化工原理課程設(shè)計(jì)_苯甲苯篩板精餾塔分離

1、化工原理課程設(shè)計(jì)-苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)目錄一序 言 .2.二板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)五 .2.三設(shè)計(jì)計(jì)算3.1.1設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集 .3.1.2精餾塔的物料衡算 .6.1.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 .111.4精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 .1.51.5塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 .1.71.6篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 .1.91.7塔板負(fù)荷性能圖 .2.2四設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 .2.8五板式塔得結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備 .2.95.1附件的計(jì)算 .2.9.5.1.1接管.2.9.5.1.2冷凝器.3.1.5.1.3再沸器 .3.15.2板式塔結(jié)構(gòu) .3.2六參考書(shū)目 .3.4.七設(shè)計(jì)心得

2、體會(huì) .3.4.八附錄 .3.6.02 / 36序言化工原理課程設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用化工原理課程和有關(guān)先修課程（物理化 學(xué)，化工制圖等）所學(xué)知識(shí)，完成一個(gè)單元設(shè)備設(shè)計(jì)為主的一次性實(shí)踐教學(xué)， 是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁， 在整個(gè)教學(xué)中起著培養(yǎng)學(xué)生能力的重要作用。 通過(guò)課程 設(shè)計(jì)，要求更加熟悉工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容， 掌握化工單元操作設(shè)計(jì)的主要程序及 方法，鍛煉和提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和技能的能力，問(wèn)題分析能力， 思考問(wèn) 題能力，計(jì)算能力等。精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作， 在化工，煉油，石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有 時(shí)加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接

3、接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮 發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移， 實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。 根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求， 精餾操作可以是連續(xù) 的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分 離。本設(shè)計(jì)的題目是苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái) 分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的甲苯， 采用連續(xù)操作方式， 需設(shè)計(jì)一板式塔將其分 離。二 板式精餾塔設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目 苯-甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設(shè)計(jì)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)（1）原料液中苯含量：質(zhì)量分率=75%（質(zhì)量），其余為甲苯。（2）塔頂產(chǎn)品中苯含量不得低于98（質(zhì)量）(3)殘

4、液中苯含量不得高于8.5(質(zhì)量)。(4)生產(chǎn)能力：90000 t/y苯產(chǎn)品，年開(kāi)工310天。三、操作條件(1)精餾塔頂壓強(qiáng)：4.0kPa(表壓) (2)進(jìn)料熱狀態(tài)：自選3 / 36回流比：自選。(4)單板壓降壓：0.7kPa四、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求(1)設(shè)計(jì)方案的確定及流程說(shuō)明(2)塔的工藝計(jì)算(3)塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)塔高、塔徑以及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定； 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算； 塔板的負(fù)荷性能圖(4)編制設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表(5)輔助設(shè)備選型與計(jì)算(6)繪制塔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖：采用繪圖紙徒手繪制五、時(shí)間及地點(diǎn)安排時(shí)間：20116202011.7.3(第18周第19周)2地點(diǎn)：明德樓A318(1)教

5、室六、參考書(shū)目1譚天恩?化工原理(第二版)下冊(cè)?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19982何潮洪,馮霄?化工原理?北京：科學(xué)出版社，20013柴誠(chéng)敬,劉國(guó)維?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，19944賈紹義,柴敬誠(chéng)?化工原理課程設(shè)計(jì)?天津：天津大學(xué)出版社，2002三 設(shè)計(jì)計(jì)算1.1 設(shè)計(jì)方案的選定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯一甲苯混合物。由于對(duì)物料沒(méi)有特殊的要求，可以在常 壓下操作。對(duì)于二元混合物的分離， 應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。 設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料， 將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷 凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)， 其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至

6、儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。 塔底設(shè)置再沸器采用間接蒸汽加熱， 塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。 其中由于蒸餾 過(guò)程的原理是多次進(jìn)4 / 36行部分汽化和冷凝， 熱效率比較低， 但塔頂冷凝器放出的熱 量很多， 但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源， 在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)把其 熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。塔板的類(lèi)型為篩板塔精餾， 篩板塔塔板上開(kāi)有許多均布的篩孔， 孔徑一般為38mm篩孔在塔板上作正三角形排列。篩板塔也是傳質(zhì)過(guò)程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60

7、%，為浮閥塔的80左右。(2)處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015%。(3)塔板效率咼，比泡罩塔咼15%左右。(4)壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30%左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是：(1)塔板安裝的水平度要求較咼，否則氣液接觸不勻。(2)操作彈性較小(約23)。(3)小孔篩板容易堵塞。下圖是板式塔的簡(jiǎn)略圖：5 / 36板式樗謂塔板式樗謂塔表 2 苯和甲苯的飽和蒸汽壓溫度C80.1859095100105110.6PA,kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0PB, kPa40.046.054.063.374.386.0表 3 常溫下苯一甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)（2

8、 :P8例 1 1 附表 2）溫度0c80.1859095100105液相中苯的摩爾分率1.0000.7800.5810.4120.2580.130項(xiàng)目分子式分子量 M沸點(diǎn)（C）臨界溫度 tc（C）臨界壓強(qiáng) Pc（kPa）苯 AC6Ho78.1180.1288.56833.4甲苯 BC6H CH92.13110.6318.574107.7苯和甲苯的物理性質(zhì)表 1進(jìn)料i令擬令擬VnT T 墻頂產(chǎn)品墻頂產(chǎn)品或冷漁為憎出液或冷漁為憎出液回濟(jì)躍回濟(jì)躍Ln T 7F-:j *.5-1降液管降液管 -IVn.加熱水蒸汽加熱水蒸汽L!再沸器再沸器冷癡水冷癡水L? 71k6 / 36汽相中苯的摩爾分率1.00

9、00.9000.7770.6300.4560.262表 4純組分的表面張力（1 :R78附錄圖 7）溫度8090100110120苯，mN/m21.22018.817.516.2甲苯，Mn/m21.720.619.518.417.37 / 36表 5 組分的液相密度（1 :P382附錄圖 8）溫度（C）8090100110120苯,kg/m3814805791778763甲苯,kg/m3809801791780768表 6液體粘度聽(tīng)（1 :P365）溫度（C）8090100110120苯（mPa.s ）0.3080.2790.2550.2330.215甲苯（mP .s ）0.3110.2860

10、.2640.2540.228表 7常壓下苯甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度tC液相中苯的摩爾分率x氣相中苯的摩爾分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.6945.066.791.4050.071.390.1155.075.580.8060.079.187.6365.082.586.5270.085.785.4475.088.584.40

11、80.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.6180.01100.0100.01.2 精餾塔的物料衡算（1）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量耳- 8 / 36甲苯的摩爾質(zhì)量 MB92.13kg/kmolXF0.75/78.110.75/78.11 0.25/92.130.780XD0.98/78.110.98/78.11 0.02/92.130.9830.085/78.110.085/78.11 0.915/92.130.099（2）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF0.78

12、078.11MD0.98378.11MW0.099 78.11（3） 物料衡算原料處理量90000000(1 0.780) 92.13 81.20(kg /kmol)(1 0.983) 92.1378.40(kg/kmol)(1 0.099) 92.13 90.73(kg/kmol)F81.20 310 24總物料衡算D W苯物料衡算 0.780F 聯(lián)立解得2D 1.19 10 kmol/h21.49 10 (kmol /h)1.49 1020.983D0.099W2W 0.30 10 kmol/h式中F原料液流量D塔頂產(chǎn)品量W-塔底產(chǎn)品量3 塔板數(shù)的確定（1）理論板層數(shù)NT的求取苯一甲苯屬理

13、想物系，可采逐板計(jì)算求理論板層數(shù) 求最小回流比及操作回流比。采用恩特伍德方程求最小回流比。ai(xD ,i)maiai(XF ,i)aiRm1q解得，最小回流比&0.739 / 3610 / 36取操作回流比為R 1.8Rm1.31求精餾塔的氣、液相負(fù)荷LRD1.31 119 155.89(kmol /h)V(R 1)D(1.31 1) 119274.89(kmol/h )1V(R1)D (1 q)F 2.31 119 274.89(kmol/h)（泡點(diǎn)進(jìn)料：q=1）1L.RDqF1.31 119 1 149 304.89(kmol / h)求操作線方程精餾段操作線方程為Rxyn1xn

14、-0.567xn0.426R 1 R 1提餾段操作線方程為Iyn 1LTxn1.109xn0.011（2）逐板法求理論板又根據(jù) Rmin1XD(11XF1旨可解得Xf=2.47相平衡方程x2解得5xy1 (1)x解得1 1.475x2.47xxyy1 1.47x變形得x2.47 1.47y用精餾段操作線和相平衡方程進(jìn)行逐板計(jì)算yXD= 0.983，%丄=0.9591y1(1 y1)y12.475(1 yj11 / 36y20.567x10.4260.970X2y0.9592.47 1.47yX3y0.891y30.567X20.4260.9532.471.47 y3X4y0.845y40.56

15、7X30.4260.9312.47 1.47y4X5y0.795y50.567X40.4260.9052.47 1.47牡X6y0.7420.567X50.4260.8772.47 1.47y6因?yàn)?x60.742 xF0.780故精餾段理論板n=5,用提留段操作線和相平衡方程繼續(xù)逐板計(jì)算y70.567X60.4260.811X72.471.47 y70.635X8y0.478y80.567X70.4260.6932.471.47y8X9y0.304*0.567X80.4260.5192.471.47y9X10y0.164y100.567X90.4260.3262.471.47y1012 /

16、36因?yàn)?，x110.077 xW0.099所以提留段理論板n=5(不包括塔釜)【提留段的操作線方程錯(cuò)誤】(3)全塔效率的計(jì)算查溫度組成圖得到，塔頂溫度TD=80.94C，塔釜溫度TW=10&，全塔平均溫度Tm =92.97C。分別查得苯、甲苯在平均溫度下的粘度A0.272(mPa s)B0.279(mPa s)平均粘度由公式，得0.780 0.272 0.22 0.279 0.274(mPa s)全塔效率 ET(4) 求實(shí)際板數(shù)精餾段實(shí)際板層數(shù)5N精9.6910(塊)0.516提餾段實(shí)際板層數(shù)9.6910(塊)0.516X11-y110.567x100.426 0.1712.47 1.

17、47y110.077ET0.17 0.616lgm0.17 0.616lg 0.274 0.51613 / 36進(jìn)料板在第11塊板。1.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算(1)操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力P=4+101.3 kPa每層塔板壓降P=0.7 kPa進(jìn)料板壓力FF=105.3+0.7X10=112.2 kPa塔底操作壓力Pw=119.3kPa精餾段平均壓力P m1=(105.3+112.3)2=108.8 kPa提餾段平均壓力P m2 =(112.3+119.3)/2 =115.8 kPa(2)操作溫度計(jì)算 依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、 氣壓由安托尼方

18、程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程略。計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度七。80.90c進(jìn)料板溫度tF=85.53C塔底溫度tw=105.0c精餾段平均溫度tm=(80.9.+85.53)/2 = 83.24c提餾段平均溫度tm=(85.53+105.0)/2 =95.27c(3)平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由xD=y1=0.957,代入相平衡方程得x1=0.959ML,Dm0.959 78.11 (1 0.959) 92.13 78.69(kg/kmol)MV,Dm0.983 78.11 (1 0.983) 92.13 78.35(kg / kmol )甲苯的飽和蒸14 / 36進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由上面理論板的算法， 得yF=0.877,xF=0.742MVF0.877V,Fm78.11(10.877)92.1379.83(kg / kmol)MLF0.742L, Fm78.11(10.742)92.1381.73(kg/kmol)塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由xw=0.077,由相平衡方程，得yw=0.171精餾段平均摩爾質(zhì)量Mvm78798379.09(kg/kmol)提餾段平