苯甲苯分离过程板式精馏塔设计论文

苯-甲苯分离过程板式精馏塔设计黄友(化学化工学院 2011 级化学工程与工艺)指导老师：卓馨摘 要本人设计了苯甲苯分离过程板式精馏塔装置，分别是：首先选择和确定生产工艺流程和方案；生产的主要设备板式塔工艺参数计算：精馏塔的物料衡算、塔板数的确定、精馏塔的工艺条件以及有关物性数据的计算、精馏塔的塔体工艺尺寸计算、精馏塔塔板的主要工艺尺寸的计算；绘制了精馏塔设计条件图及生产工艺流程图；对设计过程中的的问题进行了研究和评论。关键词：苯甲苯; 分离过程；精馏塔1 引言1.1 苯与甲苯1.1.1 苯的性质及其用途苯是有机化合物，是组成结构最简单的芳香烃。在常温下是一种无色、有芳香气味的透明液体。易挥发且难溶于水，1L 的水中最多溶于 1.7g 水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，苯的自身也是良好的有机溶剂。苯化学性质是易取代，难氧化，难加成。而且苯的产量和生产的技术水平是衡量一个国家石油化工水平的重要标志。 苯是常用溶剂，在化工企业上主要用于生产原料及合成其衍生物。主要用于金属脱脂。苯有减轻爆震的作用，因此而作为汽油的添加剂。此外，苯在工业上最重要的用途是做化工原料。1.1.2 甲苯的性质及其用途甲苯是最普通的，最重要芳烃化合物之一。在空气中它并不能完全燃烧。有特殊芳香气味，几乎不溶于水，能和酒精以及乙醚任意比例混溶。甲苯很容易发生氧化和硝化。硝化反应生成的对硝基基甲苯和邻硝基甲苯是染料的原料。1.1.3 甲苯的危害2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 2苯与甲苯性质很相试，是化工工业上很广的原料，其蒸汽有毒。对皮肤和粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。急性中毒的重症者可有躁动、抽搐、昏迷。1.2 苯与甲苯分离过程的工艺流程原理及设计首先，苯与甲苯的性质很相试，分子间的相互作用力几乎相等，符合拉乌尔定律，属于理想溶液。采用连续精馏流程。1 板式塔简图与基础数据的搜集1.1 操作条件的确定1.2 基础数据的搜集塔顶压强 回流比 单板压降 塔釜加热蒸汽压力年工作日 进料状况4kp 2Rmin 0.7kPa 0.50mPa 7400h 泡点进料38%的苯和甲苯混合溶液原料储存原料预热精馏再沸冷却99.8%的甲苯储存冷凝分配冷却98%的苯储存2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 3表 1 苯与甲苯的密度（液相）温度 80 90 100 110 120A，kg/m3 814 805 791 778 763B，kg/m3 809 801 791 780 768表 2 苯与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 C6H6 78.11 80.1 288.5 6833.4甲苯 C6H5CH3 92.13 110.6 318.57 4107.7表 3 苯与甲苯饱和蒸汽压表 4 苯与甲苯的表面张力（液相）项目 1 2 3 4 5温度 80 90 100 110 120A ,mN/m 21.2 20 18.8 17.5 16.2B ,mN/m 21.7 20.6 19.5 18.4 17.31.3 板式塔简图项目 1 2 3 4 5 6 7温度 80 85 90 95 100 105 110.6PA0,mmg 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240PB0,mmg 40 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0 2402011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 4图 2 板式塔的简图2 精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯： 78.1/AMKgmol甲苯:M B =92.13Kg/Kmol XF = =0.6583.92/./62XD= =0.98401789XW= =0.00243.92/./202.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=78.110.683+(1-0.683)92.13=82.55Kg/KmolMD=78.110.984+(1-0.984)92.13=78.33 Kg/KmolMW=78.110.0024+(1-0.0024)92.13=92.10 Kg/Kmol2.3 塔顶、塔底的进料板精馏段的液相平均密 塔顶的质量分率 A= =0.981 016.3921.784.0pLDM= =977.5Kg/kmol6/812/9.0进料板液相平均密度计算：进料板液相质量分率 A= =0.68317.0921.783.02011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 5pLFM= = 833.3 Kg/kmol0.96/35.17/65.0塔底液相质量分率 A= =0.0020976.0132.784Plwm= =769.23 Kg/kmol/.8/2.精馏段液相平均的密度：p LM= =905.4.5.9提馏段液相平均密度 pLM= =802.22237682.4 物料衡算产品产量W= =98.22Kmol/h5.827406总物料衡算 F=D+72.10(1)苯物料衡算F0.658=0.984D+0.0024(2)解(1)(2)得 F=144.63 Kmol/h D=72.53Kmol/h2.5 塔板数的计算与确定常压下苯甲苯的气液平衡数据温度（） 液相中苯的摩尔分率 x 气相中苯的摩尔分率 y80 1.000 1.00085 0.780 0.90090 0.580 0.77695 0.411 0.623100 0.257 0.455105 0.129 0.260110.6 0.000 0.0002.5.1 理论塔板层数 Nr的求取因为苯-甲苯物系属于理想物系，可以选择用图解法来求精馏塔的理论板层数。绘 t-x-y 图和 x-y 图根据苯甲苯的相平衡数据，利用泡点和漏点方程求取 xy由上述数据可绘出 t-x-y 图和 x-y 图2.5.2 最小回流比和操作回流比的确定2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 6由图的则最小回流比为:Rmin= =0.200658.093.4则操作回流比为：R=2Rmin=0.400图 3 苯-甲苯物系精馏分离理论塔板数的图精馏塔气、液相负荷的确定L=RD=0.472.53=29.012V=(R+1)D=1.472.53=101.542L=L+F=29.012+144.63=173.642V=V=101.542(q=1)操作线方程精馏段操作线方程y = D= =0.286x+0.703xVL984.052.1374.029x提馏段操作线方程y= w=1.710x-0.00232W图解法求理论板层数2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 7采用图解法求理论板层数，图 3 所示，求解结果为总理论塔板数为：N T =14（包括再沸器）进料板位置第 6 板2.6 实际塔板数的求取精馏段实际板层数 N 精 =5/0.52=10提馏段实际板层数 N 提 =8/0.52=16总塔板数 N 总 =10+16=263 精馏塔工艺条件及有关物性参数的计算3.1 操作压力计算塔顶操作压力 101.3+5=106.3kPaDP塔底操作压力 =119.4kPaw每层塔板压降 0.7ka进料板压力 PF=106.3+0.75=109.8精馏段平均压力 Pm=（106.3+109.8）/2=108.5kPa提馏段平均压力 Pm=（106.3+119.4）/2 =114.6kPa3.2 操作温度计算由计算可知，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度 tw=82.7进料板温度 tf=94.2塔底温度 tw=105.1精馏段平均温度 =（ 82.794.2）/2=88.5m提馏段平均温度 =（94.2+105.1）/2=99.7t3.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算 min(1)dDFfxR代入数据解得 =4.20,根据相平衡关系式2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 8代入 y1=0.984,得 x1=0.935MVDM=0.98478.11+(1-0.984)92.13=78.33Kg/KmolMLDM=0.93578.11+(1-0.935)92.13=79.01KgK/mol3.4 进料板平均摩尔质量计算xF=0.658, 带入的 yF=0.890MVFM=0.89078.11+(1-0.890)92.13=79.63Kg/KmolMLFM=0.65878.11+(1-0.658)92.13=82.91Kg/Kmol精馏段平均摩尔质量MVM =(78.33+79.63)/2=78.98Kg/KmolMLM=(79.01+82.91)/2=80.96Kg/Kmol由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即Pv,m=Pm MV,m/RTm 代入数据得 2.85提馏段的平均气相密度；P v,m=Pm MV,m/RTm 带入数据得 2.983.5 液体平均表面张力计算塔顶液相平均表面张力计算A=20.94mN/m B=21.39mN/m lDm=0.9820.94+(1-0.984)21.39=20.95mN/m 进料板平均表面张力计算A=19.36mN/m B=20.21mN/mLFm=0.65819.36+(1-0.658)20.21=19.65mN/m塔底液相平均表面张力计算 由 tD=101.5查手册的 A=19.10mN/m B=19.48mN/mLwm=0.001419.10+(1-0.0024)19.84=19.84mN/m精馏段液相平均表面张力：Lm=(20.95+19.65)/2=20.30mN/m提馏段液相平均表面张力：Lm=（19.65+19.84）/2=19.74mN/m3.6 液相平均粘度计算塔顶平均粘度计算：由 tD=82.7查化工原理附录 114的 A=0.300mPa.s B=0.304mPa.slgLDm=0.984lg0.300+(1-0.984)lg0.3042011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 9解得 LDm=0.310mPa.s塔底液相平均粘度：由 tw=101.5查的 A=0.244mPa.s B=0.213mPa.s lgLwm=0.0024lg0.0024+(1-0.0024)lg0.213解得 Lwm=0.213mPa.s精馏段液相平均粘度：Lm=(0.310+0.272)/2=0.219mPa.s提馏段液相平均密度：Lm=（0.310+0.213 ）/2=0.262mPa.s4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 4.1 精馏塔塔径的计算精馏段的汽、液相体积流率为：V=(R+1)D=1.472.53=101.542Vs= 78.05.236094.1360PvmML2lL=RD=0.40072.53=29.012Lh=0.00723600=25.92初选间距 HT=0.45m, 板上液层高度 hL=0.08mHT-hL=0.45-0.07=0.38 查书 287 页的 C205=0.0701C=C20(L/20)1/2=0.0706代入数据的 umax=1.35 取安全系数 0.7maxVuCu=0.7umax=1.350.7=0.945D= = =1.025uvs4945.01378.按标准塔径圆整后为： D=1.2m塔截面积为：A T= 2=1.130.4实际空塔气速为： u= =0.781.130=0.690Atvs4.2 提馏段塔径的计算提馏段气、液相体积流率为：Vs= 0.80398.236045.1360PvmM2011 届本科生毕业设计 苯-甲苯分离过程中板式精馏塔设计 10L=qF+L=29.012+144.63=173.642LS= =0.00542.8013694.70PlmM由 ，横坐标为：axLVuC代入数据的： 0.110pvlvs取板间距 HT=0.50，板上液高度 hL=0.08m，则0.58.42mLhC20=0.085C=C20( )0.2=0.085( )0.2=0.08420l207.19代入数据的 umax = 1.38 maxLVu取安全系数 0.7， umax=0.71.38=0.9660.7D= =0.841muvs4按标