090301106-化工原理课程设计.doc

化工原理课程设计说明书

设计题目： 精馏塔设计

设计者：班级 学号 090301106
姓名 日期 2011.5.27

指导教师：

设计成绩： 日期

化工原理课程设计-精馏塔设计
1． 设计任务：
在常压连续筛板精镏塔中精镏分离含苯41%的苯、甲苯混合液，要求塔顶馏出液中含甲苯含量不大于4%，塔底釜液中含甲苯量不低于99%（以上均为质量百分数）。
已知参数：苯、甲苯混合液处理量4t/h；进料状态，自选；回流比，自选；塔顶压强，4kpa(表压)；热源，低压饱和水蒸气；单板压强，不大于0.7kpa。
2. 主要基础数据：
（1.）苯和甲苯的物理性质
项目
分子式
分子量
沸点，t,℃
临界温度tc℃
临界压强Pc,kpa
苯A
C6H6
78．11
80.1
288.5
6833.4
甲苯B
C6H5-CH3
92．13
110.6
318.57
4107.7
(2)常压下苯和甲苯的气液平衡数据
温度，t
液相中苯的摩尔分数x
气相中苯的摩尔分数y
110.56
0.00
0.00
109.91
1.00
2.50
108.79
3.00
7.11
107.61
5.00
11.2
105.05
10.00
20.8
102.79
15.00
29.4
100.75
20.00
37.2
98.84
25.00
44.2
97.13
30.00
50.7
95.58
35.00
58.8
94.09
40.00
61.9
92.69
45.00
66.7
91.40
50.00
71.3
90.11
55.00
75.5
88.80
60.00
79.1
87.63
65.00
82.5
86.52
70.00
85.7
86.44
75.00
88.5
84.40
80.00
91.2
83.33
85.00
93.6
82.25
90.00
95.9
81.11
95.00
98.0
80.66
97.00
98.8
80.21
99.00
99.61
80.01
100.00
100.00
(3)饱和蒸汽压P:苯、甲苯的饱和蒸气压可用方程Antoine求算，即
, 式中： t----温度系数；p----饱和蒸汽压
A、B、C----Antoine常数，其值见附表：
组分
A
B
C
苯
6.023
1206.35
220.24
甲苯
6.078
1343.94
219.58
（4）苯与甲苯的液相密度
t,℃
80
90
100
110
120
苯
815kg/
803.9
792.5
780.3
768.9
甲苯
810
800.2
790.3
780.3
770.0
(5)液体表面张力σ
t,℃
80
90
100
110
120
苯
21.27Mn/m
20.06
18.85
17.66
16.49
甲苯
21.69
20.59
19.94
18.41
17.31
(6)液体黏度
t,℃
80
90
100
110
120
苯
0.308mpas
0.279
0.255
0.233
0.215
甲苯
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228
（7）液体气化热
t,℃
80
90
100
110
120
苯
394.1kJ/kg
386.9
379.3
371.5
363.2
甲苯
379.9
373.8
367.6
361.2
354.6
试设计筛板精馏塔并选择原料预热器、塔顶冷凝器及塔釜再沸器等附属设备，计算塔主要接管尺寸。
设计计算
一、 精馏流程的确定
苯、甲苯混合料液经原料预热器加热后，送入精馏塔塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送至贮槽。
二、塔的物料衡算
（一）料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分率
，

（二）平均分子量

（三）物料衡算
总物料衡算
易挥发组分物料衡算
联立以上二式得：

三、 塔板数的确定
（一） 理论塔板数的求取
苯、甲苯属理想物系，可采用M.T.图解法求。
（1）根据苯、甲苯的气液平衡数据作y-x图（即图1）及t-x-y图（即图2）。

(2 ) 求最小回流比及操作回流比R。
在图1中对角线上自点（0.45,0.45）作垂线即进料线(q线)，该线与平衡线交点坐标为： =0.667,,是最小回流比时操作线与平衡线的交点坐标。

取操作回流比
（3）求理论塔板数
精馏段操作线为：

按常规M.T.作图法解得：
=（19-1）层（不包括釜）。其中，精馏段理论塔板数为6层，提馏段理论塔板数为12层（不包括釜），第7层为加料板。
（二） 全塔效率
依下式：
根据塔顶、塔底液相组成查图2，求得塔平均温度为95.15℃，该温度下进料液相平均黏度为：

（三） 实际塔板数N
精馏段：层
提馏段：,取23层
四 塔的工艺条件及物性数据计算
以精馏段为例进行计算;
(一) 操作压强
塔顶压强，取每层塔板压降，则进料板压强 精馏段平均操作压强
（二）温度
根据操作压强，依下式试差计算操作温度：
试差计算结果，塔顶℃，进料板℃，则精馏段平均温度℃
（四） 平均分子量
塔顶

进料板

则精馏段平均分子量
（四）平均密度
1、液相密度
依下式： (α为质量分数)
塔顶
进料板，由加料板液相组成

故精馏段液相平均密度
2、气相密度

（五） 液体表面张力
=
顶部 +0.034×21.42=21.25mN/m
进料 =+0.55×20=19.51mN/m
则精馏段平均表面张力为：= m N/m
（六）液体黏度
=
顶部
进料
则精馏段平均液体黏度
五、 精馏段气液负荷计算
V=（R+1）D=(1.77+1)×21.43=59.36kmol/h

L=RD=1.77×21.43=37.931kmol/h

六、 塔和塔板主要工艺尺寸计算
（一） 塔径D
参考下表，初选板间距，取板上液层高度，故
板间距与塔径的关系

塔径
0.3∽0.5
0.5∽0.8
0.8∽1.6
1.6∽2.4
2.4∽4.0
板间距
200∽300
250∽350
300∽450
350∽600
400∽600

查图4-5得,依下式校正到物系表面张力为20.4N/m时的C，即：
取安全系数为0.6+0.004，则m/s
D=
按标准，塔径圆整为1.0m,则空塔气速为0.79m/s
(二) 溢流装置
采用单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。
1、 溢流堰长
取堰长
2、 出口堰高

由 查图4-9知E为1.035，
依下式：
故
3、 降液管的宽度与面积
由查图4-11，得：
故

由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即
符合要求
4、 降液管底隙高度
取液体通过降液管底隙的流速

(三)塔板部署
（1）取边缘区宽度
（2）依式计算开孔区面积

=2(0.311
=0.532
其中：
以上各参数见图4-8，此处塔板部署图从略。
（四） 筛孔数n与开孔率
取筛孔的孔径为5mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚为3mm，取t/=3.0,故故孔中心距。
依下式计算塔板上的筛孔数n ，即
(孔)

依式计算塔板上开孔区的开孔率 ，即

=（5-15%范围内）

层塔板上的开孔面积 为：=
气体通过筛孔的气速
（五）塔有效高度（精馏段）
Z=（12-1）

（六）塔高计算（从略）

七、筛板的流体力学验算
（一）气体通过筛板压强相当的液柱高度
依式 =
1. 干板压降相当的液柱高度
依
2.气流穿过板上液层压强相当的液柱高度

由图4-14查取板上液层充气系数
依式
3.克服液体表面张力压降相当的液柱高度
依式 =
故
单板压降 （设计允许值）
（二）雾沫夹带量 的验算
依式
=/
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带
（三）漏液的验算
依式
=4.4
=6.5m/s
筛板的稳定性系数K=
故在设计负荷下会发生过量漏液。
（四）液泛验算
为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清夜层高度
依式计算
仪式计算 ，即：=

取

故在设计负荷下不会发生液泛。
根据以上他办的各项流体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。

八、塔板负荷性能图
（一）雾沫夹带线（1）
依式(h)
式中
近似取
故
取雾沫夹带极限值为0.1kg液/kg气，已知整理得
在操作范围内，任取几个值，依计算出相应得
值列于附表1中。
，m

1.5
3.0
4.5
，
1.235
1.118
1.04
0.975

依表中数据在-图中作出雾沫夹带（1），如图3所示。
（二）液泛线（2）
有(X)
近似取，由式
(C)
由式=、 =0.051
及式
，得

(d)
又因为 ( e)
将 及（c）、（d）、（e） 式代入（x）式得： 整理得下式： (2)
在操作范围内取若干值，依（2）式计算值，列于附表2,依表中数据作出液泛线（2），如图3中线（2）所示。
，m

1.5
3.0
4.5
，
1.53
1.32
1.14
0.94

（三）液相负荷上限线（3）
取液体在降液管中停留时间为四秒，由下式 （3）
液相负荷上限线（3）在-坐标图上为与气体流量无关得垂直线，如图3线（3）所示。
（四）漏液线（气相负荷下限线）（4）
由

此即气相负荷下限关系式，在操作范围内取若干值，依（4）式计算值，列于附表3.

，m

1.5
3.0
4.5
，
0.332
0.353
0.366
0.37

（五）液相负荷下限线5）
取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依下式，取
整理上式得 （5）
依此值在-图上作线（5）即为液相负荷下限线，如图3所示

参考材料：
[1] 陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋《化工原理》（上）（下）（第二版），化学工业出版社. 1999
[2] 谭天恩、麦本熙、丁惠华《化工原理》（上）（下）（第二版），化学工业出版社. 1990
[3] 王静康 《化工设计》，化学工业出版社. 1995
[4] 柴诚敬、刘国维、李阿娜《化工原理课程设计》，天津科学技术出版社.1994
[5] 柴诚敬、刘国维、陈常贵《化工原理学习指导》，天津科学技术出版社.1990
[6] Warren L. McCabe, Julian C. Smith, and Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering. 6th. ed. New York: McGraw-Hill, 2001

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