1、南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 88 页摘要：在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。塔器即是高径比很大的设备。它可以实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。常见的、可在塔设备中完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，即利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。苯和甲苯都是化工生产中的重要原料，属于芳香族化合物。因此，将苯和甲苯从其混合物中分离出来加以提纯，意义重大。塔设备按结构形式可分为填料塔和板式塔。由于
2、板式塔的分离效果比填料塔好，考虑到苯和甲苯的物性以及生产费用问题，本设计选用化工生产中被广泛采用的筛板塔。因为筛板塔较其他类型塔有如下优点：结构简单，成本低，塔板效率高，安装维修方便。本设计的主要内容是：过程的物料衡算、热量衡算，工艺计算，结构设计和校核，机械强度设计(特别是要考虑风载荷和地震载荷的影响)，管路选择，贮罐、换热器的选型，绘制工艺流程图，以及塔的施工图设计：包括总装配图和若干零件图。关键词： 精馏 筛板塔 工艺计算 结构设计 强度校核 南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 88 页Abstract: The tower equipment is an important u
3、nit operation equipment in industry sectors, for instance, chemical industry, refinery, medicine, food, environmental protection, and so on. It can realize the steam between the liquid phase or the fluid - liquid phase contact deeply, thus achieving the border carries on the mass transfer and the he
4、at transfer goal. The distillation is the separation of liquid mixtures most commonly used as an unit operation in chemical industry, oil refining, petrochemical and other industries. The design mission is to produce an important chemical raw material from a mixture of benzene and toluene, it will b
5、e a great significance if the material can be separated from its mixture of benzene and toluene. Taking into account the structures of benzene and toluene, as well as the production costs, the designer selected the sieve plate distillation column which are widely used in chemical production.As compa
6、red to other types of towers, the sieve-plate column tower has the following advantages: simple structure, low cost, high efficiency tray, tower installation and maintenance easy. The main elements of the design is: Process material balance, heat balance, process calculation, structural design and v
7、erification, mechanical strength of the design, pipe selection, storage tank, heat exchanger, drawing process maps, design of tower construction plans, including the total number of assembly drawings and parts diagram.Key Words: Distillation Sieve-plate column Process calculation Structural design C
8、heck of strength第一章 概述塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 88 页作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。(1)生产能力大；(2)操作稳定、弹性大；(3)流体流动的阻力小；(4)结构简单，制造和安
9、装容易。化工生产中所处理的原料，粗产品几乎都是混合物，为了满足生产中各种要求，时常需要将其分离为较纯净的物质。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，甲苯是有机化工合成的优良溶剂。本次设计任务是为实现苯-甲苯的分离，即采用精馏操作。精馏即利用液体混合物各组分沸点或挥发度的不同，将物质多次部分汽化与部分冷凝，从而使液体混合物得到分离与提纯。对此，需采用板式精馏塔。板式塔相比填料塔，是一种逐级接触的气液传质设备，在压力较高时，分离效果比填料塔好。板式塔塔内以塔板作为基本构件，气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热，两相的组分浓度呈阶梯式变化。板式塔的种类繁
10、多，按塔板的结构分：有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔等。这里选用筛板塔，这是因为：与其他形式的板式塔相比，筛板塔结构简单，成本低，板效率高，安装维修方便。筛板塔塔盘分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等部分。筛板塔的气液接触情况是：液体从上层塔盘的降液管流下，横向流过塔盘，越过溢流堰经溢流管流入下一层塔盘；蒸汽自下而上穿过筛孔时，被分散成气泡，在穿越塔盘上液层时，进行气液间传热与传质。下图为筛板精馏塔的结构示意图：南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 88 页本设计的主要内容是：过程的物料衡算、热量衡算，工艺计算，结构选型和设计，机械强度设计，贮罐、换热器的选型。第二章 流程的设计及说明南
11、华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 88 页进料时采用泡点进料，这种进料状况不受季节气温的影响，且精馏段与提馏段的气体流量相等，塔径也相等。原料液在 25 时从贮罐（V-101）用离心泵输送到塔前预热器(E-101)中预热至泡点温度 90.8，由精馏塔进料口进入塔内在进料板上液体一部分与自塔上部下降的回流液体混合后逐板溢流，最后流到塔底。料液的一部分与自塔底上升的蒸汽相互接触进行热和质的传递过程，上升的蒸汽由塔釜再沸器（E-103 为了检修的方便，同时产品量也很大可采用塔外再沸器即立式虹吸式再沸器，用饱和水蒸气加热）经饱和蒸汽换成 109蒸汽由塔最下面一块板上进入塔内，逐层上升与溢流液体
12、进行传质，最后经塔顶冷凝器(E-102)循环水（进口温度 20 ）冷凝成 80.1下的饱和液体进入回流罐(V-104)，一部分重力回流，一部分经塔顶冷却器(E-102)用进口温度 20的井水冷却至 25，输入苯贮罐。塔底产品甲苯经塔底冷却器冷却至 25 输入甲苯贮罐，为了节省能耗，可考虑将冷却器与塔前物料预热进行热交换，换热后原料还未达到泡点，可考虑再加个换热器。再沸器内水蒸气换热后变成同温度水可用于工人取暖和淋浴。第三章 工艺设计计算南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 88 页(一)原料规格及分离要求年产 8万吨 即 GF=8107Kg7200h=11111Kgh.饱和液进料。塔顶苯
13、含量不低于 99%（质量分率）。塔底苯含量不高于 2%（质量分率）(二)生产条件操作条件:101.3kPa操作温度:原料和产品均为常温(25)塔顶冷凝器:用循环水冷却(进口温度 20)塔底再沸器:用饱和水蒸汽加热回流比:取最小回流比的 2倍3.1 物料衡算原料液 塔顶和塔底产品的摩尔分数：苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量kmolgMA/1.78 kmolgMB/13.9291.0)3.2/1.0().78/9.0(/54.95.5DFx 4.)./9.()./2.(W原料液塔顶、塔底的平均摩尔质量: kmolgMlWDF /79.13.204.1.78024. 4899 /56.5.5. 而原物料
14、处理量 hklF.56.由 WDFxx可得： hkmol/12.70hkmol/28.1南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 88 页3.2 确定塔内操作温度由手册可以查处苯（A）和甲苯（B）饱和蒸汽压和温度的关系如下图：温度， 801 85 90 95 100 105 1106PA，kPa101331169 1355 1557 1792 2042 2400PB，kPa400 460 540 633 743 86010133由拉乌尔定律可计算气液平衡数据： xpyAB0计算结果如下图苯% 温度 t， 801 85 90 95 100 105 1106x 1000 0780 0581 04
15、12 0258 0130 0y 1000 0900 0777 0633 0456 0262 0南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 88 页绘制如上的（t-x-y）图形结合苯的摩尔分数得塔顶温度为 CtD81进料板温度： F.90塔底温度： tW塔的平均温度： CttFDm9521083.3 确定回流比及塔板数用作图法确定最小回流比如图：南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 88 页饱和蒸汽进料 q=1进料线如图： 54.0qx73.0qy74.23.12.1.9.miniRyqD求精馏塔的气液负荷 hkmolDVlL /25.61.70)4.2(1/9hkmolF/5.63.3求
16、精馏段操作线方程：265.073.91.074.21.1 xxxRyD求提馏段操作线方程： .568.2.3 xxxVWLyw图解法求理论板的数目：南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页 共 88 页由上图可知总理论板数为 NT =16.5(不含再沸器)精馏段塔板 (自精馏段由上往下)9F估算总塔的效率： 245.0.LTE 为苯的相对挥发度： 0BAp由前面的计算可知：塔顶、塔底的平均温度为 95，由手册查出 、aAkp7.150aBkp3.60则 46.27150BA苯的粘度： smpaA8.甲苯的粘度： B276.0在平均温度下的物料平均粘度为： smpx aiLm 27.06.48.5则总塔效率： %59.9.025.0LTE计算实际塔板数：
