苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计

长江大学化工原理课程设计——苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计姓名：班级：高材11002学号:序号：年月苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计I目录1苯甲苯混合液筛板精馏塔设计概述........................................................................12板式精馏塔设计任务书..........................................................................................13设计计算..................................................................................................................23.1设计方案的选定及基础数据的搜集..............................................................23.2精馏塔的物料衡算..........................................................................................33.3塔板数的确定..................................................................................................43.4塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算......................................63.5精馏段的气液负荷计算...................................................................................84精馏塔的塔体工艺尺寸计算....................................................................................84.1塔径的计算.......................................................................................................84.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算..................................................................95筛板的流体力学验算..............................................................................................106精馏段塔板负荷性能图...........................................................................................127设计结果一览表.......................................................................................................15苯甲苯混合液筛板精馏塔设计11苯甲苯混合液筛板精馏塔设计概述塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。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，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利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。根据生产上的不同要求，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-甲苯混合液筛板精馏塔的设计，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。2板式精馏塔设计任务书一、设计题目苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计。二、设计任务(1)原料液中苯含量：质量分率＝55％(质量)，其余为甲苯。(2)塔顶产品中苯含量不得低于98％(质量)。(3)塔底釜液含甲苯量不低于98%(质量)(4)生产能力：45000t/y苯产品，年开工330天。三、操作条件(1)精馏塔顶压强：4.0kPa(表压)(2)进料热状态：饱和液体(3)回流比：R=1.5Rmin。(4)单板压降压：≯0.7kPa(5)冷却水温度：30℃(6)饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)(7)设备型式：筛板塔四、设计内容及要求(1)设计方案的确定及流程说明(2)塔的工艺计算(3)塔和塔板主要工艺尺寸的设计塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。(4)编制设计结果概要或设计一览表苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计23设计计算3.1设计方案的选定及基础数据的搜集本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常压下操作。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人精馏塔内。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1.5倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。下图是板式塔的简略图：苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计3表1苯、甲苯在某些温度t下的饱和蒸汽压(谭天恩《化工原理》P73)t/℃80.184889296100104108110.6PA0/kPa101.3114.1128.4144.1161.3180200.3222.4237.7PB0/kPa3944.550.857.865.674.283.694101.3表2苯-甲苯物系在总压101.325kPa下的t-x(y)图(谭天恩《化工原理》P73)t/℃80.184889296100104108110.6x10.8160.6510.5040.3730.2560.1520.0570y10.9190.8250.7170.5940.4550.30.1250表3苯-甲苯物系在某些温度t下的α值(谭天恩《化工原理》P75)表4纯组分的表面张力温度（℃）8090100110120苯，mN/m21.22018.817.516.2甲苯，mN/m21.720.619.518.417.3表5纯组分的液相密度温度(℃)8090100110120苯,kg/3m814805791778763甲苯,kg/3m8098017917807683.2精馏塔的物料衡算(1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量MA=78.1甲苯的摩尔质量MB=92.1进料组成苯的质量分数=0.5555/78.10.59055/78.1+45/92.1Fx塔顶馏出液苯的质量分数=0.9855/78.155/78.1+45/92.1Dx=0.983塔底釜液苯的质量分数=0.0255/78.155/78.1+45/92.1Wx=0.0235（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量78.10.59092.1(10.590)83.84FMt/℃80.184889296100104108110.6α2.602.562.532.492.462.432.402.372.35x10.8160.6510.5040.3730.2560.1520.0570苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计478.10.98392.1(10.983)78.34DM78.10.023592.1(10.0235)91.77WM（3）物料衡算原料处理量45000100067.77/33024Fkmolh全塔物料衡算：F=D+WFxF=DxD+WxW代入F=67.77kmol/hxF=0.59xD=0.983xW=0.0235解得D=40.01koml/h，W=27.76kmol/h式中F------原料液流量D------塔顶产品量W------塔底产品量3.3塔板数的确定（1）理论板数NT的求取。苯一甲苯属理想物系，可采用逐板计算求理论板数。①最小回流比及操作回流比的计算：由表3随温度的升高，α的值略有减小，但变化不大。取α的平均值：α=（2.6+2.35）/2=2.4752.4751(1)11.475xxyxx采用饱和液体进料，q=1。于是xe=xF=0.590FFF2.4752.4750.5900.78111.47511.4750.590xyxmin0.9830.7811.060.7810.590DeeexyRyx取操作回流比为R=1.5Rmin=1.59②求操作线方程精馏段操作线方程为11.590.983=0.610.38111.5911.591DnnnxRyxxxRR提馏段操作线通过（0.0235,0.0235）、（0.590,0.740）两点于是得到提馏段操作线方程：1.26+0.003yx逐板法求理论板数：苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计5相平衡方程2.4751(1)11.475xxyxx解得(1)2.4751.475yyxyy用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算1Dyx=0.983，1111111(1)2.475(1)yyxyyyy=0.959210.610.380.965yx，2220.9182.4751.475yxy230.9180.940xyy=0.61x+0.38；2.4751.475330.9400.8057yxyyx；交替应用相平衡线和精馏段操作线方程得到以下数据：n1234567xn0.9590.9180.8630.7960.7230.6490.583yn0.9830.9650.940.9060.8660.8210.776因为x7=0.583xF=0.590故精馏段理论板n=6。用提馏段操作线和相平衡方程继续逐板计算887881.260.0030.7380.5322.4751.475yyxxy交替应用相平衡线和精馏段操作线方程得到以下数据：n8910111213141516xn0.5320.4550.3550.2480.1570.0920.0520.0290.016yn0.7380.6740.5760.450.3160.2010.1190.0680.039因为x16=0.016xW=0.0235故提馏段理论板n=8（不包括塔釜）。总塔板数为14（不包括塔釜），第7块板为加料板。（2）全塔效率的计算查谭天恩《化工原理》P73图10-1温度组成图得到，塔顶温度tD=80.42℃，塔釜温度tW=109.95℃，全塔平均温度tm=95.18℃。查谭天恩《化工原理》附录黏度共线图，得到苯、甲苯在平均温度下的粘度0.25mPasA0.30mPasB平均粘度0.250.5900.301-0.590=mPasm（）0.27