化工原理课程设计--分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计.doc

分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计

化工原理课程设计

课题名称：分离苯-甲苯二元混合物板式精馏塔的设计
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设计时间： 2015 年12 月 30 日— 2016 年1月 10 日

成绩

指导教师评语

2
山东理工大学化工原理课程设计

摘要：
目前用于气液分离的传质设备主要采用板式塔，对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面都比较优越。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平进入塔板上液层进行两相接触，浮阀可根据气体流量的大小上下浮动，自行调节。其中精馏塔的工艺设计计算包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。

关键词： 气液传质分离 精馏 舌形塔板

目录
第一章 前言………………………………………………………………………………....3
1.1 精馏及精馏流程 3
1.2 精馏的分类 3
1.3 精馏操作的特点 4
1.4 塔板的类型与选择 4
1.5 相关符号说明 5
1.6 相关物性参数 6
第二章 设计任务书 7
第三章 设计内容 ..8
3.1 设计方案的确定及工艺流程的说明 8
3.2 全塔的物料衡算 8
3.2.1 料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率 8
3.2.2 平均摩尔质量 8
3.2.3 料液及塔顶底产品的摩尔流率 .9
3.3 塔板数的确定 9
3.3.1 平衡曲线的绘制....................... ..........................................................9
3.3.2 操作回流比的确.................................................................................10
3.3.3 理论塔板数的确定.............................................................................11
3.4 塔的精馏段操作工艺条件及计算...............................................................13
3.4.1 平均压强Pm.........................................................................................13
3.4.2 平均温度Pm.........................................................................................13
3.4.3 平均分子量Mm.....................................................................................13
3.4.4 液体的平均粘度μL,m..........................................................................14
3.4.5 液体的平均密度ρ.............................................................................15
3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算.......................................................................16
3.5.1 塔径的计算.........................................................................................16
3.5.2精馏塔有效高度的计算......................................................................17
3.6 塔板工艺结构尺寸的设计与计算...............................................................17
3.6.1溢流装置计算......................................................................................17
3.6.2塔板布置..............................................................................................18
3.7 浮阀的布置...................................................................................................19
3.7.1 阀孔速度............................................................................................19
3.7.2 开孔率.................................................................................................19

第 3 页 共 37 页

3.7.3 阀孔总面积........................................................................................20
3.7.4 浮阀总数............................................................................................20
3.7.5 塔板上布置浮阀的有效操作面积....................................................20
3.7.6 浮阀的排列........................................................................................20
3.8 筛板的流体力学验算...................................................................................21
3.8.1塔板压降..............................................................................................21
3.8.2 液面落差和液沫夹带..........................................................................22
3.8.3漏液......................................................................................................22
3.8.4液泛......................................................................................................22
3.9塔板负荷性能图............................................................................................23
3.9.1 漏液线...................................................................................................23
3.9.2 液沫夹带线..........................................................................................23
3.9.3 液相负荷下限线..................................................................................24
3.9.4液相负荷上限线..................................................................................24
3.9.5 液泛线...................................................................................................24
第四章 附属设备的选型及计算...........................................................................27
4.1塔体总高度....................................................................................................27
4.2塔顶空间HD....................................................................................................27
4.3人孔数目........................................................................................................27
4.4 塔底空间HB....................................................................................................27
4.5 裙座的选型....................................................................................................29

第一章 前言
1.1 精馏及精馏流程
精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。
精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:
1)获得馏出液塔顶的产品；
2)将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；
3)脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。
精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，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被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。
1.2 精馏的分类
按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。
化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。多组分精馏的特点：
1)能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大；
2)流程短，设备投资费用少；
3)耗能量低，收率高，操作费用低；
4) 操作管理方便。
1.3 精馏操作的特点
从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：
1)沸点升高
精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
2)物料的工艺特性
精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。
3)节约能源
精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。
1.4 塔板的类型与选择
塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类 ，工业应用以错流式 塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。我们应用的是浮阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。它具有结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。
1.5 相关符号说明

第 3 页 共 37 页

英文字母
Aa— 塔板开孔区面积,m2；
Af — 降液管截面积,m2；
A0 — 筛孔总面积,m2；
AT —塔截面积,m2；
c0 —流量系数,无因次；
C—— 计算umax时的负荷系数,m/s；
CS —气相负荷因子,m/s；
d—— 填料直径,m；
d0——筛孔直径,m；
D—— 塔径,m；
ev— 液体夹带量,kg（液）/kg（气）；
E—— 液流收缩系数,无因次；
ET— 总板效率,无因次；
F— 气相动能因子,kg1/2/(s·m1/2）；
F0— 筛孔气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2) ；
g——重力加速度,9.81m/ s2；
h——填料层分段高度,m；
h1— 进口堰与降液管间的水平距离,m；
hc— 与干板压降相当的液柱高度,m液柱；
hd— 与液体流过降液管的压降相当的液柱
hf— 塔板上鼓泡层高度,m；
h1 —与板上液层阻力相当的液柱高度,m；
hL— 板上清液层高度,m；
h0— 降液管的底隙高度,m；
hOW—堰上液层高度,m；
hW— 出口堰高度,m；
h,W—进口堰高度,m；
hб——与阻力表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱；
H——板式塔高度,m；
Hd——降液管内清液层高度,m；
HD——塔顶空间高度,m；
HF——进料板处塔板间距,m；
HP——人孔处塔板间距,m；
HT——塔板间距,m；
K—— 稳定系数,无因次；
LW—堰长,m；
Lh —液体体积流量,m3/h；
Ls —液体体积流量,m3/s；
Lw —润湿速率,m3/(m·s)；
m—— 相平衡系数,无因次；
n— —筛孔数目；
NT——理论板层数；
P—— 操作压力,Pa；
△P—压力降,Pa；
△PP气体通过每层筛板的降压,Pa；
t——筛孔的中心距,m；
u——空塔气速,m/s；
uF— 泛点气速,m/s；
u0—气体通过筛孔的速度,m/s；
u0, min—漏液点气速,m/s；
u′0—液体通过降液管底隙的速度,m/s；
Vh——气体体积流量,m3/h；
Vs——气体体积流量,m3/s；
wL——液体质量流量,kg/s；
wV—气体质量流量,kg/s；
Wc——边缘无效区宽度,m；
Wd——弓形降液管宽度,m；
Ws——泡沫区宽度,m；
x— 液相摩尔分数；
X——液相摩尔比；
y——气相摩尔分数；
Y——气相摩尔分比；
Z——板式塔的有效高度,m；
填料层高度,m。
下标
max—最大的；
min—最小的；
L—— 液相的；
V— —气相的θ——液体在降液管内停留时间,s；
μ——粘度,mPa·s；
Φ—开孔率或孔流系数，无因次；
σ——表面张力,N/m；
ρ——密度,kg/m3；

希腊字母
δ——筛板厚度,m；
32
分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计
1.6 相关物性参数

（1）苯和甲苯的物理参数

分子式
相对分子质量
沸点℃
临界温度℃
临界压力MPa
苯（A）
C6H6
78.11g/mol
80.1
288.95
4,898
甲苯（B）
C7H8
92.14g/mol
110.6
318.57
4.109

(2)饱和蒸汽压
苯、甲苯的饱和蒸汽压可用Antoine方程计算：

A
B
C
苯
6.9419
2769.42
-53.26
甲苯
7.0580
3076.65
-54.65

（3）苯、甲苯的相对密度

温度（℃）
80
90
100
110
120
苯
815
803.9
792.5
780.3
768.9
甲苯
810
800.2
790.3
780.3
770.3

（4）液体表面张力
温度（℃）
80
90
100
110
120
苯
21.27
20.06
18.85
17.66
16.49
甲苯
21.69
20.59
19.94
18.41
17.31

(5)苯甲苯液体粘度

mPa
80
90
100
110
120
苯
0.308
0.279
0.255
0.233
0.215
甲苯
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228

第二章 设计任务书
1.设计题目：
分离苯-甲苯混合液的舌形塔板式精馏塔工艺设计
2.工艺条件：
生产能力：苯-甲苯混合液处理量90000t/a，年开工300天
原料组成：苯含量为18%（质量百分率，下同）
进料状况：泡点进料，q=1
分离要求：塔顶苯含量不低于99.5%，塔底甲苯含量不低于99.9%
3.塔板类型：板式精馏塔
4.设计内容：
1）精馏塔的物料衡算；
2）塔板数的确定；
3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；
4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；
5)塔板主要工艺尺寸的计算；
6)塔板的流体力学验算；
7)塔板负荷性能图；
8)精馏塔接管尺寸计算；
9)绘制生产工艺流程图；
10)绘制精馏塔设计条件图；
11)绘制塔板施工图（可根据实际情况选作）；
12)对设计过程的评述和有关问题的讨论。

第三章 设计内容
3.1 设计方案的确定及工艺流程的说明
本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于该二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。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入精馏塔内。塔顶上升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。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
3.2 全塔的物料衡算
3.2.1原料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率
苯和甲苯的相对摩尔质量分别为78.11 kg/kmol和92.14kg/kmol，原料含苯的质量百分率为18%，塔顶苯含量不低于99.5%，塔底甲苯含量不低于99.9%，即塔底苯含量不大于0.1%，则：
原料液含苯的摩尔分率：
塔顶含苯的摩尔分率：
塔底含苯的摩尔分率：
3.2.2原料液及塔顶底产品的平均摩尔质量
由3.1.1知产品中甲苯的摩尔分率，故可计算出产品的平均摩尔质量：
原料液的平均摩尔质量：
MF ＝78.11×0.2057＋(1－0.2057)×92.14＝89.254kg/kmol
塔顶液的平均摩尔质量：
MD ＝78.11×0.996＋(1－0.996)×92.14＝78.166kg/kmol
塔底液的平均摩尔质量：
MW ＝78.11×0.0012＋(1－0.0012)×92.14＝92.123kg/kmol

3.2.3料液及塔顶底产品的摩尔流率
一年以300天，一天以24小时计，得：
F,＝90000t/（300×24）h＝12500kg/h，
全塔物料衡算：
进料液： F=12500（kg/h）/91.893（kg/kmol）=136.03kmol/h
总物料恒算： 136.03=D+W
苯物料恒算： 136.03×0.2057=D×0.996+0.0012×W
联立解得： W＝108.066kmol/h
D＝27.964kmol/h
3.3 塔板数的确定
理论塔板数的求取
苯-甲苯物系属理想物系，可用梯级图解法（M·T）,求取NT，步骤如下：
3.3.1平衡曲线的绘制
根据苯-甲苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取。
依据 ， 将所得计算结果如列表2：

表2苯（x）-甲苯（y）的相平衡数据

温度，（℃）
80.1
84
88
92
96
100
104
108
110.6
（kpa）
苯
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
甲苯
39.0
39.0
39.0
39.0
39.0
39.0
39.0
39.0
39.0
两相摩尔分率
X
1.000
0.816
0.651
0.504
0.373
0.256
0.152
0.057
0
Y
1.000
0.919
0.825
0.717
0.594
0.455
0.300
0.125
0

本方案中，塔内压力接近常压（实际上略高于常压），因操作压力偏离常压很小，所以其对x~y平衡关系的影响完全可以忽略。将上表中数据作图得x~y曲线：

图1 苯—甲苯混合液的y-x图

3.3.2操作回流比的确定

表3 苯--甲苯物系在某些温度t下的a值（附x值）

t( ℃)
80.1
84
88
92
96
100
104
108
110.6
α
2.60
2.56
2.53
2.49
2.46
2.43
2.40
2.37
2.35
x
1
0.816
0.651
0.504
0.373
0.257
0.152
0.057
0

可见随着温度的升高，α变化不大，可对表中两端数据取平均值

在y-x图（图1）上，因，查得，而，。故由式（3-53a）得最小回流比：
也可根据课本中公式（10-45）得，
代入数据计算得：
两种计算方法结果相同。

考虑到精馏段操作线离平衡线较近，取实际操作的回流比为最小回流比的1.2倍，即：
R=1.2Rmin=1.2*3.27=3.924
精馏塔的汽、液相负荷：
精馏段：液相流量：L=RD=3.924×27.964=109.731kmol/h
气相流量：V=(R+1)D=(3.924+1)×27.964=137.69kmol/h
提镏段：液相流量：L′=L+F=109.731+136.03=245.761kmol/h
气相流量：V′=V=137.69kmol/h

3.3.3理论塔板数的确定

图2 苯-甲苯物系精馏分离理论塔板数的图解

精馏段操作线为： ==0.797+0.2023
平衡方程:

提馏段操作线可由b(xW，xW)及精馏段操作线和q线的交点d决定。

泡点加料时q=1 （1）
（2）
对全塔物料横算 D+W=F （3）
D+W=F （4）
由(1)、(2)式得 (5)
(6)
将(5)式值带入(6)中得
提留段操作线为
将x=0.5代入精馏段操作线，求得y=0.6008，即有d(0.5，0.6008)。
(1)精馏段
利用平衡方程和精馏段操作线方程计算精馏段的塔板数：
x2=0.978(用平衡关系)
y3=0.982(用物料衡算，即操作线)
x3=0.0.957(用平衡关系)
y4=0.979(用操作线)； x4=0.950(用平衡关系)
y5=0.960 (用操作线)； x5=0.907(用平衡关系)
y6=0.925 (用操作线)； x6=0.833(用平衡关系)
y7=0.866(用操作线)； x7=0.723(用平衡关系)
y8=0.779(用操作线)； x8=0.587(用平衡关系)
y9=0.67 (用操作线)； x9=0.451用平衡关系)
y10=0.562 (用操作线)； x10=0.341(用平衡关系)
y11=0.474(用操作线)； x11=0.267(用平衡关系)
y12=0.451(用操作线)； x12=0.223(用平衡关系)
y13=0.380(用操作线)； x13=0.198(用平衡关系)

所以进料位置在第13块板
(2)提馏段
利用相平衡方程和提留段操作线方程计算提留段塔板数：
Y14=0.352.；x14=0.180
y15=0.320；x15=0.160
y16=0.284；x16=0.138
y17=0.245；x17=0.116
y18=0.206；x18=0.095
y19=0.168；x19=0.075
Y20=0.133(用操作线)； x20=0.058(用平衡关系)
Y21=0.102 (用操作线)； x21=0.044(用平衡关系)
Y22=0.078 (用操作线)； x22=0.033(用平衡关系)
Y23=0.058(用操作线)； x23=0.024(用平衡关系)
Y24=0.042(用操作线)； x24=0.017(用平衡关系)
Y25=0.029(用操作线)； x25=0.0119(用平衡关系)

因此，理论板数为(25-1)=24层，进料位置为第13层板。

苯--甲苯在某些温度下的粘度：
t
80
90
100
110
120
A
0.308
0.279
0.255
0.233
0.215
B
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228

μ=Σxiμi=0.2057*0.284+0.56*0.291=0.2923(mPa.s)
μ表示以加料摩尔组成为准的液体的平均摩尔粘度。
可以简单的用以下近似公式计算塔的总效率：
E=0.563-0.276lg（αμ）+0.0815[lg(αμ)] 2=0.60315
精馏段的实际板数为： (层) 取22（层）
提馏段的实际板数为：（层） 取19（层）
总实际塔板N实=41块

3.4 塔的精馏段操作工艺条件及计算
3.4.1平均压强pm
塔顶压强： 取每层塔板的压降0.7KPa
进料板： 塔底压强：
平均压强：
3.4.2平均温度tm
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=81.1℃ 进料板温度: tF=82.3℃。
平均温度：tm℃
3.4.3平均分子量
塔顶： ，（查图2）

加料板：，（查图2）

精馏段：

3.4.4 液体的平均粘度

液相平均粘度依下式计算:
lgμLm=∑xilgμi
塔顶液相平均粘度的计算：
查化工原理附录11，在81.1℃下有：
μA=0.321mPa·s ，μB=0.414mPa·s
lgμLD,m=0.986lg(0.321)+0.014lg(0.414)
解得： μLDm=0.398 mPa·s
进料板液相平均粘度的计算:
在82.3℃下，查得：
μA=0.298mPa·s ，μB=0.404mPa·s
lgμLF,m=0.685lg(0.298)+0.315lg(0.404)
解得： μLFm=0.327mPa·s
精馏段液相平均表面张力为
μ,Lm=（0.398+0.327）/2=0.363 mPa·s

加料板：
精馏段：
3.4.5 液体的平均密度ρ
1.液相平均密度

①塔顶：

②进料板：

所以精馏段液相平均密度：

2、气相密度：

3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算
3.5.1塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为

由式中的C公式计算，其中C20由化工原理课程设计教材的负荷系数图查取，图的横坐标为

取板间距HT=0.50m，板上液层高度hL=0.06m，则
HT-hL=0.50-0.006=0.44m
查负荷系数图得C20=0.092

取安全系数为0.7，则空塔气速为

按标准塔径圆整后为：D=1.4m
塔塔截面积为： AT=π/4×D2=1.54m2 实际空塔气速为:
3.5.2精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度：Z精=（N精-1）HT=（12-1）×0.4=4.4m
提馏段有效高度：Z提=（N提-1）HT=（10-1）×0.4=3.6m
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=4.4+3.6+0.8=8.8m
3.6 塔板工艺结构尺寸的设计与计算
3.6.1溢流装置计算
因塔径D=1.4m，可选用单溢流弓形降液管、凹形受液盘。
（1）溢流堰长
取

堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。
（2）出口堰高
对平直堰 ，
由及，查化工原理课程设计图5-5得，于是：
满足要求。
取板上清液层高度hL=60mm

（3）降液管的宽度 和降液管的面积
由，查图5-7得，即：

依教材中式5-9验算液体在降液管中停留时间,即:

可以满足要求。
（4）降液管的底隙高度
液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：

降液管底隙高度设计合理。故选用凹型受液盘，深度
3.6.2塔板布置
（1）塔板的分块
因D≥800mm故塔板采用分块式。塔板分为3块。
（2）边缘区宽度的确定
取
边缘区宽度：一般为50~75mm，D >2m时，可达100mm。
安定区宽度：规定 m时， mm； m时，mm
本设计取： mm，mm。
（3）开孔区面积

故：

（4）筛孔计算及其排列
由于处理的物系无腐蚀性，可先用碳钢板，取筛孔直径。
筛孔按正在角形排列，取孔中心距t为

每层塔板的开孔数为：

每层塔板的开孔率为：

在5~15%之间，故满足要求。
每层塔板的开孔面积：

气体通过筛孔的孔速：
3.7 浮阀的布置
选用十字架型圆盘浮阀，阀径为50毫米，阀重30～32克，塔板上孔径为40毫米，最大开度8毫米。
3.7.1 阀孔速度
由公式 求阀孔的临界速度（或选定适宜的阀孔动能因数，求出阀孔速度）。
（1） 精馏段：
（2）提馏段：
上下两段相应的阀孔动能因数为：
均属正常操作范围。