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1、湖北理工学院 化工原理课程设计化工原理课 程 设 计题 目： F1型浮阀精馏塔的设计教 学 院： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2015 年 5 月 29 日化工原理课程设计任务书20142015 学年第2学期学生姓名： 专业班级： 化学工程与工艺(精细化工)2012（1） 指导教师：胡燕辉、夏贤友、黄卫东、詹亦贝 工作部门： 化工教研室 一、课程设计题目：F1型浮阀精馏塔的设计二、课程设计内容（含技术指标）1. 工艺条件与数据在一常压操作的连续精馏塔内分离苯甲苯混合物。要求年处理量为5万吨，组成为苯0.42（质量分率，下同），馏出液组成为0.99，塔釜液组成为0.02。2. 操
2、作条件操作压力：4kPa（表压）；进料状况：自选；回流比：自选；单板压降：0.7kPa；全塔效率：ET523. 设计内容精馏塔的物料衡算；塔板数的确定；精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；精馏塔的塔体工艺尺寸计算；塔板主要工艺尺寸的计算；塔板的流体力学验算；塔板负荷性能图；精馏塔接管尺寸计算；绘制生产工艺流程图；绘制塔体及内件尺寸图及对设计过程的评述和有关问题的讨论。工作时间：每年300天，每天24小时连续运行。三、进度安排15月18日：分配任务；25月19日-5月24日：查询资料、初步设计；35月25日-5月29日：设计计算，完成报告。四、基本要求1. 设计计算书1份：设计说明书是将本设计
3、进行综合介绍和说明。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点的工艺流程图。设计说明书具体包括以下内容：封面；目录；绪论；工艺流程、设备及操作条件；塔工艺和设备设计计算；塔机械结构和塔体附件及附属设备选型和计算；设计结果概览；附录；参考文献等。2. 图纸1套：工艺流程图(2号图纸)指导老师签名：年 月 日目录绪论11.精馏塔的物料衡算22.塔板数的确定33.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算65.塔板主要
4、工艺尺寸的计算116.浮阀塔板流动性能的核算137.塔板负荷性能图168.精馏塔接管尺寸的计算18设计结果概览19结束语20附录21参考文献22绪论1.设计方案与思路本设计任务为分离苯_甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。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。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。在本次设计中，我们进行的是苯和甲苯二元物系的精馏分离，简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的
5、部分增浓，如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。实际上，蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我们这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，有时后可以考虑将余热再利用，在此就不叙述。要保持塔的稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可以采用高位槽。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器连种不同的设置。在这里准备用全凝器，因为可以准确的控制回流比。此次设计
6、是在常压下操作。 因为这次设计采用间接加热，所以需要再沸器。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设计时要根据实际需要选定回流比。在此使用浮阀塔，浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点，其突出优点是可以根据气体的流量自行调节开度，这样就可以避免过多的漏液。另外还具有结构简单，造价低，制造方便，塔板开孔率大，生产能力大等优点。浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，其多用不锈钢板或合金 。近年来所研究开发出的新型浮阀进一步加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动接触更加有效，可显著提高操作弹性和效率。从苯甲苯的相关物性
7、中可看出它们可近似地看作理想物系。而且浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节，因而在较宽的气体负荷范围内，均能保持稳定操作。气体在塔盘板上以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带量少，液面落差也较小。本设计流程图 物料衡算塔板数确定相关物性计算工艺计算流体学验算塔负荷性能图接管尺寸计算2.设计方案的特点1、本设计采用连续精馏操作方式。2、常压操作。3、泡点进料。4、间接蒸汽加热。5、选R=2.0Rmin。6、塔顶选用全凝器。7、选用F1型浮阀塔。本设计塔高12.9米，塔径1.4米，按逐板计算理论板数13。算得全塔效率为0.52。塔顶使用全凝器，部分回流。精馏段实际板数为15，提
8、馏段实际板数为10。实际加料位置在第15块板(从上往下数)。通过板雾沫夹带、压降、液泛、漏液的流体力学验算，均在安全操作范围内。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。本设计精馏塔可年处理5万吨苯甲苯混合物，能保持每年300天，每天24小时连续运行。1.精馏塔的物料衡算1.1进料、塔顶及塔底产品的摩尔分数 1.2平均摩尔质量1.3物料衡算根据所给条件：年处理量5万吨，工作时间每年300天，每天24小时。可以计算：，取。进料液：全塔物料衡算： 联立，解得： 2.塔板数的确定2.1相对挥发度的确定查文献1可得苯-甲苯物系在某些温度t下的值，见附录
9、表1。可见随着温度的升高，或x的减小，略有减小，但变化不大。的值可对表1中两端的数据取平均值知道了相对挥发度的值，利用文献1（10-8）式可知苯-甲苯物系的相平衡方程为 （2-1） （2-1a）2.2进料方程的确定本设计进料状况为泡点进料，即进料液相分率q=1。查文献1可知进料方程为 (2-2)2.3最小回流比的确定查文献1可知进料方程线与相平衡方程线的交点为（xe,ye）。联立（2-1），（2-2）两式可得： e=0.46 e=0.678根据文献1(10-40)式可知考虑到精馏段操作线离平衡线较近，取实际操作的回流比为最小回流比的2倍。2.4精馏塔气液相负荷精馏段：L=RD=2.8636.9
10、kmol/h=105.534kmol/h V=(R+1)D=3.8636.9kmol/h=142.434kmol/h提馏段：L=L+qF=105.534+181.7 kmol/h=187.234kmol/h V=V-(1-q)F=142.434kmol/h2.5操作线方程的确定根据文献1(10-27)式可知精馏段的操作线方程为 (2-3)根据文献1(10-30)式可知提馏段的操作线方程为 （2-4）2.6理论板数的确定理论板数的求取原理是交替地应用相平衡和物料衡算两关系式。本设计采用逐板计算法计算理论板数，精馏段理论板数联立相平衡线和精馏段操作线，提馏段理论板数联立相平衡线和提馏段操作线。由于
11、塔顶采用全凝器，所以有y1=xD=0.99代入相平衡线方程（2-1a）式把x1=0.9756代入精馏段操作线方程（2-2）式y2 =0.741 x1 +0.256=0.9789把y2 =0.9789代入相平衡线方程（2-1a）式得x2=0.9494同理可以计算精馏段下板数yx10.99000.975620.97890.949430.95950.905440.92590.834750.87450.73796080280.621970.71680.506480.63120.4018因为x8=0.40180.46,所以把x8=0.46代入提馏段操作方程线（2-4）Y9=1.3140.4018-0.0
12、072=0.5208利用相平衡线方程（2-1a）式得x9=0.3051同理可以计算提馏段如下板数yx90.52080.3051100.39370.1970110.25430.1211120.15190.0675130.08150.0346140.03830.0016所以，除去再沸器需要的理论总塔板数为13块板，其中精馏段为8块板，提馏段为5块板，进料位置为8号板。2.7实际塔板数的计算查文献2可知理论塔板数和实际塔板数的关系表示为 (2-5)式中 N实际塔板总数； NT理论塔板总数； ET全塔效率，本设计ET=0.52。由（2-5）式N=13/0.52=25(块)其中精馏段实际塔板数N1=8/
13、0.52=15(块)提馏段实际塔板数N2=5/0.52=10(块)在实际精馏塔中塔板总数为25块，其中精馏段有15块，提馏段有10块，进料位置为15号塔板。3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1工艺条件本设计的工艺条件数据见表3-1。表3-1 工艺条件数据物系苯-甲苯物系年处理量（300天）5万吨原料组成（苯的质量分数 下同）0.42馏出液组成0.99塔釜液组成0.02操作压力(KPa)4进料状况泡点进料操作回流比2Rmin单板压降(KPa)0.7全塔效率52%3.2苯和甲苯的性质查文献1苯和甲苯的物理性质见表3-2。表3-2 20苯和甲苯的物理性质名称分子量密度（kg/m3）沸点（）黏度（mPas）表面张力（N/m）苯（1）78.1187980.100.7370.0286甲苯（2）92.14867110.630.6750.02793.3操作压力的计算塔顶压力 PD=101.325+4=105.325KPa单板压降 P=0.7KPa进料板压力 PF=105.325+0.715=115.825KPa塔底压力 PW=105.325+
