化工原理课程设计分离苯甲苯连续精馏筛板塔.doc

化工原理课程设计 -分离苯甲苯连续精馏筛板塔序 言课程设计是“化工原理”的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识来解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它起着培养学生独立工作能力的重要作用。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，精馏过程在能量剂驱动下，使气液两相多次直接接触和分离，运用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同规定，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。分离苯和甲苯，可以运用两者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收和储存。目 录一、 化工原理课程设计任务书.(6)1、设计题目.(6)2、设计任务.(6)3、设计条件.(6)二、精馏塔的物算.(6) 1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率.(6) 2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.(6) 3、物料衡算.(7)三、塔板数的拟定. .(7) 1、理论板层数NT的求取.(7) 2、实际板层数的求取.(10)四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.(10) 1、操作压力计算.(11) 2、操作温度计算.(11) 3、平均摩尔质量计算.(12) 4、平均密度计算.(13) 5、液体平均表面张力计算.(14) 6、液体平均粘度计算.(15)五、精馏塔塔体工艺尺寸计算. (17) 1、塔径的计算.(17) 2、精馏塔有效高度计算.(19)六、塔板重要工艺尺寸计算 .(19) 1、溢流装置计算.(19) 2、塔板布置.(20)七、筛板的流体力学验算.(23) 1、塔板压降.(23) 2、液面落差.(24) 3、泡沫夹带.(24) 4、漏液.(25) 5、液泛.(25)八、塔板负荷性能图.(28) 1、漏液线.(28) 2、液沫夹带线.(29) 3、液相负荷下限线.(29) 4、液相负荷上限线.(30) 5、液泛线.(30)九、设计结果一览表.(37)十、附录.(38)十一、重要物性数据.(40)十二、个人心得体会及改善意见. (43)一、 化工原理课程设计任务书1、设计题目：筛板式精馏塔设计2、设计任务：试设计分离苯-甲苯混合物的筛板精馏塔。已知原料液的解决量为5000kg/h，组成为0.5（苯的质量分数），规定塔顶馏出液的组成为0.95，塔底釜液的组成为0.02。操作压力进料热状况回流比单板压降全塔效率4kPa（塔顶表压）自选自选0.7kPa3、设计条件试根据上述工艺条件作出筛板的设计计算。二、精馏塔的物算1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率. 苯的摩尔质量 MA=78.11 kg/kmol甲苯的摩尔质量 MB=92.13 kg/kmol 2、原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量 kg/kmol kg/kmol kg/kmol3、物料衡算 原料解决量 kmol/h 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 kmol/h kmol/h三、塔板数拟定1、理论版层数的求取1.1、求最小回流比及操作回流比由任务书中给出的常压下苯甲苯的气液平衡数据温度，8018590951001051106苯PA，kPa10133116913551557179220422400甲苯PB，kPa40046054063374386010133运用公式 ; 得出下表：温度t/80.284889296100104108110.4xA1.0 0.83 0.639 0.508 0.376 0.255 0.1550.0580yA1.0 0.93 0.82 0.72 0.596 0.452 0.3040.1280由表可因q=1 所以采用作图法求最小回流比。如图可知=0.541 =0.749故最小回流比为 = 取操作回流比为 1.2、求精馏塔的气，液相负荷 Kmol/h Kmol/h Kmol/h Kmol/h 1.3、求操作线方程 精馏段操作线方程为 提馏段操作线方程 代入得 1.4、逐板法计算理论板数 由于混合物的相平衡方程为 泡点进料 q=1 所以甲苯的相对挥发度为2.53 第一块板上升的蒸汽组成 从第一块板下降的液体组成式由 求取 第二块板上升的气相组成用式求取 第二块板下降的液体组成 如此反复计算 因,第五块板上升的气相组成由提馏段操作方程计算 第六块板下降的液体组成 同理： 所需总理论板数为12块，第5块加料，精馏段需4块板 2、实际板层数的求取全塔效率的计算（查表得各组分黏度1=0.269，2=0.277）L=XF1+（1-XF）2=0.541*0.269+0.459*0.277=0.273ET=0.49（*L）-0.245=0.53精馏段实际板层数 提留段实际板层数 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1、操作压力计算塔顶操作压力 塔底操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压强 提馏段平均压强 2、操作温度计算 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 苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。塔顶温度计算lgPA*=6.032-1206.35/(t+220.24)lgPB*=6.032-1206.35/(t+220.24)P总= PA*0.957+PB*0.043试差法算出 塔顶温度lgPA*=6.032-1206.35/(t+220.24)lgPB*=6.032-1206.35/(t+220.24)P总= PA*0.541+PB*0.459试差法算出 进料板温度塔底温度精馏段平均温度提馏段平均温度3、平均摩尔质量计算 由 得 kg/kmol kg/kmol 进料板平均摩尔质量计算 kg/kmol kg/kmol 塔底平均摩尔质量计算 精馏段平均摩尔质量 kg/kmol kg/kmol提馏段平均摩尔质量4、平均密度计算4.1、气相平均密度计算 由抱负气体状态方程式计算，精馏段的平均气相密度即 kg/提馏段的平均气相密度即4.2、液相平均密度计算 液相平均密度依 计算 塔顶液相平均密度计算由0C，表几所得的温度与密度的线性关系为苯y=-1.29x+919.2 甲苯y=-1.03x+892.8 得 kg/ kg/ 进料板液相平均密度计算由0C，表几所得的温度与密度的线性关系为苯y=-1.29x+919.2 甲苯y=-1.03x+892.8 得 kg/m3 kg/m3 进料板液相的质量分率 kg/m3 塔底液相平均密度计算由表几所得的温度与密度的线性关系为苯y=-1.29x+919.2 甲苯y=-1.03x+892.8得 kg/m3 kg/m3 kg/m3精馏段液相平均密度为 kg/m3提馏段液相平均密度为 kg/m35、液体平均表面张力计算 液相平均表面张力依计算 塔顶液相平均表面张力的计算由0C 表几所得的温度与表面张力的线性关系为苯y=-0.125x+31.24甲苯y=-0.11x+30.5得 进料板液相平均表面张力的计算由0C，表几所得的温度与表面张力的线性关系为苯y=-0.125x+31.24甲苯y=-0.11x+30.5 得 塔底液相平均表面张力计算由0C，表几所得的温度与表面张力的线性关系为苯y=-0.125x+31.24甲苯y=-0.11x+30.5 得 精馏段液相平均表面张力为 提馏段液相平均表面张力为6、液相平均粘度的计算液相平均粘度依计算 塔顶液相平均粘度的计算 由0C ，表几所得的温度与粘度的线性关系为苯y=-0.0023x+0.49甲苯y=-0.002x+0.4666 得 mPas mPas 解出 进料板液相平均粘度的计算 有 0C，表几所得的温度与粘度的线性关系为苯y=-0.0023x+0.49甲苯y=-0.002x+0.4666 解出 塔底液相平均粘度计算由0C ，表几所得的温度与粘度的线性关系为苯y=-0.0023x+0.49甲苯y=-0.002x+0.4666 得 mPas mPas 解出 精馏段液相平均表面粘度为 提馏段液相平均表面粘度为五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算1、塔径的计算 精馏段的气、液相体积流量为 m3/s m3/s提馏段的气、液相体积流量为 精馏段： 由 式中C由计算，其中的C20由图查取查取图的横坐标为 取板间距 m,板上液层高度 则 m 查手册得 取安全系数为0.8，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 实际空塔气速为 提馏段：由 式中由计算，其中的由图查取查取图的横坐标为 取板间距 m,板上液层高度 则 m 查手册得 取安全系数为0.8，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 实际空塔气速为 2、精馏塔有效高度的计算 精馏塔有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为 故精馏塔的有效高度为 六、塔板重要工艺尺寸的计算 1、溢流装置计算 因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项 计算如下：精馏段1.1、堰长 取1.2.溢流堰高度 取 选用平直堰，堰上液层高度how=由，查手册,得E=1.035 塔板上清液层高度 故 1.3、弓形降液管宽度和截面积 由，故 依式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。1.4、降液管底隙高度 ，取 6 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度提馏段1.1、堰长 取 1.2、溢流堰高度 取 选用平直堰，堰上液层高度 由，查手册,得 塔板上清液层高度 故 1.3、弓形降液管宽度和截面积 由，故 依式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。1.4、降液管底隙高度 取 ，取，则 2、塔板布置2.1、塔板的分块 因，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为3块。 精馏段（1）边沿区宽度拟定 取， （2）开孔区面积计算 开孔区面积 其中m m （3）筛孔计算及其排列 本题所解决的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔板直 径。 筛孔板按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目为 开孔率 气体通过阀孔的气速为 提馏段（1）边沿区宽度拟定 取， （2）开孔区面积计算 开孔区面积 其中m m （3）筛孔计算及其排列 本题所解决的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔板直 径。 筛孔板按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目为 开孔率 气体通过阀孔的气速为 七、筛板的流体力学验算 精馏段1、塔板压降 1.1、干板阻力计算 干板阻力 由式 由 ，查图得， 故 液柱 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，- m/s kg1/2/(sm1/2) 查图得 。 故m 液柱 1.3液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力 m 液柱 气体通过每层塔板的液柱高度 故 m液柱 气体通过每层塔板的压降为 0.7 kPa(设计允许)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。3、液沫夹带 液沫夹带量计算= =2.5hL=故 kg液/kg气0.1kg液/kg气 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4、漏液 对筛塔板，漏液点气速 =m/s 实际孔速稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。5、液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从 （+） 苯甲苯物系属一般物系，取=0.5，则 m 而 =+ 板上不设进口堰，可 =m液柱 m液柱 即0.1190.224 故在本设计中不会发生液泛现象提馏段1、塔板压降 1.1、干板阻力计算 干板阻力 由式 由 ，查图得， 故 液柱 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，- m/s kg1/2/(sm1/2) 查图得 。 故m 液柱 1.3液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力 m 液柱 气体通过每层塔板的液柱高度 m液柱 气体通过每层塔板的压降为0.7 kPa(设计允许)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。3、液沫夹带 液沫夹带量计算 = =2.5，= 故 kg液/kg气0.1kg液/kg气 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4、漏液 对筛塔板，漏液点气速 =m/s 实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。5、液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从 （+） 苯甲苯物系属一般物系，取=0.5，则 m 而 =+ 板上不设进口堰，可有 =m液柱 m液柱 即0.1540.224 故在本设计中不会发生液泛现象八、塔板负荷性能图 精馏段1、漏液线 由=4.4 = = =E 得 = = = 在操作范围内，任取几个值，计算出值，计算结果列如表Ls,m3/s 0.0005 0.0026 0.0045 0.0060Vs,m3/s 0.296 0.319 0.334 0.344 由上表数据即可作出漏液线1。2、液沫夹带线 以=0.1kg液/kg气为限，求关系如下： 由 = = =2.5hL=2.5（hw+how) =0.0462 = 故=0.116+ -=0.294- = 整理得 = 在操作范围内，任取几个值，计算出值，计算结果如表Ls,m3/s0.00050.00260.00450.0060Vs,m3/s1.2751.1441.0570.998 由上表数据即可作出液沫夹带线2。3、液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度=0.006m作为最小液体负荷标 准，由公式得 = 取E=1.035，则 = 据此可作出与液体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4、液相负荷上限线 以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限， =4 故 = 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5、液泛线 令=（+） 由 =+；=+；=；=+ 联立得 +（-1）=（+1）+ 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得 = = = = = 将有关的数据代入， 得 =0.101 =0.156 =286.73 =1.430 故 或 在操作范围内，任取几个值，计算出VS值计算结果如表 Ls,m3/s0.00050.00260.00450.0060Vs,m3/s1.2041.1191.0470.985由 由此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：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，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 故操作弹性为 提馏段1、漏液线 由=4.4 = = = 得 = = = 在操作范围内，任取几个值，计算出值，计算结果列如表Ls,m3/s 0.0005 0.004 0.008 0.0123Vs,m3/s 0.265 0.301 0.327 0.348 由上表数据即可作出漏液线1。2、液沫夹带线 以=0.1kg液/kg气为限，求关系如下： 由 = = =2.5=2.5（） =0.0383 = 故=0.0958+ -=4.004 = 整理得 = 在操作范围内，任取几个值，计算出值，计算结果如表Ls,m3/s0.00050.0040.0080.0123Vs,m3/s1.3791.1971.0550.927 由上表数据即可作出液沫夹带线2。3、液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度=0.006m作为最小液体负荷标 准，由公式得 = 取，则 = 据此可作出与液体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4、液相负荷上限线 以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限， =4 故 = 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5、液泛线 同理可得，= = = = = 将有关的数据代入， 得 =0.112 =0.164 =493.93 =1.461 故 或 Ls,m3/s0.00050.0040.0080.0123Vs,m3/s1.1731.0300.8100.313 在操作范围内，任取几个值，计算出VS值计算结果如表 由此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：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，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 故操作弹性为 设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提留段各段平均压强PmkPa108.1113各段平均温度tm