苯——甲苯分离精馏塔化工原理课程设计

材料科学与化学工程学院化工原理课程设计设计题目：苯——甲苯二元物系板式精馏塔设计者姓名：周艳丽指导教师：韩伟专业化学工程与工艺学号2010101220说明书共页图纸张设计时间2013年5月28日至2013年6月18日摘要化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种数据的计算方法，能画出精馏塔、塔板结构等图形。在设计中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。板式精馏塔也是很早就出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有以下优点：生产能力大、塔板效率较高，而且结构简单，塔盘造价较低，安装、维修都较容易。而在板式精馏塔中，筛板塔有结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80%左右，处理能力大等优点，综合考虑更符合本设计的要求。本课程世纪的主要内容为过程的物料衡算，工艺设计计算以及筛板的负荷性能校核。关键词：板式精馏塔筛板计算校核AbstractThepinciplesofchemicalengineeringcoursedesignistocultivatestudents’abilityofimportantchemicaldesignteaching，throughthecurriculumthatwetrytograspthebasicknowledgeofchemicalengineeringdesign，designprincipalsandmethods.Tolearnallkindsofmanualoperationandphysicalproperties，chemicalpropertiesofsearchingmethodsandtechniques.Grasptheresults，candrawprocesstowerstructure，etc.Inthedesignprocessshouldnotonlyconsiderthefeasibilityofthetheory，considerthesafetyinproductionandeconomicrationality.Platecolumnisanearlytower，sincethe1950stoplatecolumnonalargescale，industrialmastersieve-platetower，andformedacompletedesignmethod.Comparedwiththeblistertower,hasthefollowingadvantages:highboarddistillationproductioncapacity,highertowerefficiencyandsimplestructure,costreduce40%tray,installation,maintenanceiseasier.Butintheplatecolumn,sieve-platetowerstructurethanfloatvalvesismoresimple,easyprocessing,thecostisabout60%ofthetoweroftheblister,floatvalvesforabout80%oftheadvantagesoflargecapacityandprocessing,consideringthedesignconformstotherequirements.Themaincontentsofthiscoursedesignistheprocessofmaterial,craftcalculation,thestructuredesignandcheck.KEYWORDS:platerectifyingcolumn;sieve-platetower;design学号：2010101220课程设计任务书1、设计题目：苯——甲苯二元物系板式精馏塔；试设计一座板式精馏塔，用于苯——甲苯二元物系的分离。加料量为145kmol/h，其组成为0.48（苯摩尔分数），要求塔顶馏出液组成为0.98（苯摩尔分数），塔底釜液组成0.045（苯摩尔分数），回流比为最小回流比的1.5倍。2、工艺操作条件：（1）塔顶压力P=750mmHg（2）操作温度常温（3）加料热状态q=0.93、设计任务：完成精馏塔的工艺设计计算，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏系统的工艺流程图，编写设计说明书。4、说明：为使学生独立完成课程设计，每个学生的原始数据均在产品产量上不同，即1～40号每上浮50kg/h为一个学号的加料量（例如1号加料量为50kmol/h；2号产品产量为55kmol/h等）；5、参考书目：（1）唐伦成编著.《化工原理课程设计简明教程》，哈尔滨工程大学出版社，2005；（2）陈敏恒等.《化工原理》下册第三版，化学工业出版社出版；（3）贾绍义，柴诚敬主编.《化工原理课程设计－化工传递与单元操作课程设计》，天津大学出版社，2002；（4）申迎华.郝晓刚.《化工原理课程设计》，化学工业出版社，2009；（5）其它参考书。第一章绪论第二章精馏塔工艺尺寸的设计计算2.1精馏流程的确定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。设计中采用气液混合进料。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。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：(１)结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。(２)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。(３)塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。(４)压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。筛板塔的缺点是：(１)塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。(２)操作弹性较小(约2～3)。（３)小孔筛板容易堵塞。下图是板式塔的简略图（图1）：2.2精馏塔的物料衡算2.2.1摩尔质量苯的摩尔质量AM=78.11kg/kmol甲苯的摩尔质量BM=92.13kg/kmol已知：进料组成：Xf=0.48；馏出液组成：Xd=0.98；釜液组成：Xw=0.045。故，原料液及塔顶、塔底产品的摩尔质量为：FM=0.48×78.11+(1-0.48)×92.13=85.40kg/kmolDM=0.98×78.11+(1-0.98)×92.13=78.39kg/kmolWM=0.045×78.11+(1-0.045)×92.13=91.50kg/kmol2.2.2二元精馏塔物料衡算加料量：F=145kmol/h总物料衡算：F=D+W即145=D+W（1）苯物料衡算：FFX=DDX+WWX即145×0.48=D×0.98+W×0.045（2）联立（1）（2），解得D=67.46kmol/hW=77.54kmol/h式中，F------原料液流量D------塔顶产品量W------塔底产品量2.2.3回流比的计算(1)q线方程：已知加料热状态q=0.9，故q线方程为：94.811Fqyxxqqx（2）相平衡曲线：由手册查得苯——甲苯二元物系的气液平衡数据如下表（表1）：表1本甲苯二元物系气液平衡数据表由q线方程及上表数据绘制x-y图，见图2。苯摩尔分数温度/℃苯摩尔分数温度/℃液相气相液相气相0.00.0110.60.5920.78989.40.0880.212106.10.7000.85386.80.2000.370102.20.8030.91484.40.3000.50098.60.9030.95782.30.3970.61895.20.9500.97981.20.4890.71092.11.001.0080.2由图中相平衡线与q线交点坐标（0.4576，0.6818）求得最小回流比，最小回流比为：min0.980.6818=1.330.68180.4576DqqqyxRyx取操作回流比为最小回流比的1.5倍，所以，R=1.5Rmin=1.5×1.33=2.02.2.4理论塔板数TN的求取（1）精馏塔的气液相负荷L=RD=2.0×67.46=134.92kmol/hV=(R+1)D=(2.0+1)×67.46=202.38kmol/hL’=L+qF=134.92+0.9×145=265.42kmol/hV’=V-(1-q)F=232.62-(1-0.9)×145=218.12kmol/h（2）操作线方程精馏段操作线方程：134.9267.460.980.6670.327202.38202.38DLDyxxxVVx提馏段操作线方程：'''265.4277.540.0451.4130.019187.88187.88WyxxxWLxVV（3）图解法求理论板数NT苯——甲苯属理想物系，故可采用图解法求理论板数，如图2所示。求解结果为：总理论板数NT=14块。其中NT,精=7，NT,提=7（不包括再沸器），加料位置为第8块板。图2图解法求理论板数2.2.5全塔效率TE（1）温度的计算已知xD=0.98，xF=0.48,xW=0.045,由苯——甲苯二元物系气液平衡数据表，根据内插法【计算公式为：()()()()()fbfafxfaxaba】求得塔顶温度tD=80.6℃，进料温度tF=92.4℃，塔釜温度tW=108.3℃。（2）液体粘度μL的求取已知进料组成为xF=0.48，温度为92.4℃。查液体粘度共线图得µLA=0.262mPa˙s，µLB=0.293mPa˙s。则塔顶、塔底平均温度下的粘度为：µL=ΣxiµLi=0.48×0.262+0.52×0.293=0.278mPa˙s查精馏塔全塔效率关联图（见图3），得全塔效率ET=54.8%。2.2.6实际塔板数精馏段实际板层数N精=7/0.548=12.77≈13块提馏段实际板层数N提=7/0.548=12.77≈13块总板数N总=N精+N提=13+13=26块图3精馏塔全塔效率关联图2.3塔的工艺条件及物性数据计算2.3.1操作压强塔顶压力PD=750mmHg=98.68kPa每层塔板压降ΔP=0.7kPa进料板压力PF=98.68+0.7×13=107.78kPa精馏段平均压力P精，m=（98.68+107.78）/2=103.23kPa塔釜压力PW=98.68+0.7×26=116.88kPa提馏段平均压力P提，m=（107.78+116.88）/2=112.33kPa2.3.2温度由2.2.5中（1）计算结果知塔顶温度tD=80.6℃，进料温度tF=92.4℃，塔釜温度tW=108.3℃。那么精馏段平均温度t精，m=（80.6+92.4）/2=86.5℃提馏段平均温度t提，m=（92.4+108.3）/2=100.35℃。2.2.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.98，查平衡曲线图（见图2），得x1=0.952MVDm=0.98×78.11+（1-0.98）×92.13=78.39kg/kmolMLDm=0.952×78.11+（1-0.952）×92.13=78.78kg/km