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1、化工原理化工设备机械基础 课程设计任务书-4专业 化工班级 设计人一、设计题目苯一甲苯 精馏分离换热器设计二、设计任务及操作条件1、设计任务：生产能力(进料量)90000吨/年_操作周期7200小时/年进料组成25% (质量分率，下同)塔顶产品组成96%塔底产品组成2%2、操作条件塔顶操作压力自 选(表压)进料热状态自 选两侧流体的压降： 才7 kPa3、设备型式 自选4、厂 址 重庆地区三、设计内容：1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计(1) 冷凝器和再沸 器结构尺寸的确定(2) 传热面积、两侧流体压降校核(3) 接管尺寸的确定4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇
2、总6、工艺流程图及换热器工艺条件图7、设计评述推荐教材及主要参考书：1、王国胜，裴世红，孙怀宇.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，20052、贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，2002.3、马江权，冷一欣.化工原理课程设计.北京：中国石化出版社，2009.4、化工工艺设计手册，上、下册；5、化学工程设计手册上、下册；6、化工设备设计全书编辑委员会化工设备设计全书-塔设备；化学工业出版社: 北京.2004，017、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-换热器；化学工业出版社: 北京.2004，018、化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书-管道；化
3、学工业出版社：北 京.2004，019、陈敏恒.化工原理（第三版）.北京：化学工业出版社1. 设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。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 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 程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低
4、，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。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它 的主要优点有：(1) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔 的80%左右。(2) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015%。(3) 塔板效率咼，比泡罩塔咼15%左右。(4) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。 筛板塔的缺点是：(1)塔板安装的水平度要求较
5、高，否则气液接触不匀。(2 )操作弹性较小(约23)。(3 )小孔筛板容易堵塞。表1苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点(C)临界温度t fC)临界压强PC(kPa)苯ACH6 6甲苯BCHCH6 53表2组分的液相密度(：P382附录图8)温度(C)8090100110120苯,kg/ m 3814805791778763甲苯,kg/ m 38098017917807682. 工艺计算(1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量M蠱二褪丄氏郎也曲甲苯的摩尔质量MB2A3kgfkmol0.25/78.11耳_ 0.25/78.11 + 0.75/92.13 -。卫脸0.96 78.
6、11=_ 0.96 78.11 + 0.04 92.13 - %60.02 78.11Xw - 0.02 78.11 + 0.98 92.13 - 23(2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M = 0.282 x 78.11 + 0.718 x 92.13 二 88.18 kg ikmol FM 二 0.966 x 78.11 + 0.034 x 92.13 二 78.59 kg ikmolDM 二 0.023 x 78.11 + 0.977 x 92.13 二 91.81 kg ikmolW(3)物料衡算原料处理量F=9000000088.18*7200=141.76 kmolih总物料
7、衡算=D+W 苯物料衡算X=+ W 联立解得D=/hW=/h式中F原料液流量D塔顶产品量W塔底产品量3塔板数的确定(1)理论板层数NT的求取 苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出Xy图，见下图求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点e (,)作对角线的垂线ef 即为进料线(q线)，该线与平衡线的交点坐标为y = , x =(此时 q=1)qq故最小回流比为Rmm二号二弓暮二276q q取操作回流比为R二1.5 R二4.14min求精馏塔的气、液相负荷L = R x D = 4.14x 38.94 = 161.0
8、8 kmolihV 二(R + 1)D 二 5.14x 38.94 二 200.15kmolhV二(R + 1)D - (1-q)F 二(4.14 +1)x 38.94 二 200.15kmol / h (泡点进料:q=1)L 二 RD + qF 二 4.14 x 38.94 + 1x 141.76 二 302.84kmol / h求操作线方程 精馏段操作线方程为Rxy 二x + 二 0.805x + 0.1879 n+1 R +1 n R +1n提馏段操作线方程为y = Lx -Wx = 1.513x -0.5137m+1 V m V wm(2)逐板法求理论板又根据R =亠-a(1-)min
9、 a-1 x 1 - xFf可解得相平衡方程y =_ 2.203x1 + (a - 1)x 1 +1.203xx =1=+=0.9611 y + a(1-y ) y + 2.203(1-y )1 1 1 1Rxy 二 x +d2 R +1 1 R +1二 0.805x + 0.1879 二 0.962x 二2 y +2.203(1- y )2 20.920y3二 0.805x + 0.1879 二 0.92852x =3= 0.8553 y +2.203(1- y )33y4二 0.805x + 0.1879 二 0.8763x =4= 0.7624 y +2.203(1- y )44y5二
10、0.805x + 0.1879 二 0.8014x = 0.6465 y +2.203(1-y )5 5y6二 0.805x + 0.1879 二 0.7085x =6= 0.5246 y +2.203(1-y )6 6y7二 0.805x + 0.1879 二 0.6106x 二乙二 0.4157 y +2.203(1-y )7 7y8二 0.805x + 0.1879 二 0.5227x =8= 0.3318 y +2.203(1-y )8 8y9二 0.805x + 0.1879 二 0.454x 二乙二 0.2749 y +2.203(1- y )因为x9 V J.精馏段理论板n=8x
11、 = x = 0.27419由计算可知xx x所以提留段理论板数n=l2 w 1全塔效率的计算（查表得各组分黏度卩=，卩=）1 20.275卩=x 卩 + (1 x )卩=0.282 x 0.269 + (1 0.282) x 0.277mF 1F 2E 二 0.17 0.616lg r 二 0.17 0.6161g0.274 a 52%Tm捷算法求理论板数x 1 xN 二 1/lna ln()(w) 1 二9.898 1 二8.898minm1 xxDW由公式 Y = 0.545827 0.591422X + 0.002743/ XX 二 R 一 Rmin二 4.14-2.76 二 0.26
12、8R +15.14代入Y= 由 N - Nmin二 0.3165, N = 10N + 2x 1 xN 二 1/lna ln( )( ) 1 二 4.925 a 5 min，111 一 x xDF二 1.141n( 0.974 )(1 0.24) 1 二 4.44 a 5 1 0.9740.24精馏段实际板层数提馏段实际板层数尷二 4/=8进料板在第11块板4.主要设备工艺尺寸设计1)操作压力计算 塔顶操作压力P = kPa塔底操作压力P = kPaw每层塔板压降kPa进料板压力p = + X 10 =精馏段平均压力P m = ( + )/2= kPa提馏段平均压力P m = ( + ) /2
13、 = kPa(2) 操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度tD =r进料板温度t =c塔底温度 t:w精馏段平均温度t = ( +)/2 = Cm提馏段平均温度t =( + )/2 =Cm(3) 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由y x =,代入相平衡方程得x =1 D1M = 0.928 x 78.11 + (1 0.928) x 92.13 = 79.12 kg/kmolL, DmM = 0.966 x 78.11 + (1 0.966) x 92.13 = 78.59 kg ikmolV, Dm进料板平均摩尔质量计算 由上面理论的算法，得x = yFFM = 0.464 x 78.11 + (1 0.464) x 92.13 二 85.62 kg ；kmolV, F, mM = 0.282 x 78.11 + (1 0.282) x 92.13 = 88.18kg kmolL, Fm塔底平均摩尔质量计算 由x二0.023，由相平衡方程，得y =WmM = 0.049 x78.11 + (1 0.
