苯与甲苯精馏塔课程设计

1、 班级：应化101 姓名：董煌杰化工原理课程设计报告年处理 5.4万 吨 苯-甲苯 精馏装置设计学 院：化学化工学院班 级：应用化学101班姓 名：董煌杰学 号：10114308（14）指导教师：陈建辉完成日期：2013年1月17日序言化工原理课程设计是化学工程与工艺类相关专业学生学习化工原理课程必修的三大环节之一，起着培养学生运用综合基础知识解决工程问题和独立工作能力的重要作用。综合运用化工原理课程和有关先修课程（物理化学，化工制图等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容

2、，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精

3、馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。目录一、化工原理课程设计任书1二、设计计算31）设计方案的选定及基础数据的搜集32) 精馏塔的物料衡算73) 塔板数的确定94) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 155) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算216) 塔板主要工艺尺寸的计算237) 塔板负荷性能图27三、个人总结36四、 参考书目37I一、 化工原理课程设计任务书1）板式精馏塔设计任务书1、设计题目： 设计分离苯甲苯连续精馏筛板塔2）设计任务及操作条件2、设计任务：物料处理量：5.4万吨年进料组成 ：35 苯，苯-甲苯常温混合溶液 （质量分率，下同）分

4、离要求：塔顶产品组成苯 95 塔底产品组成苯 6% 3、操作条件平均操作压力 ：101.3 kPa 平均操作温度：93.7回流比：3.141 单板压降：0.9 kPa4、工时： 3）设计方法和步骤1、设计方案简介根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，选定适宜的流程方案和设备类型，初步确定工艺流程。对选定的工艺流程，主要设备的形式进行简要的论述。2、主要设备工艺尺寸设计计算 （1）收集基础数据 （2）工艺流程的选择 （3）做全塔的物料衡算 （4）确定操作条件 （5）确定回流比 （6）理论板数与实际板数 （7）塔径计算及板间距确定 （8）堰及降液管的设计 （9）塔板布置及筛板

5、塔的主要结构参数 （10）塔板的负荷性能图（12）塔盘结构（13）塔高3、设计结果汇总4、设计评述4）参考资料化工原理课程设计，贾绍义，柴诚敬主编，天津大学出版社，2002.8化工原理下册，天津大学华工学院柴诚敬主编，高等教育出版社，2006.1 化工原理课程设计，大连理工大学化工原理教研室编，大连理工大学出版社，1994.7 化工原理第二版下册，天津大学化工学院柴诚敬主编，高等教育出版社，2010.6 化工单元过程及设备课程设计，匡国柱，史启才主编，化学工业出版社，2001.10 传递过程与单元操作下册，陈维杻主编，浙江大学出版社，1994.8 化工原理课程设计指导，任晓光主编，化学工业出版

6、社，2009.137二、 设计计算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。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

7、的塔设备，它的主要优点有：() 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。 () 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。() 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。() 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是： () 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 () 操作弹性较小(约23)。() 小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图：表 苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点（）临界温度tC（）临界压强PC（kPa）苯A甲苯BC6H6C6H5CH378.1192.1380.1110.6288.5318.576833.44107.7表 苯和甲苯

8、的饱和蒸汽压温度80.1859095100105110.6,kPa，kPa101.3340.0116.946.0135.554.0155.763.3179.274.3204.286.0240.0表 常温下苯甲苯气液平衡数据温度80.1859095100105110.6液相中苯的摩尔分率汽相中苯的摩尔分率1.0001.0000.7800.9000.5810.7770.4120.6300.2580.4560.1300.26200表 纯组分的表面张力温度8090100110120苯，mN/m甲苯，Mn/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表 组分的液相密度温

9、度()8090100110120苯,kg/甲苯,kg/814809805801791791778780763768表 液体粘度µ温度()8090100110120苯（mP.s）甲苯（mP.s）0.3080.3110.2790.2860.2550.2640.2330.2540.2150.228表常压下苯甲苯的气液平衡数据温度t液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.29

10、7.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.02) 精馏塔的物料衡算（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率进料液苯的质量分数 塔顶液苯的质量分数 塔底液苯的质量分数 苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量 （2

11、）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 （3）物料衡算 年处理量：5.4万吨原料处理量总物料衡算 苯物料衡算联立（即采出率）解得： 式中 -原料液流量-塔顶产品量 -塔底产品量3) 塔板数的确定 （1） 理论板层数的求取 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，绘出图，见下图图苯一甲苯物系的气液平衡图求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。液体为泡点进料，所以。在上图中对角线上，自点作垂线，即为进料线(线)，该线与平衡线的交点坐标为 故最小回流比为取操作回流比为求精馏塔的气、液相负荷 （由于泡点进料）求操作线方程 精馏段操作线方程为提馏

12、段操作线方程为根据两操作线方程可以做如下图：图作图法求理论塔板数由上图可知精馏段为6块板，提馏段为4块板。（2）逐板法求理论板苯的沸点为80.1，甲苯的沸点为110.6。两组分的平均沸点为95.35。假定整个蒸馏过程中不同温度的饱和蒸汽压与此温度下的两组分的饱和蒸汽压相等，即假定整个蒸馏过程中两组分的饱和蒸汽压不变。95下两组分的饱和蒸汽压通过查表可得： 又根据 可解得 取相平衡方程 精馏段理论板数计算：精馏段操作线方程： 因为精馏段理论板提馏段理论板数计算： 所以提馏段理论板 n=4全塔效率的计算（查表得各组分黏度，） 精馏段实际板层数为,提馏段实际板层数为进料板在第11块板捷算法求理论板数

13、由公式 代入 由4) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 以逐板法所计算所得的板数为例：（1） 操作压力计算 假定塔顶操作压力每层塔板压降塔底操作压力进料板压力精馏段平均压力提馏段平均压力（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： 塔顶温度塔底温度进料板温度 精馏段平均温度提馏段平均温度（3）平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由,代入相平衡方程得 进料板平均摩尔质量计算 由上面理论板的算法，得， 塔底平均摩尔质量计算由,由相平衡方程，得精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量（4） 平均密

14、度计算 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即 提馏段的平均气相密度 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算，由，查手册得塔顶液相的质量分率 进料板液相平均密度的计算，由，查手册得 进料板液相的质量分率 塔底液相平均密度的计算，由，查手册得塔底液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为(5) 液体平均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力的计算，由，查手册得 进料板液相平均表面张力的计算，由，查手册得 塔底液相平均表面张力的计算，由，查手册得 精馏段液相平均表面张力为 提馏段液相平均表面张力为

15、(6) 液体平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算，即 塔顶液相平均粘度的计算，由，查手册得 解出 进料板液相平均粘度的计算，由，查手册得 解出塔底液相平均粘度的计算，由，查手册得 解出精馏段液相平均粘度为 提馏段液相平均粘度为 （7） 气液负荷计算 精馏段： 提馏段：5) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (1) 塔径的计算塔板间距HT的选定很重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。可参照下表所示经验关系选取。表 板间距与塔径关系塔径DT，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT，mm200300250350300450350

16、600400600对精馏段：初选板间距，取板上液层高度，故；查，教材图得；依式校正物系表面张力为时可取安全系数为，则安全系数（），故按标准,塔径圆整为,则空塔气速。对提馏段：初选板间距，取板上液层高度，故查：图得；依式校正物系表面张力为时可取安全系数为，则安全系数（），故按标准,塔径圆整为,则空塔气速。在设计塔的时候塔径取6) 塔板主要工艺尺寸的计算(1) 溢流装置计算 因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精馏段各项计算如下： a)溢流堰长：单溢流去取堰长b)出口堰高：由，查：图，知,依式可得故c)降液管的宽度与降液管的面积：由查（：图）得，利用(：式)计算液体在降液管中停留时间

17、以检验降液管面积，即（大于，符合要求）d)降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速（）依(：式)：符合（）e)受液盘 采用平行形受液盘，不设进堰口，深度为60mm 同理可以算出提溜段a)溢流堰长：单溢流去，取堰长b)出口堰高：由，查：图，知,依式可得故c)降液管的宽度与降液管的面积：由查（：图）得， 利用(：式)计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即（大于5s，符合要求）d)降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速（0.07-0.25）依(：式):符合（）(2) 塔板布置 精馏段塔板的分块 因故塔板采用分块式。查表得，塔极分为4块。对精馏段：a)取边缘区宽度,安定区宽度，（当时，）

18、b)计算开孔区面积，c)筛孔数与开孔率：取筛孔的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取，故孔中心距筛孔数个，则（在范围内）则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为 提馏段：a)取边缘区宽度,安定区宽度，（当时，）b) 计算开孔区面积， c)筛孔数与开孔率：取筛孔的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为,取，故孔中心距筛孔数个，则（在范围内）则每层板上的开孔面积为气体通过筛孔的气速为7) 塔板负荷性能图 精馏段：(1) 漏液线 由在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表 0.0010.0020.030.004Vs /(m3/s)0.6220.6350.6470.657由上

19、表数据即可作出漏液线。 (2) 雾沫夹带线 以为限，求 关系如下： 由联立以上几式，整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.0030.004Vs /(m3/s)2.8272.7492.6842.626由上表数据即可作出液沫夹带线。 (3) 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。 (4) 液相负荷上限线 以作为液体在降液管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线。 (5) 液泛线 令由联立得 忽略，将与，与，与的关系式代人上式，并

20、整理得 式中：将有关的数据代入整理，得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.030.004Vs /(m3/s)6.3226.1045.9205.755由上表数据即可作出液泛线。 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。 图 在负荷性能图上，作出操作点，连接，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 故操作弹性为 提馏段(1) 漏液线 由 得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.0030.004Vs /(

21、m3/s)0.3070.3220.3350.347由上表数据即可作出漏液线。 (2) 液沫夹带线 以为限，求关系如下： 由联立以上几式，整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.0030.004Vs /(m3/s)2.9732.8952.8292.771由上表数据即可作出液沫夹带线。 (3) 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。 (4) 液相负荷上限线 以作为液体在降液管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线。 (5) 液泛线

22、 令由联立得 忽略，将与，与，与的关系式代人上式，并整理得式中：将有关的数据代入整理，得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表。 表Ls /(m3/s) 0.0010.0020.0030.004Vs /(m3/s)2.4182.3742.3332.292由上表数据即可作出液泛线。 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示。 图在负荷性能图上，作出操作点，连接，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 故操作弹性为 设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强97.7105.8各段平均温度87.65101.05平

23、均流量气相1.0971.050液相0.0030.0058实际塔板数108板间距0.450.45塔的有效高度4.053.15塔径1.41.4空塔气速1.0420.902塔板液流形式单流型单流型塔板工艺尺寸溢流管型式弓形弓形堰长0.980.98堰高0.0460.038溢流堰宽度0.210.21管底与受业盘距离0.020.03板上清液层高度0.060.06孔径5.05.0孔间距15.015.0孔数52835283开孔面积0.1040.104筛孔气速10.5810.13塔板压降0.90.9液体在降液管中停留时间20.8410.48降液管内清液层高度0.2480.244雾沫夹带0.10.1负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷2.8332.350气相最小负荷0.6170.300操作弹性4.597.83三、个人总结课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任