甲苯-乙苯的精馏工艺课程设计

化工原理课程设计学生姓名：XXX学号：XXXXXXXXX年级：XX级X班专业：化学工程与工艺设计题目：甲苯-乙苯的精馏工艺2009年12月20日甲苯-乙苯的精馏工艺设计22009年荆楚理工学院化工原理课程设计目录第一部分设计任务书一、设计题目…………………………………………………4二、设计任务…………………………………………………4三、设计条件…………………………………………………4四、设计内容…………………………………………………4第二部分精馏塔的设计一、精馏塔的物料衡算………………………………………6（一）、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率…………………6（二）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量………………6（三）、物料衡算………………………………………………6二、塔板数的确定……………………………………………6（一）、理论板层数的求取……………………………………7（二）、实际塔板数的求取……………………………………10三、塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算………………10（一）、操作压力计算………………………………………10（二）、操作温度计算………………………………………10（三）、平均摩尔质量计算……………………………………11（四）、平均密度计算…………………………………………12（五）、液体平均表面张力计算…………………………………14（六）、液体平均粘度计算…………………………………16四、精馏塔的气、液相负荷计算………………………………18甲苯-乙苯的精馏工艺设计32009年荆楚理工学院化工原理课程设计（一）、精馏段气、液相负荷计算………………………………18（二）、提馏段气、液相负荷计算……………………………18五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算………………………………19（一）、塔径的计算……………………………………………19(二）、精馏塔有效高度的计算…………………………………20六、塔板主要工艺尺寸的计算…………………………………20（一）、溢流装置计算…………………………………………20（二）、塔板布置………………………………………………23七、筛板的流体力学验算………………………………………25(一)、塔板压降……………………………………………25(二)、液面落差……………………………………………27(三)、液沫夹带……………………………………………27(四)、漏液…………………………………………………28(五)、液泛…………………………………………………28八、塔板负荷性能图…………………………………………29（一）、精馏段塔板负荷性能图…………………………………29（二）、提馏段塔板负荷性能图…………………………………32九、精馏塔的设计计算结果汇总一览表………………………37第三部分冷凝器的设计一、确定设计方案……………………………………………39二、确定物性数据……………………………………………39三、计算热负荷………………………………………………40甲苯-乙苯的精馏工艺设计42009年荆楚理工学院化工原理课程设计1、壳程液流量…………………………………………………402、壳程流体的汽化潜热………………………………………403、热负荷………………………………………………………41四、逆流平均温差……………………………………………41五、冷却水用量………………………………………………41六、估算传热面积……………………………………………42七、换热器的工艺结构尺寸……………………………………42八、换热器核算………………………………………………43九、换热器主要结构尺寸和计算结果…………………………47第四部分再沸器的设计一、有关物性的确定…………………………………………48二、估算传热面积、初选换热器型号…………………………51三、传热能力核算……………………………………………52四、循环流量的校核…………………………………………581、计算循环推动力DP…………………………………………582、循环阻力fP………………………………………………593、循环推动力DP与循环阻力fP的比值………………………60五、再热器主要结构尺寸和计算结果…………………………61第五部分其它设计附图………………………………………………………62设计评估………………………………………………………67参考资料………………………………………………………68甲苯-乙苯的精馏工艺设计52009年荆楚理工学院化工原理课程设计第一部分设计任务书一、设计题目：筛板式精馏塔的设计二、设计任务：完成精馏塔的工艺设计；精馏塔设备设计；有关附属设备的设计和选用；绘制工艺流程图；塔板结构简图和塔板负荷性能图；编制设计说明书。三、设计条件：1、处理量：27000（吨/年）。2、进料组成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的质量分数为30%。3、进料状态：泡点进料4、料液初温：35℃5、冷却水的温度：30℃6、饱和蒸汽压强：2.5Kgf/cm2(1Kgf/cm2=98.066)KPa7、精馏塔塔顶压强:4KPa(表压)8、单板压降不大于0.7kPa9、总塔效率为0.610、分离要求：塔顶的甲苯含量不小于99%(质量分数),塔底的甲苯含量不大于1%(质量分数)。11、年开工时间：7200（小时）12、完成日期：2009年12月12日13、厂址：湖北荆门地区（大气压为760mmHg）四、设计内容甲苯-乙苯的精馏工艺设计62009年荆楚理工学院化工原理课程设计（一）、工艺设计1、选择工艺流程和工艺条件（要求画出工艺流程）①加料方式；②加料状态；③塔顶蒸汽冷凝方式；④塔釜加热方式；⑤塔顶塔底的出料状态；⑥塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。2、精馏工艺计算①物料衡算确定各物料流量和组成；②经济核算确定适宜的回流比；③精馏塔实际塔板数。（二）、精馏塔设备设计1、选择塔型和板型。采用板式塔，板型为筛板塔，2、塔和塔板主要工艺结构的设计计算3、塔内流体力学性能的设计计算；4、绘制塔板负荷性能图。画出精馏段和提馏段某块的负荷性能图5、有关具体机械结构和塔体附件的选定。接管规格、筒体与封头、除沫器、裙座、吊柱、人孔、塔的顶部空间、塔的底部空间。接管规格：（1）进料管（2）回流管（3）塔釜出料管（4）塔顶蒸汽出料管（5）塔釜进气管（6）法兰6、总塔高的计算：包括上、下封头、裙座高度、塔主体的高度、塔的顶部空间、塔的底部空间（三）、附属设备的设计与选型1、换热器选型。对原料预热器、塔底再沸器、塔顶产品冷却器等进行选型。2、塔顶冷凝器设计选型。根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶进行选型设计。（四）、设计结果汇总（五）、工艺流程图及精馏塔工艺条件图（六）、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论甲苯-乙苯的精馏工艺设计72009年荆楚理工学院化工原理课程设计第二部分精馏塔的设计一、精馏塔的物料衡算(一)、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲苯的摩尔质量MA=92.13kg/kmol乙苯的摩尔质量MB=106.16kg/kmol0.33060.7/106.160.3/92.130.3/92.13xF0.991360.01/106.10.99/92.130.99/92.13xD0.011560.99/106.10.01/92.130.01/92.13xW（二）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.3306×92.13＋(1－0.3306)×106.16=101.5217㎏/kmolMD=0.9913×92.13＋(1－0.9913)×106.16=92.2521kg/kmolMW=0.0115×92.13＋(1－0.0115)×106.16=105.9987kg/kmol（三）、物料衡算对于甲苯-乙苯双组分的连续精馏塔，根据总物料衡算及甲苯的物料衡算可求得馏出液流率D及残液流率W。进料流量F=kmol/h36.9379101.521724300/10270003）（3306.09379.360115.09913.09379.36WDWDWxDxFxWDFWDF联立解得D=12.0299kmol/h,W=24.9080kmol/h二、塔板数的确定甲苯-乙苯的精馏工艺设计82009年荆楚理工学院化工原理课程设计（一）、理论板层数NT的求取表1Antoine方程常数物质ABC温度范围℃甲苯6.079541344.8219.4826～137乙苯6.082081424.255213.0626～163表2t/℃110.62113116119122oAP101.3089108.3452117.7550127.7931138.4878oBP48.071251.761156.731862.077067.8163x1.00000.87550.73030.59690.4738y1.00000.93640.84900.75300.64771、甲苯、乙苯的温度-组成甲苯-乙苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。根据CtBAgp0l（A、B、C为Antoine方程常数由手册已查得如表1）求得一系列温度下甲苯和乙苯的蒸气压oAP、oBP。t/℃125128131134136.324oAP149.8675161.9614174.7988188.4096199.5043oBP73.970080.559087.604495.1280101.2991x0.36010.25480.15710.06620.0000y0.53270.40740.27100.12310.0000甲苯-乙苯的精馏工艺设计92009年荆楚理工学院化工原理课程设计再根据泡点方程000xBABPPPP和露点方程PxPA0y得到各组t-x(y)数据（如表2），绘出甲苯、乙苯的温度-组成图（如图1）及平衡曲线（如图2）。图12、确定操作的回流比R因q=1、xe=xf=0.3306在x～y图上查得ye=0.4996。故有：47909.23306.04996.04996.09913.0y-xeDeexyRm而一般情况下R=(1.1～2)Rm,考虑到精馏段操作线离平衡线较甲苯-乙苯的精馏工艺设计102009年荆楚理工学院化工原理课程设计近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍。即：R=2Rm=5.8189图23、求操作线方程精馏段操作线方程为：0.14540.8533x1Rxx1RRynDn1nL=R×D=5.8189×12.0299=70.0008kmol/h提馏段操作线方程为0.0027-1.3036xW-qFLWx-xW-qFLqFLymWm1m4、图解法求理论板层数甲苯-乙苯的精馏工艺设计112009年荆楚理工学院化工原理课程设计精馏段操作线为经过点a(0.9913,0.9913)、c(0,0.1454)的直线，与q线交与点d,而提留段操作线为经过点d、b(0.0115,0.0115)两点的直线。在x-y图中绘出精馏段操作线、提留段操作线、q线，并绘出梯级（如图2）。图解得总理论塔板数NT=19.1119－1=18.1119块（不含再沸器）。其中精馏段NT1=9块，提馏段NT2=9.1119块，第10块为加料板位置。（二）、实际塔板数Np的求取精馏段：Np1=NT1/0.6=15，取Np1=15块；提留段：NP2=NT2/0.6=15.1865；取Np2=16块；总塔板数：NP=Np1+Np2=31块。三、塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算（一）、操作压力计算塔顶操作压力：PD＝101.3＋4=105.3kPa每层塔板压降：取△P＝0.7kPa进料板压力：PF＝105.3＋0.7×15＝115.8kPa塔底操作压力：PW＝115.8＋0.7×16＝127kPa精馏段平均压力：Pm1＝（105.3＋115.8）/2＝110.55kPa提馏段平均压力：Pm2＝（115.8＋127）/2＝12