苯-甲苯精馏塔的设计课程设计

《化工原理》课程设计

设计题目苯-甲苯精储塔的设计

课程设计任务书

一、课题名称

苯一一甲苯混合液筛板精储塔设计

二、课题条件（原始数据）

1、设计方案的选定

原料：苯、甲苯

原料苯含量：质量分率=45.5%

原料处理量：质量流量=20.5t/h

产品要求：苯的质量分率：石=98%，x而1%

2、操作条件

常压精储，泡点进料，塔顶全凝，泡点回流，塔底间接加热。

3、设备型式：筛板塔

三、设计内容

1、设计方案的选择及流程说明

2、工艺计算（物料衡算、塔板数、工艺条件及物性数据、气液负荷等）

3、主要设备工艺尺寸设计

（1）塔径

（2）塔板（降液管、溢流堰、塔板布置等）

（3）塔高

4、流体力学验算与操作负荷性能图

5、辅助设备选型（冷凝器、再沸器、泵、管道等）

6、结果汇总表

7、设计总结

8、参考文献

9、塔的设计条件图（A2）

10、工艺流程图（A3）

四、图纸要求

I、带控制点的工艺流程图（2#图纸）；2、精储塔条件图（1#图纸）。

摘要：本设计对苯一甲苯分离过程筛板精循塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：

1、对主要生产工艺流程和方案进行了选择和确定。2、对生产的主要设备一筛板塔进行了工艺

计算设计，其中包括：①精储塔的物料衡算；②塔板数的确定；③精储塔的工艺条件及有关

物性数据的计算；④精储塔的塔体工艺尺寸计算；⑤精微塔塔板的主要工艺尺寸的计算。3、

绘制了生产工艺流程图和精馈塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。

本设计简明、合理，能满足初步生产工艺的需要，有一定的实践指导作用。

关键词：苯一甲苯；分离过程；精储塔

2

目录

目录.............................................................................1

1文献综述.....................................................................3

1.1概述.......................................................................3

1.2方案的确定及基础数据.......................................................3

2塔物料衡算.....................................................................5

2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率...........................................5

2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.......................................6

2.3物料衡算...................................................................6

3塔板数的确定...................................................................7

3.1理论板层数NT的求取........................................................7

3.2求精储塔气液相负荷.........................................................8

3.3操作线方程.................................................................8

3.4逐板计算法求理论板层数.....................................................8

E

3.5全塔效率7估算...........................................................9

3.6求实际板数.................................................................9

4精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算..........................................10

4.1操作压力计算..............................................................10

4.2安托尼方程计算............................................................10

4.3平均摩尔质量计算..........................................................10

4.4平均密度计算..............................................................11

4.5液体平均表面张力计算......................................................13

4.6液体平均粘度计算..........................................................13

4.7气液负荷计算..............................................................14

5精tg塔塔体工艺尺寸的计算......................................................15

塔径的计算....................................................................15

6塔板主要工艺尺寸的计算........................................................16

6.1溢流装置计算...............................................................16

6.2塔板布置..................................................................18

6.3筛孔数n与开孔率：......................................................19

7筛板的流体力学验算............................................................19

7.1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（精储段）..............................19

7.2气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（提储段）..............................21

8塔板负荷性能图................................................................23

8.1精微段：..................................................................23

8.2提福段：.................................................................26

9设备设计......................................................................30

9.1塔顶全凝器的计算与选型....................................................30

9.2再沸器....................................................................31

10各种管尺寸确定..............................................................31

10.1进料管...................................................................31

10.2出料管...................................................................31

10.3塔顶蒸汽管d............................................................................................................................32

p

10.4回流管d.....................................................................................................................................32

R

10.5再沸返塔蒸汽管d..................................................................................................................32

V

11塔高.........................................................................32

12.设计体会....................................................................33

13.参考文献....................................................................34

分离苯-甲苯混合液的筛板精微塔

1.文献综述

1.1概述

在常压操作的连续精储塔内分离苯-甲苯混合液，已知原料液的处理量为20.5t/h,组成

为45.5%（苯的质量分率），要求塔顶储出液的组成为98%（苯的质量分率）塔底釜的组成

为l%o

设计条件如下：

操作压力4kpa（塔顶表压）

进料热状况泡点进料

1.2方案的确定及基础数据

本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精储留成

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入精储塔内。塔顶上升的蒸汽

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贮罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比是最小回流比的2倍，塔釜采用间接蒸汽

加热塔顶产品经冷却后送入贮罐。

表1苯和甲苯的物理性质

项目分子式分子量M沸点（℃）临界温度t^（℃）临界压强P

C

（kPa）

苯ACH6833.4

AA78.1180.1288.5

甲苯B63392.13110.6318.574107.7

表2苯和甲苯饱和蒸汽

温度。c80.1859095100105110.6

P”Pa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0

P。，kPa40.046.054.063.374.386.0

R

表3常温下苯一甲苯气液平衡数据([2]：P例1—1附表2)

8

温度。c80.1859095100105110.6

液相中苯的摩尔分率1.0000.7800.5810.4120.2580.1300

汽相中苯的摩尔分率1.0000.9000.7770.6300.4560.2620

表4纯组分的表面张力⑴]：Pg附录图7)

温度8090100110120

笨,mN/m21.22018.817.516.2

甲苯，Mn/m21.720.619.518.417.3

P

表5组分的液相密度(□]:382附录图8)

温度(℃)8090100110120

814805791778763

苯,kg/oh

809801791780768

甲苯,kg/m.、

1

表6液体粘度NL([1]：365)

温度(℃)8090100110120

0.3080.2790.2550.2330.215

苯(mPa.s)

甲苯(mP“.s)0.3110.2860.2640.2540.228

表7常压下苯一一甲苯的气液平衡数据

温度t液相中苯的摩尔分率气相中苯的摩尔分率

℃Xy

110.560.000.00

109.911.002.50

108.793.007.11

107.615.0011.2

105.0510.020.8

102.7915.029.4

100.7520.037.2

98.8425.044.2

97.1330.050.7

95.5835.056.6

94.0940.061.9

92.6945.066.7

91.4050.071.3

90.1155.075.5

80.8060.079.1

87.6365.082.5

86.5270.085.7

85.4475.088.5

84.4080.091.2

83.3385.093.6

82.2590.095.9

81.1195.098.0

80.6697.098.8

80.2199.099.61

80.01100.0100.0

2塔物料衡算

2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

苯的摩尔质量M=78.1Ikg/kmol

A

甲苯的摩尔质量叱，=92.13kg/kmol

0.455,

X=___________/78-11_______=0.496

F0.455,+0.545,

78.1192.13

0.01

x=.78.110.012

wOT7+0.99

78.1192.13

2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

M=0.496x78.11+(l-0.496)x92.13=85.18kg/kmol

F

M=O.983x78.11+(1-O.983)x92.13=78.35kg/kmol

D

M=0.012x78.11+(1-0.012)x92.13=91,96kg/kmol

w

2.3物料衡算

原料处理量

尸=竺：吧三240.67(kmol/h)

85.18

总物料衡算D=240.67

苯物料衡算0.496F=0.983D+0.012W

联立解得。=119.96kmol/h

W=120.71kmol/h

式中F---原料液流量

D----塔顶产品量

W一一塔底产品量

3塔板数的确定

3.1理论板层数NT的求取

苯-甲苯属于理想物系，采用逐板计算法求理论层数

由表10-2苯-甲苯物质在总压lOl.3kpa下的t-x关系

t-960.496-0.373

x=0.541=

92-960.504-0.373

t=92.24

F

由表10-1苯-甲苯在某温度t下蒸汽压P。、P。

A

Po-161.392.24-96

A___________—R）=145.13kpa

144.1-161.392-96A

Po-65.692.24-96

B_________=____________P（）=58.27kpa

57.8-65.692-96-B

理想物系

Po

a=—i=2.49

Po

B

平衡线方程丫=/xx2.49x

1+XX-l>x1+1.49x

泡点进料

q=1x=x=0.496

eF

=_。ey=

miny-Xe1+1.49x0.496

.0.983-0.710,„

=1.9N7/b

min0.710一0.496

取操作回流比R=2R2x1.276=2.55

min

3.2求精储塔气液相负荷

L=RxD=2.55x119.96=305.90kmol/h

V=（R+1）D=（2.55+1）x119.96=425.86kmol/h

L'=L+qF=305.90+240.67=731.76kmol/h

Vz=V=425.86kmol/h

3.3操作线方程

Rx

精储段方程为y_____x+——=0.718xo.276

R+1"R+1n+

L+qFWx

提储段方程为y__________x-----------士------=1.28x-0.003

L+qF-WmL+qF-Wm

3.4逐板计算法求理论板层数

2.49x

平衡方程y

1+1.49x

精储段方程y=0.718x+0.276

y=X

iD

y=0.983------*----->X=0.959------瑜——>

i1

;

y=0.964------—>x=0.915-----------1^—>

22

y=0.933------4^----->X=0.848------——>

33

=0.885——AfX40.756——At

y=0.818——afXo.643——精----->

5b

y=0.738——-X0.531——W----->

6O

=0.657——"fX’=0.435

0.435=X7<XF=0.496

提偏段方程y=1.28X-0.003

X=：0.435--------W-->y=0.554-——---->

78

X=：0.333-——『—y=0.423——---->

89

X=：0.228-——『-y=0.289-——*---->

910

X=：0.140-——』-y=0.176——---->

1011

X=：0.079-——『一y=0.098----------->

1112

X=：0.042-——『-y=0.051————>

1213

X=：0.021-——『-y=0.024----------->

1314

X=0.010<X=0.012

14W

总理论板数为N=14层（包括再沸器）

T

“全塔效率）估算

查温度组成图得到塔顶温度T=80.92℃,塔釜温度T=110.14℃,全塔平均温度

DW

=95.53℃

分别查得苯甲苯的平均温度下的粘度

n=0.266mpa-s四=0.274mpas

AB

平均粘度公式得

n=0.496x0.266+0.274x(1-0.496)=0.270

m

全塔效率E=0.49(a|i%.245=54.0%

Tm

3.6求实际板数

精福段实际板层数

7

N=-------12.96«13

精0.54

提储段实际板层数

7

N=-------12.96«13

提0.54

进料板在第12块板

4精憎塔的工艺条件及有关物性数据的计算

4.1操作压力计算

塔顶操作压力P=101.325+4=105.3kpa

每层塔板压降△P=0.31kPa

进料板压力P^=105.3+0.31x13=109.33kpa

塔底操作压力P=113.05kpa

w

精镭段平均压力P=(105.3+109.33)/2=107.32kpa

m

I

提储段平均压力P=(109.33+113.05)/2=111.19kpa

m

2

4.2安托尼方程计算

依据操作压力，有泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯，甲苯的饱和蒸汽压有

计算结果如下

塔顶温度t=80.92℃

D

进料板温度t=92.24℃

F

塔底温度=110.14℃

精微段的平均温度t=(80.92+92.24)/2=86.58℃

ini

提储段的平均温度t=(92.24+110.14)/2=101.19℃

m

2

4.3平均摩尔质量计算

塔顶平均摩尔质量就算

由x=y=0.983,代入相平衡方程得x=0.959

I)11

M=0.959x78.11+(l-0.959)x92.13=78.69kg/kmol

LD

m

M=0.983x78.11+(l-0.983)x92.13=78.35kg/kmol

vp

进料板平均摩尔质量计算

由上面理论板的算法，得y=0.657,X=0.435

FF

M=0.657x78.11+（1-O.657）x92.13=82.92kg/kmol

VF

，m

M=（）.435x78.11+（l-0.435）x92.13=86.03kg/kmol

LF.

塔底平均摩尔质量计算

由x=0.01,由相平衡方程，得y=0.024

WW

M=0.024x78.11+（1-0.024）x92.13=91.79kg/kmol

VW

m

M=0.01x78.11+（1—0.01）x92.13=91.99kg/kmol

LW

，m

精循段平均摩尔质量

78.35+82.92

M=80.64kg/kmol

v

n2

J8.69+86X）3=82.36kg/kmol

M

2

提储段平均摩尔质量

„82.92+91.790m„,

M=-------------=87.34kg/kmol

。2

,,86.03+91.99onnil-,

Ml-------------=89.01kg/kmol

m2

4.4平均密度计算

气相平均密度计算

有理想气体状态方程计算，精储段的平均气相密度即

P3-—野32X80.642.89kg/m3

V.RT8.314X86.58+273,157

m

提储段的平均气相密度

PV19x87.34.34kg/m3

P=M=r3

。RT8.314x101.19+273.157

m

液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算，即

1/p=a/p+a/p

LmALABLB

塔顶液相平均密度计算

由t=80.92℃,查得

D

P=813.2kg/m3p=808kg/m

AB

塔顶液相的质量分率已知a=0.98

a

10.980.02八

=________+；得P=813.1kg/m3

P813.2808.3A%

L,Dm

进料板液相平均密度计算

由t=92.24℃,查得

F

P=801.9kg/m3P=79.8kg/m

AB

进料板液相的质量分率为已知a=0.455

A

10.4550.545

--------------+------

P801.93798.8

L,Fm

PLF.=800.2kg/m3

'm

塔底液相平均密度的计算

由t=110.14℃,查得

w

P=777.8kg/m3p=77隅kg/m

AB

塔底液相的质量分率已知a=0.01

A

10.010.99

~~77~8779,"8-

PLW=779.8kg/m3

，m

精馈段液相平均密度为

813.1+800.2

p乙-___________=806.7kg/m3

m2

提储段液相平均密度为

779.8+800.2

=___________-790.0kg/m3

4.5液体平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算，即

a=£’xo

Ltn22

1=1

塔顶液相平均表面张力的计算

由t=80.92℃,查得

D

。=21.09mN/m。=21.60mN/m

AB

。=0.983x21.09+0.017x21.60=21.10mN/m

L.D

m

进料板液相平均表面张力的计算

由t=92.24℃,查得

F

。=19.73mN/m。=20.35mN/m

AB

o=0.496x19.73+0.504x20.35=20.04mN/m

L,F

m

塔底液相平均表面张力的计算

由t=no.14℃,查得

W

。-17.48mN/m。-18.38mN/m

AB

晨w=0.012xl7.48+0.988xl8.38=18.33mN/m

精微段液相平均表面张力为

21.10+20.04ccurM/

a==20.57mN/m

%2

提储段液相平均表面张力为

丁20.04+18.33.

a==1i9n.19mNNT/m

%2

4.6液体平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算，即

|1L=Zx|n

mii

塔顶液相平均粘度的计算

由t=80.92℃,查得

D

P=0.305mpa-s口=0.3091pas

AB

口=0.983x0.305+0.017x0.309=0.31Impas

L,D

进料板液相平均粘度的计算

由，F=92.24C查得

|i=0.274mpa-s日=0.281mpas

AB

pi=0.496x0.274+0.504x0.281=0.276mpa-s

L,F

塔底液相平均粘度计算

由t=110.14℃,查得

w

|i=0.233mpa-s|i=0.25ihpas

AB

pi=0.012x0.233+0.988x0.254=0.254mpas

L,0

精储段液相平均粘度为

0.311+0.276八…

P=________________=0.294mpa-s

L2

提储段液相平均粘度为

0.276+0,254…「

P=________________=0.265mpas

\2

4.7气液负荷计算

精福段:

V=（R+1）D=（2.55+1）x119.96=425.86kmol/h

V-M425.86x80.64

V=---------L—==3.30m3/s

，3600p3600x2.89

v

L=RD=2.55X119.96=305.90kmol/h

L==305.90x82.36=0.0087m3/s

，3600p-3600x806.7

L

提幅段:

（R+1）D+（夕一1）尸=（2.55+1）x119.96=425.86kmol/h

V-M425.86x87.34

V=_____u3.09m3/s

，3600P3600x3.34

V

L=RD+^F=2.55x119.96+1x240.67=546.57kmol/h

V-M546.57x89.01

L=----------L=0.0171m3/s

，3600P3600x/90.0

5精憎塔塔体工艺尺寸的计算

塔径的计算

塔板间距H］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8板间距与塔径关系

塔径D?m0.3〜0.50.5〜0.80.8--1.61.6—2.42.4—4.0

板间距HT200〜300250〜350300--450350〜600400〜600

mm

对精微段:

初选板间距H=0.40m,取板上液层高度力=0.06m

TL

故H一力=0.40-0.06=0.34m

TL

<LYp平5=（o.0087/806.7>5

|sIIJI13.30112.891=0.0440

Cv人「Jl人）

查史密斯关联图得c℃=0.071；依式C=CI--I

/U20IJO}

（20.57、

校正物系表面张力为20.57mN/m时，CI-30—I=0.0730

二^户丁皿血。种笋"217

'V

可取安全系数为0.7,则（安全系数0.6-0.8）

故。=0.7。=0.7x1.217=0.852m/s

；4x3.30

=2.221m

V71x0.852

按标准塔径圆整为2400mm,则空塔气速0.73m/s

对提福段:

初选板间距H,=0.40m,取板上液层高吗=0.06m

故H—方=0.40-0.06=0.34m

TL

<LYPV5(0.0171Y790.oV5

=0.0851

查图得C0.067依式C=CI__I=0.064

2420j

校正物系表面张力为19.19rnN/m时

v=0.7v=0.7x0.982=0.69m/s

max

14x3.09

Dn=、i—口=、1———=2.39m

\w、兀X0.69

按标准塔径圆整为2400mm,则空塔气速0.68m/s

将精微段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致，根据塔径的选择规定，对于相差不

大的二塔径取二者中较大的，因此在设计塔的时候塔径取2.4m

6塔板主要工艺尺寸的计算

6.1溢流装置计算

6.1.1精储段

因塔径D=2.4m,可选用单溢流弓形降液管，采用平行受液盘。对精储段各项计算如下:

单溢流/=(0.6~0.8)。

1）溢流堰长/取堰长

WW

1=0.60D=0.6X2.4=1.44

W

2)出口堰高h:单溢流h=h-h

wwLOW

L-06L0.0087X3600

w-u.b=______________=12.59

T12.51.442.5

w

查图得E=1

,2.84(0.0087x3600>/3

how=4OGQ_x1xl1.44I=0.022

故

h=0.06—0.022=0.038

w

3）降液管的宽度W与降液管的面积A：

Df

L

由4=0.6,查图得W/D=0.124A/A=0.052

DDfT

故W=0.124x2.4=0.2976

d

71

A=0.052x_x2.42=0.2352m2

/4

计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，

即t==02352XO.4=]081S>5S（符合要求）

L0.0087

4）降液管底隙高度h.取液体通过降液管底隙的流速。=0.25m/s

0087

八=&=0-=0.024m>0.02m（符合）

。/xu1.44x0.25

w0

5）受液盘

采用平行受液盘，不设进口堰，深度为50mm

6.1.2提储段：

1）溢流堰长1：单溢流1=（。-60,8）D,取堰长10,80D=0.80x2,4=1.92m

wWW

2）出口堰高h：单溢流h=h-h

wwLOW

L-0fiL0.0171X3600

w-u<°_k_=______________=12.05

-D12.51.922.5

w

2.84（0.0171x3600>/3

how=4000-x1x[----U92----J=0.029

故

h=0.06-0.029=0.031

3）降液管的宽度WD与降液管的面积Af：

L

由卫=0.8,查图得W/D=0.214A/A=o.145

DDfT

故W=0.214x2.4=0.5136

d

n

A=0.145x_x2.42=0.656m2

f4

计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，

AH0.656x0.4

即T=_f__r==15.34s>5s（符合要求）

L0.0171

S

4）降液管底隙高度h：取液体通过降液管底隙的流速。=0.38m/s

0o

h=_Ls=0-0171=0,023>0,02m（符合）

。/xu1.92x0.38

W0

6.2塔板布置

6.2.1精微段

一）塔板的分块

因02800mm,故塔板采用分块式。查表得，塔板分为4块。

对精储段：

〃取边缘宽度3=0.035m

安定区宽度W=0.065m

________兀R2x1

2)A=2xJR2_X2.+____sin-i_|计算开孔区面积

a180RJ

R=2.-IT=1.2-0.035=1.165m

2°

x=-(^+IT)=1.2-(0.30+0.065)=0.835m

2d，

6.3筛孔数n与开孔率中：

取筛孔的孔径d为5mm,正三角形排列，一般碳的板厚为3mm,取t/d=3

O0

故孔中心距,=3x5=15mm

筛孔数n=1155X103xA=19353

t2a

「dV

开孔率（p=0.907|_oJ=22.7%

每层板上的开孔面积/=0.381m2

0a

气体通过筛孔的气速为u=1-3.3=8.66m/s

o40.381

0

7筛板的流体力学验算

塔板的流体力学验算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，一边决定

对有关塔的参数进行必要的调整，最后还要做出塔板负荷性能图。

7.1气体通过筛板压强相当的液柱高度计算（精t留段）

7.1.1塔板的压降:

1）干板压降相当的液柱高度h:依d/。=5/3=1.67,查《干筛孔的流量系数》

C0

图得，