苯甲苯连续精馏塔设计.docx

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苯甲苯连续精馏塔设计

苯-甲苯连续精馏塔设计

河北工程大学

化工原理课程设计

题目名称：

连续精馏塔的设计

院系理学院专业应用化学班级08级

（1）班学号080370104姓名韩德福

2019-7-3

连续精馏塔的设计

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95%的苯10万吨/年，塔顶馏出液中含苯不得低于95%，塔釜馏出液中含苯不得高于0.3%，原料液中含苯30%。

（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。

（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）。

1.流程和工艺条件的确定和说明..............................................................................12.操作条件和基础数据..............................................................................................1

2.1.操作条件........................................................................................................12.2.基础数据........................................................................................................13.精馏塔的物料衡算..................................................................................................1

3.1.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..........................................................................................................2

4.1.理论塔板层数NT的求取..............................................................................2

4.1.1.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..................................................................4

5.1.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..................................................................................................5

5.4.1.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................................................................................................7

5.7.1.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..................................................................................8

6.精馏塔的塔体工艺尺寸计算..................................................................................8

6.1.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....................................................................................10

7.1.溢流装置计算..............................................................................................10

7.1.1.堰长lW................................................................................................107.1.2.溢流堰高度hW...................................................................................107.1.3.弓形降液管宽度Wd和截面积Af....................................................107.1.4.降液管底隙高度h0............................................................................117.2.塔板布置......................................................................................................11

7.2.1.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............................................................................11

8.筛板的流体力学验算............................................................................................12

8.1.塔板压降......................................................................................................12

8.1.1.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....................................................................................................14

9.1.漏液线..........................................................................................................149.2.液沫夹带线..................................................................................................15

9.3.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......................................................................18

10.1.塔顶蒸气出口管的直径dV.....................................................................1810.2.回流管的直径dR.....................................................................................1910.3.进料管的直径dF.....................................................................................1910.4.塔底出料管的直径dW............................................................................1911.塔板主要结构参数表...........................................................................................1912.设计实验评论......................................................................................................2013.参考文献................................................................................................................2114.附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）..............................................21

1.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进料热状态泡点进料回流比1.4倍

塔底加热蒸气压力0.5Mpa（表压）单板压降≤0.7kPa。

2.2.基础数据

进料中苯含量（质量分数）30%塔顶苯含量（质量分数）95%塔釜苯含量（质量分数）0.3%生产能力（万吨/年）10

3.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甲醇的摩尔质量MA=78.11kg/kmol水的摩尔质量MB=92.13kg/kmol

xF=

0.30/78.11

0.30/78.110.70/92.13

=0.336

xD=0.95/78.11

0.95/78.110.05/92.13

=0.957

xW=0.003/78.11

0.003/78.110.997/92.13

=3.54×10-3

3.2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF=0.336×78.11+（1-0.336）×92.13=87.42kg/kmolMD=0.957×78.11+（1-0.957）×92.13=78.11kg/kmol

MW=3.54×10-3×78.11+（1-3.54×10-3）×92.13=92.08kg/kmol3.3.物料衡算

108

生产能力=11416kg/h

36524

塔顶产量D=

11416

=145kg/kmol78.71

总物料衡算F=145+W

苯物料衡算0.30F=0.95×145+0.003W联立解得F=462.30kmol/hW=313.30kmol/h

4.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）]

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（0.336，0.336）作垂线即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为

yq=0.55xq=0.336

故最小回流比为

Rmin=

xDyqyqxq

=

0.960.55

=1.914

0.550.336

则操作回流比为

R=1.4Rmin=1.4×1.914=2.684.1.3.精馏塔气、液相负荷的确定

L=RD=2.68×145=388.60kmol/h

V=（R+1）D=（2.68+1）×145=533.60kmol/h

L′=L+F=388.60+462.30=850.90kmol/hV′=V=533.60kmol/h4.1.4.求操作线方程精馏段操作线方程为

y

LD388.60145xxDx0.9570.73x＋0.26VV533.60533.60L'W850.90317.30x'xwx'3.541031.49x'2.10103V'V'533.60533.60

提馏段操作线方程为

y'

4.1.5.图解法求理论板层数

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=21（包括再沸器）进料板位置NF=74.2.实际塔板数的求取

精馏段实际板层数N精=6/0.56=10.71≈11提馏段实际板层数N提=15/0.56=26.78≈27

5.精馏塔的工艺条件及有关物性的计算

5.1.操作压力计算

塔顶操作压力PD=101.30kPa每层塔板压降ΔP=0.70kPa

进料板压力PF=101.30+0.70×11=109kPa精馏段平均压力Pm=（101.30+109）/2=105.15kPa5.2.操作温度计算由图二得出

塔顶温度tD=81.10ºC进料板温度tF=97.46ºC

精馏段平均温度tm=（81.10+97.46）/2=89.28ºC5.3.平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.957，查图二得x1=0.90

MVDm=0.957×78.11+（1-0.957）×92.13=78.71kg/kmolMLDm=0.90×78.11+（1-0.90）×92.13=79.51kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由图二解理论板，得

yF=0.533xF=0.323

MVFm=0.533×78.11+（1-0.533）×92.13=84.66kg/kmolMLFm=0.323×78.11+（1-0.323）×9