11)

<

塔顶、塔底空间............................................................................. .. (11)

塔顶空间H D............................................................................ . (11)

塔底空间H B............................................................................ .. (11)

塔壁厚计算............................................................................. . (12)

型浮阀塔板设计............................................................................ (12)

溢流装置............................................................................. .. (12)

.堰长lw............................................................................. . (12)

.出口堰高hw............................................................................. .. (12)

—

弓形降液管宽度Wd和面积Af： (12)

降液管底隙高度ho............................................................................. (12)

塔板布置及浮阀数目与排列............................................................................. (12)

塔板流体力学验算............................................................................. . (13)

气相通过浮阀塔板的压强降............................................................................. .. (13)

淹塔............................................................................. (14)

雾沫夹带............................................................................. . (14)

塔板的负荷性能............................................................................. .. (14)

^

雾沫夹带线............................................................................. (15)

液泛线............................................................................. (15)

液体负荷上限线............................................................................. .. (15)

漏夜线............................................................................. (16)

液相负荷下限线............................................................................. . (16)

.操作弹性计算............................................................................. (16)

四.热平衡确定热换器............................................................................. .. (16)

.塔顶全凝器............................................................................. (16)

)

热负荷Qc ........................................................................... (16)

传热面积A.............................................................................. .. (17)

求平均温度............................................................................. .. (17)

K值选定............................................................................. (17)

传热面积A.............................................................................. . (17)

循环水的用量计算............................................................................. .. (17)

热换器选用............................................................................. (17)

.塔底再沸器............................................................................. (18)

>

热负荷QB............................................................................. .. (18)

传热面积A.............................................................................. (18)

求平均温度.............................................................................

(18)

传热面积A计算............................................................................. (18)

过热蒸汽的用量............................................................................. . (18)

再沸器的选用............................................................................. (18)

.原料预热器 ............................................................................ .. (19)

求平均温度............................................................................. . (19)

，

求比热和传热的热量............................................................................. .. (19)

塔底产品预热给的热量............................................................................. (19)

传热面积和过热蒸汽的用量计算............................................................................. (19)

预热器选用............................................................................. (19)

塔釜产品冷却器........................................................................... (19)

五、经济估算............................................................................. .. (20)

塔主要设备经费计算（R1为例）........................................................................... .. (20)

塔壁面积计算............................................................................. (20)

%

塔板面积计算............................................................................. (20)

主要塔设备费用计算............................................................................. . (20)

固定资产折旧费用............................................................................. .. (20)

主要操作费计算（10年）（R1为

例）........................................................................... . (20)

清水用量费用............................................................................. .. (20)

过热蒸汽的用量费用............................................................................. .. (20)

设备费用和操作费用的总费用p.............................................................................. (21)

银行利息后的总成本P 总 ............................................................................. .. (21)

$

回流比的选择............................................................................. . (21)

六、精馏塔附件及其重量计算............................................................................. . (21)

.储罐............................................................................. .. (21)

.精馏塔接管尺寸............................................................................. (21)

进料管线管径............................................................................. (21)

.泵的选用............................................................................. (22)

精馏塔重量计算............................................................................. .. (22)

七．设计结果一览表............................................................................. .. (23)

?

八.个人总结及对本设计的评述............................................................................. (24)

九.参考文献............................................................................. .. (24)

十、附图............................................................................. ........................................................25-32

一、前言

化工原理课程设计是理论系实际的桥梁，是让学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求我们能够综合运用化工原理上下册的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到以化工单元操作为主的化工设计的初步训练。通过课程设计，我们了解到工程设计的基本内容，掌握典型单元操作设计的主要程序和方法，培养了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。

二、设计方案的确定

处理量确定

、

依设计任务书可知，处理量为:300+6*300=4800Kg/h,4800*7200=万吨/年

设计题目与设计进程

该次设计题目为：万吨/年苯—甲苯连续精馏装置工艺设计。

本次设计为俩周，安排如下：表2-1. 进程表

概述

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔大致可分为两类：有降液管的塔板和无降液管的塔板。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。

浮阀塔广泛用于精馏、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀塔的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，塔板效率高，气体压强降及液面落差较小，塔的造价低，塔板结构较泡罩塔简单.

浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F－1型（V－1型）、V－4型、十字架型、和A型，其中F－1型浮阀结构较简单、节省材料，制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普遍应用，已列入部颁标准（JB －1118－81）。其阀孔直径为39mm，重阀质量为33g，轻阀为25g。一般多采用重阀，因其操作稳定性好。

"

设计方案

塔设备的工业要求

总的要求是在符合生产工艺条件下，尽可能多的使用新技术，节约能源和成本，少量的污染。精馏塔对塔设备的要求大致如下：

一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。五：结构简单，造价低，安装检修方便。六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等.

工艺流程如下：

苯与甲苯混合液（原料储罐）→原料预热器→浮阀精馏塔（塔顶：→全凝器→分配器→部分回流，部分进入冷却器→产品储罐）(塔釜：再沸器→冷却器→产品进入储罐）

流程的说明

本方案主要是采用浮阀塔，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。

本次设计的要求是先算出最小回流比，然后随意选三个系数得到三个回流比，最后比较那个最好，而不是找出最佳的回流比。

<

三、精馏塔设计

工艺条件的确定

苯与甲苯的基础数据

"

表液体的汽化热γ

温度的条件：

假定常压，作出苯—甲苯混合液的t-x-y 图，如后附图所示。依任务书，可算出：x f =/+=;同理，x D =，x w =查t-x-y 图可得，t D =℃,t W =℃,t F =℃

'

精馏段平均温度tm=（*）1/2=℃ 操作压力选定

最底操作压力：取回流罐物料的温度为45℃，查手册得P O A =，P O

B =.由泡点方程X D =(P min -P O B )/(P O A -P O B )=,可得P min =.取塔顶操作压力P==*=152Kpa

精馏塔物料恒算

摩尔分数

由以上可知，摩尔分数为x f =，x D =，x w = 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量 M F =x F M A +(1-x F )M B =×+（）×= kg/kmol ， 、

M D =x D M A +(1-x D )M B =× + × =kmol ， M W =x W M A +(1-x W )M B = ×+ × = kg/kmol 质量物料恒算与负荷计算及其结果表

总物料衡算 D+W=4800 （1） 易挥发组分物料衡算 +=×4800 （2） 联立（1）、（2）解得：

F=4800 kg/h= kg/s=万吨/年 ,F=4800/= kmol/h=s W= kg/h= s= 万吨/年,W== kmol/h=s D=h = kg/s =万吨/年,D==h=s

}

塔板数计算

理论塔板数 做X-Y 曲线

作出苯与甲苯的X-Y 图如后面的附图所示，因P= 故可不对X-Y 图进行修正 求R min

依Q 线斜率K==，且通过(X F ,X F)=,,作出Q 线与平衡线交一点(Xq,Yq)=（，），故R min =(X D -Yq)/(Yq-Xq)= 求理论塔板数 》

取R 1==，故 可求精馏段操作方程为： y=+,

提馏段操作方程为：y= ，用图解法求出理论塔板数N T =18,进料板为第10层。

同理得出R 2==时，

精馏段操作方程为：y=+, 提馏段操作方程为：y=进料板为第9层 R 3==时,

精馏段操作方程为：y=+, 提馏段操作方程为：y=进料板为第8层 求平均塔效率E T

塔顶与塔底的平均温度：t m =*=℃

分别算出t=℃下得相对挥发度?和μL 如下： "

?=P O A /P O B == ,有t - x -y 图查得该温度下X A = μm =x A μ苯+（1-x A ）μ甲苯=*+*.mpa s 故 ?*μm =

查塔效率关联曲线得E T = 求实际塔板数

精馏段实际塔板数 N 精=9/==17 ; 提馏段实际塔板数 N 提=8/=16 全塔实际塔板数N=18/=34 同理可得，R 2和R 3得如下： R 2== 、

精馏段实际塔板数 N 精=15 ，提馏段实际塔板数N 提=10 ，全塔实际塔板数N=26 R 3==时,

精馏段实际塔板数 N 精=14 ，提馏段实际塔板数N 提=10 ，全塔实际塔板数N=25

有关物性数据的计算(以精馏段R 1为例)

平均压力计算

取每层压降为a Kp p 7.0=?，那么进料板的压力P=152+*10=159KPa 精馏段的平均压力位P m =(152+159)/2= 同理其他回流比计算结果如下表：

'

平均摩尔质量计算

由 x D =y 1= 查 t-x-y 图 得x 1= {

塔顶气相平均摩尔分子量 M VmD =y 1M A +(1-y 1)M B =*+*=Kmol 塔顶液相平均摩尔分子量M LmD =x 1M A +(1-x 1)M B =*+*=Kmol 由x F =,查t-x-y 图知:y F =

进料板气相平均摩尔分子量 M VmF =y F M A +(1-y F )M B =*+*=Kmol 进料板液相平均摩尔分子量 M LmF =x F M A +(1-x F )M B =*+*=Kmol 精馏段气相平均摩尔分子量

Kg/Km ol 74.812/)25.8522.78(2/)M M (VmF VmD =+=+=Vm M

精馏段液相平均摩尔分子量 Kg/Km ol 28.832/)M M (LmF LmD =+=Lm M

…

平均密度计算

A.气相平均密度

Vm ρ=Pm*Mm/RTm=**+)=m3

同理计算出其他回流比R 2和R 3的Vm ρ分别 为：Kmol 和Kmol

B.液相的平均密度：

塔顶平均密度 由t D =℃,查手册得ρA =m 3 ,ρB =m 3

ρLDm =1/+=m 3

进料板平均密度 t F =℃ ρA =m 3 ，ρB =m 3

$

进料板液相的质量分率：a A =**+* =

ρLFm =1/+=m 3

精馏段液相平均密度为 ρLm =（ρLDm +ρLFm ）/2= Kg/m 3

液体平均表面张力计算

由塔顶温度t=℃ 时,查苯-甲苯表面张力于下表：

表3-10 塔顶苯-甲苯表面张力

组分

】

苯(A)

甲苯(B)

表面张力\/mN m σ

塔顶表面张力：

σm ，顶=×+×=m

由进料温度 t=℃ 时,查苯-甲苯表面张力于表3-8

#

表3-11 进料苯-甲苯表面张力

组分

苯(A) 甲苯(B)

表面张力\/mN m σ

；

进料板的表面张力 ：σm ，进=×+×=m

则精馏段平均表面张力为：σm ，精=（σm ，顶+σm ，进）/2= mN/m 液体的平均粘度

由塔顶温度t=℃ 时，查手册得μA = ,μB = μL 顶=×+×= …

由进料温度 t=℃ 时,查苯-甲苯粘度为：μA = , μB = μL 进 =×+×=

精馏段液相平均粘度 μL(精) =（μL 顶+μL 进 ）/2= mPas

精馏塔的塔体工艺尺寸计算

负荷计算 R

1

=

摩尔计算：

L=RD=*=h=s,

)

V=(R+1)D=*=h=s

L′=L+qF=+*=h=s

V′=V+(q-1)F=同理得质量计算：L=h=s , V=h=s

L′=h=s , V′=h=s

不同回流比的负荷结果

同理得出R

2== 和R

3

==得负荷计算，

Vs和Ls计算以R

1

=为例

Vs=V*M

Vm /(3600*

Vm

ρ)=*(3600*=s

Ls=V*M

Lm /(3600*

Lm

ρ)=*(3600*=s

·

同理得R2和R3,总的结果如下表

—

塔径的计算以R1=为例

查塔间距与塔径关系表，初选H T = ,取板上液层高度h L = 那么H T -h L =

0600.0)3600*518.0/(3600*0022.0*)01.4/15.802(/)/(2/12/1==h h V L V L ρρ 查史密斯关联图得，C 20=，

0827.0)20/2.20(*0825.0)20/(2.02.020===L C C σ

s m C u V V L /167.1)01.4/)01.415.802((0827.0)/)((2/12/1max =-=-=ρρρ

取安全系数为，那么u==*=s 》

塔径D 为：m u Vs D 841.0)934.014.3518.0*4()/4(=÷÷==π

按标准圆整后取D= 塔截面积222785.04/1*14.34/m D A T ===π 实际空塔气速：s m A Vs u T /660.0785.0/518.0/=== 同样计算出R2和R3，其总结果如下表

1精馏段有效高度：Z 精=（N 精-2）*H T =15*= 精馏段有效高度：Z 提=（N 提-2）*H T =14*=

在进料板、塔顶、第九层、第27层、塔底分别设一个人孔，其塔板距为. 、

故精馏塔的有效高度为 Z=++*3=

同理计算出其他回流比及总结果如下表：

！

塔顶、塔底空间

塔顶空间H D 取塔顶H D ==2*= m 塔底空间H B

假定塔底空间依储存液量停留5 分钟，那么塔底液高 h=V/A=Ls*5*60/=*300/= m

取塔底液面距最下面一层板留米，故塔底空间H B =+=2m 可见，三个回流比的H B 都可取2 米。

@

塔壁厚计算

取每年腐蚀，因限制用年数为10年， 那么壁厚 mm mm 23)10*5.18(min =+=δ 故按标准，取壁厚25mm

同理可得出其他回流比的值，总结果如下表：

型浮阀塔板设计 以R 1

=为例

溢流装置

选用单溢流方形降液管，不设进口堰，各项计算如下： .堰长l w :取堰长l w == .出口堰高h w : 】

h w =h L -h ow ,2'32.84()1000h ow w

L h E l =

，近似取E=1，L h =Ls *3600=*3600=s 故h ow = 则 h w =h L -h ow = 弓形降液管宽度W d 和面积A f ： 由l w /D =1=,查弓形降液管的宽度和面积图可得，A f /A T =，W d /D= 故A f =*= ,W d =*1=

验算液体在降液管中的停留时间：

s L H A h T f 58.11)0022.0*3600/(45.0*0566.0*3600/*3600===θ s 5>θ

故降液管尺寸可用。

降液管底隙高度h o

`

'

00

s w L h l u = 可取降液管底隙处液体流速取u o '=s 则 h o =* = w o h

h >合理

同理可得出其他回流比的各项计算，总结果如下表：

表3-17 溢流装置参数表

选用F1型重阀，阀孔直径d 0

=39mm ，底边孔中心距t=75mm

取阀孔动能因子F 0=10 ，孔速s m F u V /99.401.4/10/00===ρ

，

每一层塔板上的浮阀数N ：87

)99.4*039.0*4/14.3/(518.0)*4//(2

020===u d V N s π

取边缘区域宽度W c = W s =

塔板上的鼓泡面积22arcsin 180a x A R R π?

?=???

? R=D/2-W c == x=D/2-(W d +W s )=+= 把数据代入得Aa=

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一排的孔心距t=75mm= 则估算排间距mm t N Aa t 2.69)075.0*87/(4516.0)*/('=== 考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块版的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用，而应小于此值。 。

故取t ’=65mm= ， 按t=75mm ，t’=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，或者查标准可得阀数76个. 按N=76重新核算孔速及阀孔动能因数。

s m N Vs u /71.5)76039.0414.3/(518.0)039.04//(220=??÷=?=π 43.1101.4*71.501.400==?=u F 阀孔动能因数F0变化不大， 仍在9~12范围内。 塔板开孔率=u/u 0==%

同理，得出其他回流比总结果如下表：

{

塔板流体力学验算

气相通过浮阀塔板的压强降：p C I H h h h σ=++ A.干板阻力:

s m u V c /91.401.4/1.73/1.73825.1825.10===ρ 因为u o >u oc

液柱m g u h L V C 044.0)81.9*15.802*2/(71.5*01.4*34.5)**2/(*34.522

0===ρρ

B.板上充气液层阻力:

由液相为碳氢化合物，可取充气系数ξ0= h I =ξ0h L =*=液柱 >

C.液体表面张力所造成的阻力σh ：此阻力很小，可以忽略不计。

因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高为h p =+=液柱. 则单板压降△Pa g h L p 66.62181.9*15.802*079.0==*?ρ＜700Pa 故设计合理。 同理算出其他回流比R 2 、R 3的h p 为和，同样也设计合理。

淹塔

为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，H d ≤φ(H T +h w ) 其中 H d =h p +h L +h d A.—

B.

依前面可知，h p = m 液柱

C.液体通过降液管的压头损失，因不设进口堰，故

m h l L h o w s d 00251.0)026.066.00022.0(153.0)/(153.022=÷÷?==，

同理得出其他回流比R 2和R 3的h d 分别为：和. C.板上液层高度，前已选定h L = 则H d =++= 取φ= 又已选定H T =，h w =， 则φ(H T +h w )=×（+）=

可见 H d ＜φ(H T +h w ),符合防止淹塔的要求.

—

同理得出其他回流比R 2和R 3的H d 分别为：和. 雾沫夹带

泛点率00100F b

=

?-----a 式

板上液体流经长度Z L =D-2W d =1-2*= 板上液体面积A b =A T -2A f =*=

苯和甲苯按正常系统取物性系数K=，由泛点负荷系数图查得C F = 泛点率=%3.45%100)6718.0128.01/()752.00022.036.101

.415.80201

.4518.0(=?????+-?-b 试

泛点率=

[

%

8.46)785.0128.0178.0(01

.415.80201

.4512.0%100)78.0(518.0=???÷-?=?÷-?

T F V L V A KC ρρρ依俩式算出泛点率均在80％以下，

故知雾沫夹带量能满足e v ＜ kg 液/kg 气的要求

同理算出其他回流比的总结果如下表：表3-19 泛点率有关数据表

塔板的负荷性能图 以R 1为例. 雾沫夹带线

依据泛点率00100F b

=

?,

}

按泛点率=80%，代人数据化简整理得：

V s =+,作出雾沫夹带线(1)如附图中V s —L s 图所示。 同理算出其他回流比R 2和R 3的雾沫夹带线分别如下： V s =+ 和V s =+ 液泛线

依前可知h p =h c +h I +h σ H d =h p +h L +h d H d ＜φ(H T +h w )

得：φ(H T +h w )= p L d c I L d h h h h h h h h σ++=++++由此式确定液泛线，忽略h σ项。