化工原理—化工设备机械基础课程计划设计任务书.doc

|化工原理化工设备机械基础 课程设计任务书-4专业 化工 班级 设计人 一、 设计题目： 苯甲苯 精馏分离换热器设计 二、设计任务及操作条件 1、 设计任务： 生产能力（进料量） 90000 吨年 操作周期 7200 小时年 进料组成 25 （质量分率，下同） 塔顶产品组成 96 塔底产品组成 2% 2、 操作条件 塔顶操作压力 自 选 （表压） 进料热状态 自 选 两侧流体的压降： 7 kPa 3、 设备型式 自 选 4、 厂 址 重 庆 地 区 三、设计内容： 1、设计方案的选择及流程说明 2、工艺计算 3、主要设备工艺尺寸设计 （1） 冷凝器和再沸 器结构尺寸的确定 （2）传热面积、两侧流体压降校核 （3）接管尺寸的确定 4、辅助设备选型与计算 5、设计结果汇总 6、工艺流程图及换热器工艺条件图 7、设计评述 |推荐教材及主要参考书：1.王国胜, 裴世红，孙怀宇. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，20052. 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，2002.3、马江权，冷一欣. 化工原理课程设计. 北京：中国石化出版社，2009.4、 化工工艺设计手册 ，上、下册;5、 化学工程设计手册 ；上、下册;6、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-塔设备；化学工业出版社：北京. 2004，017、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-换热器；化学工业出版社：北京. 2004，018、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-管道；化学工业出版社：北京. 2004，019. 陈敏恒. 化工原理(第三版). 北京：化学工业出版社|1.设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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人精馏塔内。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，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。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。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为 38mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：( ) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的 60，为浮阀塔的 80左右。( ) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 1015。( ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。( ) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30左右。筛板塔的缺点是：( ) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。( ) 操作弹性较小 (约 23) 。() 小孔筛板容易堵塞。表 1 苯和甲苯的物理性质项目 分子式 分子量 M 沸点（） 临界温度 tC（） 临界压强PC（kPa）苯 A甲苯 BC6H6C6H5CH378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7表 2 组分的液相密度(1： 附录图 8)382P温度() 80 90 100 110 120苯,kg/ 3m甲苯,kg/8148098058017917917787807637682.工艺计算(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 |甲苯的摩尔质量 0.25/78.10.28.9.3Fx6.6.94D0278.10.23.9Wx（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 .8.1FMkgmol0967810349275D.23.W kl（3）物料衡算原料处理量 9014.768.*2Fmolh总物料衡算 141.76=DW苯物料衡算 141.76×0.2820.966D0.023 W联立解得 D38.94kmolhW=102.82kmolh式中 F-原料液流量D-塔顶产品量W-塔底产品量3塔板数的确定 （1）理论板层数 NT 的求取 苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出 x y 图，见下图|求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点 e（0.282,0.282）作对角线的垂线 ef 即为进料线(q 线)，该线与平衡线的交点坐标为 0.431 , 0.237（此时 q=1）qyqx故最小回流比为 min0.96.4312.76qDyR取操作回流比为 in1.5.求精馏塔的气、液相负荷 4.38.96.0LRDkolh(1)54215Vm(泡点进料：q=1)' ()(.)38.9420.15/qFkolh' .38976LRD求操作线方程 精馏段操作线方程为|10.85.1791DnnnxRyx提馏段操作线方程为 '1''.3.mwmLWxV（2）逐板法求理论板又根据 可解得min(1)dDFfxR=2.203 相平衡方程2.031()1xxy= 0.966 1Dyx111 =0.961()2.3()yxy2110.85.790.6dR22 .20()xyy320.85.79.2yx330.85(1)xy43.10.8644 .762()y540.8.79.yx55 0.4(1)xy65.10.866 .2()y760.8.79.yx 77 0.415()x87.5.10.5288 .3()y980.9.4yx 99 0.274(1)xyy|因为 精馏段理论板 n=89xf'10.274由计算可知 < < 所以提留段理论板数 n=1'xw'1全塔效率的计算（查表得各组分黏度 =0.269， =0.277）1212()0.8.69(0.28).70.5mFFx0.76lgTmE17lg45%捷算法求理论板数min1/l()19.8.98WDmxN由公式 0.54827.40.2743/YXmin-6.1.RX代入 Y=0.488由 min0.3165,2NNmin,11/l()14.925DFx0.974.2.l()().精馏段实际板层数 5/0.52=9.6 10,提馏段实际板层数 4/0.52=7.698进料板在第 11 块板4.主要设备工艺尺寸设计|（1）操作压力计算 塔顶操作压力 93.2 kPaDP塔底操作压力 =109.4 kPaw每层塔板压降 P 0.9 kPa进料板压力 93.20.9×10102.2kPaFP精馏段平均压力 P m （93.2102.2）297.7 kPa提馏段平均压力 P m =（109.4+102.2）/2 =105.8 kPa（2）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，其中苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下： 塔顶温度 82.7Dt进料板温度 94.2 F塔底温度 =105.1wt精馏段平均温度 =（ 82.794.2）/2 = 88.45mt提馏段平均温度 =（94.2+105.1）/2 =99.65t（3）平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由 = 0.966,代入相平衡方程得 =0.9281Dyx1x,0.9287.1(0.928).379.2LmMkgmol,6685VD进料板平均摩尔质量计算 |由上面理论的算法，得 =0.282 =0.464FxFy,0.4678.1(0.46)92.1385.6VFmMkgmol,2L塔底平均摩尔质量计算由 ,由相平衡方程，得 =0.0490.23Wxym,.4978.1(0.49)2.13.4VmMkgmol,0.23.(.).8Lw l精馏段平均摩尔质量 ,78.59.682.10Vmkgmolkgol,.12.3.65LMll提馏段平均摩尔质量 ,85.6291.48.53Vmkgmolkgol,.+.90.LMll（4）平均密度计算 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即 , 3, 97.8210.67.34(5.4)mvvPkgmRT提馏段的平均气相密度 ,' 3, 105.83.02.34(279.65)mvvPMkgmRT|液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算 由 82.7，查手册得 Dt33812.7,806.7ABkgmkg塔顶液相的质量分率 0.9.1.90.678234A,1.87.6301LDmkgol进料板液相平均密度的计算 由 94.2，查手册得 Ft3379.1,796.0ABkgmkg进料板液相的质量分率 0.28.1.25.38A, ,1.579./769.076.31LFmLFmkgol塔底液相平均密度的计算 由 =105.1，查手册得 wt33786.1,785.2ABkgmkg塔底液相的质量分率 0.2.10.378937A, ,1./6./85.285.2LwmLwmkgol精馏段液相平均密度为