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…………………………………………………………………1
1.2操作条件…………………………………………………………………1
2.设计内容……………………………………………………………………1
2.1本设计任务为分离苯—甲苯混合物……………………………………1
2.2 精馏塔的物料衡算………………………………………………………1
2.2.1原料液及塔顶、塔底的摩尔分率…………………………………1
2.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量………………………2
2.2.3 物料衡算……………………………………………………………2
2.3塔板数的确定……………………………………………………………2
2.3.1 理论板层数的求取……………………………………………2
2.3.2实际板层数的求取…………………………………………………3
2.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算……………………………3
2.4.1操作压力的计算……………………………………………………3
2.4.2 操作温度计算………………………………………………………3
2.4.3 平均摩尔质量计算…………………………………………………4
2.4.4平均密度计算………………………………………………………4
2.4.4.1气相平均密度计算……………………………………………4
2.4.4.2液相平均密度计算……………………………………………4
2.4.5 液体平均表面张力的计算…………………………………………5
2.4.6液体平均粘度…………………………………………………………5
2.5精馏塔的塔体工艺尺寸计算………………………………………………6
2.5.1塔径的计算…………………………………………………………6
2.5.2精馏塔有效高度的计算……………………………………………7
2.6塔板主要工艺尺寸的计算…………………………………………………7
2.6.1溢流装置计算………………………………………………………7
2.6.1.1堰长…………………………………………………………7

2.6.1.2溢流堰高度…………………………………………………7
2.6.1.3弓形降液管宽度和截面积……………………………8
2.6.1.4降液管底隙高度……………………………………………8
2.6.2塔板布置………………………………………………………………8
2.6.2.1塔板的分块……………………………………………………8
2.6.2.2边缘区宽度确定………………………………………………8
2.6.2.3开孔区面积计算………………………………………………8
2.6.2.4筛孔计算及排列. ……………………………………………9
2.7 塔板的流体力学验算………………………………………………………9
2.7.1塔板压降………………………………………………………………9
2.7.1.1干板阻力计算………………………………………………9
2.7.1.2气体通过液层的阻力计算…………………………………9
2.7.1.3液体表面张力的阻力计算…………………………………10
2.7.2液面落差……………………………………………………………10
2.7.3液沫夹带……………………………………………………………10
2.7.4漏液…………………………………………………………………10
2.7.5液泛…………………………………………………………………11
2.8 塔板负荷性能图…………………………………………………………11
2.8.1漏液线………………………………………………………………11
2.8.2液沫夹带线…………………………………………………………12
2.8.3液相负荷下限线……………………………………………………13
2.8.4液相负荷上限线……………………………………………………13
2.8.5液泛线………………………………………………………………13
3. 设计数据一览表……… …………………………………………………15
4.总结…………………… ……… ……………………………………………16
5.参考文献及设计图 ………………………………………………………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）。
① 要求塔顶苯的含量为 95% （质量分数）。
② 要求苯的回收率为 95% 。
（说明：①和②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 ≤0.7kPa
1.2.6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 =0.957×176.46 + 0.035W
联立解得 F = 842.99kg/h W = 666.53kg/h
2.3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=5.40
2.3.1.3 求精溜塔的气，液相负荷
L=RD=5.40×176.46=952.88kmol/h
V=（R+1）D=（5.40+1）×176.46=1129.34kmol/h
L′=L+F=952.88+842.99=1795.87 kmol/h
V′= V =1129.34kmol/h
2.3.1.4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=7
2.3.2实际板层数的求取
精馏段实际板层数=6/0.52=11.54≈12
提馏段实际板层数=4/0.52=7.69≈8
2.4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 kpa
2.4.2 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 =81.2°C
进料板温度 =102.2℃
精馏段平均温度 =(81.2+102.2)/2=91.7℃
2.4.3 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/kmol
2.4.4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D＝4.0 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=2.4m
2.6.1.2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=0.0657m
2.6.1.3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=50mm
2.6.2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+0.100＝0.340
4.0/2-（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
〈0.7kpa
2.7.2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 〈0.1
2.7.4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1

2.8.2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2
2.8.3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3
2.8.4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4
2.8.5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，℃
91.7
2
平均压力，
105.5
3
气相流量，
9.020
4
液相流量，
0.028
5
实际塔板数
18
6
有效段高度
7.6
7
塔径，
4.0
8
板间距，
0.4
9
溢流形式
双溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰长，
2.4
12
堰高，
0.0657
13
板上液层高度，
0.10
14
堰上液层高度，
0.10
15
降液管管底隙高度，
0.0467
16
安定区宽度，
0.10
17
边缘区宽度，
0.05
18
开孔区面积，
7.358
19
筛孔直径，
0.005
20
筛孔数目
37772
21
孔中心距，
0.015
22
开孔率，%
10.1
23
空塔气速，
0.718
24
筛孔气速，
12.14
25
稳定系数
1.675
26
每层塔板压降，
656.860
27
负荷上限
液泛控制
28
负荷下限
液漏控制
29
液沫夹带
0.0509
30
气相负荷上限，
9.98
31
气相负荷下限，
5.12
32
操作弹性
1.949

4.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，1996
[2] 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.2004
[4] 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.

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