苯-乙苯分离过程筛板精馏塔设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目录189概述1.1 塔设备的化工生产中的作用和地位 塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业备中完成的常见操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法静制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备

2、投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。1.2 设计方案本设计任务为分离苯-乙苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏。精馏过程的流程设计如下：1.2.1 工艺流程如图 1-1 所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳

3、定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表） 。以测量物流的各项参数。图图 1-11-1 精馏塔示意图精馏塔示意图1.2.2 设计方案简介设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，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。塔釜采用精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。具体如下：塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的

4、 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。缺点是塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。加料方式和加料热状况的选择：加料方式采用直接流入塔内。虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料设计的依据与技术来源：本设计依据于精馏的原理（即利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离） ，并

5、在满足工艺和操作的要求，满足经济上的要求，保证生产安全的基础上， 对设计任务进行分析并做出理论计算。目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，此次设计采用精确计算与软件验算相结合的方法。1.3 设计条件生产能力为,原料中苯的含量为 45(摩尔分数，下同)，分离要hkg5000求为塔顶含量不低于 98，塔底苯含量不低于 5,常压操作，塔顶采用全凝器,饱和液体进料。2 主要物性数据表表 2-12-1 苯、乙苯的物理性质苯、乙苯的物理性质精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业项目分子式分子量沸点临界温度临界压强 Pa苯 AC6H67880.1288.56833.4乙苯 BC8H1

6、0106136.2348.574307.7表表 2-22-2 苯、乙苯在某些温度下的表面张力苯、乙苯在某些温度下的表面张力t/20406080100120140(mN/m)苯28.826.2523.7421.2718.8516.4914.17(mN/m)乙苯29.327.1425.0122.9220.8518.8116.82表表 2-32-3 苯、乙苯在某些温度下的粘度苯、乙苯在某些温度下的粘度t/020406080100120140）苯s (mPa0.740.640.490.380.310.260.220.18)mPa s （乙苯0.870.670.530.430.350.300.260.2

7、3表表 2-42-4 苯、乙苯的液相密度苯、乙苯的液相密度t/20406080100120140)(kg/m3苯877.4857.3836.6815.0792.5768.9744.1)(kg/m3乙苯867.7849.8931.8913.6795.2776.2756.7表表 2-52-5 不同塔径的板间距不同塔径的板间距塔径 D/mm800-12001400-24002600-6600板间距 HT/mm300-500400-700450-8003 工艺计算3.1 精馏塔的物料衡算苯的分子式为,千摩尔质量为 78，乙苯的分子式为,千66HCkmolkg108HC摩尔质量为 106。原料液的平均千

8、摩尔质量为kmolkgkmolkgMxMxMBFAFF4 .93106)45. 01 (7845. 0)1 (所以 hkmolF5 .534 .935000即采出率为: 430. 005. 098. 005. 045. 0wDWFxxxxFD精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业由上式求出塔顶馏出液量为 hkmolFD0 .235 .53430. 0430. 0则塔釜残液量为 hkmolDFW5 .300 .235 .533.2 塔板数的确定3.2.1 理论塔板数的确定查化工手册得苯和乙苯的 t-x-y 关系如表（4-1）所示表表 3-13-1 苯苯- -乙苯气液平衡数据乙苯气液平衡数据

9、T/xy8010001.000880.7430.940960.5420.8651040.3850.7621120.2590.6311200.1570.4651280.0720.2571360.0000.000 图图 3-13-1 苯苯- -乙苯温度组成图乙苯温度组成图由图（3-1）可得 q 线与平衡线的交点坐标（xq，yq）为（0.45，0.815）则最小回流比为45. 045. 0815. 0815. 098. 0minqqqDxyyxR取回流比90. 045. 022minRR则精馏塔的气液负荷：精馏段：43.7kmol/h23.0) 190. 0() 1(DRVhkmolRDL7 .20

10、0 .239 . 0提馏段：由于泡点进料 1q所以 hkmolVV7 .44/精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业hkmolFLL2 .745 .537 .20/精馏段操作线方程：516. 0474. 0111nDnnxRxxRRy提馏段操作线方程：0349. 0698. 11mWmmxxVWxVLy图图 3-23-2 理论塔板数图解法示意图理论塔板数图解法示意图由图（3-2） ，画梯级可得理论板数为 7（不包含塔釜） ，进料板为第 4 块板。3.2.2 实际塔板数的求取塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况，以及板间反混（液沫夹带、气泡夹带和漏液所致）的综合结果。板效率为设计的

11、重要数据。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。蒸馏塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：245. 049. 0LTE由 t-x-y 曲线可知：、10013282FWDttt全塔平均温度 7 .1043FWDtttt查化工数据手册得平均温度下的液相中各组分的黏度：表表 3-23-2 平均温度下液相中组分的黏度平均温度下液相中组分的黏度组分苯 A乙苯 B精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业黏度（mPas）0.2240.276则有 25. 0276. 0)45. 01 (2224. 045. 0LF同

12、理 、23. 0LD27. 0LW平均黏度 25. 0327. 023. 025. 0L查手册得，在 104.7下，相对挥发度11. 5则全塔效率46. 025. 011. 549. 049. 0245. 0245. 0LTE计算实际塔板数精馏段 946. 04TTPENN精提馏段 746. 03TTPENN提故全塔实际所需塔板数块，加料板位置在第 9 块。16N3.33.3塔和塔板的主要工艺尺寸计算塔顶物料平均千摩尔质量为：kmolkgMxMxMBDADD6 .7810602. 07898. 0)1 (塔顶气相密度为 370. 2)82273(314. 86 .783 .101mkgRTPM

13、Dg塔顶液相密度及表面张力近似苯计算。由化工原理上册附录二可查得下苯的密度，体积膨胀系数。计算可得C203879mkg14104 .12C下苯的密度 C82 34816)2082(104 .121879)(1mkgttL精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业由化工原理上册附录十五可查得下苯的表面张力C82mN0197. 0精馏段上升与下降的气液体积流量为 smhmVMVgDg3336. 0127370. 26 .787 .43 smhmLMVLDL343108 . 509. 28166 .787 .20初选板间距 ，则分离空间为mmHT500mhL085. 0 mhHLT415. 0085

14、. 05 . 0气液动能参数为 028. 070. 2816354. 0105 . 54gLgLVV图图 3-33-3 史密斯关联图史密斯关联图由图（3-3）查得气体负荷因子0.095，因表面张力的差异，气体负荷因子20C校正为 smCC095. 00197. 0020. 0095. 0020. 02 . 02 . 020精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业液流收缩系数 E液流收缩系数 E计算最大允许速率为smCuggL65. 170. 270. 2816095. 0max取空塔速率为最大允许速率的 0.75 倍，则空塔速率为 smuu24. 165. 175. 075. 0max则塔径

15、为 muVDg61. 024. 114. 336. 044根据标准塔径圆整为 mD8 . 0再由表（2-5）可见，当塔径为 0.8 m 时，其板间距可取 500 mm，因此，所设板间距可用。塔高 mHNZTP5 . 75 . 0) 116() 1(3.4 溢流装置的设计对平直堰，选堰长与塔径之比为 0.75 ，于是堰长为mDlw60. 080. 075. 075. 049. 736006 . 0108.55 . 245 . 2wLlV图图 3-43-4 液流收缩系数液流收缩系数由图（3-4）查得 103. 1E精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业即 mlVEhwLOW0065. 06 .

16、 009. 2100284. 000284. 03232于是 mmmLhhhOWLW5.780785.00065.0085.0mmhhL5 .68105 .78100取 222502. 08 . 014. 34141mDA根据，由图（3-5）确定降液管横截面积75. 08 . 06 . 0DlwfA 11. 0TfAA即 20552. 0502. 011. 011. 0mAATfT3.5 塔板板面布置取，mWs07. 0mWc05. 0由图（3-5）确定18. 0DWd图图 3-53-5 弓形降液管的宽度与面积弓形降液管的宽度与面积即 mDWd144. 08 . 018. 018. 0精选优质

17、文档-倾情为你奉上专心-专注-专业mWWDXSd186. 0)07. 0144. 0(28 . 0)(2mWDrC35. 005. 028 . 02)arcsin(2222rXrXrXAa=)35. 0186. 0arcsin18035. 0186. 035. 0186. 0(2222=2247. 0m筛孔按正三角形排列，取孔径， 则 mmd400 . 30dt开孔率 00201 .1031907. 0907. 0td筛孔数 1973012.0247.015.115.122tAna筛孔总面积 2000025. 0247. 01 .10mAAa3.6 塔板校核3.6.1 降液管液泛取板厚， ，查

18、060. 0d60. 00d0638. 00552. 02502. 0025. 020fTAAA化工原理下册图（8-20） ，确定空流系数73. 00C则通过筛孔的气速 smAVug4 .14025. 036. 000干板压降 液柱mCughLgd0655. 073. 04 .1481670. 28 . 921212200所以气体速率为 smAAVufTga919. 00552. 02502. 036. 02故气相动能因子 smkguFgaa5 . 05 . 05 . 05 . 050. 170. 2919. 0精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业图图 3-63-6 充气系数充气系数和动

19、能因子和动能因子之间的关系之间的关系aF查图（3-6） 确定充气系数60. 0气体通过塔板的压降液柱mhhhLdP1165. 0085. 06 . 00655. 0液体通过降液管的压降液柱mhlVhwLr5234201005. 3105 .686 . 0108 . 5153. 0)(153. 0计算降液管内清夜层高度,并取泡沫相对密度0.5,dHmhhhHrcPd202. 01005. 3085. 01165. 05而 mhHWT2893. 020785. 050. 02可见，满足 )(21WTdhHH降液管内不会发生液泛。3.6.2 降液管内停留时间ssVHALdf522.19108 . 5

20、202. 00552. 04精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业可见停留时间足够长，不会发生气泡夹带现象。3.6.3 液沫夹带液沫夹带将导致塔板效率下降。通常塔板上液沫夹带量要求低于 0.1kg 液Ve体/kg 干气体，则有2 . 362 . 365 . 2107 . 5107 . 5LTTgfTVhHAfAVhHue 干气液体干气液体kgkgkgkg.1000783. 0085. 05 . 250. 00552. 0502. 036. 0107 .19107 . 52 . 336可见液沫夹带量可以允许3.6.4 漏液克服液体表面张力的作用引起的压降液柱mdhL0025. 0004. 0

21、81681. 90197. 0481. 940则漏液点气速gLLOWhhCu13. 00056. 04 . 40 sm5.660.72816025.00-85.003.10056.003.70.445 . 117. 265. 64 .140OWuuK可见不会发生严重漏液现象。由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业用。3.7 负荷性能图3.7.1 气液流量的流体力学上下限线 漏液线（气相负荷下限线） 第一点取设计点的液体流量，故，于是，相应hmVL309. 2smuOW65. 6漏液点的气体体积流量为hmAuVOWg305993

22、600025. 065. 6第二点取液体流量为，hmVL31086.356 . 0105 . 25 . 2wLlV则由图 3 可知07. 1EmlVEhwLOW0198. 06 . 01007. 100284. 000284. 03232mhhhOWwL0983. 00198. 00785. 0则对应的漏点气速为gLLOWhhCu13. 00056. 04 . 40 sm05. 70.72816025.00-0983. 03.10056.003.70.44故 hmAuVOWg306353600025. 005. 7根据（2.09,599）和（10,635）两点，作直线即为漏液线。 液体流量下限

23、线 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业令 006. 00284. 032wLOWlVEh故 hmlEVwL3232366. 160. 007. 100284. 0006. 000284. 0006. 0在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量下限线。hmVL366. 1 液体流量上限线取降液管内液体停留时间为 3s，则hmHAVTfL312.333360050. 00552. 033600在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量上限线。hmVL312.33 过量液沫夹带线第一点取设计点的液体流量 ，hmVL309. 2则由 2 . 36107 . 5fTVhHue解出 fThHu2 . 3

24、16107 . 51 . 0 sm78. 1213. 050. 0107 . 50197. 01 . 02 . 316于是 hmAAuVfTg3286336000552. 0502. 078. 1第二点取液体流量为，hmVL310mhL0983. 0即 mhhLf2458. 00983. 05 . 25 . 2 fThHu2 . 316107 . 51 . 0 sm58. 12458. 050. 0107 . 50197. 01 . 02 . 316精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业于是 hmAAuVfTg3254136000552. 0502. 058. 1根据（2.09,2863）

25、和（10,2541）两点，在负荷性能图上作出液沫夹带线。 液泛线第一点为设计点 ， hmVL309. 2mhL085. 060. 0LdPhhh085. 060. 021200CugLg已求得 液柱mhr51005. 3rcPdhhhH085. 0085. 060. 021200CugLg51005. 3令 mhHHWTd2893. 020785. 050. 02可见 085. 0085. 060. 021200CugLg51005. 3m2893. 0gLgCu21005. 3085. 0085. 06 . 02893. 050070. 281681. 921005. 3085. 0085.

26、 06 . 02893. 073. 05sm06.22故 hmAuVg30019863600025. 006.22第二点取液体流量为，hmVL310mhL0983. 0LdPhhh085. 060. 021200CugLg液柱mhlVhwLr0007. 0105 .686 . 0360010153. 0)(153. 02320精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业rcPdhhhH0983. 00983. 060. 021200CugLg2893. 00007. 0故gLgCu20007. 00983. 00983. 06 . 02893. 00070. 281681. 920007. 00

27、983. 00983. 06 . 02893. 073. 0sm27故 hmAuVg30018373600025. 027由（2.09,1986）和（10,1837）两点，在负荷性能图上作出液泛线。如图（3-7）所示为塔板负荷性能图图图 3-73-7 负荷性能图负荷性能图3.7.2 塔板工作线在负荷性能图上做出斜率为 621108 . 536. 04LgVV精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业的直线,塔板工作线。此线与流体力学上下限线相交于 A、B 两点，读出OABA、B 两点的纵坐标值即为和，并求出操作弹性：min)(gVmax)(gV86. 26501860)(minmaxggVV

28、）（操作弹性由图可见，按本设计的塔板结构较理想。液泛线低于过量液沫夹带线，液体流量上限线靠近塔板工作线。因此，操作弹性符合。此外，操作下限没有落在液体流量下限线说明堰长取得合适，降液面积取得合理，且设计点处于正wl常工作区域内。4 冷凝器的热负荷、介质消耗量 4.1 热负荷由于塔顶溜出液几乎为纯苯，近似按苯的性质计算，且忽略热流体的显热。当时，泡点温度，查化工原理上册附录十四此温度下苯的比汽98. 0DxCtD82化焓为kgkJrc395苯的千摩尔质量为，对于泡点有：kmolkgMA78 ，kmolkJMrHHCcLmVm3081078395,已知 hkmolDRV7 .430 .23) 19

29、 . 0() 1(即： hkJHHVQLmVmC6,1035. 1308107 .43)(4.2 消耗量： hkgtcQWpCC46102 . 3)2535(174. 41035. 1精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业5.再沸器的热量衡算5.1 热负荷 由于塔釜残留液几乎为乙苯，忽略塔釜残留液的摩尔焓，近似按乙苯的性质计算，查化工基础数据手册可知下乙苯的汽化焓为，乙苯的千摩尔质量为，C132kgkJrc270kmolkgMB116对于泡点有：1,31320116270kmolkJMrHHBcWmVm即再沸器的热负荷: ,QHHVQWmWmB设计时考虑的热负荷则: 003,03. 1QH

30、HVQWmWmB hkJ61041. 1)031320(7 .4303. 15.2 消耗量查化工原理上册附录二时水蒸气的汽化焓kpap3 .101kgkJr7 .2258 hkgrQWBB3 .6247 .22581041. 16由计算结果可见，在塔釜加入的热量，而在塔顶带出的热量hkJ61041. 1，说明在塔釜加入的少部分热量被塔顶的冷凝器带走。hkJQC61035. 1精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业6 筛板塔工艺设计计算结果汇总序号项目符号单位计算数据1平均温度mt104.72气相流量gVm3 /s2.703液相流量LVm3 /s4108 . 54实际塔板数PN-165有效高

31、度Zm7.56塔径Dm0.87板间距HTm0.58堰长wlm0.609堰高whm0.078510板上清液层高度Lhm0.08511堰上清液层高度OWhm0.006512降液管压降rhm51005. 313降液管内清夜层高度dHm0.289314塔板压降Phmo.124515降液管底隙高度0hm0.068516气相动能因子aF)(5 . 05 . 0smkg1.5017弓形降液管宽度dWm0.14418筛孔总面积0Am20.02519筛孔直径0dm0.00420筛孔数目n-197321孔中心距tm0.01222开孔率0010.123空塔气速usm1.2424筛孔气速0usm14.425稳定系数K

32、-2.1726停留时间s19.2227液沫夹带Vekg 液/kg 气0.0078328气相负荷上限max)(gVm3 /s186029气相负荷下限min)(gVm3 /s65030操作弹性-2.86精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业7 符号说明英文字母 Aa塔板开孔区面积，m2 ev液沫夹带量，kg 液/kg 气 Af降液管截面积，m2 M平均摩尔质量，kg/kmol Ao筛孔区面积，m2 do筛孔直径，m AT塔的截面积，m2 D塔径，m C负荷因子，无因次 Rmin最小回流比 C20表面张力为 20mN/m R回流比的负荷因子 Tm平均温度， g重力加速度，m/s2 Fo筛孔气相动

33、触因子 hl出口堰与沉降管距离，m hf板上清液高度，m hc与平板压强相当的 hl板上清液层高度，m 液柱高度，m ho降液管的底隙高度，m hd与液体流过降液管压强 how堰上液层高度，m 降相当的液柱高度，m Hw出口堰高度，m Hw进口堰高度，m H板式塔高度，m h 与克服表面张力压强 HP人孔处塔板间距，m降相当的液柱高度，m Hd降液管内清夜层高度，m HF进料处塔板间距，m HT塔板间距，mK稳定系数 lw堰长，mLh液体体积流量，m3/h Ls液体体积流量，m3/hn筛孔数目 P操作压力，kPaP气体通过每层 T理论板层数筛板的压降，kPa u空塔气速，m/st筛孔的中心距，m uomin漏液点气速，m/su/液体通过降液体 Vn气体体积流量，m/s 系的速度 m/s， Vs气体体积流量，m/sWc边缘无效区宽度，m Wd弓形降液管高度，m Ws破沫区宽度，m Z板式塔有效高度，m希腊字母筛板厚度，m 开孔率，无因次液体在降液管内停留时间，s 粘度，mPas密度，kg/m3 表面张力，mN/m 质量分率，无因次精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业下标max最大 min最小 L液相 V气相参考文献1 张浩勤，陆美娟.化工原理第二版