化工原理课程设计-分离苯—甲苯混合物5000kgh的连续操作精馏装置

1、各专业全套优秀毕业设计图纸天津商业大学食品科学与工程系化 工 原 理 课 程 设 计说 明 书设计题目：分离苯甲苯混合物5000kg/h的连续操作精馏装置设计者：班级 食品科学与工程1202 姓名 日期 2014年12月25日 设计指导人：签名 日期 设计答辩成绩： 答辩委员会：签名 日期 绪论 4二 设计任务书 51设计题目 52. 设计方案的选定及基础数据搜集 53. 相平衡 7三 设计计算 9 1.精馏塔物料衡算 91.1原料液及塔顶、塔底产品摩尔分数 91.2原料液及塔顶、塔底产品平均摩尔质量 91.3物料衡算 92 塔板数的确定 101、理论塔板数NT的计算 10 1.1最小回流比及

2、操作回流比的计算 . .10 1.2求精馏段气、液相负荷 10 1.3求操作线方程 10 1.4图解法计算理论板数 102、实际板层数的计算 . .11四工艺条件及相关物性数据的计算 . 111、操作压力计算 .112、操作温度计算 . 123、平均摩尔质量计算 .124、平均密度计算 .135、液体平均表明张力计算 .156、液体平均黏度计算 .157气液负荷计算 .16五 精馏塔塔体工艺尺寸计算 171、塔径的计算 .172、精馏塔有效高度的计算 18六 塔板主要工艺尺寸计算 .181、溢流装置计算 . 18 1.1堰长lw . 181.2溢流堰高度 18 1.3弓形降液管宽度和截面积 .

3、 .18 1.4降液管底隙高度h0 18 2、塔板布置19 2.1塔板的分块.19 2.2边缘区宽度确定. 19 2.3开孔区面积计算.19七 筛板的流体力学验算.19 1.精馏段流体力学计算.19 11塔板压降.19 1.11干板阻力算.19 1.1.2气体通过液层的阻力算.19 1.1.3液体表面张力的阻力算.19 1.2雾沫夹带20 1.3漏液20 1.4液泛20 2.提馏段流体力学计算 .202.1塔板压降 .20 2.11气体通过液层的阻力算 202.1.2干板阻力算 .20 2.13液体表面张力的阻力算 .21 2.2雾沫夹带21 2.3漏液21 2.4液泛21八 塔板负荷性能图.

4、21 1 精馏段 21 1.1雾沫夹带线21 1.2液泛线.22 1.3液相负荷上线.23 1.4漏液线. . 23 1.5液相负荷下限.24 2提馏段24 2.1雾沫夹带线 24 22液泛线24 23液相负荷上线. .2524漏液线.25 2.5液相负荷下限. 26九 板式塔附件设计261. 总塔结构262. 冷凝器273. 再沸器27十 精馏塔设计计算结果摘要.27十一 对本设计的评述27十二 参考文献30十三 附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）緒 论精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）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。精馏过程在能量

5、剂驱动下（有时加质量剂），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，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏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馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏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。计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝气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后送至储罐。该物系属于易分离

6、物系，最小回流比比较小，所以操作回流比采取最新回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 板式精馏塔设计任务书设计题目苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。二、设计任务进料量：21.6千吨/年操作周期：300247200小时/年进料组成：50%（质量分率）塔顶产品组成：93%塔底2压力4kpa单板压降5所以设计合理弓形降液管低隙高度 Ho=Lh/3600*0.66*0.08=0.0167Hw-h0=0.056-0.0167=0.0339所以设计合理塔板布置根据经验值取无效区宽度Wc=0.04m、安定区宽度Ws=0.07m1x=D/2-(Wd+Ws)=1.0/2-(0.129+0.0

7、4)=0.331mR=D/2-WC=1.0/2-0.04=0.46m代入Aa=20.331 (0.462-0.3312)0.5+3.14/1800.462Sin-1(0.331/0.46)=0.551m2筛孔数n与开孔率取筛空孔径dO=5mm，正三角形排列，筛板碳钢厚度=3mm取t/dO =4.0 孔心距t=4dO=35=20mm塔板上的筛孔数n=(1158103/t2)Aa=1158103/2020.551=1894孔塔板上开空区的开空率= A0/Aa=0.907/(t/ dO)2=0.907/16=5.67%(在515%范围内)。每层塔板上开孔面积A0= Aa=0.05670.551=0.

8、0312m2气体通过筛孔的气速uo= vs/ Ao=0.372/0.0312=11.91m/s七 筛板塔的流体力学验算精馏段流体力学验算当的液体高度hp=hc+hL+h(1)干板压降相当的液体高度hL，依d0/=5/3=1.67，查图4131可知c0=0.772，hc=0.051(uo/co)0.5(pv/pL)=0.051(11.56/0.772) 0.5(2.91/802.1)=0.0401(2)气流穿过板上液层压降相当的液体高度hLUa=VS/(AT-AF)=0.271/(0.785-0.0567)=0.037m/sFa= Ua(v)0.5=0.853(2.91)0.5=1.46 查的=

9、0.61， Hl=0.61*(0.0506+0.094)=0.088(3)克服液体表面张力压降相当的液体高度hh=4/(Lgd0)=420.473110-3/(802.139.810.005)=2.8610-3mhp=0.0372+0.039+2.8610-3=0.07926m单板压降p= hpLg=0.07926802.139.81=623Pa(设计允许值）2.雾沫夹带量ev的验算ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.2=5.710-6/(20.273110-3)0.51/(0.40-2.50.06)3.2=0.00141kg液/kg气1.5)故在设计负荷下不会发生过量漏液4.液泛检

10、验为防止降液管液泛的发生，硬是降液管中青液层高度Hd(HT+hw)Hd=hp+hL+hdhd=0.153(LS/lw/h0)2=0.153(9.6210-4/0.65/0.0148)2=0.00153mHd=0.0783+0.06+0.00153=0.140m取=0.5则(HT+hw)=0.5(0.4 +0.0511)=0.225m故Hd(HT+hw)，在设计负荷下不会发生液泛。根据以上踏板的各项流体力学验算，可以认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。提留段流体力学验算1.气体通过筛板压降相当的液体高hp=hc+hL+h(1)干板压降相当的液体高度hL，依d0/=5/3=1.67，、查图413

11、可知c0=0.84，hc=0.051(uo/co)0.5(pv/pL)=0.051(11.99/0.84) 0.5(2.99/799.96)=0.043 0.072(2)气流穿过板上液层压降相当的液体高度hLUa=VS/(AT-AF)=0.363/(0.451/0.0785-0.0567)=0.651m/sFa= Ua(v)0.5=0.651(3.24)0.5=1.107取板上液层充气系数0为0.64hl=0 hL=0(hw+how)=0.640.07=0.0448m(3)克服液体表面张力压降相当的液体高度hh=4/(Lgd0)=418.6810-3/(782.949.810.005)=0.0

12、0195mhp=0.043+0.0448+0.00195=0.08975m单板压降p= hpLg=0.08975782.949.81=689.3Pa0.7kPa(设计允许值)2.雾沫夹带量ev的验算ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.=5.710-6/(18.6810-3)0.615/(0.4-0.175)3.2=0.012kg液/kg气1.5)故在设计负荷下不会发生过量漏液。4.液泛检验为防止降液管液泛的发生，硬是降液管中青液层高度Hd(HT+hw)Hd=hp+hL+hdhd=0.153(LS/lw/h0)2=0.153(0.0021/0.585/0.036)2=0.00152mH

13、d=0.08975+0.07+0.00152=0.161m取=0.5则(HT+hw)=0.5(0.4+0.0534)=0.2267m故Hd(HT+hw)，在设计负荷下不会发生液泛。根据以上踏板的各项流体力学验算，可以认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。八 塔板的负荷性能图精馏段负荷性能图1.雾沫夹带线(1)ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.2式中Ua=VS/(AT-Af)= VS/(0.0557/0.071-0.0557)=1.372 VS (a)hf=2.5(hw +how)=2.5hw+2.8410-3E(3600LS/2.6)2/3近似取E=1.0, hw=0.051,lw=

14、0.65m故hf=2.50.051+2.8410-31.0(3600LS/0.65)2/3=0.127+2.22 LS2/3 (b)取雾沫夹带极限值ev为0.1kg液/kg气,已知=20.4310-3N/m,HT=0.4m并将(a)(b)两式带入ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.2，得下式0.1=5.710-6/20.4310-31,372 VS/(0.4-0.127-2.22 LS2/3)3.2整理得VS=1.25-10.16 L S 2/3在操作范围内，任取几个值，以上是算出相应的之列于附表 1 中附表 1LSm3/s0.610-40.00150.00250.0055VSm3/

15、s1.231.111.060.93依据表中数据在VS-LS图中做出雾沫夹带线(1)，如图 4所示2.液泛线(2)由Hd=hp+hL+hd，Hd(HT+hw)两式联立得(HT +hw)= hp+hw+hd +how近似取E=1.0, lW=0.65how = 2.84/1000E(Lh/lW)2/3=2.8410-3(3600 LS /0.65)=0.889LS2/3hc=0.051(u0/c0) 2(v/L)=0.051(VS/A0c0) (v/L)=0.051(VS/0.84/0.0312) 2(2.91/802.13)=0.269 VS2hl=0(How+hw)=0.65(0.0511+0

16、.889 LS2/3)=0.0332+0.5779 LS2/3h=2.07710-3 hp= hc+hl +h=0.269 VS2+0.0353+0.581 LS2/3hd=0.153(LS/Lw / how) 2=0.153(LS/0.65 /0.0148) 2=1653 LS2将HT=0.4m, hw=0.0511, =0.5及上式联立得0.5(0.4+0.0511)=0.269VS2+0.0353+0.58 LS2/3+0.0511+0.889 LS2/3+1653LS2整理得：VS2=0.5175.46 LS2/36145 LS2在操作范围内取若干LS值，以上式计算VS值，列于附表2中

17、，以表中数据作出液泛线(2)，如图 4所示。附表 2LSm3/s0.610-40.00150.00250.0055VSm3/s0.5090.4320.3710.1613.液相负荷上限(3)取液体在降液管中停留时间为4秒，由l=ASHT/LS得LSmax=ASHT/l=0.40.879/4=0.0879液相负荷上限(3)在VS-LS坐标图上为与气体流量VS无关的垂线，如图 4所示。4.漏液线(气相负荷下限)(4)由hL=hw+how=0.033+0.354 LS2/3,uow=VS min/A0 漏液带点气速式 uow=4.43c0(0.0056+0.13hc-h) (v/L)0.5VS min

18、/A0=4.430.80(0.0056+0.13(0.033+0.354 LS2/3)-2.51110-3) 0.5(803.542/2.774)0.5A0前已算出为0.388m2,带入上式整理得VS min=3.16(1.564+13.29 LS2/3) 0.5此即气相负荷下限、关系式，在操作范围内任意取几个LS值，以上式计算相应的VS值列于附表 3 中，依下表中数据作气相负荷下限线(4),如图 4所示。附表 3LS m3/s0.0010.0150.030.040.050.06VS m3/s4.1134.8565.3185.5655.7845.9815.液相负荷下限(5)取平堰, 堰上液层高

19、度how作为液相负荷下限条件, 依how=2.84/1000E(3600 LS min / lw)2/3，取E=1.0则0.006=2.84/1000E(3600 LS min / lw)2/3整理上式的 LS min=2.20610-3m3/s以次值在VS- LS图上作线(5)极为液相负荷下限，如图 4所示。将以上5条线描会与图(VS- LS图)中，即为精馏段负荷性能图，5条线包围区域为精馏段塔板操作区，p为操作点，操作线与 液泛线(2)的交点的相应气相负荷为Vs msx,操作线与气相负荷下限(4)的交点的相应气相负荷为Vs min,可知本设计塔板上限液泛线控制，下限由漏液线控制。精馏段操作

20、弹性=Vs max/Vs min=19.59/4=4.89提留段负荷性能图1.雾沫夹带线(1)ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.2式中Ua=VS/(AT-Af)= VS/(12.56-0.879)=0.086 VS (a)hf=2.5(hw +how)=2.5hw+2.8410-3E(3600LS/2.6)2/3近似取E=1.0, hw=0.012,lw=2.6m故hf=2.50.012+2.8410-31.0(3600LS/2.6)2/3=0.035+0.884 LS2/3 (b)取雾沫夹带极限值ev为0.1kg液/kg气,已知=18.69510-3N/m,HT=0.60m并将(

21、a)(b)两式带入ev=5.710-6/(Ua/HT-hf)3.2，得下式0.1=5.710-6/18.69510-30.086 VS/(0.60-0.035-0.884 LS2/3)3.2整理得VS=29.86-62.84 L S 2/3在操作范围内，任取几个值，以上是算出相应的之列于附表 4 中附表 4LS m3/s0.0010.0150.030.040.050.06VS m3/s29.24528.09127.09525.98124.71623.017依据表中数据在VS-LS图中做出雾沫夹带线(1)，如图 5所示2.液泛线(2)由Hd=hp+hL+hd，Hd(HT+hw)两式联立得(HT

22、+hw)= hp+hw+hd +how近似取E=1.0, lW=2.6how = 2.84/1000E(Lh/lW)2/3=2.8410-3(3600 LS /2.6)=0.354 LS2/3hc=0.051(u0/c0) 2(v/L)=0.051(VS/A0c0) 2 (v/L)=0.051(VS/0.800/0.388) 2(2.726/784.134)=0.00032 VS2hl=0(How+hw)=0.6(0.043+0.354 LS2/3)=0.0072+0.2124 LS2/3h=2.4310-3 hp= hc+hl +h=0.00032VS2+0.0096+0.2124 LS2/

23、3hd=0.153(LS/Lw / ho) 2=0.153(LS/2.6 /0.198) 2=0.5773LS2附表 5LSm3/s0.0010.0150.030.040.050.06VSm3/s26.57625.07423.94823.27322.61622.006将HT=0.60m, hw=0.012, =0.5及上式联立得0.5(0.60+0.012)=0.00032VS2+0.0072+0.2124 LS2/3+0.012+0.354LS2/3+0.5773 LS2整理得：VS2=721.351541.12LS2/3860.170LS2在操作范围内取若干LS值，以上式计算VS值，列于附

24、表5中，以表中数据作出液泛线(2)， 3.液相负荷上限(3)取液体在降液管中停留时间为4秒，由l=ASHT/LS得LSmax=ASHT/l=0.450.904/4=0.1017液相负荷上限(3)在VS-LS坐标图上为与气体流量VS无关的垂线，如图 5所示。4.漏液线(气相负荷下限)(4)由hL=hw+how=0.012+0.353LS2/3,uow=VS min/A0 漏液带点气速式 uow=4.43c0(0.0056+0.13hc-h) (v/L)0.5VS min/A0=4.430.80(0.0056+0.13(0.012+0.353 LS2/3)-2.4310-3) 0.5(784.13

25、4/2.726)0.5A0前已算出为0.388m2,带入上式整理得VS min=3.24(1.61+12.091LS2/3) 0.5刺激气相负荷下限、关系式，在操作范围内任意取几个LS值，以上式计算相应的VS值列于附表 6 中，依下表中数据作气相负荷下限线(4),如图 5所示。附表 6LS m3/s0.0010.0150.030.040.050.06VS m3/s4.2594.9515.3865.6205.8276.014 5.液相负荷下限(5)取平堰, 堰上液层高度how作为液相负荷下限条件, 依how=2.84/1000E(3600 LS min / lw)2/3，取E=1.0则0.006=2.84/1000E(3600 LS min / lw)2/3整理上式的 LS min=0.m3/s以此值在VS- LS图上作线(5)极为液相负荷下限，如图 5所示。将以上5条线描会与图(VS- LS图)中，即为提馏段负荷性能图，5条线包围区域为提馏段塔板操作区，P点为本