苯-乙苯分离过程筛板精馏塔设计

1、目录1概述21.1塔设备的化工生产中的作用和地位 .21.2设计方案 21.2.1 工艺流程 21.2.2设计方案简介 21.3设计条件 32主要物性数据43工艺计算43.1精馏塔的物料衡算 43.2塔板数的确定 53.2.1理论塔板数的确定 53.2.2实际塔板数的求取 63.3塔和塔板的主要工艺尺寸计算 73.4溢流装置的设计 93.5 塔板板面布置 103.6 塔板校核 113.6.1降液管液泛 113.6.2 降液管内停留时间 133.6.3液沫夹带 133.6.4 漏液 133.7负荷性能图 143.7.1气液流量的流体力学上下限线 143.7.2塔板工作线 174冷凝器的热负荷、介

2、质消耗量 184.1热负荷 184.2消耗量： 185.再沸器的热量衡算1919195.1热负荷5.2消耗量6筛板塔工艺设计计算结果汇总 207符号说明218参考文献229设计评述23概述1.1塔设备的化工生产中的作用和地位塔设备是化工、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、 气体的湿法静制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产 量、质量、生产能力和消耗定额，以及

3、三废处理和环境保护等各个方面，都有重 大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大 比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。1.2设计方案本设计任务为分离苯-乙苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精 馏。精馏过程的流程设计如下：1.2.1工艺流程如图1-1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。 操作时连 续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化， 产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝， 然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷

4、凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液 体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。 为了使精馏塔连续的稳定的进 行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵，有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。图1-1精馏塔示意图1.2.2设计方案简介设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，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2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。具体如下：塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是结构比浮阀塔更

5、简单， 易 于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80%左右。处理能力大，比同塔 径的泡罩塔可增加1015%。塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。压降较低。 缺点是塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。加料方式和加料热状况的选择：加料方式采用直接流入塔内。虽然进料方式 有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影 响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同， 无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中米取饱和液体进料设计的依据与技术来源：本设计依据于精馏的原理（即利用液体混合物中各 组分挥发度的不同并借助

6、于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离） ，并在满 足工艺和操作的要求，满足经济上的要求，保证生产安全的基础上， 对设计任 务进行分析并做出理论计算。目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，此次设计 采用精确计算与软件验算相结合的方法。1.3设计条件生产能力为5000kg h,原料中苯的含量为45% （摩尔分数，下同），分离要 求为塔顶含量不低于98%，塔底苯含量不低于5% ,常压操作，塔顶采用全凝器, 饱和液体进料。2主要物性数据表2-1苯、乙苯的物理性质项目分子式分子量沸点'C临界温度C临界压强Pa苯ACH7880.1288.56833.4乙苯BC8H101061

7、36.2348.574307.7表2-2苯、乙苯在某些温度下的表面张力t/ C20406080100120140苯(mN/m)28.826.2523.7421.2718.8516.4914.17乙苯(mN/m)29.327.1425.0122.9220.8518.8116.82表2-3苯、乙苯在某些温度下的粘度t/ C020406080100120140卩苯(mPa s)0.740.640.490.380.310.260.220.18巴苯(mPa s)0.870.670.530.430.350.300.260.23表2-4苯、乙苯的液相密度t/ C20406080100120140P苯(kg/

8、m3)877.4857.3836.6815.0792.5768.9744.1F乙苯(kg/m3)867.7849.8931.8913.6795.2776.2756.7表2-5不同塔径的板间距塔径D/mm800-12001400-24002600-6600板间距HT/mm300-500400-700450-8003工艺计算3.1精馏塔的物料衡算苯的分子式为C6H6,千摩尔质量为78kg kmol，乙苯的分子式为C8Hio,千 摩尔质量为106kg. kmol。原料液的平均千摩尔质量为Mf 二xfMa (1-Xf)Mb =0.45 78 (1 -0.45) 106 = 93.4kg. kmol93

9、.4所以F 二 5000 =53.5kmol. h即采出率为： D = Xf Xw 二 04上005 二 0.430F xD -xw0.98-0.05由上式求出塔顶馏出液量为D -0.430F =0.430 53.5 = 23.0kmol h则塔釜残液量为W = F - D 二 53.5 - 23.0 二 30.5kmol h3.2塔板数的确定3.2.1理论塔板数的确定查化工手册得苯和乙苯的t-x-y关系如表（4-1 ）所示 表3-1苯-乙苯气液平衡数据T/Cxy801 . 0001.000880.7430.940960.5420.8651040.3850.7621120.2590.63112

10、00.1570.4651280.0720.2571360.0000.000图3-1苯-乙苯温度组成图由图（3-1 ）可得q线与平衡线的交点坐标（xq, yq）为（0.45，0.815）则最小回流比为Rminyq Xq0.98-0.8150.815-0.450.45取回流比 R=2Rmin=2 0.45 =0.90则精馏塔的气液负荷：精馏段：V =(R 1)D =(0.901) 23.0 =43.7kmol/hL 二 RD =0.9 23.0 = 20.7kmol h提馏段：由于泡点进料 q =1所以 V，=V =44.7kmol h! =L F =20.7 53.5 =74.2kmol h精馏

11、段操作线方程：RxDyn 1Xn0.474Xn 0.516R +1R +1提馏段操作线方程：L' Wym 1 二 VXm -XW =1.698x0.0349图3-2理论塔板数图解法示意图由图（3-2 ）,画梯级可得理论板数为7 （不包含塔釜），进料板为第4块板。3.2.2实际塔板数的求取塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况，以及板间反混（液沫 夹带、气泡夹带和漏液所致）的综合结果。板效率为设计的重要数据。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反 映了实际塔板上传质过程进行的程度。蒸馏塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：

12、Et =0.49 l 皿45由 t-x-y 曲线可知：tD =82C、tW =132C、tF =100°C 全塔平均温度tD tW tF = 104.7C3查化工数据手册得平均温度下的液相中各组分的黏度：表3-2平均温度下液相中组分的黏度组分苯A乙苯B黏度卩(mPa- s)0.2240.276则有=0.45 0.2224 (10.45) 0.276 二 0.25同理JLD =0.23、W =0.27平均黏度%= 0.25 0.23 0.27253查手册得，在104.7 T下，相对挥发度-5.11则全塔效率Et =0.49 :叫 2450 245= 0.49 5.110.25.= 0.

13、46计算实际塔板数精馏段Nt4cN P精9Et0.46提馏段Nt3Np提7Et0.46故全塔实际所需塔板数N =16块，加料板位置在第9块3.3塔和塔板的主要工艺尺寸计算塔顶物料平均千摩尔质量为：Md =xDM A (1-Xd)Mb =0.98 78 0.02 106 = 78.6kg. kmol塔顶气相密度为PMdRT101.3 78.68.314 (273 82)二 2.70kg m3塔顶液相密度及表面张力近似苯计算。 由化工原理上册附录二可查得20 C下苯的密度'二879kg m3，体积膨胀系数-12.4 10, C '。计算可得82 C下苯的密度P31'(t -

14、t )879112.4 10-(82 -20)二 816kg m3由化工原理上册附录十五可查得 82 C下苯的表面张力二二0.0197N mVM D精馏段上升与下降的气液体积流量为43.7 78.6 = 1273m3 h = 0.36m3 s2.70V*?L20.7 78.6""816=2.09m3 h= 5.8 10*m3 s初选板间距Ht = 500mmhL = 0.085m，则分离空间为HT -hL =0.5 -0.085 =0.415m气液动能参数为= 0.028图3-3史密斯关联图Vl=5.5 10°816Vg j 5 一 0.354 2.70-L由图（

15、3-3）查得气体负荷因子C20 =0.095，因表面张力的差异，气体负荷因子校正为C C20C = 020.020 丫I cr J0.095 二 0.095m s,0.0197 丿u max = C4-0.095 冷Pg2.70'816 2.7°=1.65m/s取空塔速率为最大允许速率的0.75倍，则空塔速率为u =0.75umax = 0.75 1.65 =1.24ms则塔径为D =4 °36 = 0.61m3.14 1.244Vg u根据标准塔径圆整为D =0.8m再由表（2-5）可见，当塔径为0.8 m时, 间距可用。其板间距可取500 mm因此，所设板塔高Z

16、 =(Np -1)Ht=(16-1) 0.5 = 7.5m3.4溢流装置的设计对平直堰，选堰长与塔径之比为 0.75，于是堰长为lw =0.75D 二 0.75 0.80 = 0.60m淫=5.8 梦 3600 二 7.49lw0.6图3-4液流收缩系数液流收缩系数 E计算最大允许速率为由图（3-4）查得E =1.03 :1即于是取2 2*V V(2 09 诵hOW =0.00284 E =0.00284 汉1 J i = 0.0065 m出丿26丿h W = h L -how = 0.085 - 0 .0065= 0.0785 m = 78 .5 mmh° 二 h -10 二 78

17、.5 -10 二 68.5mm12122A D3.14 ； 0.80.502m44Af= 0.11根据D=0："75，由图（3-5）确定降液管横截面积Af图3-5弓形降液管的宽度与面积AtAfT =0.11At = 0.11 0.502 二 0.0552m23.5塔板板面布置取 WS = 0.07m，WC = 0.05m由图(3-5)确定W =0.18DC_3O 一占67#5丿Q0.5I1k .;10.000.050.0-4即Wd =0.18D =0.18 0.8 = 0.144mX = - (Wd Ws) = 08 -(0.1440.07 0.186m2 2r = WC =08 -

18、0.05 = 0.35m2 2222Aa = 2 (X、r - Xr arcsin)0.186、=2 (0.186 . 0.35 - 0.1862 0.352arcsin )1800.352=0.247 m筛孔按正三角形排列，取孔径d。=4mm, t d。=3.0则fd 、（1 i开孔率® =0.907汉 丨=0.907汉一I =10.1%it丿i3丿A0 247筛孔数n"15首-15时小73筛孔总面积Ao = Aa =10.10° 0.247 = 0.025m23.6塔板校核3.6.1降液管液泛取板厚、=0.60d°,、d° =0.60，A0

19、0.0250.0638，查化At 2Af0.502 2汉0.0552工原理下册图（8-20），确定空流系数C0 =0.73则通过筛孔的气速山上二聲w.4msA 0.025干板压降hd空0仝22 9.88160.73= 0.0655m 液柱所以气体速率为UaVgAt -2Af0.360.502-2 0.0552=0.919m s故气相动能因子Fa =ua = 0.919 2.700.5 = 1.50kg05； m0.5s图3-6充气系数I-'和动能因子Fa之间的关系查图（3-6）确定充气系数1 =0.60气体通过塔板的压降hp 二 1%：hL =0.0655 0.6 0.085 = 0.

20、1165m液柱液体通过降液管的压降hr =0.153(j2 =0.1535.8 10*0.6 68.5 10、2=3.05"0m液柱计算降液管内清夜层高度Hd,并取泡沫相对密度=0.5,Hd 二 hp hc hr =0.1165 0.085 3.05 10* = 0.202m0.500.07852=0.2893m1可见，满足 Hd -(Ht Fw)2降液管内不会发生液泛362降液管内停留时间Af Hd0.0552 0.2025.8 10 '=19.22s - 5s可见停留时间足够长，不会发生气泡夹带现象3.6.3液沫夹带液沫夹带将导致塔板效率下降。通常塔板上液沫夹带量 e要求

21、低于0.1kg液体/kg干气体，则有32fVg、5.7W6Vf'、u5.7X10"6X- Afa"-hf 丿aHT - 2.5hLl丿e3.25.7 10X0.360.502 -0.05520.50 -2.5 0.0853.219.7 10"J= 0.00783 kg液体kg干气0.1kg液体 kg干气可见液沫夹带量可以允许3.6.4漏液克服液体表面张力的作用引起的压降4 二9.8Vd04 0.01979.81 816 0.004=0.0025m 液柱则漏液点气速UOW-4.4C。0.0056 0.13K 化g= 4.4 0.730.0056 0.13 0

22、.085-0.0025 816V2.70=6.65m sUOW14.46.65= 2.17 - 1.5可见不会发生严重漏液现象。由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用3.7负荷性能图3.7.1气液流量的流体力学上下限线 漏液线（气相负荷下限线）第一点取设计点的液体流量 V = 2.09m3 h，故uOW = 6.65m s，于是，相应漏液点的气体体积流量为Vg = uOW A0 =6.65 0.025 3600 = 599m3 h第二点取液体流量为VL =10m3 h，Vll2.51 w102 50.6二 35.862则由图3可知E -1.072f 10 r= 0.

23、00284 1.070.0198m26丿hL = hw hOW = 0.0785 0.0198 二 0.0983m则对应的漏点气速为44C |(0.0056 + 0.13k-Q 尸 lUOW - 44C0 .、g0.0056 0.13 0.0983-0.0025 816 = 4.4 0.73 、:V2.70=7.05 m s故Vg =uowAq =7.05 0.025 3600 = 635m3 h根据(2.09,599 )和(10,635)两点，作直线即为漏液线。液体流量下限线2令hOW =0.0284E 冷"=0.006Uw丿33册x, (0.006(0.006耳 C"3

24、；.故V|_ = I Iw = I M0.60 = 1.66m /h(0.00284E 丿(0.00284 0.07 丿在负荷性能图V =1.66mh处作垂直线，即为液体流量下限线。液体流量上限线取降液管内液体停留时间为3s，则AfHT 36000.0552 0.50 3600 =33.12m3 h在负荷性能图VL = 33.12m3, h处作垂直线，即为液体流量上限线。过量液沫夹带线第一点取设计点的液体流量V 2.09m3 h，则由5.7 10 eer32解出u,H t _h f ;10.伸 沅Fu K 上 |(H t - h f )<5.10 丿101x0 0197 注=01 u.u

25、iy I (0.50_0.213) 15.7"0厘丿=1.78m s于是V -u' A -AJ：-1.78 0.502-0.0552 3600 = 2863m3 h第二点取液体流量为Vl =10m3. h，m = 0.0983mhf =2.5hL =2.5 0.0983 = 0.2458m1巾.1 汉 0.0197 注LC CC,LC、= I (0.50-0.2458)15.7"0 丿= 1.58 m.s于是Vg 二 uAT-Af =1.58 0.502-0.0552 3600 = 2541m3 h根据(2.09,2863 )和( 10,2541)两点，在负荷性能图

26、上作出液沫夹带线。液泛线第一点为设计点Vl=2.09m3 h hL-0.085m , 1： =0.60hP=hd 亠.hL =2+ 0.60x0.0852g L C0?g已求得hr =3.05 10'm液柱Hd=hphc1?ghr2giCo 丿2 - 0.60 0. 085 0.085 3.05 10HdHt hw5。°.q785 = osm2 2可见1 ?g2g ?lU0lCo J2+ 0.60x0.085 +0.085 +3.05 汉 10° = 0.2893mUq -Co 0.2893 0.6 0.085 0.085 3.05 10* 2g -L= 0.73

27、. 0.2893-0.6 0.085-0.085-3.05 10*2 9.818162.70二 22.06 m sVg -u0A -22.06 0.025 3600 = 1986m3. h第二点取液体流量为VL = 10m3 h，hL-0.0983m1hp 讥：h2g?g?LUo<Cq20.60 0.085hr =0.153(生)Iwh。2 =0.1531036000.6汇68.5 況 10°J=0.0007 m 液柱= 6211 p fu 1Hd =hP hc hrg -0.60 0.0983 0.0983 0.0007 =0.28932g E iC0 丿故U00.2893

28、-0.6 0.0983 -0.0983 -0.0007 2g ： Lr816= 0.730.2893-0.6 0.0983-0.0983-0.00072 9.81 ,=27 m s故Vg 二 代=27 0.025 3600 = 1837m3 h由（2.09,1986 ）和（10,1837）两点，在负荷性能图上作出液泛线。如图（3-7 ）所示为塔板负荷性能图图3-7负荷性能图3.7.2塔板工作线在负荷性能图上做出斜率为Vg _0.36Vl - 5.8 10,的直线OAB,塔板工作线。此线与流体力学上下限线相交于A、B两点，读出A、B两点的纵坐标值即为(Vg)min和(Vg)max，并求出操作弹性

29、：操作弹性=出竺.2.86 (Vg)min650由图可见，按本设计的塔板结构较理想。液泛线低于过量液沫夹带线，液体 流量上限线靠近塔板工作线。因此，操作弹性符合。此外，操作下限没有落在液 体流量下限线说明堰长lw取得合适，降液面积取得合理，且设计点处于正常工作区域内4冷凝器的热负荷、介质消耗量4.1热负荷由于塔顶溜出液几乎为纯苯，近似按苯的性质计算，且忽略热流体的显热。当Xd =0.98时，泡点温度tD =82 C，查化工原理上册附录十四此温度下苯的比汽化焓为 rc =395 kJ kg苯的千摩尔质量为MA =78kgkmol，对于泡点有:H m,V Hm,L = rcM C =395 汇 7

30、8 = 30810kJ/kmol，已知即:4.2消耗量:V =(R 1)D =(0.9 1) 23.0 =43.7kmol. h1.35 1064.174 (35-25)Qc =V(Hm,V Hm ,L) = 43.7 汉 30810 = 1.35 汉 1°6 kJ/h=3.2 104 kg h5.再沸器的热量衡算5.1热负荷由于塔釜残留液几乎为乙苯，忽略塔釜残留液的摩尔焓，近似按乙苯的性质计算， 查化工基础数据手册可知132 C下乙苯的汽化焓为rc =270kJ kg，乙苯的千摩尔质量为 M 116 kg kmol， 对于泡点有：H m,v H m,w = rcM b = 270

31、116 = 31320kJ kmolJ即再沸器的热负荷：Qb二V' H'm,W -Hm,w Q'设计时考虑300的热负荷则： Qb = 1.03V' H m,W -Hm,W Q'= 1.03 43.7 (31320-0)= 1.41 106 kJ h5.2消耗量查化工原理上册附录二 p =101.3kpa时水蒸气的汽化焓r = 2258.7kJ kgQbWbbr1.41 1062258.7=624.3 kg. h由计算结果可见，在塔釜加入的热量1.41 106 kJ h，而在塔顶带出的热量Qc -1.35 1 06 kJ h，说明在塔釜加入的少部分热量被

32、塔顶的冷凝器带走6筛板塔工艺设计计算结果汇总序号项目符号单位计算数据1平均温度tm°C104.72气相流量Vgm /s2.703液相流量Vlm /s45.8x104实际塔板数Np-165有效高度Zm7.56塔径Dm0.87板间距HTm0.58堰长1 wm0.609堰高hwm0.078510板上清液层高度hLm0.08511堰上清液层高度m0.006512降液管压降hrm3.05"0，13降液管内清夜层高度Hdm0.289314塔板压降hpm0.124515降液管底隙高度h。m0.068516气相动能因子Fa0.5 ,，' /0.5、kg /(m s)1.5017弓形

33、降液管宽度Wdm0.14418筛孔总面积Ao2m0.02519筛孔直径dom0.00420筛孔数目n-197321孔中心距tm0.01222开孔率q>%10.123空塔气速ums1.2424筛孔气速Uoms14.425稳定系数K-2.1726停留时间Ts19.2227液沫夹带ekg液/kg气0.0078328气相负荷上限(Vg ) maxm /s186029气相负荷下限(Vg )minm /s65030操作弹性-2.867符号说明英文字母A塔板开孔区面积，mev液沫夹带量，kg液/kg气A-降液管截面积，mM-平均摩尔质量，kg/kmolA筛孔区面积，mdo-筛孔直径，mA-塔的截面积，

34、mD-塔径，mC-负何因子，无因次Rmin最小回流比C20表面张力为20mN/mR-回流比的负荷因子Tm平均温度，cg-重力加速度，m/sFo筛孔气相动触因子hi出口堰与沉降管距离，m hf板上清液咼度，mhe-与平板压强相当的hl-板上清液层咼度，m液柱高度，mho降液管的底隙高度，mhd-与液体流过降液管压强how堰上液层咼度，m降相当的液柱高度，mHw出口堰咼度，mHW 进口堰咼度，mH板式塔咼度，mh；_与克服表面张力压强HP人孔处塔板间距，m降相当的液柱高度，mHd降液管内清夜层咼度，mH-进料处塔板间距，mHT-塔板间距，mK-稳定系数1w堰长，mLh-液体体积流量，m/hLs液体体积流量，m/hn-筛孔数目P操作压力，kPaP-一气体通过每层T-理论板层数筛板的压降，kPau空塔气速，m/st筛孔的中心距，muomin漏液点气速，m/s/ u液体通过降液体Vn气体体积流量，m/s系的速度m/s,Vs-气体体积流量，m/sW 边缘无效区宽度，mWd-一弓形降液管高度，mW 破沫区宽度，mz板式塔有效咼度，m希腊字母-筛板厚度，m* -开孔率，无因次.液体在降液管内停留时间，s粘度，mPa s、3密度