化工原理课程设计乙苯苯乙烯板式精馏塔的工艺设计.docx
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化工原理课程设计乙苯苯乙烯板式精馏塔的工艺设计
化工原理课程设计
题目乙苯-苯乙烯板式精馏塔的工艺设计
年级
专业
学号
学生姓名
3.3.1气体通过筛板压降和的验算………………………………………14
3.3.2雾沫夹带量的验算………………………………………………………...16
3.3.3漏液的验算…………………………………………………………………...16
3.3.4液泛的验算.…………………………………………………………………16
3.4塔板负荷性能图………………………………………………………….17
3.5精馏塔精馏段的设计计算结果汇总一览表………………………………...21
附图…………………………………………………………………………..46
参考文献………………………………………………………………………..47
第一节化工原理课程设计（精馏装置）的内容
1.1设计题目
课程设计题目——乙苯-苯乙烯板式精馏塔的工艺设计：
设计一座乙苯-苯乙烯连续精馏塔，要求年处理原料液（40%乙苯）30000t/a，塔底馏出液中含乙苯不高于2%。
塔顶馏出液中含乙苯为98%（以上均为质量%）。
1.2操作条件
1.塔顶压强4kPa（表压）；
2.进料热状况，自选；
3.回流比，自选；
4.塔釜加热蒸汽压力506kPa；
5.单板压降不大于0.7kPa；
6.年工作日300天，每天24小时连续运行。
1.3设计内容
1.设计方案的确定及工艺流程的说明；
2.塔的工艺计算；
3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算；
4.塔内流体力学性能的设计计算；
5.塔板负荷性能图的绘制；
6.塔的工艺计算结果汇总一览表；
7.辅助设备的选型与计算；
8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制；
9.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。
1.4基础数据
1.安托因方程㏒P=A+B/（C+t）
安托因方程常数
A
B
C
温度范围/℃
乙苯
6.08208
1424.255
213.06
31-187
苯乙烯
6.082
1445.58
209.43
26-163
表1
2.组分的液相粘度（mpa.s）
温度/℃
80
100
120
140
160
乙苯
0.354
0.3
0.259
0.226
0.2
苯乙烯
0.386
0.321
0.272
0.234
0.204
表2
3.组分的液相密度（kg/m3）
温度/℃
100
120
140
160
ρ乙苯
795.2
776.2
756.7
736.4
ρ苯乙烯
838
820
801
781
表3
4.组分的表面张力（mN/m）
温度，（℃）
100
120
140
160
乙苯
20.85
18.81
16.82
14.86
苯乙烯
22.78
20.76
18.78
16.84
表4
双组分混合液体的表面张力可按下式计算：
（为A、B组分的摩尔分率）
第二节设计方案的确定及工艺流程的说明
2.1设计方案的确定及工艺流程的说明
原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却后送至贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷至贮罐
2.1流程图
第三节精馏塔（精馏段）计算
3.1塔的工艺计算
3.1.1全塔物料衡算
（一）料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率
乙苯和苯乙烯的相对摩尔质量分别为106.168和104.152kg/kmol。
（二）平均摩尔质量
=0.395106.168+（1-0.395）104.152=104.79kg/kmol
=0.9796106.168+（1-0.9796）104.152=104kg/kmol
=0.0196106.168+（1-0.0196）104.152=104.0392kg/kmol
（三）料液及塔顶底产品的摩尔流率
依题给条件：
一年以300天，一天以24小时计，有：
，全塔物料衡算：
3.1.2塔板数的确定
（一）理论塔板数的求取
乙苯-苯乙烯物系属于理想物系，可采用梯级图解法（M·T法）求取，步骤如下：
1.根据安托因方程㏒P=A+B/（C+t）求取想平衡数据，利用泡点和露点方程求取
乙苯-苯乙烯相平衡数据
温度/℃
P°乙苯Kpa
P°苯乙烯
x
y
136.32
101.2882
79.61633
1
1
137
103.152
81.13513
0.916
0.933
138
105.9417
83.41025
0.794
0.83
139
108.7904
85.73555
0.675
0.725
140
111.6989
88.1118
0.559
0.617
141
114.6681
90.53979
0.446
0.505
142
117.6988
93.02029
0.336
0.39
143
120.7919
95.55409
0.228
0.271
144
123.9483
98.14199
0.122
0.15
145
127.1688
100.7848
0.02
0.025
145.19
127.7881
101.2932
0
0
2.确定操作的回流比R
将上表中数据作图得曲线及曲线。
在图上，因，查得，而，。
故有：
由于R=（1.2～2），取实际操作的回流比为最小回流比的2倍，即：
3.求理论塔板数
精馏段操作线：
提馏段操作线为过和两点的直线
乙苯-苯乙烯物系精馏分离理论塔板数的图解
乙苯-苯乙烯物系的温度组成图
图解得块（不含釜）。
其中，精馏段块，提馏段块，第24块为加料板位置。
（二）实际塔板数
1.全塔效率
=0.6
2.实际塔板数（近似取两段效率相同）
精馏段：
块，取块
提馏段：
块，取块
总塔板数块。
3.1.3操作工艺条件及相关物性数据计算
（一）平均压强
取每层塔板压降为0.7kPa计算。
塔顶：
加料板：
平均压强
（二）平均温度
查温度组成图得：
塔顶为136.32℃，加料板为141.5℃。
℃
（三）平均分子量
塔顶：
，（查相平衡图）
加料板：
，（查相平衡图）
精馏段：
（四）平均密度
1.液相平均密度
由基础数据表3知：
塔顶：
（136.32℃）
进料板：
（141.5℃）
精馏段：
2.汽相平均密度
（五）液体的平均表面张力
塔顶：
；（136.32℃）
进料板：
；（141.5℃）
精馏段：
（六）液体的平均粘度
塔顶：
查化工原理附录11，在136.32℃下有：
加料板：
精馏段：
3.1.4汽液负荷计算
汽相摩尔流率
汽相体积流量
汽相体积流量
液相回流摩尔流率
液相体积流量
液相体积流量
3.2塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算
3.2.1塔径的确定
1.初选塔板间距及板上液层高度，则：
2.按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）
查Smith通用关联图得
负荷因子
泛点气速：
m/s
3.操作气速
取
4.精馏段的塔径
圆整取，此时的操作气速。
3.2.2塔板工艺结构尺寸设计及计算
1.溢流装置
由液负荷与流形关系知：
采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。
（1）溢流堰长（出口堰长）
取
堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。
（2）出口堰高
对平直堰由Francis式有：
由及，查化工原理图11-11得，于是：
（满足要求）
（3）降液管的宽度和降液管的面积
由，查化原下P137图11-16得，即：
，，。
液体在降液管内的停留时间
（满足要求）
（4）降液管的底隙高度
液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：
（不宜小于0.02~0.025m，本结果满足要求）
2.塔板布置
（1）边缘区宽度与安定区宽度
边缘区宽度：
一般为50~75mm，D>2m时，可达100mm。
安定区宽度：
规定m时mm；m时mm；
本设计取mm，mm。
（2）开孔区面积
式中：
3.开孔数和开孔率
取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。
故孔心距。
每层塔板的开孔数（孔）
每层塔板的开孔率（应在5~15%，故满足要求）
每层塔板的开孔面积
气体通过筛孔的孔速
4.精馏段的塔高
3.3塔板上的流体力学性能设计及计算
3.3.1气体通过筛板压降和的验算
1.气体通过干板的压降
式中孔流系数由查图11-10得出，。
2.气体通过板上液层的压降
式中充气系数的求取如下：
气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：
动能因子
查化原图11-12得（一般可近似取）。
3.气体克服液体表面张力产生的压降
4.气体通过筛板的压降（单板压降）和
（不满足工艺要求，需重新调整参数）。
现对塔板结构参数作重新调整如下：
取mm，mm。
开孔区面积
式中：
开孔数和开孔率
取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。
故孔心距。
每层塔板的开孔数（孔）
每层塔板的开孔率（应在5~15%，故满足要求）
每层塔板的开孔面积
气体通过筛孔的孔速
气体通过筛板压降和的重新验算
气体通过筛板的压降（单板压降）和
（满足工艺要求）
3.3.2雾沫夹带量的验算
式中：
，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。
3.3.3漏液的验算
漏液点的气速
筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）
3.3.4液泛的验算
为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度
式中：
为降液管内泡沫液的相对密度，一般可取0.5
成立，故不会产生液泛。
通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。
3.4塔板负荷性能图
（一）雾沫夹带线
（1）
（1）
式中：
将已知数据代入式
（1）
（1-1）
在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：
0.000943
0.0105
0.013
0.02
0.0275
6.366963
5.621363
5.478653
5.120912
4.781955
依据表中数据作出雾沫夹带线
（1）
（二）液泛线
（2）
（2）
（2-2）
在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：
0.000943
0.0105
0.013
0.02
0.0245
5.122941
4.727243
4.644096
4.420512
4.183319
依据表中数据作出液泛线
（2）
（三）液相负荷上限线（3）
（3-3）
（四）漏液线（气相负荷下限线）（4）
漏液
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