化工原理课程设计说明书苯和苯乙烯分离过程浮阀精馏塔设计.docx
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化工原理课程设计说明书苯和苯乙烯分离过程浮阀精馏塔设计
《化工原理》课程设计说明书
苯-苯乙烯分离过程浮阀精馏塔设计
院系：
化学与化工学院
专业：
化学工程与工艺
班级：
09化工2班
学号：
0906210201
姓名：
武金龙
指导老师：
李梅
摘要
本设计的任务是设计用于分离苯-苯乙烯的浮阀精馏塔。
精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。
精馏装置包括精馏塔、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。
热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。
根据加热方式来决定塔底是否设置再沸器，塔底设置再沸器时为间接加热，这种加热方式适用于各种物系，且被广泛使用。
由于本设计设置了再沸器，故采用间接加热。
板式塔的种类繁多，本设计采用浮阀塔，它是在泡罩塔的基础上发展起来的。
浮阀塔被广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中，塔径从200mm到6400mm，使用效果较好。
它具有处理能力大，操作弹性大，塔板效率高，压强小，使用周期长等特点。
确定回流比有图解法和逐板计算法，本设计采用逐板计算法，虽然计算过程较为繁琐，但计算精度较高。
理论板确定后，计算实际板数，再设计塔和塔板中所有的参数，初选塔板间距并计算塔径，这些数据的计算都是以精馏段的数据为依据的。
设计中采用平直溢流堰，因为这样可以使得塔板上具有一定高度的均匀流动的液层。
浮阀塔的开孔率设计中要满足一定的要求，即要确定合适的浮阀数，浮阀的孔径是由所选浮阀的型号确定的，浮阀数通过上升蒸汽量、阀孔气速和孔径确定，阀孔的排列采用等腰三角形叉排。
最后是塔板负荷性能图中过量雾沫夹带线、液泛线、漏液线、液相负荷上、下限线的计算以及确定塔体结构。
第一部分概述5
一、设计目标5
二、设计任务5
三、设计条件5
四、设计内容5
第二部分工艺设计计算6
一、设计方案的确定6
二、精馏塔的物料衡算6
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数6
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量和质量分数6
3.物料衡算原料处理量7
三、塔板数的确定7
1.相对挥发度的求取7
2.进料状态参数的确定8
3.最小回流比的确定8
4.操作线方程的求取9
5.全塔效率的计算9
6.实际板层数的求取10
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算10
1.操作压强计算10
2.操作温度计算10
3.平均摩尔质量计算11
4.平均密度计算11
5.液相平均表面张力计算12
6.求精馏塔的气、液相负荷13
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算14
1.塔径的计算14
2.精馏塔的有效高度的计算15
六、塔板主要工艺尺寸的计算15
1.溢流装置计算15
2.塔板布置18
3.浮阀数与开孔率19
七、塔板的流体力学验算20
1.气体通过干板的压降20
2.雾沫夹带量的验算21
3.液泛的验算21
4.漏液的验算22
八、塔板负荷性能图22
1.漏液线22
2.过量雾沫夹带线22
3.液相负荷下限线23
4.液相负荷上限线23
5.液泛线23
九、附属设备的设计25
1.接管尺寸25
2.回流管尺寸25
3.塔底进气管尺寸25
4.加料管尺寸25
5.料液排出管尺寸25
第三部分设计结果汇总26
一、设计结果一览表26
二、工艺流程图28
三、设计总结29
参考文献29
第一部分概述
一、设计目标
分离苯—苯乙烯混合液的浮阀式精馏塔设计
二、设计任务
试设计分离苯与苯乙烯混合物的浮阀精馏塔，年处理量为2.4万吨苯与苯乙烯混合液，要求气液混合进料。
三、设计条件
生产能力：
3.33吨/小时（料液）
年工作日：
每年按300天生产日计算
原料组成（自选）：
27%的苯和73%的苯乙烯（质量分率，下同）
产品组成（自选）：
馏出液中含苯99.8%，釜液中含苯0.5%
进料温度（自选）：
130℃
进料状况：
气液混合进料
加热方式：
塔釜为饱和蒸汽再沸器加热
四、设计内容
编制一份设计说明书，主要内容包括：
1.设计任务。
2.塔的工艺计算：
包括全塔物料恒算、塔底及塔顶温度、精馏段和提馏段气液负荷、塔顶冷凝器热负荷、冷却水用量、塔底再沸器热负荷、加热蒸汽用量、塔的理论板数、实际板数。
3.塔的结构设计：
包括塔高、塔径、降液管、溢流堰、开孔数及开孔率。
4.塔板流体力学验算。
5.塔板布置图、塔板负荷性能图。
6.附属设备的设计：
塔顶冷凝器、塔顶再沸器、进料接管、塔顶产品、接管、塔底产品接管、塔顶蒸汽接管。
7.计算原料储罐、回流罐、产品贮罐的体积、塔的人孔或手孔开孔数目。
8.撰写设备结果一览表。
9.绘制精馏塔或冷凝器的设备图。
10.设计感想、设计评价、
11.参考文献。
第二部分工艺设计计算
一、设计方案的确定
本设计任务书为分离苯与苯乙烯混合物。
对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。
设计中采用气液混合进料，将原料液通过预热器加热至130℃后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。
二、精馏塔的物料衡算
1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
苯的摩尔质量为78kg/kmol，苯乙烯的摩尔质量为104kg/kmol
2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量和质量分数
进料组成
馏出液
釜液
=0.9985×78+104×0.0015=78.04kg/kmol
=0.006778+0.9933×104=103.83kg/kmol
3物料衡算原料处理量
取一年工作日为300天，则
联立
解得
D=11.39kmol/h
W=23.54kmol/h
三、塔板数的确定
1相对挥发度的求取
表1.1苯与苯乙烯物系的饱和蒸汽压表
温度
/℃
80.1
90
100
110
120
130
140
145
苯的蒸汽压
/KPa
101.33
135.5
179.2
234.38
300.34
379.58
473.62
534.41
苯乙烯蒸汽压
/KPa
12.28
17.96
25.72
36.02
49.42
66.55
88.11
101.3
在某一温度下，由表1.1可查得该温度下纯组分苯和苯乙烯的饱和蒸气压和，由于总压P为定值，即P=101.33，由拉乌尔定律可求得液相组成x,平衡气相组成y。
根据公式α=，x=，y=计算，所求值列于下表：
表1.2温度与α、x、y的关系
温度
/℃
80.1
90
100
110
120
130
140
145
α
7.54
6.97
6.47
6.08
5.70
5.38
5.27
x
1
0.709
0.493
0.329
0.207
0.111
0.034
0
y
1
0.948
0.872
0.761
0.613
0.416
0.159
0
该温度范围内平均相对挥发度
2进料状态参数的确定
进料130℃，时泡点为110℃，平均温度（110℃+130℃）/2=120℃下
苯的摩尔热熔=38.188cal/（kmol·℃）
苯的汽化潜热=6776cal/kmol
苯乙烯的摩尔热熔=49.05cal/（kmol·℃）
苯乙烯的汽化潜热=9167cal/kmol
cal/（kmol·℃）
cal/kmol
3最小回流比的确定
利用恩特伍德法
;
;
由试差法解得=2.54，=1.643
取R=1.8=2.957
带入数据得N=5.24
4操作线方程的求取
相平衡方程：
精馏段操作线方程：
提馏段操作线方程：
0.701
逐板计算发求理论板层数
改用提馏段操作线方程计算，
故所需总理论板数，第五块板加料。
5全塔效率的计算
液相平均粘度依下式计算：
根据塔顶、塔底液相组成查图，求得平均温度=（）/2=112.65℃，该温度下苯和苯乙烯的黏度如下：
全塔效率0.49=0.429
6实际板层数的求取
精馏段实际板层数：
，取
提馏段实际板层数：
，取
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
1操作压强计算
塔顶压力为4KPa表压，每层压降0.7KPa
塔顶压强
进料板压强
塔底压强
精馏段平均压强kpa
提馏段平均压强
2操作温度计算
塔顶温度=80.1℃，进料板温度=130℃，塔釜温度=145.2℃
精馏段平均温度℃
提馏段平均温度℃
3平均摩尔质量计算
（1）塔顶摩尔质量计算：
由=
塔釜摩尔质量计算：
（2）进料板平均摩尔质量计算
由进料参数得，查平衡曲线，得
则，精馏段平均摩尔质量
提馏段平均摩尔质量
4平均密度计算
（1）气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
精馏段
提馏段
（2）液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算：
①塔顶液相平均密度计算：
由=80.1℃，查表得，
质量分数，，计算得
②进料板液相平均密度计算：
由=130℃，查表得，
质量分数，，计算得
③塔釜液相平均密度计算：
由=145.2℃，查表得，
质量分数，，计算得
则，精馏段液相平均密度
提馏段液相平均密度
5液相平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即
（1）塔顶液相平均表面张力计算
由=80.1℃，查表得，
（2）进料板液相平均表面张力计算
由=130℃，查表得，
（3）塔釜液相平均表面张力计算
由=145.2℃，查表得，
则，精馏段液相平均表面张力为：
提馏段液相平均表面张力为：
6求精馏塔的气、液相负荷
（1）精馏段：
汽相摩尔流量
汽相体积流量
液相摩尔流量
液相体积流量
冷凝器的热负荷：
由=80.1℃，查表得汽化热kJ/kg，kJ/kg
平均汽化热kJ/kg
（45.0778.04）（394.7/3600）=385.63kw
（2）提馏段：
汽相摩尔流量
汽相体积流量
液相摩尔流量
液相体积流量
再沸器的热负荷：
由=145.2℃，查表得汽化热kJ/kg，kJ/kg
平均汽化热kJ/kg
（41.26103.83）（354.44/3600）=421.79kw
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1塔径的计算
初选板间距，板上液层高度，则
按Smith法求取允许空塔气速
查smith图得=0.085,负荷因子
一般空塔气速为最大气速的0.6-0.8倍，在此取安全系数为0.7，则空塔气速为：
史密斯关联图
塔径
初步算出塔径后，应按化工机械标准圆整并核算实际气速。
常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200mm等。
按标准塔径圆整后为
2精馏塔的有效高度的计算
精馏段有效高度为
提馏段有效高度为
在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为：
六、塔
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