正己烷-正庚烷分离过程筛板精馏塔课程设计- 副本 - 图文

课程设计说明书

题目: 分离正戊烷-正己烷用筛板精馏塔设计

院 系： 机械工程学院 专业班级： 过控11-1 学 号： 2011301936 学生姓名： 冒鹏飞 指导教师： 李雪斌

2013 年 12 月30 日

目录

第一部分 概述 .............................................................................................................................................. 2 一、设计目标................................................................................................................................................ 2 二、设计任务................................................................................................................................................ 2 三、设计条件................................................................................................................................................ 2 四、设计内容................................................................................................................................................ 3 五、工艺流程图 .............................................................................................................................................. 3 第二部分 工艺设计计算 ...................................................................................................................................... 4 一、设计方案的确定 .......................................................................................................................................... 4 二、精馏塔的物料衡算 ........................................................................................................................................ 4 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 ........................................................................................................................... 4 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量和质量分数 ............................................................................................................. 4 3.物料衡算原料处理量 ........................................................................................................................................ 5 三、塔板数的确定 ............................................................................................................................................ 5

1.理论板层数

NT的求取 ................................................................................................................................... 5

2.全塔效率

ET ........................................................................................................................................... 6

3.实际板层数的求取 .......................................................................................................................................... 7 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 ..................................................................................................................... 7 1.操作压强计算 .............................................................................................................................................. 7 2.操作温度计算 .............................................................................................................................................. 7 3.平均摩尔质量计算 .......................................................................................................................................... 7 4.平均密度计算 .............................................................................................................................................. 8 5.液相平均表面张力计算 ...................................................................................................................................... 9 6.液相平均粘度计算 .......................................................................................................................................... 9 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ............................................................................................................................... 10 1.塔径的计算............................................................................................................................................... 10 2.精馏塔的有效高度的计算 ................................................................................................................................... 11 六、塔板主要工艺尺寸的计算 ................................................................................................................................. 11 1.溢流装臵计算 ............................................................................................................................................. 11 2.塔板布臵 ................................................................................................................................................ 13

3.筛孔数

n与开孔率? ................................................................................................................................... 13

hP ...................................................................................................................... 14

七、筛板的流体力学验算 ..................................................................................................................................... 14

1.气体通过筛板压降相当的液柱高度

2.雾沫夹带量

eV的验算.................................................................................................................................... 15

3.漏液的验算............................................................................................................................................... 15 4.液泛验算 ................................................................................................................................................ 16 八、塔板负荷性能图 ......................................................................................................................................... 16 1.漏液线 .................................................................................................................................................. 16 2.雾沫夹带线............................................................................................................................................... 17 3.液相负荷下限线 ........................................................................................................................................... 18

1

4.液相负荷上限线 ........................................................................................................................................... 18 5.液泛线 .................................................................................................................................................. 18 6. 操作线 ................................................................................................................................................. 20 九、设计一览表 ............................................................................................................................................. 20 十、操作方案的说明： ....................................................................................................................................... 22 附表 ...................................................................................................................................................... 22 总结 ...................................................................................................................................................... 24 参考文献 ................................................................................................................................... 错误！未定义书签。

第一部分 概述

一、设计目标

分离正己烷-正庚烷（正戊烷-正己烷）混合液的筛板式精馏塔设计

二、设计任务

试设计分离正己烷-正庚烷（正戊烷-正己烷）混合物的筛板精馏塔。精馏分离含正己烷30%（正戊烷60%）的正己烷-正庚烷（正戊烷-正己烷）混合液，要求塔顶馏岀液中含正己烷（正戊烷）不小于96%，塔底釜液中含正己烷不高于2%（正己烷96%）。（以上均为质量分数）年处理量为2.3万吨正己烷-正庚烷混合液（3.5万吨正戊烷-正己烷）。

三、设计条件

操作压力 进料热状况 回流比与最小回流比比值 1.5 单板压降 全塔效率 4kPa（塔顶表压） 气液混合进料 ?0.7kPa ET?54% 2

四、设计内容

编制一份设计说明书，主要内容包括：

1、设计任务。2、塔的工艺计算：包括全塔物料衡算、塔底及塔顶温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔的理论板数、实际板数。3、塔的结构设计：包括塔高、塔径、降液管、溢流堰、开孔数及开孔率。4、塔板流体力学验算。5、塔板负荷性能图。6、撰写设备结果一览表。7、绘制精馏塔的设备图。8、设计感想、设计评价。9、参考文献。

五、工艺流程图

精馏装臵包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器。釜液冷却器和产品冷凝器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分汽化与与部分冷凝器进行精馏分离，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，为此，在确定流程装臵时应考虑余热的利用，注意节能。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外，也可以采用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。

原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设臵原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设臵高位槽。且在适当位臵设臵必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。

塔顶冷凝装臵根据生产状况以决定采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装臵使用气态物料，则宜用全分凝器。总而言之确定流程时要较全面，合理兼设

的顾

3

备，操作费用操作控制及安全因素。

连续精馏操作流程图

第二部分 工艺设计计算

一、设计方案的确定

本设计任务书为分离正己烷-正庚烷混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用气-液混合进料，将原料液通过预热器加热至83℃后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。

二、精馏塔的物料衡算

1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数

正己烷的摩尔质量 MA=86.17kg/mol 正庚烷的摩尔质量 MB=100.21kg/mol 原料处理量为： F?2.3?10000000?3194kg/h

300?24

2.原料液及塔顶、塔底产品含正己烷摩尔分数和平均相对分子质量

30/86.17?0.322

30/86.17?(1?30)/100.21 x xF?D?96/86.17?0.92

96/86.17?(1?96)?100.21 xW?2/86.17 1?0.0232/86.17?(1?2)/100.21 MF=0.322?86.17+ (1-0.322)?100.21=95.68kg/kmol MD=0.965?86.17+ (1-0.965)?100.21=86.66kg/kmol MW=0.0231?86.17+ (1-0.0231)?100.21=99.88kg/kmol

4

3.物料衡算原料处理量

总物料衡算 D＇+W＇＝3194

正己烷物料衡算0.96Ｄ＇+ 0.02Ｗ＇＝0.3?3194

联立解得 D＇= 951.4kｇ/h，W＇= 2242.6 kｇ/h，Ｆ＇＝ 3194kg/h

F=3194/95.68= 33.38 kmol/h,

D=951.4/86.66= 10.93kmol/h,

W=2242.6/99.88= 22.45kmol/h

三、塔板数的确定

1.理论板层数NT的求取

①正己烷-正庚烷物系的气液平衡数据，查表2

②求相对挥发度和q值

设t=81.5℃，查图的x=0.357，y=0.634，xf=0.322 代入y?qxqq?1?xfq?1的q=0.9

y1a?（1-x）x1-y，

a1?2.97,a2?3.03,a3?3.054,a43.106,a5?3.109,a6?3.12,a7?3.15,a8?3.2,a9?3.26am?a1a2a3...a9?3.1 ?平衡方程为y?3.1x

1?2.1x联立q线方程和平衡方程的： 3最小回流比 ○

联立q线方程和平衡方程的：x?0.29，y?0.56

最小回流比为：Rmin=

xD-yqyq-xq=

0.965?0.56=1.5

0.56-0.29 取操作回流比为： R?1.6Rmin?1.6?1.5?2.4

④求操作线方程

5

相平衡方程： xn?提馏段操作线方程：

yn

3.1-2.1ynX-X?1.66x-0.015 yn?1?nn(R?1)D?(1?q)F(R?1)D?(1?q)FwRD?qFF?D精馏段操作线方程： yn?1?xR2.40.965xn?D?xn??0.7058xn?0.2838 R?1R?13.43.4⑤逐板计算法求理论板层数

精馏段操作线计算

y1?xD?0.965,x1?0.8989y2?0.9182,x2?0.7853y3?0.8368,x3?0.6232y4?0.7237,x4?0.4579y5?0.6070,x5?0.332y6?0.5185,x6?0.2578?0.322

提馏段操作线计算

y7?0.4129,x7?0.1849y8?0.2919,x8?0.1173 y9?0.1798,x9?0.066y10?0.0946,x100.0326y11?0.03912,x11?0.0129?xw

总理论板层数NT?(11?1)?10层，进料板是第块六板

2.全塔效率ET

T顶?T进269.5?96?82.75度 2 ET?0.17-0.616lg?m，T??根据塔顶、塔底液相组成查图，求得平均温度为82.75度，该温度下进料液相平均黏度为

?m?0.322?正己烷?(1?0.322)?正庚烷?0.322?0.21?0.678?0.188?0.195(mPa?s)

故 ET?0.17?0.616lg0.296?0.54

6

3.实际板层数的求取

精馏段实际板层数：N精? 提馏段实际板层数：N提6 ?12（层）0.544 ??（层）80.54四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

1.操作压强计算

塔顶操作压强 pD?101.3?4?105.3kpa 每层塔板压降 ?p?0.7kpa

进料板压强 pF?105.3?0.7?12?113.7kpa 塔底压强 pw?pF?20?0.7?127.7kpa 提馏段平均压强 pm?(113.7?127.7)/2?120.7kpa 精馏段平均压强 pm?105.3?pw?127.7kpa 22.操作温度计算

依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中正己烷、正庚烷的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下:

塔顶温度TD=69 ℃ 进料板温度TF=83℃,塔釜TW=96.5℃

69.5?83精馏段平均温度 T??76.25?C

283?96.5提馏段平均温度 T??89.75?C

23.平均摩尔质量计算

⑴塔顶摩尔质量计算：由xD?y1?0.965 查表得：x1?0.915 MVDm?0.965?86.17?(1?0.965)100.21?86.66kg/kmol MLDm?0.915?86.17?(1?0.915)?100.21?87.36kg/koml

7

⑵进料板平均摩尔质量计算

由计算，得yF?0.5185 查平衡曲线，得xF?0.2578

MVFm?0.5185?86.17?(1?0.5185)?100.21?92.98kg/kmol MLFm?0.2578?86.17?(1?0.2578)?100.21?96.59kg/kmol ⑶精馏段平均摩尔质量

M86.66?92.98Vm?2?89.82kg/kmol

M87.36?96.59Lm?2?91.976kg/kmol

提馏段

塔底摩尔质量计算：由xw?y1?0.023 查表得：x1?0.021

MVDm?0.023?86.17?(1?0.023)100.21?99.88kg/kmol MLDm?0.021?86.17?(1?0.021)?100.21?99.92kg/koml

（4）提馏段平均摩尔质量

M99.88?92.98Vm?2?96.43kg/kmol

MLm?99.92?96.592?98.25kg/kmol

4.平均密度计算

⑴气相平均密度计算

由理想气体状态方程计算，即

?PMm精89.82mV?RT?120.7?8.314?(76.25?273.15)?3.73kg/m3

⑵液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算：

1???ai/?i

Lm ①塔顶液相平均密度计算：

由TD=69.5℃，查附表得?lA?610kg/m3 ?lB?640.5kg/m3

?1LmD?0.96610?0.04640.5?813.1kg/m3

②进料板液相平均密度计算

8

由TF=83℃，查附表得 ?A?597.5kg/m3 ?B?628.3kg/m3 ?LmF? ③精馏段液相平均密度为 ?Lm?611.16?618.73?614.95kg/m3

21?618.73kg/m3

0.3597.5?0.7628.73 5.液相平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算，即

xi??i ?Lm?i??1n （1）塔顶液相平均表面张力计算

由TD=69.5 ℃，查附表得 ?A?13.03mN/m ?B?15.23mN/m ?m顶?0.965?13.03?(1?0.965)?15.23?13.11mN/m （2）进料板液相平均表面张力计算

由TF=83℃，查附表得 ?A?11.46mN/m ?B?14.1mN/m ?m进?0.322?11.46?(1?0.322)?14.1?13.25mN/m （3）精馏段液相平均表面张力为：

13.11?13.25 ?m??13.18mN/m

2 6.液相平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算：

?Lm??xi?i

i?1n （1）塔顶液相平均粘度计算

由TD=69.5 ℃，查附表得 ?A?0.342mPa?s ?B?0.264mPa?s ?L顶?0.965?0.342?(1?0.965)?0.264?0.339mPa?s （2）进料板液相平均粘度计算

由TF=83℃，查附表得 ?A?0.304mPa?s ?B?0.234mPa?s

?L进?0.322?0.304?(1?0.322)?0.234?0.257mPa?s

9

由图查取板上液层充气系数?0?0.61 h1??0hL??0(hW?hOW)?0.0366 ⑶克服液体表面张力压降相当的液柱高度h?

依式 h4?4?13.18?10?3 ?????0.0017m Lgd0614.95?9.81?0.005 气体通过每层塔板的液柱高度hP可按下式计算： hP?0.018?0.0366?0.0017?0.0563m 气体通过每层塔板的压降为：

?PP?hp?Lg?0.0563?614.95?9.81?339.64Pa?0.7kPa（设计允许值）

2.雾沫夹带量eV的验算

?6 e5.7?10V??(uaH)3.2

T?hf ?5.7?10?60.513.13.18?10?3(0.3?2.5?0.0366)2 ?0.0076kg液/kg干气?0.1kg液/kg干气 故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。

3.漏液的验算

对筛板塔，漏液点气速uOW可由式（5-25）计算：

uOW?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L/?v

?3.77m/s 稳定系数为 K?u0u?6.0477?1.6(?1.5) OW3. 故在本设计中无明显漏液。

15

4.液泛验算

为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从如下关系： Hd??(HT?hw) 依式计算，即Hd?hp?hL?hd hd?0.153(LS20.0086)?0.153()2?0.0009796m lw?h01.518?0.0708 Hd?hP?hL?hd?0.0563?0.06?0.0009796?0.117m 正己烷-正庚烷物系属一般物系，取??0.5，则 ?(HT?HW)?0.5(0.3?0.038)?0.169m 故Hd??(HT?HW)，在设计负荷下不会发生泛液。

根据以上塔板的各项流体力学的验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是

合适的。

八、塔板负荷性能图

1.漏液线

漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。

uOW?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L/?V

uOW2 Vs，min?，hL?hw?how?0.05?0.704LS3A0 代入原式得

VS,minA02??614.95?4.4?0.78?0.0056?0.13(0.0504?0.704LS3)?0.0017?

3.73?? 已算出A0?0.326m2，代入整理得

VS,min?3.4320.0104?0.09152LS

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表。

23 16

此表数漏液线

Ls/(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 Vs/(m3/s) 0.36 0.37 0.38 0.39 由

据即可作出（4）。

2.雾沫夹带线

当气相负荷超过此线时，液沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制ev≤0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下: ev?5.7?10?6?(ua)3.2

HT?hf 由 ua?VSVS??0.259VS

AT?Af4.1548?0.32?3600LS3??3)? hf?2.5(hW?hOW)?2.5?hW?2.84?10E(lW?? 近似取E?1.0，hW?0.038m，lW?1.518m

22???33600LS3)??0.095?1.26LS3 hf?2.5?0.038?2.84?10(1.518?? 取雾沫夹带极限值eV?0.1kg液/kg干气，已知??13.18?10?3N/m，

HT?0.3m，代入原式得：

0.259VS5.76?10?63.2 0.1? ()?3213.18?100.3?0.095?1.26L3S 整理得 VS?4.32?26.57LS

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表。

数据夹带

Ls/(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 23Vs/(m3/s) 4.13 3.97 3.76 3.59 由此表即可作出液沫线（1）.

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3.液相负荷下限线

液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。 对于平直堰，取堰上液层高度how?0.006m作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得

how2.843600LS,min3?E() 1000lW222.843600LS,min3() 取E=1，则 0.006?10001.518 整理上式得 LS,min?12.94?10?4m3/s

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（5）。

4.液相负荷上限线

该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。

以??4s作为液体在浆液管中停留时间的下限，由式（5-9）得 LS,max?HT?Af??0.3?0.3?0.0225m3/s 4 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线（3）。

5.液泛线

若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd

联立式得 ?(HT?hW)?hP?hW?hOW?hd 近似取E?1.0，lW?1.518m，由式 hOW3600LS33600LS3?2.84?10E()?2.84?10?3()

lW1.518?322 故 hOW?0.505LS

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23

hP?hC?h1?h? hC?0.051(u02?VV?)()?0.051(S)2V C0?LC0A0?L2 ?0.00478VS

h1??0(hW?hOW)?0.6(0.038?0.505LS)?0.0228?0.303LS h??0.0017（已算出）

故 hP?0.00478VS?0.0228?0.303LS?0.0017 ?0.00478?0.0245VS?0.303LS hd?0.153(LSLS2)2?0.153()2?13.245LS lW?h01.518?0.07082232232323将HT?0.3m、hW?0.038m、??0.5以及以上式代入得：

20.5(0.3?0.038)?0.0245?0.00478VS?0.303LS?0.0504?0.505LS?13.245LS

22323整理得下式：

35.35?169.03Ls?2770.92Ls2?Vs2

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于下表：

据即泛线

Ls/(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 23Vs/(m3/s) 6.32 6.23 6.12 6.04 由此表数可作出液(2)

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