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1、化工原理课程设计 苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计姓 名 ： 班 级 ： 高材11002 学 号 : 序 号 ： 年 月 目录1 苯甲苯混合液筛板精馏塔设计概述12 板式精馏塔设计任务书13 设计计算23.1 设计方案的选定及根底数据的搜集23.2 精馏塔的物料衡算33.3 塔板数确实定43.4 塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算63.5精馏段的气液负荷计算84 精馏塔的塔体工艺尺寸计算84.1塔径的计算84.2 塔板工艺结构尺寸的设计与计算95 筛板的流体力学验算106精馏段塔板负荷性能图127设计结果一览表151 苯甲苯混合液筛板精馏塔设计概述塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一
2、。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，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，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。 精馏是别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。精馏过程在能量剂驱动下有时加质量剂，使气液两相屡次直接接触和别离，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别离。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别离。本设计的
3、题目是苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计，即需设计一个精馏塔用来别离易挥发的苯和不易挥发的甲苯。2 板式精馏塔设计任务书一、设计题目苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计。二、设计任务(1)原料液中苯含量：质量分率55(质量)，其余为甲苯。(2)塔顶产品中苯含量不得低于98(质量)。(3)塔底釜液含甲苯量不低于 98%(质量)(4)生产能力：45000 t/y苯产品，年开工330天。三、操作条件(1)精馏塔顶压强：4.0kPa(表压) (2)进料热状态：饱和液体(3)回流比：R=1.5Rmin。 (4)单板压降压：0.7kPa (5)冷却水温度：30 (6)饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)(7
4、)设备型式：筛板塔四、设计内容及要求(1)设计方案确实定及流程说明(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确实定；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3 设计计算3.1 设计方案的选定及根底数据的搜集 本设计任务为别离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。对于二元混合物的别离，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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一局部回流至塔内，其余局部经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易别离物系，最小回流比拟小，故操作回流比
5、取最小回流比的1.5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。其中由于蒸馏过程的原理是屡次进行局部汽化和冷凝，热效率比拟低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，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馏，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。下列图是板式塔的简略图： 表1 苯、甲苯在某些温度t下的饱和蒸汽压 ( 谭天恩 ?化工原理?P73)t/80.184889296100104108110.6PA0/kPa101.3114.11
6、28.4144.1161.3180200.3222.4237.7PB0/kPa3944.550.857.865.674.283.694101.3表2苯-甲苯物系在总压101.325kPa下的t-x(y)图( 谭天恩 ?化工原理?P73)t/80.184889296100104108110.6x10.8160.6510.5040.3730.2560.1520.0570y10.9190.8250.7170.5940.4550.30.1250t/80.184889296100104108110.62.60 2.56 2.53 2.49 2.46 2.43 2.40 2.37 2.35 x10.816
7、0.6510.5040.3730.2560.1520.0570表3 苯-甲苯物系在某些温度t下的值( 谭天恩 ?化工原理?P75) 表4 纯组分的外表张力温度8090100110120苯，mN/m21.22018.817.516.2甲苯，mN/m21.720.619.518.417.3表5 纯组分的液相密度温度()8090100110120苯,kg/814805791778763甲苯,kg/8098017917807683.2 精馏塔的物料衡算(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 MA=78.1甲苯的摩尔质量 MB=92.1进料组成苯的质量分数=0.55塔顶馏出液苯的质量分数
8、=0.98=0.983塔底釜液苯的质量分数=0.02=0.02352原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3物料衡算 原料处理量全塔物料衡算： F=D+W FxF=DxD+WxW 代入F=67.77kmol/h xF=0.59 xD=0.983 xW=0.0235解得 D=40.01koml/h，W=27.76kmol/h式中 F-原料液流量 D-塔顶产品量 W-塔底产品量3.3 塔板数确实定 1理论板数NT的求取。苯一甲苯属理想物系，可采用逐板计算求理论板数。 最小回流比及操作回流比的计算： 由表3随温度的升高，的值略有减小，但变化不大。取的平均值：=2.6+2.35/2=2.475采用饱和
9、液体进料，q=1。于是xe=xF=0.590取操作回流比为 R=1.5Rmin=1.59 求操作线方程 精馏段操作线方程为提馏段操作线通过0.0235,0.0235、0.590,0.740两点于是得到提馏段操作线方程：逐板法求理论板数：相平衡方程 解得用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算= 0.983 ， =0.959， ；交替应用相平衡线和精馏段操作线方程得到以下数据：n1234567xn0.9590.9180.8630.7960.7230.6490.583yn0.9830.9650.940.9060.8660.8210.776因为x7=0.583xF=0.590故精馏段理论板 n=6。用
10、提馏段操作线和相平衡方程继续逐板计算 交替应用相平衡线和精馏段操作线方程得到以下数据：n8910111213141516xn0.5320.4550.3550.2480.1570.0920.0520.0290.016yn0.7380.6740.5760.450.3160.2010.1190.0680.039因为x16=0.016xW=0.0235故提馏段理论板 n=8不包括塔釜。总塔板数为14不包括塔釜，第7块板为加料板。2全塔效率的计算查谭天恩 ?化工原理?P73 图10-1温度组成图得到，塔顶温度tD=80.42，塔釜温度tW=109.95，全塔平均温度tm=95.18。查谭天恩?化工原理?
11、附录黏度共线图，得到苯、甲苯在平均温度下的粘度 平均粘度全塔效率3求实际板数精馏段实际板数，取=12提馏段实际板数，取=16。总塔板数数=+=283.4 塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1平均压力Pm塔顶操作压力P4+101.3=105.3 kPa每层塔板压降按 P0.7 kPa进料板压力105.3+0.712113.7 kPa精馏段平均压力 Pm105.3+113.72109.5 kPa2平均温度查谭天恩 ?化工原理?P73 图10-1温度组成图得到，塔顶温度tD=80.42 进料板温度89.96 ，于是精馏段平均温度= 80.42+89.96/2 = 85.193平均摩尔质量计算
12、 塔顶： 由y1=xD=0.983,代入相平衡方程得x1=0.959进料板：yF=0.740， xF=0.590 精馏段：=78.34+81.74/2=80.04 =(78.67+83.84)/2=81.264平均密度气相平均密度计算 ：液相平均密度计算： 将表5密度与温度的数据关联成直线得到-t关系：苯 kg/m3 式中t为温度，甲苯 (kg/m3)塔顶： 式中aA、aB分别表示苯和甲苯的质量分数进料板： 精馏段： (5) 液体平均外表张力计算将表4纯液体的外表张力与温度的数据关联成直线得到：苯 mN/m 式中t为温度，甲苯 mN/m塔顶：tD=80.42 , 进料板：tF=89.96， 精馏段：(6) 液体平均粘度计算查谭天恩?化工原理?附录黏度共线图，tD=80.42下塔顶：进料板，tF=89.96下精馏段液相平均粘度为 3.5精馏段的气液负荷计算气相摩尔流率气相体积流率气相体积流率Vh=0.7833600=2818.12m3/h液相回流摩尔流率液相体积流率液相体积流率Lh=0.0017743600=6.385冷凝器的热负荷：(式中r为苯-甲苯混合液汽化潜热，苯rA=394kJ/kg, 甲苯 rB=362kJ/kg)4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 4.1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、别离效率、塔的操作弹性，以及塔
