化工原理课程设计-苯甲苯.doc

化工原理课程设计

设计题目：分离苯—甲苯混合液的浮阀精馏塔
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分离苯—甲苯混合液的浮阀精馏塔
1.设计任务及操作条件
1.1工艺条件及数据
（1）原料液为苯—甲苯混合液，苯含量为45%（质量分率）。
（2）塔顶苯含量不低于98%（质量分率）。
（3）塔底苯含量不高于2%（质量分率）。
（4）进料温度为35℃。
（5）生产能力：年处理苯—甲苯混合液3.5万吨（开工率330天/年）。
（6）塔板类型：浮阀塔板。
1.2操作条件
（1）塔顶压力 4kPa（表压）。
（2）间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为2.5kgf/cm2（表压）。
（3）冷却水进口温度30℃，出口温度50℃。
（4）设备热损失为加热蒸汽供热量的5％。
1.3厂址
厂址为济南。

2.设计方案
本设计任务为分离苯-甲苯混合液。对于二元混合物系的分离，应采用连续精馏流程。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比小，合适的操作回流比为最小回流比的1.7至2倍之间。塔釜采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
Error! Reference source not found.为精馏塔的工艺流程图。

图 1 精馏塔工艺流程图

3.1精馏塔的物料衡算
（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
苯的摩尔质量为MA=78.11kg/kmol。
甲苯的摩尔质量为 MB=92.13kg/kmol。
原料液苯含量为45%，塔顶苯含量不低于98%，塔底苯含量不高于2%（均为质量分率）。
转换成摩尔分率为
xF==0.491
xD==0.983
xw==0.024
（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.491×78.11+（1-0.491）×92.13=85.25kg/kmol
MD=0.983×78.111-0.983）×92.13=78.35kg/kmol
MW=0.024×78.11+（1-0.024）×92.13=91.80kg/kmol
（3）物料衡算
年处理苯—甲苯混合液3.5万吨（开工率330天/年）。
计算得原料处理量 F==51.84kmol/h
由总物料衡算 51.84=D+W
轻组分苯的物料衡算51.84×0.491=0.983D+0.024W
联立解得：D=25.24kmol/h
W=26.60kmol/h
列出物料衡算表。
表1 物料衡算表
进料
出料
项目
摩尔分数
流量（kmol/h）
项目
摩尔分数
流量（kmol/h）
进料F
0.491
51.84
塔顶产品D
0.983
25.24
塔底产品W
0.024
26.60
合计

51.84
合计

51.84
3.2求取精馏塔的理论塔板数
苯—甲苯体系为理想物系，故可以使用图解法计算理论塔板数，具体求解过程如下。
表2给出常压（101.33kPa）下苯—甲苯二元物系的汽—液平衡组成。
表2 苯—甲苯二元物系的汽—液平衡组成
苯摩尔分数
温度(℃)
苯摩尔分数
温度(℃)
液相x
气相y
液相x
气相y
0.000
0.000
110.6
0.592
0.789
89.4
0.088
0.212
106.1
0.700
0.853
86.8
0.200
0.370
102.2
0.803
0.914
84.4
0.300
0.500
98.6
0.903
0.957
82.3
0.397
0.618
95.2
0.950
0.979
81.2
0.489
0.710
92.1
1.000
1.000
80.2

①查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见图 2。
②求解进料热状况参数q。
由设计任务可知，进料温度为TF=35℃。
由气液平衡数据可查得进料组成xF=0.491的苯—甲苯溶液的泡点Ts=92.1℃
平均温度为t===63.55℃。
表 3表 4为苯和甲苯的有关物性数据。

表 3苯-甲苯的摩尔热容
温度℃
0
50
100
150
苯(kJ/kmol/K)
72.7
89.7
104.8
118.1
甲苯(kJ/kmol/K)
93.3
113.3
131
146.6

表 4苯-甲苯的汽化潜热
温度℃
20
40
60
80
100
120
苯(kJ/kg)
431.1
420
407.7
394.1
379.3
363.2
甲苯(kJ/kg)
412.7
402.1
391
379.4
367.1
354.2

利用插值法，使用公式（M为所要求的物理量）
求苯的摩尔热容CmA：
得CmA=93.8kJ/(kmol·K)
同理可得
甲苯的摩尔热容CmB=124.6kJ/(kmol·K)
苯的汽化潜热rA=392.8kJ/kg=392.8×78.11=30679kJ/kmol
甲苯的汽化潜热rB=378.3kJ/kg=378.3×92.13=34852kJ/kmol
加料液的平均摩尔热容
Cm,p=CmAxA+CmBxB=99.3×0.301+124.6×(1-0.301)=117.0kJ/(kmol·K)
加料液的平均摩尔汽化热
r=rAxA+rBxB=30679×0.301+34852×(1-0.301)=33596kJ/kmol
由公式q=
得进料热状况参数q==1.12
③求解最小回流比。
利用表2气—液平衡数据y-x，使用Excel软件对数据进行拟合，可得气—液平衡方程y = -0.7363x2 + 1.6438x + 0.0741（R² = 0.9994），拟合方程精确度很高。
由q线方程公式
将q=1.12，xF=0.301代入得
q线方程为y=9.57x-2.58。
q线方程与气—液平衡方程联立，解得
xq=0.325，yq=0.531
利用公式得
最小回流比=2.20
④取操作回流比
由于求苯—甲苯物系属易分离物系，最小回流比小，合适的操作回流比为最小回流比的1.7至2倍之间。取R=1.8Rmin，得
操作回流比R=1.8×2.20=3.96
⑤求精馏塔的气、液负荷
L=RD=3.96×8.30=32.88kmol/h
V=(R+1)D=(3.96+1)×8.30=41.18kmol/h
L’=L+qF=32.88+1.12×28.72=65.04kmol/h
V’=V+(q-1)F=41.18+(1.12-1)×28.72=44.62kmol/h
⑥求操作线方程
精馏段操作线方程
==0.798x+0.198
提馏段操作线方程
==1.458x-0.011
⑦图解法求理论塔板数
由以上数据，用图解法可以求出理论塔板数。
图 2为图解法计算理论塔板数的示意图。
从图中可以得到进料板位置和总理论板的层数。
得进料板位置NF=8。
总理论板层数NT=12（不包括再沸器）。

图 2图解法求理论塔板数示意图

分离苯—甲苯混合液的浮阀精馏塔

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