【正文】 .............................................................. 41 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 1 Abstract This course is designed separation of benzene toluene of the dual system, through the sieve distillation column, condenser design, so that we have a preliminary design 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 2 of the basic chemical principles and methods. The design of the distillation unit, including distillation column, condenser and other equipment. Top condensate installations in the whole condensate, used to precisely control reflux ratio。 bottom with indirect steam heating, so as to provide adequate heat. 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 3 緒 論 精餾塔 （ fractionating column）是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。 關(guān)于各種類型塔板的介紹 主要的塔板型式有：泡罩塔板；浮閥塔板；篩孔塔板；舌形塔板（斜孔塔板）；網(wǎng)孔塔板；垂直浮閥；多降液管塔板；林德浮閥；無溢流塔板。 ⑴ 泡罩塔板 泡罩塔板的氣體通道是由升氣管和泡罩構(gòu)成的。升氣管是泡罩塔區(qū)別于其它塔板的主要結(jié)構(gòu)特征。這種結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，制造成本高，而且氣體通道曲 折多變、干板壓降達、液泛氣速低、生產(chǎn)能力小。 ⑵ 浮閥塔板 浮閥塔板是對泡罩塔板的改進，取消了升氣管，在塔板開孔上訪設(shè)置了浮閥，浮閥可根據(jù)氣體的流量自行調(diào)節(jié)開度。氣量較小時可避 免過多的漏液，氣量較大時可使氣速不致過高，降低了壓降。 ⑶ 篩孔塔板 篩孔塔板是最簡單的塔板，造價低廉，只要設(shè)計合理，其操作彈性是可以滿足生產(chǎn)需要的，目前已成為應(yīng)用最為廣泛的一種板型。 ⑷ 舌形塔板 舌形塔板是為了防止過量液沫夾帶而設(shè)計的一種塔型，由舌孔噴出的氣流方向近于水平，產(chǎn)生的液滴幾乎不具有向上的初速 度。同時從舌孔噴出的氣流，通過動量傳遞推動液體流動，降低了板上液層厚度和塔板壓降。 ⑸ 網(wǎng)孔塔板 網(wǎng)孔塔板采用沖有傾斜開孔的薄板制造，具有舌形塔板的特點，并易于加工。 ⑹ 垂直浮閥 垂直浮閥是在塔板上開有若干直徑為 100200mm 的大圓孔，孔上設(shè)置圓柱形泡罩，泡罩下緣于塔板有一定的間隙，泡罩側(cè)壁開有許多篩孔。氣流噴射方向是水平的，液滴在垂直方向的初速度為零，液沫夾帶量很小。 ⑺ 多降液管塔板 在普通浮閥上設(shè)置多根降液管以適應(yīng)大液體量的要求，降液管為懸掛式。 ⑻ 林德浮閥 林德浮閥是專為真空精餾設(shè)計的高效低壓降塔板，在整個浮閥上布置一定數(shù)量的導(dǎo)向斜孔，并在塔板入口處設(shè)置鼓泡促進裝置。 ⑼ 無溢流塔板 無溢流塔板是一種簡易塔板，只是一塊均勻開有一定縫隙或篩孔的圓形平板，無降液管，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 4 篩板精餾塔是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的汽液傳質(zhì)設(shè)備。 它的結(jié)構(gòu)特點是塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板和大孔徑篩板兩類。工業(yè)上以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場合（如分離難度大、易結(jié)焦的物系）。 篩板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu) 簡單，造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大，氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。 合理的設(shè)計和適當(dāng)?shù)牟僮髂軡M足要求的操作彈性，而且效率高。 篩板塔制造維修方便，相同條件下生產(chǎn)能力比泡罩塔高 10%— 15%，板效率亦約高 10%— 15%，而每板壓力降則低 30%左右，適用于真空蒸餾；塔板效率較高，但稍低于浮閥塔。具有較高的操作彈性，但稍低于泡罩塔。其缺點是小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液。 飽和蒸汽產(chǎn)品采出塔底物料采出進料 精餾框架簡圖 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 5 第 1 章 設(shè) 計 方 案 裝置流程的確定 蒸餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，蒸餾釜（再沸器），冷凝器，釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)。按過程按操作方式的不同，分為聯(lián)組整流和間歇蒸餾兩種流程。連續(xù)蒸餾有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活，適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合于小規(guī)模，多品種或多組分物系的初步分離。 蒸餾通過物料在塔內(nèi)的多次部分汽化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離，熱量自塔釜輸入，由冷凝器中的冷卻質(zhì) 將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定 裝置流程時應(yīng)考慮余熱的利用。譬如，用余料作為塔頂產(chǎn)品（或釜液產(chǎn)品）冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可以將原料預(yù)熱，又可以節(jié)約冷卻質(zhì)。 另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵這節(jié)送入塔原料外也可以用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響。 塔頂冷凝裝置可采用全冷凝器，分冷凝器兩種不同的設(shè)置。甲醇和水不反應(yīng)，且容易冷凝，故使用全凝器，用水冷凝。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高，無需進一步冷卻，此次分離也是希望得到甲醇，選用全凝器符合要求。 總之，確定流程時要較全面，合理地兼顧設(shè) 備，操作費用，操作控制及安全諸因素。 操作 壓 力的 選擇 蒸餾過程中按操作壓力不同，分為常壓蒸餾，減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般地， 除熱明性物系，凡通過常壓蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物 冷凝下來的物系，都能采用常壓蒸餾；對熱敏性物系或者混合物泡點過高的物系，則 宜采用減壓蒸餾；對常壓下餾出物冷凝溫度過低的物系，需提高塔壓或者采用深井水， 冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的物系必須采用加壓蒸餾。甲苯和苯在常壓下 就能夠分離出來，所以本實驗在常壓下操作就可以。 進 料 狀 況 的 選擇 進料狀況一般有冷液進料，泡點進料。對于冷液進料，當(dāng)組成一定時，流量一定對分離有利，節(jié)省加熱費用。采用泡點進料不僅對穩(wěn)定操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，設(shè)計上采用泡點進料。泡點進料時，基于恒摩爾流假定，精餾段和提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，故精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。 加 熱 方式的 選擇 加熱方式可分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱直接由塔底進入塔內(nèi)。由于重組分是水，故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下，塔底蒸汽回流液有稀釋作用，使理論 板數(shù)增加，費用增加。間接蒸汽加熱使通過加熱器使釡液部分汽化。上升蒸汽回流下來的冷液進行傳質(zhì)，其優(yōu)點是釜液部分汽化，維持原來的濃度，以減少理論塔吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 6 板數(shù)，其缺點是增加加熱裝置。本設(shè)計塔釡采用間接加熱蒸汽，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 回流比的 選擇 回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。其優(yōu)點是回流冷凝器無需支持結(jié)構(gòu)，其缺點是回流冷凝器回流控制較。如果需要較高的塔頂處理或塔板數(shù)較多時，回流冷凝器不宜安裝在塔頂。因為塔頂冷凝器不已安裝，檢修和清理。在這種情況下，可 采用強制回流，塔頂上蒸汽采用冷凝器冷卻以冷回流流入塔中。由于本次設(shè)計為小型塔，故采用重力回流。本設(shè)計物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比卻最小回流比的 2 倍。 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 7 第 2 章 工 藝 計 算 基 礎(chǔ)數(shù)據(jù) 汽液平衡時， t,x,y 數(shù)據(jù) 表 1 苯 — 甲苯汽液平衡數(shù)據(jù) 苯的摩爾分?jǐn)?shù) 溫度 ℃ 苯的摩爾分?jǐn)?shù) 溫度 ℃ 液相 氣相 液相 氣相 物料恒算 已知 F=65kmol/h, xF=, xD=, xW= 苯 的摩爾質(zhì)量 /AM kg kmol? 甲苯的摩爾質(zhì)量 /BM kg mol? 2. 物料衡算原料處理量 原料液 ： 70 /F kmo l h? 總物料 ： F D W?? 易揮發(fā)組分： F D WF x D x W x? ? ? ? ? 聯(lián)立求解得 ： 0 . 5 0 0 . 0 37 0 3 4 . 6 3 /0 . 9 8 0 . 0 3FWDWxxD F k m o l h? ?? ? ? ? ??? 35 .3 7 /W F D km ol h? ? ? 3. 塔頂、塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量 塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量 _39。 7 8 . 3 9 3 4 . 6 3 2 7 1 4 . 6 8 /DD M D k g h? ? ? ? ? 塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量： _39。 9 1 . 7 2 3 5 . 3 7 3 2 4 4 . 1 4 /WW M W k g h? ? ? ? ? 4. 物料衡算結(jié)果 表 2 物料衡算結(jié)果表 進料 塔頂出料 塔底出料 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 8 5. 塔頂氣相、液相，進料和塔底的溫度分別為： t VD 、 t LD 、 t F 、 t W 利用表中數(shù)據(jù) 由內(nèi)插法可求得 ： 塔頂 ： 9 8 . 0 9 5 . 01 0 0 9 5 . 0 0 . 2 8 1 . 2LD LDtt? ?? ??? ?℃ 1 0 0 9 8 . 0 8 0 . 2 0 0 9 7 . 9 8 0 . 2 8 1 . 2VD VDt t??? ? ?℃ 塔釜 ： 0 0 . 0 3 1 1 0 . 6 8 . 8 1 1 0 . 6 1 0 6 . 1WWt t??? ? ?℃ 進料 ： 7 0 . 0 5 9 . 2 8 6 . 6 8 9 . 4 0 . 0 5 9 . 2 8 9 . 4FF tt??? ? ?℃ 精 餾段平均溫度 ： 1 8 1 . 1 5 9 1 . 7 9 D Fttt ??? ? ? ℃ 提留段平均溫度： 2 1 1 0 . 5 8 9 1 . 7 9 ??? ? ? ℃ 6. 操作壓力 塔頂操作壓力 5 Pa? ? ? 每層塔板壓降 kPa? 進料 壓力 1 0 6 . 3 0 . 6 8 1 1 1 . 1Fp k P a? ? ? ? 精餾段平均壓力 (10 6. 3 11 1. 1 ) / 2 10 8. 7mp kP a? ? ? 7. 平均相對揮發(fā)度 取 xy 曲線上兩端下溫度 ? 的平均值 查氣 液平衡數(shù)據(jù)表 t=℃ 時， 1 ( 1 ) (1 )ABBAyx yxy x y x? ? ?? ? ??? t=℃ 時， 2 (1 ) (1 )yxyx? ???? 平 均 摩 爾 質(zhì) 量/(kg/kmol) 摩爾分?jǐn)?shù) / % 摩爾流量 /(kmol/h) 70 吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計 9 所以 12 2 . 7 9 2 . 4 5 22??? ? ?? ? ? 8. 回流比的確定 由苯 — 甲苯物系的汽液平衡數(shù)據(jù)可繪出 xy 圖，如圖 在圖中對角線上，自 F 點（ ， ）作垂線 FP 即為進料線（ q 線），該線與平衡線的交點