苯甲苯分离过程板式精馏塔设计化工原理课程设计.docx
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苯甲苯分离过程板式精馏塔设计化工原理课程设计
安阳工学院
课程设计说明
课程名称：
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设计题目：
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院系：
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学生姓名：
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学号：
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专业班级：
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指导教师：
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年月日
目录
1、设计方案的确定.............................................................................4
2、精馏塔的物料衡算.........................................................................4
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数.......................................................4
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量...............................................4
3.物料衡算原料处理量...................................................................................4
三、塔板数的确定................................................................................4
1.理论板层数
的求取................................................................................4
2.实际板层数的求取......................................................................................5
4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算................................5
1.操作压力计算...............................................................................................5
2.操作温度计算..............................................................................................5
3.平均摩尔质量计算.......................................................................................5
⑴塔顶摩尔质量计算........................................5
⑵进料板平均摩尔质量计算..................................5
⑶提馏段平均摩尔质量......................................6
4.平均密度计算..............................................................................................6
⑴气相平均密度计算........................................6
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
计算..............................8
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
0.057
0.152
0.256
0.373
0.564
0.651
0.816
1.000
y
0
0.125
0.300
0.455
0.594
0.717
0.825
0.919
1.000
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·s
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·s
LgμLFm=0.49Lg（0.256）+0.051Lg（0.265）
解出μLFm=0.261mPa·s
精馏段液相平均表面张力为
μLm=（0.302+0.261）/2=0.282mPa·s
（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
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