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1、1 一 绪论精馏是一种利用回流是液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离单元操作，广泛应用于石油、 化工、轻工、食品、冶金等领域。精馏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，按操作压力还可分为常压、加压和减压蒸馏，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。典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、塔底再沸器、塔顶全凝器 /冷凝器。本设计采用筛板板式精馏塔完成指定
2、分离任务，设计书中包括物料衡算和能量横算；以及塔板数的确定， 塔板工艺尺寸的确定，再沸器、全凝器的选型等内容。本设计按以下几个阶段进行：(1) 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。(2) 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。(3)塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸， 进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。(4)管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。(5)绘制精馏塔的设备图。2 二设计方案的确定设计题目：分离苯甲苯混合液的常压筛板精馏塔1.原始数据：生产能力：处理量为8000kg/h 原料：苯含量为 40%
3、（mol,下同）的液体进料方式：泡点进料分离要求：塔顶馏出液苯含量为95% 塔底釜液甲苯含量为98% 操作要求：取回流比为倍的最小回流比，总板效率为0.8 2.装置流程的确定装置流程包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离，热量自塔釜输出，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。次设计中采用的是用泵输送原料。塔顶冷凝器采用是全凝器，以便于准确的控制回流比。3.操作压力的选择精馏操作经常可在常压、 加压和减压下进行。 确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质， 兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。根据苯和甲苯的物
4、料特性，此设计采用常压操作。4.进料热状况的选择3 进料状态和塔板数、塔径、回流量及塔的预热负荷都有密切的联系。在实际生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中， 这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。此设计采用泡点进料。5加热方式的选择精馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。由于饱和水蒸气温度与压力互为单值函数关系，其温度科通过压力调节。同时，饱和水蒸气的冷凝替热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸气作为加热剂，在苯设计中采用的就是饱和水蒸气加热。6回流比的选择回流
5、比是精馏操作的重要工艺条件，其选择原则是使设备费和操作费之和最低。在本设计中采用最小回流比的2 倍作为才做回流比。三精馏塔全物料衡算F：进料量（ kmol/s）xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（ kmol/s） xD：塔顶组成W：塔底残液流量（ kmol/s） xW：塔底组成笨的摩尔质量： MA=78kg/kmol 甲苯的摩尔质量： MB=92kg/kmol 由已知条件： xf=0.4 xD=0.95 xW=1-0.98=0.02 进料量： F=8000kg/h=8000/3600(0.4*78+0.6*92)=0.0257kmol/s 物料衡算式： F=D+W FxF=DxD
6、+WxW 4 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算附：苯甲苯气液平衡组成与温度的关系（101.3Pa ）苯/%（摩尔分数）温度/液相气相0.0 0.0 110.6 8.8 21.2 106.1 20.0 37.0 102.2 30.0 50.0 98.6 39.7 61.8 95.2 48.9 71.0 92.1 59.2 78.9 89.4 70.0 85.3 86.8 80.3 91.4 84.4 90.3 95.7 82.3 95.0 97.9 81.2 100.0 100.0 80.2 1. 温度利用表中数据用内插法计算时间tF、tD、tDtF： （95.2-92.1）/（39.7
7、-48.9）=（tF-95.2）/（40-39.7）5 tF=95.10tD：tD=81.2tW： （106.1-110.6 ）/ （8.8-0 ）=（tW-110.6 ）/ （2-0）tW=109.58所以精馏段平均温度 : t1=（tF+tD）/2= （95.10+81.2 ）/2=88.15 提馏平均温度：t2=(tF+tW)/2=（95.10+109.58）/ 2=102.341密度已知：混合液密度： 1/PL=aa/PA+ab/PB 混合气密度： Pv=（T0PM ）/22.4TP0 式中：PL、Pv表示混合液、 混合气的密度； PA、PB表示 A、B纯组成的密度； aa、ab表示
8、A、 B纯组成的质量分数；T0、P0表示 237.15k 和 101.3kPa；P、T代表操作压力和温度； M表示平均相对分子质量。aAF=(0.4*78)/0.4*78+(1-0.4)*92=0.3611 aAD=(0.95*78)/0.95*78+(1-0.95)*92=0.941 aAW=(0.02*78)/0.02*78+(1-0.02)*92=0.01701 求在各点温度处相应的气相组成如下：塔顶温度： tD=81.2气相组成： yD=97.9% 进料温度： tF=95.10气相组成： yF（用内插法计算）（92.1-95.2 ）/ （71.0-61.8 ）=（95.1-95.2 ）
9、/ （100yF-61.8 ）6 解得： yF=62.10塔底温度： tW=109.58气相组成： yW（用内插法计算）（106.1-110.6 ）/ （21.2-0 ）=（109.58-110.6 ）/ （100yW-0）解得： yW=4.8% 塔顶、进料板、塔底处的液相、气相平均摩尔质量的计算：MLD=xD*78+（1-xD）*92=78.7kg/kmol MLF=xF*78+（1-xF）*92=86.4kg/kmol MLW=xW*78+（1-xW）*92=91.72kg/kmol MVD=yD*78+（1-yD）*92=78.3kg/kmol MVF=yF*78+（1-yF）*92=8
10、3.31kg/kmol MVM=yM*78+（1-yM）*92=91.33kg/kmol 所以，精馏段液相平均摩尔质量：ML1=(78.7+86.4)/2=82.55 kg/kmol 提馏段液相平均摩尔质量：ML2=（86.4+91.72 ）/2=89.06 kg/kmol 精馏段气相平均摩尔质量：MV1=（78.3+83.31 ）/2=80.8 kg/kmol 提馏段气相平均摩尔质量：MV2=（83.31+91.33 ）/2=87.32 kg/kmol 在不同温度下苯和甲苯的密度如下：温度/ PA/kg. m- 3PB/kg. m- 37 80 812.35 808.15 85 808.15
11、 804.06 90 804.06 800.86 95 797.86 794.86 100 790.86 789.86 105 784.86 785.86 110 777.86 779.86 利用内插法可求出tD,tF,tW温度下的苯和甲苯混合液的密度 （单位：kg. m- 3）tF=95.10 PAF=797.72 PBF=794.76 1/PLF=0.3611/797.72+(1-0.3611)/794.76, 则 PLF=759.83 tD=81.2 :PAD=811.34 PBD=807.17 1/PLD=0.9416/811.34+(1-0.9416)/807.17, 则 PLD=8
12、11.10 tW=109.58 :PAW=7778.45 PBW=780.36 1/PLW=0.01701/778.45+(1-0.01701)/780.36, 则 PLW=780.33 所以，精馏段液相平均密度：PL1=(PLF+PLD)/2=(795.83+811.10)/2=803.47 提馏段液相平均密度：8 PL2=(PLF+PLW)/2=(795.83+780.33)/2=788.08 在常压操作下， P=PD, 则：PVF=(83.31*273.15)/22.4*(273.15+95.10)=2.76 PVD=(78.3+273.15)/22.4*(273.15+81.2)=2.
13、69 PVW=(91.33*273.15)/22.4*(273.15+109.58)=2.91 所以, 精馏段气相平均密度 :PV1=(PVD+PVF)/2=(2.69+2.76)/2=2.73 提馏段气相平均密度 :PV2=(PVF+PVW)/2=(2.76+2.91)/2=2.84 3.混合液的表面张力液相平均表面张力依下式计算，即：LM=xi i 式中： LM表示混合液的表面张力（单位：mN/m ） ；xi 表示各组分的分子量； i 表示各纯组分的表面张 (单位 mN/m). 塔顶液相平均表面张力的计算：tD=81.2,查手册知： A=20.72mN/m B=20.90mN/m LDm=
14、0.95*20.72+(1-0.95)*20.90=20.73mN/m 进料板液相平均表面张力的计算：tF=95.10，查手册知： A=19.15mN/m B=19.45mN/m LFm=0.40*19.15+(1-0.40)*19.45=19.33mN/m 塔底液相平均表面张力的计算：tW=109.58, 查手册知 : A=17.52mN/m B=18.05mN/m LWm=0.02*17.52+(1-0.02)*18.05=18.04mN/m 所以，精馏段液相平均表面张力为：9 L1=(20.73+19.33/_2=20.03mN/m 提馏段液相平均表面张力为：L2=(19.33+18.0
15、4)/2=18.68mN/m 4. 液相平均粘度液体混合物的粘度可用下式计算，即LM1 3式中： LM1 3混合液黏度， mPa.s；i i 组分的液体黏度， mPa.s；纯液体黏度用下式计算，即：lg L=A/T-A/B 式中： L液体温度为T时的黏度， mPa.s；T温度， K；A,B液体黏度常数苯和甲苯的液体黏度常数如下表：组分A B 苯545.64 265.34 甲苯467.33 255.24 塔顶液相平均黏度的计算：tD=81.2lg ADL=545.64/ （273.15+81.2 ）-545.64/265.34,则ADL=0.3044 mPa.s lg BDL=467.33/ （
16、273.15+81.2 ）-476.33/255.24 ，则BDL=0.3075 mPa.s LDM1/3=0.95* 0.30441/3+(1-0.95)*0.30751/3，10 则，LDM=0.3006 mPa.s 进料板液相平均黏度的计算：tF=95.10lg AFL=545.64/(273.15+95.10)-545.64/265.34,则AFL=0.2663 mPa.s lg BFL=467.33/(273.15+95.10)-467.33/255.24,则BFL=0.2742 mPa.s LFM1/3=0.40* 0.26631/3+(1-0.40)*0.27421/3, 则, LFM=0.2710 mPa.s 塔底液相平均黏度的计算：tW=109.58lg AWL=545.64/(273.15+109.58)-545.64/265.34
