5万吨的轻苯板式塔精馏工艺设计.docx

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5万吨的轻苯板式塔精馏工艺设计

课程设计

题目：

5万吨/a的轻苯板式塔精馏工艺设计

1.工艺设计说明书--------------------------------------------------------3

1．1概述---------------------------------------------------3

1.1.1精馏技术的特点---------------------------------------------3

1.1.2项目承担单位概述-------------------------------------------3

1．2生产规模及产品质量要求---------------------------------3

1．3生产制度及开工时数说明---------------------------------3

1．4生产工艺概述-------------------------------------------3

1．5产安全技术---------------------------------------------3

1．6境保护及治理说明---------------------------------------3

1.6.1污染物产生的原因-------------------------------------------3

1.6.2处理方法及措施---------------------------------------------3

2工艺设计（计算）------------------------------------------------------4

2.1物料衡算----------------------------------------------------------------------4

2.1.1原料、中间产品、产品的物料总说明-------------------------------------4

2.1.2单元操作的物料衡算----------------------------------------------------------------4

2.2能量衡算-----------------------------------------------------------------------11

2.2.1塔1能量衡算------------------------------------------------------------------------11

2.2.2.塔2能量衡算-----------------------------------------------------------------------12

3.主要设备计算（精馏塔）----------------------------------------------13

3.1塔径的计算（塔1）---------------------------------------------------------13

3.1.1平均密度ρm-------------------------------------------------------------------------13

3.1.2液体表面张力---------------------------------------------------------------------14

3.1.3塔板工艺尺寸计算--------------------------------------------------------------------14

3.1.4塔板流体力学校核--------------------------------------------------------------16

3.1.5塔板负荷性触图-----------------------------------------------------------------------17

3.2塔径的计算（塔2）---------------------------------------------------------19

3.2.1平均密度ρm-------------------------------------------------------------------------19

3.2.2液体表面张力---------------------------------------------------------------------20

3.2.3塔板工艺尺寸计算--------------------------------------------------------------------20

3.2.4塔板流体力学校核--------------------------------------------------------------21

3.2.5塔板负荷性触图-----------------------------------------------------------------------22

4．精馏塔的附属设备及接管尺寸----------------------------------------25

4．1塔体总结构--------------------------------------------------------------------25

4.1.1塔1的结构设计---------------------------------------------------------------------25

4.1.2塔2的结构设计---------------------------------------------------------------------25

4．2冷凝器-------------------------------------------------------------------------25

4．3再沸器-------------------------------------------------------------------------25

4．4塔的主要接管-----------------------------------------------------------------25

4.4.1塔顶蒸汽出口管径------------------------------------------------------------------25

4.4.2回流液管径-----------------------------------------------------------------------------25

4.4.3进料管----------------------------------------------------------------------------------26

4.4.4出料管----------------------------------------------------------------------------------26

4.4.5饱和水蒸气管径----------------------------------------------------------------------26

4.5泵的选型及计算----------------------------------------------------------------26

5.参考文献---------------------------------------------28

1．工艺设计说明书

1．1概述

1．1．1精馏技术的特点

对于“三苯”的混合物，采用板式精馏装置，经多次部分汽化，多次部分冷凝，通过两个精馏塔，得到高纯度的产品。

1．1．2项目承担单位概述

上海南大化工厂隶属于中国五百家税利大户之一有限公司。

位于宝山区内，东临沪太路，西处祁连山路沪嘉高速公路的出口处，南临全国最大的化学品火车站。

距市中心约10公里，交通运输非常便利。

　　本厂创建于1958年，经过四十多年的发展，现全厂占地24000多平方米，建筑面积13000多平方米。

生产能力达万吨以上，产品规格齐全，质量上乘。

本厂具有健全的质量保证体系，已于2003年6月通过ISO9001:

2000质量体系认证。

1．2生产规模及产品质量要求

生产规模：

年产5万吨

产品质量要求：

苯纯度不小于99.9%,甲苯纯度不小于99.8%,二甲苯纯度不小于99.5%

1．3生产制度及开工时数说明

生产制度：

连续运转（四班三运转，每班工作8小时）

开工时数：

每年工作8000小时

1．4生产工艺概述

常压操作，本，甲苯，二甲苯的混合物在20摄氏度进料，通过塔1，在塔顶馏出高纯度的苯，而剩余混合液做为塔釜馏出液，进入塔2，经过精馏，在塔顶得到高纯度的甲苯，而在塔釜得到二甲苯。

1．5产安全技术

我们要加强防治，与”三苯”有关联的生产场地，应加强通风和排毒，安装全面通风设施，及时输入新鲜空气。

应对环境空气中的苯浓度定期进行监测，国家卫生标准为40mg/立方米。

凡从事苯作业的工人应做就业前的体检，在职工人每年体检一次，检查白细胞计数和血红蛋白定量。

必要时可做血小板计数、白细胞分类和骨髓象检查。

制定安全规章制度，增工作人员的安全意识。

1．6境保护及治理说明

1．6．1污染物产生的原因

苯是无色透明的易挥发液体，有强烈的芳香味,有毒。

接触过量的苯可发生苯中毒。

在苯及衍生物的生产制造业以及以苯作为溶剂的造漆、喷漆、橡胶粘合、染料中间体制造、有机合成及皮革粘合等行业中可出现苯中毒患者。

苯蒸气比空气重，不溶于水而溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂，与空气形成爆炸性混和物。

二甲苯易燃，有爆炸危险。

1．6．2处理方法及措施

提供良好的通风设备、防护服装和呼吸器。

移去热源和火源。

用干黏土、黄沙或其他吸收物吸收液体。

废料可在被批准的溶剂焚化炉中烧掉或在被指定的地方作深埋处理，严格遵守环境保护法规。

2工艺设计（计算）

2.1物料衡算

2.1.1原料、中间产品、产品的物料总说明

原料处理能力：

5万吨/a

原料组成：

苯的摩尔分数为0.52；甲苯的摩尔分数为0.35；二甲苯的摩尔分数为0.13

进料温度：

20℃

常压操作：

101.325kpa

分离要求：

一塔塔顶甲苯含量不大于0.1％；一塔塔底甲苯含量不大于0.2％

二塔塔顶二甲苯含量不大于0.1％；二塔塔底二甲苯含量不大于0.5％

2.1.2单元操作的物料衡算

B（A,C）

A（B）

A,B,C

C（B）

（A）B,C

M（苯）=78.108M（甲苯）=92.134M（二甲苯）=106.16

F1=5万吨/a=6.25×10^3kg/h=6.25*10^3/（78.108*0.52+92.314*0.35+106.16*0.13）

＝72.12kmol/h

㈠对塔⑴物料衡算

已知：

F1=72.12kmol/h;XFA1=0.52;XFB1=0.35;XFC1=0.13;yA1=0.999;yB1=0.001;

XA1=0.002

求：

XB1;XC1;D1;W1

解：

由物料衡算可得：

总物料衡算式：

F1=D1+W1

轻组分衡算式：

F1*xFA1=D1*yA1+w1*xA1

F1*xFB1=D1*yB1+w1*xB1

F1*xFC1=w1*xC1

代数得：

72.12=D1+W1

72.12*0.52=D1*0.999+W1*0.002

72.12*0.35=D1*0.001+W1*xC1

解得：

W1=34.65kmol/h

D1=37.47kmol/h

XC1=27.06%

XB1=72.74%

㈡对塔⑵物料衡算

已知：

W1=34.65;XA1=0.002;XB1=0.7274;XC1=0.2706;yC2=0.001;XB2=0.005;

XC2=0.995

求：

yB2;W2;D2;yA2

解：

由物料衡算式可得

总物料衡算式：

W1=D2+W2

轻组分衡算式：

W1*XA1=D2*yA2

W1*XB1=D2*yB2+W2*XB2

W1*XC1=D2*yC2+W2*XC2

代数得：

34.65=D2+W2

34.65*0.002=D2*yA2

34.65*0.7274=D2*yB2+W2*0.005

34.65*0.2706=D2*0.001+W2*0.995

解得：

D2=25.25kmol/h

W2=9.4kmol/h

yB2=99.63%

yA2=0.27%

㈢物料衡算汇总：

物料衡算塔1汇总表

组分

进料

塔顶溜出物

塔底溜出物

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

37.50

0.52

2929

0.4686

37.43

0.999

2923

0.9986

0.07

0.002

0.0015

25.24

0.35

2325

0.3720

0.04

0.001

0.0014

25.20

0.7274

2322

0.6988

9.38

0.13

996

0.1594

9.38

0.2706

996

0.2997

总计

72.12

6250

37.47

2927

34.65

3323

表1

物料衡算塔2汇总表

组分

进料

塔顶溜出物

塔底溜出物

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

流量

kmol/h

摩尔分数

流量

kg/h

质量分数

0.07

0.002

0.0015

0.0682

0.0027

5.33

0.0023

25.20

0.7274

2322

0.6988

25.156

0.9963

2317.72

0.9965

0.047

0.005

3.7

0.0043

9.38

0.2706

996

0.2997

0.0252

0.001

2.68

0.0012

9.353

0.995

861.2

0.9957

总计

34.65

3323

25.25

2325.73

9.40

864.9

表2

㈣泡点和露点的计算

根据安托因方程（注①），纯组分的蒸汽压为：

苯：

logPA°=6.91210-1214.645/（t+221.205）

甲苯：

logPB°=6.95508-1345.087/（t+219.516）

邻二甲苯：

logPC1°=6.99891-1474.679/（t+213.686）

间二甲苯：

logPC2°=7.00849-1461.925/（t+215.073）

对二甲苯：

logPC3°=6.99184-1454.328/（t+215.411）

求泡点温度，先假设一个泡点温度，代入安托因方程，求出各纯组分的蒸汽压，再将其代入泡点归一化方程，若方程满足归一化条件，则此温度即泡点温度，求露点温度与上相似，将其代入露点归一化方程。

泡点归一化方程：

∑yi=PA°*xA1/P+PB°*xB1/p+PC°*xC1/p

露点归一化方程：

∑xi=yA*p/PA°+yB*p/PB°+yC*p/PC°

由此方法可得泡点和露点，

一塔泡点和露点计算列表

进料

塔底

塔顶

组分

泡点93.1℃

组分

泡点116.5℃

露点121.5℃

组分

泡点80℃

露点80℃

pi°mmHg

Pi°mmHg

苯（A）

0.52

1115.73

0.002

2066.98

2332.45

0.999

762.35

甲苯（B）

0.35

449.1576

0.7274

895.44

1025.01

0.001

293.23

二甲苯（C）甲苯（B）

0.13

176.377

0.2706

382.03

444.384

109.306

表3

二塔泡点和露点计算列表

塔底

塔顶

组分

泡点140.3℃

组分

露点110.6℃

pi°mmHg

苯（A）

0.0027

1784.2

甲苯（B）

0.005

1647.47

0.9963

759.44

二甲苯（C）

0.995

755.3

0.001

317.70

表4

㈤相对挥发度αij=ki/kj=（pi°/p）/（pj°/p）=pi°/pj°

⑴塔以B组分为机组分有表3得

塔底：

PA°=2066.98mmHgPB°=895.44mmHgPC°=382.03mmHg

∴相对挥发度塔底相对挥发度αAB=PA°/PB°=2066.98/895.44=2.308

αBB=1

αCB=382.03/895.44=0.4267

塔顶PA°=762.35mmHgPB°=293.23mmHgPC°=109.306mmHg

∴αAB=PA°/PB°=762.35/293.23=2.6

αBB=1

αCB=109.306/293.23=0.3728

用几何平均值求平均相对挥发度

∴αAB=（2.308*2.6）^1/2=2.45

αBB=1

αCB=（0.4267*0.3728）^1/2=0.3988

一塔相对挥发度αij一览表

塔底

塔顶

几何平均值

αAB

2.308

2.6

2.45

αBB

αCB

0.4267

0.3728

0.3988

表5

⑵塔以组分C为基组分因为苯的含量很少。

可以忽略苯。

由表4可得

塔底PB°=1647.47mmHgPC°=755.3mmHg

αBC=1647.47/755.3=2.1812αCC=1

塔顶PB°=759.44mmHgPC°=317.70mmHg

αBC=759.44/317.70=2.3907

αCC=1

用几何平均值求和αBC=（2.1812*2.3907）^1/2=2.2835

αCC=1

二塔相对挥发度αij一览表

塔底

塔顶

几何平均值

αBC

2.1812

2.3907

2.2835

αCC

表6

㈥逐板计算法确定理论板数（1塔）

1.产品各组分含量

XFi

XDi

XWi

αij

苯（A）l

0.52

0.999

0.002

2.45

甲苯（B）h

0.35

0.001

0.7274

二甲苯（C）

0.13

7.394*10^-10

0.2706

0.3988

表7

56.55℃下苯的摩尔热容CmA=143.2KJ/（kmol*k）

甲苯的摩尔热容CmB=169.0KJ/（kmol*k）

二甲苯的摩尔热容CmC=（188.0+185.4+192.0）/3=188.5KJ/（kmol*k）

60℃下汽化潜热：

rA=407.7kJ/kg=31844.632kJ/kmol

rB=391.0kJ/kg=36024.394kJ/kmol

rC=（391.9+388.4+383.1）/3=387.8kJ/kg=41171.95kJ/kmol

运用waston公式（注②），求56.55℃下的汽化潜热

waston公式：

△HV2/△HV1=[（1-TV2）/（1-TV2）]^0.38

∴56.55℃下，rA=31844.632*[（1-329.7）/（1-333.15）]^0.38=31718.534kJ/kmol

rB=36024.394*[（1-329.7）/（1-333.15）]^0.38=35881.754kJ/kmol

rC=41171.95*[（1-329.7）/（1-333.15）]^0.38=41008.918kJ/kmol

平均摩尔热容：

Cm,p=CmA*XFA+CmB*XFB+Cmc*XFc

=143.2*0.52+169.0*0.35+188.5*0.13

=158.119kJ/（kmol.k）

平均汽化热：

r=rA*XFB+rB*XFB+rC*XFC

=31718.534*0.52+35881.745*0.35+41008.918*0.13

=34383.408kJ/kmol

q=1+Cmp（T-t）/r=1+158.119*（93.1-20）/34383.408=1.336

由恩德伍德公式计算最小回流比：

∑αij*xFi/（αij-θ）＝1-q……………………….1

Rmin=∑αij*xDi/（αij-θ）-1……………………2

假设一个θ值代入1式成立，则将θ值代入2式求出Rmin

假设θ=1.25时则1-q=-0.399与–0.336差别较大，假设不成立。

假设θ=1.26时则1-q=-0.336假设成立，故θ=1.26

设θ=1.26代入2式得：

Rmin=2.45*0.999/（2.45-1.26）+1*0.001/（1-1.26）+0.3988*2*10^-9/（0.3988-1.26）-1

=1.053

2.确定回流比及气液相流量：

R=2Rmin=2*1.053=2.106

精馏段：

L=R*D=2.106*37.47=78.91kJ/kmol

V=（R+1）*D=3.106*37.47=116.38kJ/kmol

提馏段：

Ĺ=L+q*F=78.91+1.336*72.12=175.26kJ/kmol

Ū=V-（1-q）F=116.38+0.336*72.12=140.61kJ/kmol

3.确定各组分的操作方程及交点：

精馏段：

yi（m+1）=R*Xi（m）/（R+1）+XDi/（R+1）………………………（

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