化工原理课程设计_苯-甲苯精馏塔设计

1、化工原理课程设计苯-甲苯精储塔设计苯-甲苯连续精微筛板塔的设计表1 苯和甲苯的物理性质项目苯A甲苯B 0温度C 分子式C6H6 C6H5CH3分子量 M 85 沸点 9095 90临界温度t 100 95临界压强PC 表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压 105 100 0PA,kPa PB, kPa 0表 3常温下苯一甲苯气液平衡数据0温度C 85 105 120液相甲苯的摩尔分率汽相甲苯的摩尔分率 温度 苯，mN/m甲苯，Mn/m表4纯组分的表面张力（1 : P378附录图7）90 20 680 100 110苯-甲苯连续精微筛板塔的设计表5 组分的液相密度（1 : P382附录图8）温度（C ）苯

2、,kg/m3 甲苯,kg/m3 温度（C ）苯80 80814 809 90 90 805 801 100 791 791 100 110 778 780110 120 763 768 120 表6 液体粘度 以L甲苯表7-压下苯一一甲苯的气液平衡数据温度t C液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y精微塔的物料衡算（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量7苯-甲苯连续精微筛板塔的设计 甲苯的摩尔质量MB/kmol /原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 xFMF(1)(kg/kmol) MD(1)(kg/kmol) MW(1)(kg/kmol)物料衡算原料处理量90000000F1

3、02(kmol/h)31024总物料衡算DW10 苯物料衡算联立解得 2 D10kmol/h 2 W10kmol/h 2式中F原料液流量D 塔顶产品量W-塔底产品量3塔板数的确定理论板层数NT的求取苯一甲苯属理想物系，可采逐板计算求理论板层数。求最小回流比及操作回流比。采用恩特伍德方程求最小回流比。ai(xD,i)maiRm1ai(xF,i)1qai解得，最小回流比Rm8苯-甲苯连续精微筛板塔的设计取操作回流比为R求精微塔的气、液相负荷LRD119(kmol/h) V(R1)D(1)119(kmol/h)V(R1)D(1q)F119(kmol/h)(泡点 进料：q=1)LRDqF1191149

4、(kmol/h)求操作线方程精微段操作线方程为RxxnDIRIyn1提微段操作线方程为WxLynlxnW逐板法求理论板1xD(1xd) 可解得 = 1xF1xf又根据Rmin相平 衡方程y 解得1(1)x1y 1 变形得用精微段操作线和相平衡方程进行逐板计算ylxD =, x1y1y1 =y1(1y1)y1(1y1)9苯-甲苯连续精微筛板塔的设计y2,x2yy3,y4, y5, y y6, y 因为， x6xF故精微段理论板n=5 ,用提留段操作线和相平衡方程继 续逐板计算x7。y7 y y8。 y9o y y y10o 10 化工原理课程设计 苯-甲苯连续精微筛板塔的设计专业年级姓 名指导老

5、师化学工程与工艺 ：20XX年 月苯-甲苯连续精微筛板塔的设计目录 3二 板式精微塔设计任务书五 4三 设计计5设计方案的选定及基础数据的搜集5 精微塔的物料衡7精微塔的工艺条件及有关物性数据的计12 精微塔的塔体工艺尺寸计16 塔板主要工艺尺寸的计18 筛板的流体力学验20塔板负荷性台匕目匕2329 五板式塔得30.303230器32板 式 塔 结构33 六参 考 书目35 七设计 心得体 会.35八附录 372苯-甲苯连续精微筛板塔的设计一序百化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关 先修课程所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实 践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培

6、养学 生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻 炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能 力，思考问题能力，计算能力等。精微是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化 工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精微过程在能 量剂驱动下，使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混 合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分液相向气相转 移，难挥发组分气相向液相转移，实现原料混合液中各组分 的分离。根据生产上的不同要求，精微操作可以是连续的或 间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精微或萃取精储等特 殊方法进行分离。本设计的题目是苯

7、-甲苯连续精微筛板塔的设计，即需设计一个精微塔用来分离易挥发的苯和不易挥 发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。3苯-甲苯连续精微筛板塔的设计二板式精微塔设计任务书五一、设计题目苯-甲苯连续精微筛板塔的设计。二、设计任务（1）原料液中苯含量：质量分率= 75% （质量），其余为 甲苯。（2）塔顶产品中苯含量不得低于 98% （质量）。（3） 残液甲苯含量不得高于% （质量）。（4）生产能力：90000 t/y 苯产品，年开工 310天。 三、操作条件（1）精微塔顶压强：（表压）（2）进料热状态：自选 回流比：自选。 （4）单板压降压： 四、设计内容及 要求（1）设计方案的确定及流

8、程说明（2）塔的工艺计算（3）塔和塔板主要工艺尺寸的设计塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。（4）编制设计结果概要或设计一览表（5）辅助设备选型与计算（6）绘制塔设备结构图：采用绘图纸徒手绘制五、时间及地点安排（1）时间：（第18周第19周）（2）地点：明德楼A318教室六、参考书目1谭天恩化工原理（第二版）下册北京：化学工业生版社，1998 2何潮洪，冯霄化工原理北京：科学生版社，20XX3柴诚敬，刘国维化工原理课程设计天津：天津科学技术由版社，1994 4贾绍义，柴敬诚化工原理课程设计天津： 天津大学生版社，20XX4苯-甲苯连续精微筛板塔的设计三设计计

9、算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。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，应采用连续精微流 程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点 后送人精微塔内。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。其中于蒸播过程的原理是 多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放 生的热量很多，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

10、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微，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：(1 )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。(2 )处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 1015%。 (3 )塔板效率高，比泡罩塔高 15 %左右。(4 )压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。筛板塔的缺点是：(1 )塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。(2 )操作弹性较小(约23)(3)小孔筛板容易堵塞。下图是板式

11、塔的简略图：5苯-甲苯连续精微筛板塔的设计y11。y因为。xllxW所以提留段理论板 n=5全塔效率的计算查温度组成图得到，塔顶温度TD=C ,塔釜温度 TW=105S,全塔平均温度 Tm =C。分别查得苯、甲苯在平均温度下的粘度A(mPas), B(mPas)平均粘度公式，得m(mPas)全塔效率ETETm求实际板数 精微段实际板层数N精5提微段实际板层数N提5进料板在第11块板。11苯-甲苯连续精微筛板塔的设计精微塔的工艺条件及有关物性数据的计算操作压力计算塔顶操作压力 P= 4+ kPa每层塔板压降 4P= kPa进料板压力 PF= +X10= kPa塔底操彳压力 Pw= kPa精微段平

12、均压力 P ml =/ 2= kPa提微段平均压力 P m2 =/2 = kPa操作温度计算依据操作压力，泡点方程通过试差法计算由泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度tD C进料板温度tF = C塔底温度tw= C精微段平均温度tm=/2 = C提微段平均温度tm=/2 = C平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算xD=y1=，代入相平衡方程得 x1 =ML,Dm(1)(kg/kmol)MV,Dm(1)(kg/kmol)进料板平均摩尔质量计算12苯-甲苯连续精微筛板塔的设计上面理论板的算法，得 yF=, xF =MV,Fm(1)(kg/kmol)M

13、L,Fm(1)(kg/kmol)塔底平均摩尔质量计算xw=,相平衡方程，得yw二MV,Wm(1)(kg/kmol)ML,Wm(1)(kg/kmol)精微段平均摩尔质量MVmMLm(kg/kmol)2 (kg/kmol)2提微段平均摩尔质量MVmMLm(kg/kmol)2 (kg/kmol)2平均密度计算气相平均密度计算理想气体状态方程计算，精微段的平均气相密度即(kg/m3)Vm提微段的平均气相密度13苯-甲苯连续精微筛板塔的设计,(kg/m3)(95027)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tD =C,查手册得33(kg/m);(kg/m) B A塔顶液相的质量

14、分率求得aa1L,Dm;得 L,Dm进料板液相平均密度的计算tF =C,查手册得A(kg/m3);B(kg/m3)进料板液相的质量分率A1L,Dm;得 L,Fm塔底液相平均密度的计算tw =C,查手册得33(kg/m);(kg/m) AB塔底液相的质量分率aA(1)14苯-甲苯连续精微筛板塔的设计1L,Wm;得 L,Wm精微段液相平均密度为Lm提微段液相平均密度为Lm(5)液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算tD =C,查手册得A(mN/m);B(mN/m)L,Dm(mN/m)进料板液相平均表面张力的计算tF = C,查手册得A(mN/m);B(mN/m

15、)L,Fm(mN/m)塔底液相平均表面张力的 计算tw =C,查手册得A(mN/m);B(mN/m)L,Wm(mN/m脂微段液相平均表面张力Lm(mN/m)2提微段液相平均表面张力为Lm(mN/m)2(6)液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即以Lm=2 xi6塔顶液相平均粘度的计算tD =C,查手册得A(mPas);B(mPas)L,Dm(mPas)进料板液相平均粘度的计 算15苯-甲苯连续精微筛板塔的设计tF = C ,查手册得A(mPas);B(mPas)L,Dm(mPas)塔底液相平均粘度的计算 tw = C,查手册得A(mPas);B(mPas)L,Dm(mPas)精微段液相平均

16、粘度为L,m(mPas)2提微段液相平均粘度为L,m(mPas)2气液负荷计算精微段：V(R1)D(1)119(kmol/h)V(m3/s)3600Vm3600RD119(kmol/h)LSV(m3/s)3600Lm3600提福段：V(R1)D(q1)F(1)119(kmol/h)VsV(m3/s)3600Vm3600(m3/s)3600Lm3600RDqF119149(kmol/h)LS精微塔的塔体工艺尺寸计算(1)塔径的计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性 质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有 关。可参照下表所示经验关系选取。表7板间距与塔径关系塔径DT,

17、m板间距HT, 200300 250 350 300 450 350 600 400 60016苯-甲苯连续精微筛板塔的设计mm对精微段：初选板间距HT,取板上液层高度 hL,故HThL;LSVSLV查史密斯关联图 得C20=;依式CC2020校正物系表面张力为(mN/m)时CC202020max可取安全系数为，则，故C(m/s)Lmax(m/s)按标准，塔径圆整为，则空塔气速/s o对提微段：初选板间距HT,取板上液层高度 hLoD4VS4(1m)L故 HThL; SLm VSvmt 2 : P165 图 38 得 C20=;依式 CC20=20校正物系表面张力为/m时maxC(m/s)ma

18、x(m/s)D4VS4(m)按标准，塔径圆整为，则空塔气速/s o将精微段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致， 根据塔径的选择规17苯-甲苯连续精微筛板塔的设计定，对于相差不大的二塔径取二者中较大的，因此在设 计塔的时候塔径取。塔板主要工艺尺寸的计算(1)溢流装置计算精微段因塔径D=,可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液 盘。对精微段各项计算如下：a)溢流堰长lw:单溢流去lW=D,取土E长lw为=x = b)由 口堰高 hW hWhLhOWlW/D,3600/3 查图可得，E,则 3600故hw(m)c)降液管的宽度Wd与降液管的面积Af:Af/AT lw/D 查故Wd。Af4D2 4利

19、用(2 : P170式3-10)计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积， 即AfHTLs/sd)降液管底隙高度 ho：取液体通过降液管底隙的流速o依(2 : P171式311): ho符合lw) 受液盘采用平行形受液盘，不设进堰口，深度为 60mm同理可 以算由提溜段相关数据如下：18苯-甲苯连续精微筛板塔的设计a)溢流堰长lw:单溢流去lW=D,取土E长lw为=x = b)由 口堰高 hW hWhLhOWlW/D/ 查知 E=，依式 howLhE 1000lw2323 可得 hOWLhE 1000lW 故 hwc)降液管的宽度 Wd与降液管的面积 Af:lW/DAfwd,查图得，D故wd

20、(m)Af(m2)计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即d)降液管底隙高度 ho:取液体通过降液管底隙的流速 o/hoLs符合lwo(2)塔板布置精福段塔板的分块因D 800mm故塔板采用分块式。塔极分为4块。对精福段：a)取边缘区宽度wc(m)(3050mm)安定区宽度19苯-甲苯连续精微筛板塔的设计ws(m)R2x22sin1 计 算 开 空 区 面 积b)Aa2xRx180RRDDwc1(m)x(wdws)1 (m)22。解得，Aa(m)c)筛孔数n与开孔率：取筛空的孔径d0为5mm正三角 形排列，一般碳的板.0 ,厚为 3mm取 t/d05故孔中心距t x 5=筛孔数11581

21、031158000nA9453（个）则每层板上的开孔面积 A0为2AA（m） 0a气体通过筛孔的气速为0（m/s）筛板的流体力学验算塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是 否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作由塔板负荷性能图。（1）气体通过筛板压强相当的液柱高度计算精微段：a）干板压降相当的液柱高度hc：依d0/5/3 ,查干筛孔的流量系数图得，C0=hc苯-甲苯连续精微筛板塔的设计b）气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl :aVsATAf1m/s。Fauaevo与Fa关联图查得板上液层充气系数o=,依式hl0hL0hwhowc）克服液体表面张力压

22、降相当的液柱高度h:依式h故4elgd0410-3 ,hp则单板压强：pphpelgp700P（2）液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均 不大，故可忽略液面落差的影响。（3）雾沫夹带ev106HThf10103103kg液/kg水液/kg水故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（4）漏液式owel/evh.65m/s owK筛板的稳定性系数漏液。液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。（3）液沫夹带106ev（kg 液/kg 气）（kg 液/kg 气）故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。（4）漏液d0522苯-甲苯连续精微筛板塔的

23、设计查得：c0hL/vK筛板的稳定性系数漏液。(5)液泛故在设计负荷下不会产生过量为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度HdHThw依式 Hdhphlhd , 而LS3hd10LhW0H22取，则HThw故HdHThw设计负荷下不会发生液泛。根据以上塔板的各项液体力学验算，可认为提福段塔径 及各项工艺尺寸是适合的。塔板负荷性能图精微段：(1)雾沫夹带线ev106雾沫夹带量uaHhfTuaVsVSD223 233600LShf2.,前面求得 m,精。106uaevHhfT 代入整理得：Vs表8在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算由 Vs值,计算结果列于表3-19。Ls /(m3/s)

24、 Vs /(m3/s)上表数据即可作由雾沫夹带线。(2) 液泛线E=,lW=得：23600Ls3600LshowE10001000lwlw23u0hcco2VSvvVS3210VScL0L222233h10hwhow3h10(m),已算由23shphch1h10V10332sLSLS2hdslhw022HT, hwoHThwhphwhowhd弋入，整理得：24苯-甲苯连续精微筛板塔的设计V104L2s2s23s在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算由Vs值，计算结果列于表 3-20 o表10Ls /(m3/s) Vs /(m3/s)上表数据即可作由液泛线2。 (3)液相负荷上限线以e =4s作为液体在降液管中停留时间的下限，Ls,maxHTAf(m3/s)4据此可作由与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。漏液线hLhwhow和23suowVs,minA0。UowhLWI：代入U3310整理得：Vs,min在操作范围内，任取几个 Ls值，依上式计算由 Vs值, 计算结果列于表3-21 o表11Ls /(m/s) Vs /(m3/s)上表数据即可作由液泛线 4。25苯-甲苯连续精微筛板塔的设计后通过分析确定了放大倍数求生了实际回流比。同样理 论塔板数的计算也是通过复杂但有序的计算得由。接下来塔的工艺尺寸计算，筛板流体力学验算，塔板负 荷性能图计算等一个