化工原理课程设计分离苯-甲苯筛板精馏塔的设计.docx

Xx 学 院化工原理课程设计题 目 分离苯-甲苯筛板精馏塔的设计 系 （院） 化学与化工系 专 业应用化工技术班 级2021级5班 学生姓名学 号指导教师职 称2021年6 月 6日设计任务书(一) 设计题目试设计一座苯－甲苯连续精馏塔，要求年产纯度为 97%的苯 7万吨/年，塔顶馏出液中含苯不得低于 97% ，塔釜馏出液中含苯不得高于 2%，原料液中含苯 40% 以上均为质量分数）(二) 操作条件1) 塔顶压力 常压 2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力 0.5Mpa（表压） 5) 单板压降 ≤0.7kPa (三) 塔板类型自选(四) 工作日每年工作日为300天，每天24小时连续运行(7200小时)五) 设计说明书的内容1. 设计内容(1) 流程和工艺条件的确定和说明(2) 操作条件和基础数据(3) 精馏塔的物料衡算； (4) 塔板数的确定； (5) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； (6) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (7) 塔板主要工艺尺寸的计算； (8) 塔板的流体力学验算； (9) 塔板负荷性能图； (10)主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）(11) 塔板主要结构参数表(12) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。

2. 设计图纸要求： 1) 绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； 2) 绘制精馏塔设计条件图（A3号图纸）目录1. 流程和工艺条件的确定和说明12. 操作条件和基础数据12.1. 操作条件12.2. 基础数据13. 精馏塔的物料衡算13.1. 原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率13.2. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量23.3. 物料衡算24. 塔板数的确定24.1. 理论塔板层数NT的求取24.1.1. 绘t-x-y图和x-y图24.1.2.最小回流比及操作回流比的确定44.1.3.精馏塔气、液相负荷的确定44.1.4. 求操作线方程44.1.5. 图解法求理论板层数44.2. 实际塔板数的求取45. 精馏塔的工艺条件及有关物性的计算45.1. 操作压力计算55.2. 操作温度计算55.3. 平均摩尔质量计算55.4.平均密度计算55.4.1. 气相平均密度计算55.4.2. 液相平均密度计算65.5. 液体平均表面张力计算65.6.液体平均黏度计算75.7. 全塔效率计算75.7.1. 全塔液相平均粘度计算75.7.2. 全塔平均相对挥发度计算85.7.3. 全塔效率的计算86. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算86.1. 塔径的计算86.2. 精馏塔有效高度的计算97. 塔板主要工艺尺寸的计算107.1. 溢流装置计算107.1.1. 堰长lW107.1.2. 溢流堰高度hW107.1.3. 弓形降液管宽度Wd和截面积Af107.1.4. 降液管底隙高度h0117.2. 塔板布置117.2.1. 塔板分布117.2.2. 边缘区宽度确定117.2.3. 开孔区面积计算117.2.4. 筛孔计算及其排列118. 筛板的流体力学验算128.1. 塔板压降128.1.1. 干板阻力hc计算128.1.2. 气体通过液层的阻力h1计算128.1.3. 液体表面张力的阻力hσ计算128.2. 液面落差138.3. 液沫夹带138.4. 漏液148.5. 液泛149. 塔板负荷性能图149.1. 漏液线149.2. 液沫夹带线159.3. 液相负荷下限线169.4.液相负荷上限线169.5.液泛线1610. 主要工艺接管尺寸的计算和选取1810.1. 塔顶蒸气出口管的直径dV1810.2. 回流管的直径dR1910.3. 进料管的直径dF1910.4. 塔底出料管的直径dW1911. 塔板主要结构参数表1912. 设计实验评论2013.收获与致谢2114.参考文献2115.附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）211. 流程和工艺条件的确定和说明本设计任务为分离苯—甲苯混合物。

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入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，其余部分经产品冷凝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1.4倍塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐2. 操作条件和基础数据2.1. 操作条件塔顶压力 常压 101.325kPa进料热状态 泡点进料 回流比 1.6倍 塔底加热蒸气压力 0.5Mpa（表压） 单板压降 ≤0.7kPa2.2. 基础数据进料中苯含量（质量分数） 40%塔顶苯含量（质量分数） 97%塔釜苯含量（质量分数） 2%生产能力（万吨/年） 9.73. 精馏塔的物料衡算3.1. 原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率苯的摩尔质量 MA=78.11 kg/kmol甲苯的摩尔质量 MB=92.13 kg/kmolxF==0.440xD==0.974xW==0.0243.2. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF= 0.440×78.11+（1-0.440）×92.13=85.96kg/kmolMD= 0.974×78.11+（1-0.974）×92.13=78.47 kg/kmolMW= 0.024×78.11+（1-0.024）×92.13=91.79 kg/kmol3.3. 物料衡算生产能力F==113.10 kmol/h总物料衡算 113.10=D+W苯物料衡算 113.10×0.440=0.974D+0.02W联立解得 D=49.79 kmol/h W=63.31kmol/h4. 塔板数的确定4.1. 理论塔板层数NT的求取苯—甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

4.1.1. 绘t-x-y图和x-y图由手册[1]查的甲醇-水物系的气液平衡数据表一 苯—甲苯气液平衡[苯（101.3KPa）/%（mol）]沸点/℃110.56105.71101.7898.2595.2492.43气相组成0.020.837.250.761.971.3液相组成0.010.020.030.040.050.0沸点/℃89.8287.3284.9782.6181.2480.01气相组成79.185.791.295.998.0100.0液相组成60.070.080.090.095.0100.0由上数据可绘出和t-x-y图和x-y图图一图二4.1.2.最小回流比及操作回流比的确定采用作图法求最小回流比因为是泡点进料，则xF =xq，在图二中对角线上，自点（0.440，0.440）作垂线即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为yq= 0.660 xq=0.440故最小回流比为Rmin===1.427则操作回流比为 R= 1.6Rmin =1.6×1.427=2.2834.1.3.精馏塔气、液相负荷的确定L=RD=2.283×49.79=113.67kmol/hV=(R+1)D=（2.283+1）×49.79=163.46 kmol/hL′=L+F=113.67+113.10=226.77 kmol/hV′=V=163.46 kmol/h4.1.4. 求操作线方程相平衡方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为4.1.5. 求理论板层数1)采用图解法求理论板层数，如图二所示。

求解结果为总理论塔板数 NT=14（包括再沸器）进料板位置 NF=72) 逐板计算求理论塔板数xyxy10.9380.97490.2800.49020.8830.949100.1980.37930.8060.911110.1270.26540.7080.857120.0750.16750.6020.789130.0410.09560.5040.715140.0200.04870.4260.64780.3600.582x7

计算结果如下： 塔顶温度tD＝80.7℃进料板温度 tF＝94.6℃精馏段平均温度 tm＝（80.7＋94.6）/2 = 87.65℃5.3.平均摩尔质量计算1）塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.974，逐板计算得 x1=0.938 MVDm=0.974×78.11+（1-0.974）×92.13=78.47 kg/kmolMLDm= 0.938×78.11+（1-0.938）×92.13=78.98 kg/kmol2）进料板平均摩尔质量计算由逐板计算解理论板，得 yF=0.647 xF=0.426MVFm=0.647×78.11+（1-0.647）×92.13= 83.06 kg/kmol MLFm=0.426×78.11+（1-0.426）×92.13= 86.16 kg/kmol3）精馏段平均摩尔质量MVm=（78.47+83.06）/2=81.77 kg/kmolMLm=（78.98+86.16）/2=82.57 kg/kmol5.4.平均密度计算5.4.1. 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即Vm=kg/m35.4.2. 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1/Lm=塔顶液相平均密度的计算有tD=80.7ºC。