【正文】 1 2021年 3月 13日 西 北 師 范 大 學(xué) 化工原理課程設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2 一 概述 精餾 化工生產(chǎn)常需要進(jìn)行液體混合物的分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的?；ト芤后w混合物的分離方法有多種方法，精餾是其中最常用的一種。精餾的原理是利用液體混合物之間揮發(fā)度的差異， 本設(shè)計(jì)的題目是苯 — 甲苯二元物系板式精餾塔的設(shè)計(jì)，就是利用精餾的方法 。 塔設(shè)備 塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為板式塔和填料塔。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)目的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上 液層進(jìn)行質(zhì)熱傳遞，氣液相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上（也有并流向下者）與液相接觸進(jìn)行質(zhì)熱傳遞，氣液相組成沿塔高連續(xù)變化，屬微分接觸操作過程。根據(jù)要分離的液體混合物苯和甲苯二者沸點(diǎn)的不同，故選用塔式設(shè)備改變其溫度，使其分離并分別進(jìn)行回收和儲(chǔ)存。 液體混合物 — 苯和甲苯 苯的沸點(diǎn)為 ℃，熔點(diǎn)為 ℃，在常溫下是一種無色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯比水密度低，密度為 3mg，但其分子質(zhì)量比水重。苯難溶于水， 1 升水中最多溶解 苯；但 3 苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極性的無機(jī)分子的能力很強(qiáng)。 甲苯是最簡單，最重要的芳烴化合物之一。在空氣中，甲苯只能不完全燃燒，火焰呈黃色。甲苯的熔點(diǎn)為 95 ℃，沸點(diǎn)為 111 ℃。甲苯帶有一種特殊的芳香味（與苯的氣味類似），在常溫常壓下是一種無色透明，清澈如水的液，密度為 3mg，對光有很強(qiáng)的折射作用（折射率： ）。甲苯幾乎不溶于水 ( )，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多數(shù)其他常用有機(jī)溶劑中也有很好的溶解性。甲苯的粘性為 smpa? ，也就是說它的粘稠性弱于水。甲苯的熱值為 kgkJ g，閃點(diǎn)為 4 ℃，燃點(diǎn)為 535 ℃。如表 1 所示 表 1 苯和甲苯的物理性質(zhì) 項(xiàng)目 分子式 分子量 M 沸點(diǎn)（℃） 臨界溫度 ct（℃） 臨界壓強(qiáng) PC（ kpa ） 苯 A 66HC 78 甲苯 B 356 CHHC ? 92 二 設(shè)計(jì)方案簡介 由于板式塔所使用的塔板不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔等等，每種塔型都有優(yōu)缺點(diǎn)。對于本次設(shè)計(jì)要分離的液體混合物苯和甲苯，我選用篩板塔。理由是： 篩板塔的優(yōu)點(diǎn) ： 1） 篩板是在塔板上鉆有均布的篩孔，呈正三角形排列 。上升氣流經(jīng)篩孔分散、鼓泡通過板上液層，形成氣液密切接觸的泡沫層（或噴射 4 的液滴群）； 2） 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的 80％左右。 3） 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 10～ 15％。 4） 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 5） 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30％左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： 1） 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 2） 操作彈性較小 (約 2～ 3)。 3） 小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理粘性大的、臟的和帶固體粒子的料液。 雖然篩板塔也 有缺點(diǎn)，但設(shè)計(jì)良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性，對易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板，故在本設(shè)計(jì)中采用該種塔型。 三 設(shè)計(jì)方案的原則 確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)： 所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的 設(shè)計(jì)方案需 5 要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表 (如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等 )及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻 水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。 例如苯屬有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。 四 生產(chǎn)任務(wù) 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求如下： 6 1） 生產(chǎn)能力（精餾塔的進(jìn)料量）是： 18900 噸／年； 2） 操作周期 ： 7200 小時(shí)／年； 3） 進(jìn)料組成 ：苯含量 25％ （質(zhì)量分率，下同）； 4） 塔頂產(chǎn)品組成 ≥ 97％ ，塔底產(chǎn)品組成≤ 1% ； 5） 操作條件：塔頂操作壓力 （表壓）； 6） 進(jìn)料熱狀態(tài) ： 泡點(diǎn)進(jìn)料 ； 7） 兩側(cè)流體的壓降： ≯ kpa； 8） 工作地點(diǎn)：蘭州 五 塔體計(jì)算 設(shè)計(jì)方案的確定 (1） 精餾方式的選定 本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾操作方式，其特點(diǎn)是：連續(xù)精 餾過程是一個(gè)連續(xù)定態(tài)過程，能耗小于間歇精餾過程，易得純度高的產(chǎn)品。 （ 2） 加熱方式 本設(shè)計(jì)采用間接蒸汽加熱，加熱設(shè)備為再沸器。本設(shè)計(jì)不易利用直接蒸汽加熱，因?yàn)橹苯诱羝募尤?，對釜?nèi)溶液起一定稀釋作用，在進(jìn)料條件和產(chǎn)品純度，輕組分收率一定前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需在提餾段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求，從而又增加了生產(chǎn)的費(fèi)用，但也增加了間接加熱設(shè)備。 （ 3） 操作壓力的選取 7 本設(shè)計(jì)采用常壓操作。一般除了熱敏性物料以外，凡通過常壓蒸餾不難實(shí)現(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系統(tǒng)都應(yīng)采用常壓蒸餾。 （ 4） 回流比的選擇 除某些特殊體系（對于如乙醇水體系則要特殊處理）外，對于一般體系最小回流比的確定可按常規(guī)方法處理。該體系最小回流比minR 的求取應(yīng)通過精餾段操作線與平衡線相交得到，用計(jì)算法可用精餾段操作線方程與相平衡方程聯(lián)立求解，既得到交點(diǎn)。而適宜回流比 R 的確定，應(yīng)體現(xiàn)最佳回流比選定原則即裝置設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)之和最低，我們使用簡化方法計(jì)算各項(xiàng)費(fèi)用，從而確定回流比一般經(jīng)驗(yàn)值為 R=(～ ) minR 。本次篩板塔選用的回流比為 RR ? （ 5） 塔頂冷凝器的冷凝方式與冷卻介質(zhì)的選擇 塔頂冷卻介質(zhì)采用自來水，方便、實(shí)惠、經(jīng)濟(jì)。 （ 6） 板式塔的選擇 板式塔工藝尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容包括：板間距、塔徑、塔板型式、溢流裝置、塔板布置、流體力學(xué)性能校核、負(fù)荷性能圖以及塔高等。應(yīng)注意的是：塔板設(shè)計(jì)的任務(wù)是以流經(jīng)塔內(nèi)氣液的物流量、操作條件和系統(tǒng)物性為依據(jù)，確定具有良好性能（壓降小、彈性大 、效率高）的塔板結(jié)構(gòu)與尺寸。塔高的確定還與塔頂空間、塔底空間、進(jìn)料段高度以及開人孔數(shù)目的取值有關(guān)。 （ 7）關(guān)于附屬設(shè)備的設(shè)計(jì) 附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)主要有 ： 8 ① 熱量衡算求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負(fù)荷和所需的冷卻水用量；再沸器的熱負(fù)荷和所需的加熱蒸氣用量； ② 選定冷凝器和再沸器的型式求取所需的換熱面積并查閱換熱器標(biāo)準(zhǔn)，提出合適的換熱器型號； 篩板塔的物料衡算 原料液進(jìn)料量、塔頂、塔底摩爾分率 由于精餾過程的計(jì)算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，所以需要把設(shè)計(jì)要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為摩爾分?jǐn)?shù)，其過程如下： 原料液 進(jìn)料量 ： hF kg125037200 100090021t90021 ???? 年 又因?yàn)? 苯的摩爾質(zhì)量 m o lkgM A 78? 甲苯的摩爾質(zhì)量 m o lkgM B 92? 所以 ??????FX ??????DX塔頂?shù)哪柗謹(jǐn)?shù)：0 1 1 ??????WX塔底摩爾分?jǐn)?shù)： 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量? ? k m olkgM F ??????：原料液的平均摩爾質(zhì)量? ? k m olkgM D ??????塔頂?shù)钠骄栙|(zhì)量： 9 ? ? k m olkgM W ??????塔底的平均摩爾質(zhì)量： 物料衡算 原料處理量 hk m olF ??? 總物料衡算 WDF ?? 易揮發(fā)組分 WDF XWXDXF ????? hk m olW ?聯(lián)立兩式解得： hk m o lD ? 塔頂熱量衡算 表 2苯 — 甲苯的蒸發(fā)潛熱與臨界溫度 由： ( 1 ) ( )C V D L DQ R D I I? ? ? ? ? 其中 ( 1 )V D L D D V A D V BI I X H X H? ? ? ? ? ? ? ? 11()1 rVV rTHH T?? ? ? ? ? 則 : CtD ?? 時(shí) 苯 : 8 8) 7 (2 ???rT 8 8) 7 (1 ???rT 蒸發(fā)潛熱0 . 3 8 0 . 3 822111 1 1 . 2 3( ) 3 9 4 ( ) 4 0 0 . 7 1 /1 1 1 . 2 2rVVrTH H k J k gT? ?? ? ? ? ? ? ??? 物質(zhì) 沸點(diǎn) 0C 蒸發(fā)潛熱 KJ/Kg 臨界溫度 TC/K 苯 394 甲苯 363 10 甲苯 : 1 8) 7 (2 ???rT 1 8) 7 1 0(1 ???rT 蒸發(fā)潛熱 : 0 . 3 8 0 . 3 822111 1 1 . 1 1( ) 3 6 3 ( ) 2 8 9 . 2 3 /1 1 1 . 2rVV rTH H k J k gT? ?? ? ? ? ? ? ??? m olkgM D ?因?yàn)椋簁gkJDMD D , ?????所以： ( 1 )V D L D D V A D V BI I X H X H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ( 1 ) ( )C V D L DQ R D I I? ? ? ? ? )( ?????? 塔底熱量衡算 ( 1 ) ( )C V D L DQ R D I I? ? ? ? ? 其中 ( 1 )V D L D D V A D V BI I X H X H? ? ? ? ? ? ? ? 11()1 rVV rTHH T?? ? ? ? ? 則 : Ctw 0105? 8 8) 7 0 8(2 ???rT苯： 8 8) 7 (1 ???rT )11(1222rrvv TTHH ??????蒸發(fā)潛熱： ) (394 ???? 11 ? 甲苯 : 1 9 9 )(2 ???rT )(1 ???rT )11(1222 rrvv TTHH ??????蒸發(fā)潛熱： )204 199 (363 ???? ? m olkgM w ?因?yàn)椋簁gkJWMD w , ????? 12)1( vwwLv HXHXII ww