化工原理课程设计苯甲苯分离板式精馏塔的设计学士学位论文.doc

化工原理课程设计苯-甲苯分离板式精馏塔的设计学 院 药科学院 专 业 制药工程 班 级 制药工程12（2） 姓 名 姚炽坚 学 号 1203509249 指导教师 蔡秀兰 2015年 12月 20日苯-甲苯分离板式精馏塔的设计1.概述1 1.1设计题目11.2操作条件12.设计内容12.1本设计任务为分离苯甲苯混合物12.2 精馏塔的物料衡算12.2.1原料液及塔顶、塔底的摩尔分率12.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量22.2.3 物料衡算22.3塔板数的确定22.3.1 理论板层数的求取22.3.2实际板层数的求取32.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算32.4.1操作压力的计算32.4.2 操作温度计算32.4.3 平均摩尔质量计算42.4.4平均密度计算42.4.4.1气相平均密度计算42.4.4.2液相平均密度计算42.4.5 液体平均表面张力的计算52.4.6液体平均粘度52.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算62.5.1塔径的计算62.5.2精馏塔有效高度的计算72.6塔板主要工艺尺寸的计算72.6.1溢流装置计算72.6.1.1堰长72.6.1.2溢流堰高度72.6.1.3弓形降液管宽度和截面积82.6.1.4降液管底隙高度82.6.2塔板布置82.6.2.1塔板的分块82.6.2.2边缘区宽度确定82.6.2.3开孔区面积计算82.6.2.4筛孔计算及排列. 92.7 塔板的流体力学验算92.7.1塔板压降92.7.1.1干板阻力计算92.7.1.2气体通过液层的阻力计算92.7.1.3液体表面张力的阻力计算102.7.2液面落差102.7.3液沫夹带102.7.4漏液102.7.5液泛112.8 塔板负荷性能图112.8.1漏液线112.8.2液沫夹带线122.8.3液相负荷下限线132.8.4液相负荷上限线132.8.5液泛线133. 设计数据一览表 154.总结 165.参考文献及设计图 16苯-甲苯分离板式精馏塔的设计1.概述1.1设计题目试设计一座连续精馏塔用于分离苯甲苯混合液，原料液中含苯 20% （质量分数）。要求年产纯度为 95% 的苯 10 万吨/年，塔釜馏出液中含苯不得高于 3% （质量分数）。 要求塔顶苯的含量为 95% （质量分数）。 要求苯的回收率为 95% 。（说明：和的条件满足其一）1.2操作条件1.2.1塔顶压力 常压1.2.2进料热状态 泡点进料1.2.3回流比 取最小回流比的2倍 1.2.4塔底加热蒸气压力 0.5Mpa（表压） 1.2.5单板压降 0.7kPa1.2.6塔板类型 筛板塔1.2.7工作日 每年工作日为300天，每天24小时连续运行。2.设计内容2.1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入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分加回流至塔内，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。该物系塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2.2 精馏塔的物料衡算2.2.1原料液及塔顶、塔底的摩尔分率：苯的摩尔质量 =78.11kg/kmol甲苯摩尔质量=92.13kg/kmol 2.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量2.2.3 物料衡算原料处理量 总物料衡算 F = 176.46 + W苯物料衡算 0.228F =0.957176.46 + 0.035W联立解得 F = 842.99kg/h W = 666.53kg/h2.3塔板数的确定2.3.1 理论板层数的求取苯甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数2.3.1.1由手册查得苯甲苯物系的汽液平衡数据，绘出x-y图，2.3.1.2 求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比，在图中对角线上，自点e（0.228，0.228）作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为=0.425 =0.228故最小回流比为取操作回流比为=2=22.70=5.402.3.1.3 求精溜塔的气，液相负荷L=RD=5.40176.46=952.88kmol/hV=（R+1）D=（5.40+1）176.46=1129.34kmol/hL=L+F=952.88+842.99=1795.87 kmol/hV= V =1129.34kmol/h2.3.1.4求操作线方程精馏段操作线方程为 提馏段操作线方程为2.3.1.5逐板法求理论板层数总理论板层数=11（包括再沸器）进料板位置=72.3.2实际板层数的求取精馏段实际板层数=6/0.52=11.5412提馏段实际板层数=4/0.52=7.6982.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算2.4.1操作压力的计算 塔顶操作压力 =101.30 kPa每层塔板压降 P=0.7 kpa进料板压力 =101.30+0.712=109.70 kpa精馏段平均压力=(101.30+109.70)/2=105.50 kpa2.4.2 操作温度计算查苯甲苯的气液平衡数据，由内插法求得塔顶温度 =81.2C进料板温度 =102.2精馏段平均温度 =(81.2+102.2)/2=91.72.4.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由 = =0.957，查平衡曲线，得 = 0.899 =0.957*78.11+（1-0.957）*92.13=78.71 kg/kmol =0.899*78.11+（1-0.899）*92.13=79.53 kg/kmol进料板平均摩尔质量计算=0.348=0.176=0.348*78.11+（1-0.348）*92.13=87.25kg/kmol=0.176*78.11+（1-0.176）*92.13=89.66kg/kmol精馏段平均摩尔质量=（78.71+87.25）/2=82.98 kg/kmol=（79.53+89.66）/2=84.60kg/kmol2.4.4平均密度计算2.4.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即kg/2.4.4.2液相平均密度计算液相平均密度依上式计算，即塔顶液相平均密度的计算由 = 91.7 ，查手册得 = 801.84 kg/ =798.48 kg/ kg/进料板液相平均密度的计算由 =102.2，查手册得= 789.79 kg/ =788.07 kg/进料板液相的质量分率kg/精馏段液相平均密度为kg/2.4.5 液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算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 精馏段液相平均表面张力： 2.4.6液体平均粘度液相平均粘度依下式计算，即塔顶液相平均粘度的计算由tD=81.2查手册得 解出 进料板液相平均粘度的计算由tF=102.2，查手册的 解出 精馏段液相平均粘度的计算2.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算2.5.1塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为由 式中C由5-5计算，其中的由图5-1查取，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则-=0.400-0.10=0.300m查图5-1得 =0.062 C=0.062取安全系数为0.70 ，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 D=4.0m塔截面积为 实际空塔气速为 2.5.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为在进料板上方开一人孔，其高度为：0.8m故精馏塔的有交高度为2.6塔板主要工艺尺寸的计算2.6.1溢流装置计算因塔径D4.0 m，可选用双溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：2.6.1.1堰长取 = 0.60 D= 0.604.0=2.4m2.6.1.2溢流堰高度由 选用平直堰，堰上液层高度由式5-7计算，即=近似取E=1，则=取板上清液层高度100mm故 0.10-0.0343=0.0657m2.6.1.3弓形降液管宽度和截面积由 0.60查图5-7 得0.0555 0.120故 =0.0555=0.055512.56=0.697= 0.120D=0.1204.0=0.480依式5-9 验算液体在降液管中停留时间，即故降液管设计合理2.6.1.4降液管底隙高度取 则 0.006 m故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度=50mm2.6.2塔板布置2.6.2.1塔板的分块因 D800mm，故塔板采用分块式。查表5-3得，塔板分为6块以上。2.6.2.2边缘区宽度确定取 2.6.2.3开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中0.480/2+0.1000.3404.0/2-（0.480+0.100）=1.420m 4.0/2-0.05=1.950m故 2.6.2.4筛孔计算及排列.筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为筛孔数目n为开孔率为 气体通过阀孔的气速为2.7 塔板的流体力学验算2.7.1塔板压降2.7.1.1干板阻力计算干板阻力由式计算由 5/3=1.667，查图5-10得，0.772故 液柱2.7.1.2气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由式计算 查图5-11，得0.62。故 m液柱2.7.1.3液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力可按式计算，即 液柱气体通过没层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱气体通过每层塔板的压降为 0.7kpa2.7.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。2.7.3液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 0.12.7.4漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即实际孔速稳定系数为2.7.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式的关系，即 丙酮水物系属一般物系，取，则而 板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱故在本设计中不会发生液泛现象2.8 塔板负荷性能图2.8.1漏液线由 =得 整理得在操作数据内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表， 0.001 0.010 0.020 0.030 0.040， 4.693 5.236 6.574 5.843 6.019由上表数据即可作出漏液线12.8.2液沫夹带线以 = 0.1 kg液/kg气为限，求关系如下由 =0.0657=故 整理得 =17.509-69.018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， 0.0010 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400， 16.819 12.424 9.4370 6.9310 5.2350由上表数据即可作出液沫夹带线22.8.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度= 0.006 m作为最小液体负荷标准。由式5-7得取 E=1.00，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线32.8.4液相负荷上限线以 = 4 s 作为液体在降液管中停留时间的下限，由式5-9 得 4故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线42.8.5液泛线令 由 联立得 忽略，将与与与的关系式代入上式，并整理得式中 将有关的数据代入，得 故 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， 0.0010 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400， 14.628 13.145 11.708 10.087 8.0440由上表数据即可作出液泛线5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由图5-20查得 故操作弹性为所设计筛板的主要结构汇总于下表。3. 设计数据一览表 表 筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度，91.72平均压力，105.5 3 气相流量，9.0204液相流量，0.0285实际塔板数186有效段高度7.67塔径，4.08板间距，0.49溢流形式双溢流10降液管形式弓形11堰长，2.412堰高，0.065713板上液层高度，0.1014堰上液层高度，0.1015降液管管底隙高度，0.046716安定区宽度，0.1017边缘区宽度，0.0518开孔区面积，7.35819筛孔直径，0.00520筛孔数目3777221孔中心距，0.01522开孔率，%10.123空塔气速，0.71824筛孔气速，12.1425稳定系数1.67526每层塔板压降，656.86027负荷上限液泛控制28负荷下限液漏控制29液沫夹带0.050930气相负荷上限，9.9831气相负荷下限，5.1232操作弹性1.9494.总结通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。同时大概了解了设计中的一些数据对设计效果的影响，还有一些数据之间联系等。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。5.参考文献：1 上海化学设计院医药工业设计建设组。化工工艺设计手册（上册）。北京。化学工业出版社，19962 贾绍义，柴成敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社，2002.3 杨祖荣.化工原理.化学工业出版社.20044 汪镇安. 化工工艺设计手册（上、下册）（第三版）. 化学工艺出版社，2003.15