化工原理课程设计分离苯-甲苯筛板精馏塔的设计

1、精品 料推荐Xx学院化工原 理课程 设计题目分离苯 -甲苯筛板精馏塔的设计系（院）化学与化工系专业应用化工技术班级2008 级 5 班学生姓名学号指导教师职称2008 年 6 月 6 日1精品 料推荐设计任务书(一) 设计题目试设计一座苯甲苯连续精馏塔，要求年产纯度为97% 的苯 7 万吨 /年，塔顶馏出液中含苯不得低于 97% ，塔釜馏出液中含苯不得高于 2% ，原料液中含苯 40% 。（以上均为质量分数）(二) 操作条件1) 塔顶压力 常压2) 进料热状态 自选3) 回流比 自选4) 塔底加热蒸气压力 0.5Mpa（表压）5) 单板压降 0.7kPa(三) 塔板类型自选(四) 工作日每年工

2、作日为 300 天，每天 24 小时连续运行 (7200 小时 )。(五) 设计说明书的内容1. 设计内容(1) 流程和工艺条件的确定和说明(2) 操作条件和基础数据(3) 精馏塔的物料衡算；(4) 塔板数的确定；(5) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；(6) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(7) 塔板主要工艺尺寸的计算；(8) 塔板的流体力学验算；(9) 塔板负荷性能图；(10) 主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11) 塔板主要结构参数表(12) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。2. 设计图纸要求：1) 绘制生产工艺流程图（ A3 号图纸）

3、；2) 绘制精馏塔设计条件图（ A3 号图纸）。2精品 料推荐目录1.流程和工艺条件的确定和说明 .12.操作条件和基础数据 .12.1.操作条件 .12.2.基础数据 .13.精馏塔的物料衡算 .13.1.原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率 .13.2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 .23.3.物料衡算 .24.塔板数的确定 .24.1.理论塔板层数 NT 的求取 .24.1.1. 绘 t-x-y 图和 x-y 图 .24.1.2.最小回流比及操作回流比的确定 .44.1.3.精馏塔气、液相负荷的确定.44.1.4. 求操作线方程 .44.1.5. 图解法求理论板层数 .44.2.实际

4、塔板数的求取 .45.精馏塔的工艺条件及有关物性的计算 .45.1.操作压力计算 .55.2.操作温度计算 .55.3.平均摩尔质量计算 .55.4.平均密度计算 .55.4.1. 气相平均密度计算 .55.4.2. 液相平均密度计算 .65.5.液体平均表面张力计算 .65.6.液体平均黏度计算 .75.7.全塔效率计算 .75.7.1. 全塔液相平均粘度计算 .73精品 料推荐5.7.2. 全塔平均相对挥发度计算 .85.7.3. 全塔效率的计算 .86.精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .86.1.塔径的计算 .86.2.精馏塔有效高度的计算 .97.塔板主要工艺尺寸的计算 .107.1.溢流装

5、置计算 .107.1.1. 堰长 l W .107.1.2. 溢流堰高度 hW .107.1.3. 弓形降液管宽度 W d 和截面积 A f .107.1.4. 降液管底隙高度 h0 .117.2.塔板布置 .117.2.1. 塔板分布 .117.2.2. 边缘区宽度确定 .117.2.3. 开孔区面积计算 .117.2.4. 筛孔计算及其排列 .118.筛板的流体力学验算 .128.1.塔板压降 .128.1.1. 干板阻力 hc 计算 .128.1.2. 气体通过液层的阻力h1 计算 .128.1.3. 液体表面张力的阻力h计算 .128.2.液面落差 .138.3.液沫夹带 .138.4

6、.漏液 .148.5.液泛 .149.塔板负荷性能图 .149.1.漏液线 .149.2.液沫夹带线 .154精品 料推荐9.3. 液相负荷下限线 .169.4.液相负荷上限线 .169.5.液泛线 .1610.主要工艺接管尺寸的计算和选取 .1810.1.塔顶蒸气出口管的直径 dV .1810.2.回流管的直径 dR .1910.3.进料管的直径 d .19F10.4.塔底出料管的直径 d W .1911.塔板主要结构参数表 .1912.设计实验评论 .2013. 收获与致谢 .2114.参考文献 .2115.附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）.215精品 料推荐1. 流程和工艺条件的

7、确定和说明本设计任务为分离苯甲苯混合物。对于二元混合物的分离， 应采用连续精馏流程。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入精馏塔内。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，其余部分经产品冷凝冷却后送至储罐。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1.4 倍。塔釜采用间接蒸汽加热， 塔底产品经冷却后送至储罐。2. 操作条件和基础数据2.1. 操作条件塔顶压力常压101.325kPa进料热状态泡点进料回流比1.6 倍塔底加热蒸气压力0.5Mpa（表压）单板压降0.7kPa。2.2. 基础数据进料中苯含量（质量分数）40%塔顶苯含量（质量分

8、数）97%塔釜苯含量（质量分数）2%生产能力（万吨 /年）9.73. 精馏塔的物料衡算3.1. 原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率苯的摩尔质量M A=78.11 kg/kmol甲苯的摩尔质量MB=92.13 kg/kmol0.4 / 78.11xF =0.4400.4 / 78.110.6 / 92.130.97 / 78.11xD =0.9740.97 / 78.110.03 / 92.131精品 料推荐0.02 / 78.11xW= 0.02 / 78.110.98 / 92.13 =0.0243.2. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF = 0.44078.11+（1-0.440）

9、92.13=85.96kg/kmolMD = 0.97478.11+（1-0.974） 92.13=78.47 kg/kmolMW= 0.02478.11+（1-0.024） 92.13=91.79 kg/kmol3.3. 物料衡算生产能力 F= 9722 =113.10 kmol/h85.96总物料衡算113.10=D+W苯物料衡算113.10 0.440=0.974D+0.02W联立解得D=49.79 kmol/hW=63.31kmol/h4. 塔板数的确定4.1. 理论塔板层数NT 的求取苯甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。4.1.1. 绘 t-x-y 图和 x-y 图由手册 1

10、 查的甲醇 -水物系的气液平衡数据表一苯甲苯气液平衡 苯（ 101.3KPa）/%（mol）沸点 /110.56105.71101.7898.2595.2492.43气相组成0.020.837.250.761.971.3液相组成0.010.020.030.040.050.0沸点 /89.8287.3284.9782.6181.2480.01气相组成79.185.791.295.998.0100.0液相组成60.070.080.090.095.0100.0由上数据可绘出和t-x-y 图和 x-y 图。2精品 料推荐图一图二3精品 料推荐4.1.2.最小回流比及操作回流比的确定采用作图法求最小回流

11、比。 因为是泡点进料， 则 xF =x q，在图二中对角线上，自点（ 0.440，0.440）作垂线即为进料线（ q 线），该线与平衡线的交点坐标为yq = 0.660 xq=0.440故最小回流比为x Dy q=0.9740.660Rmin=x q0.660=1.427y q0.440则操作回流比为R= 1.6Rmin =1.6 1.427=2.2834.1.3.精馏塔气、液相负荷的确定L=RD =2.28349.79=113.67kmol/hV=(R+1)D =（2.283+1） 49.79=163.46 kmol/hL=L+F =113.67+113.10=226.77 kmol/hV=

12、V=163.46 kmol/h4.1.4. 求操作线方程相平衡方程xnyn2.471.47yn精馏段操作线方程为yL xD xD2.283 x0.9740.695x0.297VV3.2833.283提馏段操作线方程为y L x W xw226.77 x 1.51941.387x 0.00930V V 163.46163.464.1.5. 求理论板层数1)采用图解法求理论板层数，如图二所示。求解结果为总理论塔板数NT=14（包括再沸器）进料板位置NF=72)逐板计算求理论塔板数4精品 料推荐xyxy10.9380.97490.2800.49020.8830.949100.1980.37930.8

13、060.911110.1270.26540.7080.857120.0750.16750.6020.789130.0410.09560.5040.715140.0200.04870.4260.64780.3600.582x x换提馏段方程逐板计算进料板在 NF=77qx14 5 sLh0.00324 3600故降液管设计合理7.1.4. 降液管底隙高度h0h0Lh3600lwu0 取 u0=0.06 m/s则0.003243600=0.0531m符合小塔径 h0 不小于 25mm 的要求。h01.0160.063600hW -h0 =0.0652-0.0531=0.0121m 0.006m故降

14、液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度hW =70mm7.2. 塔板布置7.2.1. 塔板分布因 D=1.40m，所以采用分块式。查手册4 得，塔板分为 3 块。7.2.2. 边缘区宽度确定取安定区 WsW s0.075m，边缘区 Wc=0.06m。7.2.3. 开孔区面积计算开孔区面积 A a 按下式计算，Aa 2( x r 2x2r 2sin 1 x)180r其中 x= D(WdWS )1.4 -(0.224+0.75)=0.401m22r= DWc1.4 -0.06=0.64m22则 A a=0.1.016 m27.2.4. 筛孔计算及其排列苯甲苯体系处理的物系无腐蚀性，选用 =3m

15、m 碳钢板，取筛孔直径 d0=5mm。筛孔按正三角排列，取孔中心距t 为t=2.5 d0=2.5 5=12.5mm12精品 料推荐筛孔数目 n 为n= 11581000 Aa = 1.158 1.016=7530 个tt0.01252开孔率为=0.907（ d0 ）2=0.907( 0.005 )2 =14.51%t0.0125气体通过阀孔的气速为Vs1.2868.72 m/su =0A001.016 0.14518. 筛板的流体力学验算8.1. 塔板压降8.1.1. 干板压降 hd 计算干板压降可由下式计算，d1（u02V）h =c0）（2gL由 d0 ，查手册干筛孔的流量系数图4，可得孔流

16、系数0/=5/3=1.67C =0.78故hd=1（8.7222.851） 0.023m 液柱0.78）（29.81805.398.1.2. 气体通过液层的阻力 hL 计算ua=Va=1.2860.929 m/sATAf1.5390.154Fa= uav = 0.929 2.8511/2）1.69 kg1/2/（sm查手册充气系数关联图 4 可得=0.58则 hL = (hw+how)=0.59（0.0652+0.0148） =0.045m 液柱8.1.3. 液体表面张力的阻力h计算液体表面张力所产生的阻力h由下式计算13精品 料推荐h= 4 L4 20.2610 3m 液柱L gd0805.39 9.810.0050.0021气体通过每层塔板的液柱高度hp 由下式得hp= h1+ h+ hc=0.023+0.047+0.0021=0