苯甲苯分离过程板式精馏塔设计化工原理课程设计Word文档格式.docx
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⑵液相平均密度计算........................................6
5.液相平均表面张力计算..............................................................................6
⑴塔顶液相平均表面张力计算................................6
⑵进料板液相平均表面张力计算..............................6
6.液相平均粘度计算.......................................................................................6
⑴塔顶液相平均粘度计算....................................6
⑵进料板液相平均粘度计算..................................7
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.......................................................7
1.塔径的计算..................................................................................................7
2.精馏塔有效高度计算..................................................................................7
6、塔板主要工艺尺寸的计算...........................................................7
1.溢流装置计算..............................................................................................7
⑴堰长
..................................................7
⑵溢流堰高度
...........................................7
⑶弓形降液管宽度
和截面积
..........................8
⑷降液管底隙高度.......................................8
2.塔板布置....................................................................................................8
⑴塔板的分块.............................................8
⑵边缘区宽度确定.........................................8
⑶开孔区面积计算........................................8
⑷筛孔计算及其排列.......................................8
7、筛板的流体力学验算..................................................................8
1.塔板压降....................................................................................................8
⑴干板阻力
计算........................................8
⑵气体通过液层的阻力
计算..............................8
⑶液体表面张力的阻力
2.液面落差...................................................................................................9
3.液沫夹带...................................................................................................9
4.漏液...........................................................................................................9
5.液泛...........................................................................................................9
8、塔板负荷性能图.........................................................................9
1.漏液线.......................................................................................................9
2.液沫夹带线...............................................................................................9
3.液相负荷下限线.......................................................................................10
4.液相负荷上限线.......................................................................................10
5.液泛线.......................................................................................................10
九、筛板塔设计计算结果.................................................................11
十、附录一.........................................................................................12
在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合物,一直原料液的处理量为5000kg/h、组成为0.5(苯的质量分率),要求塔顶馏出液的组成为0.96,塔底釜液的组成为0.01
设计条件如下:
操作压力4kPa塔顶压力(101.3+4)kPa
进料热状况自选
回流比自选
单板压降≤0.7kPa
全塔效率52%
【设计计算】
(一)确定设计方案
本设计任务是分离苯-甲苯混合物。
对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。
设计中采用中间泡点进料,将苯和甲苯混合液经原料预热器加热至泡点后送入精馏塔。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后,一部分作为回流,其余为塔顶产品,经冷却器冷却后送至贮槽。
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。
塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品冷却后送至储罐。
(二)精馏塔的物料衡算
1.原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量
MA=78.11kg/kmol
甲苯的摩尔质量MB=92.13kg/kmol
XF=(0.5/78.11)/(0.5/78.11+0.5/92.13)=0.541
XD=(0.96/78.11)/(0.96/78.11+0.04/92.13)=0.966
XW=(0.01/78.11)/(0.01/78.11+0.99/92.13)=0.012
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.541×
78.11+(1-0.541)×
92.13=84.55kg/kmol
MD=0.966×
78.11+(1-0.966)×
92.13=78.59kg/kmol
MW=0.012×
78.11+(1-0.012)×
92.13=91.96kg/kmol
3.物料衡算
原料处理量F=5000/84.55=59.14kmol/h
总物料衡59.14=D+W
苯物料衡算59.14×
0.541=0.966D+0.012W
联立解得D=32.79kmol/h
W=26.35kmol/h
(三)塔板数的确定
常压下苯-甲苯的气液平衡与温度关系
x
0.057
0.152
0.256
0.373
0.564
0.651
0.816
1.000
y
0.125
0.300
0.455
0.594
0.717
0.825
0.919
1.理论塔板数NT的求取
苯-甲苯属理想物系,可采用图解法求理论塔板数。
①由上表查得苯-甲苯物系的气液平衡数据,绘出下面的x-y图。
(附录一)
②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,子点e(0.541,0.541)做垂线ef即为进料线(q线),该线于平衡线的交点坐标为
yq=0.750xq=0.541
故最小回流比为
Rmin==1.03
取操作回流比为
R=1.5Rmin=1.545
③求精馏塔气、液相负荷
L=RD=1.545*32.79=50.66kmol/h
V=(R+1)D=(1.545+1)32.79=83.45kmol/h
L’=L+F=50.66+59.14=109.8kmol/h
V’=V=83.45kmol/h
④求操作线方程
精馏段操作线方程为
y=(L/V)x+(D/V)xD=(50.66/83.45)x+32.79*0.966/83.45=0.607x+0.379
提馏段操作线方程为
y′=(L’/V’)x-(W/V’)xW=(109.8/83.45)x-26.35*0.012/83.45=1.315x-0.0037
⑤图解法求理论塔板层数
采用图解法求理论踏板层数,如附图所示。
求解结果为
总理论塔板层数NT=11.5(不包括再沸器)
进料板位置NF=5
2.实际塔板层数的求取
精馏段实际塔板层数N精=5/0.52=7.69≈8
提留段实际塔板层数N提=7.5/0.52=14.42≈15
(四)精馏塔工艺条件及有关物性数据的计算
1.操作压力计算
塔顶操作压力PD=101.3+4=105.3kPa
每层塔板压降ΔP=0.7kPa
进料板压力PF=105.3+0.7*8=110.9kPa
精馏段平均压力Pm=(105.3+110.9)/2=108.1kPa
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、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算,计算结果如下:
塔顶温度tD=82.1℃
进料板温度tF=99.5℃
精馏段平均温度tm=(82.1+99.5)/2=90.8℃
3.平均摩尔质量计算
(1)塔顶平均摩尔质量计算
由XD=y1=0.966,查平衡曲线,得
X1=0.920
MVDm=0.966×
78.11+(1-0.966)92.13=78.59kg/kmol
MLDm=0.920×
78.11+(1-0.920)92.13=79.23kg/kmol
(2)进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板,得
yF=0.703
查平衡曲线,得
xF=0.490
MVFm=0.703×
78.11+(1-0.703)92.13=82.27kg/kmol
MLFm=0.490×
78.11+(1-0.490)92.13=85.26kg/kmol
(3)精馏段平均摩尔质量
MVm=(78.59+82.27)/2=80.43kg/kmo
MLm=(79.23+85.26)/2=82.25kg/kmol
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
ρVm=PmMvm/RTm=108.1*80.43/{8.314*(90.8+273.15)}=2.87kg/m3
(2)液相平均密度的计算
液相平均密度计算依下式计算,即
1/ρLm=∑ai/ρi
塔顶液相平均密度的计算
由tD=82.1℃,查手册得
ρA=812.7kg/m3ρB=807.9kg/m3
ρLDm=1/(0.96/812.7+0.04/807.9)=812.5kg/m3
进料板的平均密度计算
由tF=99.5℃,查手册得
ρA=793.1kg/m3ρB=790.8kg/m3
进料板液相的质量分率
aA=0.490*78.11/(0.490*78.11+0.51*92.13)=0.45
ρLFm=1/(0.45/793.1+0.55/790.8)=791.8kg/m3
精馏段液相平均密度为
ρLm=(812.5+791.8)/2=802.2kg/m3
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
σLm=∑xiσi
⑴塔顶液相平均表面张力计算
由TD=82.1°
C,查手册得σA=21.24mN/mσB=21.42mN/m
σLDm=0.966*21.24+0.034*21.42=21.25mN/m
⑵进料板液相平均表面张力计算
由TF=99.5°
C,查手册得σA=18.90mN/mσB=20.0mN/m
σLfm=0.49*18.90+0.51*20.0=19.46mN/m
精馏段液相平均表面张力为:
σLm=(21.25+19.46)/2=20.355mN/m
6.液相平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算:
LgμLm=Σxilgμi
⑴塔顶液相平均粘度计算
由Td=82.1°
C,查手册得μA=0.302mPa·
sμB=0.306mPa·
s
LgμLDm=0.966Lg(0.302)+0.034Lg(0.306)解出μLDm=0.302mPa·
⑵进料板液相平均粘度计算
由Tf=99.5°
C,查手册得μA=0.0.256mPa·
sμB=0.265mPa·
LgμLFm=0.49Lg(0.256)+0.051Lg(0.265)
解出μLFm=0.261mPa·
精馏段液相平均表面张力为
μLm=(0.302+0.261)/2=0.282mPa·
(五)精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为:
Vδ=VMVm/3600ρVM=83.45*80.43/(3600*2.87)=0.650
LS=LMLm/3600ρLM=50.66*82.25/(3600*802.1)=0.00144
由μmax=C{(ρL-ρV)/ρV}1/2式中
由公式计算,其中的
由图查取,图的横坐标为
(Lh/Vh)(ρL/ρV)1/2={0.00144*3600/0.650*3600}*(802.1/2.87)½
=0.037
取板间距Ht=0.40m,板上液层高度hL=0.06m,则
Ht-hL=0.40-0.06=0.34m
查图得
=0.072
C=C20(σL/20)0.2=0.072*(20.41/20)0.2=0.0723
μmax=0.0723*{(802.1-2.87)/2.87}½
=1.207m/s
取安全系数为0.7.,则空塔气速为
μ=0.7μmax=0.7*1.207=0.845
D=(4Vδ/π
)½
=(4*0.650/π0.845)½
=0.989m
按标准塔径圆整后为D=1.00
塔截面积为At=π/4*1.02=0.785m2
实际空塔气速为μ=0.650/0.785=0.828
2.精馏塔的有效高度的计算
精馏段有效高度为
Z精=(N精-1)HT=(8-1)*0.4=2.8m
提馏段有效高度为
Z提=(N提-1)HT=(15-1)*0.4=5.6m
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
Z=Z精+Z提+0.8=2.8+5.6+0.8=9.2m
(六)塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流装置计算
因塔径D=2.0m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘。
各项计算如下:
(1)堰长lW
取lW=0.66D=0.66m
(2)溢流堰高度hW
由hW=hL-hOW
选取平直堰,堰上液层高度hOW,近似的取E=1得
hOW=2.84/1000*1*(0.00144*3600/0.66)2/3=0.0112m
取板上清液层高度hL=60mm
故hW=0.06-0.011=0.049m
(3)弓形降液管宽度Wd和截面积Af
由lW/D=0.66得
Af/AT=0.0722Wd/D=0.124
故Af=0.0567㎡
Wd=0.124m
验算液体在降液管中停留的时间
θ=3600*0.0567*0.40/0.00144*3600=15.75s>5s
故降液管设计合理。
⑷降液管底隙高度h0=Lh/3600Lwμ0’
取μ0’=0.08m/s
则h0=0.00144*3600/(3600*0.66*0.08)=0.027m
hw-h0=0.047-0.032=0.02m>
0.006m
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘,深度hw’=50mm
2.塔板布置
⑴塔板的分块
因D>
800mm,故塔板采用分块式。
查表得,板块分为3快。
⑵边缘区快读确定
取WS=WS’=0.065m,Wc=0.035m
⑶开孔区面积计算
开孔区面积Aa按下面公式计算,即
Aa=2{x(r2-x2)1/2+(πr2/180)*sin-1x/r}
其中x=D/2-(Wd+WS)=1.0/2-(0.124+0.065)=0.311m
R=D/2-WC=1.0/2-0.035=0.465m
故Aa=0.532
⑷筛孔计算及其排列
本例所处理的物系无腐蚀性,可选用δ=3mm碳钢板,取筛孔直径d0=5mm.
筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为t=3d0=15mm
筛孔数目n=1.155*0.532/0.0152=2731
开孔率为φ=0.907