苯-甲苯浮阀精馏塔课程设计.doc
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BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计
第一篇化工原理课程设计任务书
1.1设计题目
苯-甲苯连续精馏（浮阀）塔的设计
1.2设计任务
1、精馏塔设计的工艺计算及塔设备计算
（1）流程及操作条件的确定；物料衡算及热量衡算；
（2）塔板数的计算；
（3）塔板结构设计（塔板结构参数的确定、流动现象校核、负荷性能图）；
（4）塔体各接管尺寸的确定；
（5）冷却剂与加热剂消耗量的估算。
2.设计说明及讨论
3.绘制设计图
（1）流程图（A4纸）；
（2）塔盘布置图（8开坐标纸）；
（3）工艺条件图（1号绘图纸）。
1.3原始设计数据
1、原料液：
苯-甲苯，其中苯含量为35%（质量），常温；
2、馏出液含苯：
99.2%（质量）；
3、残液含苯：
0.5%（质量）；
4、生产能力：
4000（kg/h）.
第二篇流程及流程说明
为了能使生产任务长期固定，适宜采用连续精流流程。
贮罐中的原料液用机泵泵入精馏塔，塔釜再沸器用低压蒸汽作为热源加热料液，精馏塔塔顶设有全凝器，冷凝液部分利用重力泡点回流部分连续采出到产品罐（具体流程见附图）。
在流程确定方案选择上，本设计尽可能的减少固定投资，降低操作费用，以期提高经济效益。
1、加料方式的选择：
设计任务年产量虽小，但每小时4000Kg的进料量，为维持生产稳定，采用高位槽进料，从减少固定投资，提高经济效益的角度出发，选用泡点进料的加料方式。
2、回流方式的选择：
塔的生产负荷不大，从降低操作费用的角度出发，使用列管式冷凝器，利用重力泡点回流,同时也减少了固定投资。
3、再沸器的选择：
塔釜再沸器采用卧式换热器，使用低压蒸汽作为热源，做到了不同品位能源的综合利用，大大降低了能源的消耗量。
第三篇设计计算
3.1全塔的物料衡算
1、将任务书中的质量分数换算成摩尔分数，进料
（摩尔百分数）
（摩尔百分数）
（摩尔百分数）
2、求平均分子量，将换算成
进料处:
塔顶处:
塔釜处:
进料:
3、全塔的物料衡算
由物料衡算得：
代入数据得：
解之得：
3.2相对挥发度及回流比R
1、求全塔平均相对挥发度：
表3-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
80.1
84
88
92
96
100
104
108
110.6
1.000
0.816
0.651
0.504
0.373
0.257
0.152
0.057
0
1.000
0.919
0.825
0.717
0.594
0.456
0.300
0.125
0
（1）塔内温度的计算：
采用内插法计算塔内的温度
1）塔顶：
由于采用全凝器，因此。
查表可知，在80.1℃与84℃之间，值很接近，因此这两点之间可近似看作为直线，设此直线方程为：
，代入80.1℃与84℃时的值：
解得：
即直线方程为：
将y1=0.993代入方程解得t1=tD=80.39℃
2）塔底：
xW＝0.00589，设直线方程为：
t=kx+b，代入108℃与110.6℃时的x值：
解得：
所以直线方程为：
t=-45.6x+110.6
将xW＝0.00589代入方程解出tW=110.3℃。
3）进料：
=0.388，设直线方程为t=kx+b，代入92℃到96℃的x值：
解得：
所以直线方程为：
t=-30.5x+107.4
将＝0.388代入方程解出tF=95.57℃。
所以全塔的平均温度==95.42℃
（2）塔内平均相对挥发度：
采用内插法计算塔内平均温度下的相对挥发度
设直线方程x=kt+b,代入92℃到96℃之间的x的值
解得：
所以直线方程为：
x=-0.03275t+3.517
将=95.42℃代入方程解出=0.392
设直线方程y=kt+b,代入92℃到96℃之间的y的值
解得：
所以直线方程为：
y=-0.03075t+3.546
将=95.42℃代入方程解出=0.612
∵=
将=0.392，=0.612代入
得：
=2.45
2、求回流比R
（1）最小回流比Rmin
由=，代入=2.45整理得：
y=
由于采用泡点进料，所以q=1,故q线方程为xe==0.388
联立、，求解得：
Rmin＝
（2）确定最适宜操作回流比R
一般取R＝（1.2～2.0）Rmin，然后在其间取适当值，通过计算作图，从而找出最适宜操作回流比R。
其中X=，Y=，Y=
Nmin=
由下表3-2可以看出，当R=1.35Rmin=2.50时，所得的回流比费用最小，即最适宜回流比R=2.50。
表3-2
R/Rmin
X
Y
R
N
N*R
1.20
0.11
0.53
2.10
25.19
52.90
1.30
0.16
0.48
2.28
22.76
51.77
1.31
0.16
0.48
2.29
22.57
51.74
1.32
0.17
0.48
2.31
22.38
51.71
1.33
0.17
0.47
2.33
22.21
51.69
1.34
0.18
0.47
2.35
22.04
51.68
1.35
0.18
0.46
2.36
21.87
51.67
1.36
0.19
0.46
2.38
21.71
51.68
1.37
0.19
0.46
2.40
21.56
51.69
1.38
0.19
0.45
2.42
21.41
51.71
1.39
0.20
0.45
2.43
21.27
51.73
1.40
0.20
0.45
2.45
21.13
51.76
1.50
0.24
0.41
2.63
19.94
52.34
1.60
0.28
0.39
2.80
19.03
53.27
1.70
0.31
0.37
2.98
18.30
54.44
1.80
0.34
0.34
3.15
17.70
55.76
1.90
0.36
0.33
3.33
17.20
57.20
2.00
0.39
0.31
3.50
16.78
58.73
3.3求理论塔板数
求解方法：
采用逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。
（利用操作线方程）
（利用相平衡关系）
精馏段：
操作线方程：
将R=2.50代入方程得：
即：
相平衡关系为：
x=
对于第一层塔板：
ｙ１＝ｘＤ＝0.993，由相平衡关系求得：
x１=0.983（其中相对挥发度取2.45）。
将x１代入操作线方程得：
y2=0.714×0.983+0.284=0.986。
然后再次应用相平衡关系即可求得x2=0.966（之后α取全塔平均相对挥发度）。
依次求解可求得其他值，如下表所列：
表3-3
y1
0.993
x1
0.983
y2
0.986
x2
0.966
y3
0.974
x3
0.939
y4
0.954
x4
0.894
y5
0.922
x5
0.828
y6
0.875
x6
0.741
y7
0.813
x7
0.640
y8
0.741
x8
0.539
Y9
0.669
x9
0.452
y10
0.607
x10
0.387
由表可以看出，x9>xe>x10,因此第10层为进料层，从第10层开始进入提镏段。
提镏段：
操作线方程：
其中：
L=RD=2.50×17.86=44.65kmol/h
=90.79koml/h
q=1
代入方程得：
将x10代入提馏段操作线方程方程求得y11=0.559，之后用相平衡关系即可求得x11=0.341。
同理可求出其他值，如下表所列：
表3-4
y11
0.559
x11
0.341
y12
0.492
x12
0.280
y13
0.408
x13
0.220
y14
0.317
x14
0.159
y15
0.228
x15
0.108
y16
0.154
x16
0.0692
y17
0.0978
x17
0.0424
y18
0.0589
x18
0.0249
y19
0.0335
x19
0.0140
y20
0.0177
x20
0.00730
y21
0.00794
x21
0.00326
由表可看出x20>>x21，因此理论减去塔釜相当的一层塔板，理论塔板数在19和20块之间，又：
==0.35，所以理论塔板数为19.35块（不含塔釜）。
其中精馏段9块，提馏段10.35块，第10块为进料板。
3.4确定全塔效率ET并求解实际塔板数
1、确定全塔效率
利用奥康奈尔的经验公式
其中：
—全塔平均温度下的平均相对挥发度；
—全塔平均温度下的液相粘度,mPa.s；
对于多组分的液相粘度：
其中：
—液态组分i的粘度,mPa.s；
—液相中组分i的摩尔分率；
（1）全塔平均温度的求解：
查表3-1，采用内插法求得:
塔顶温度：
tD=80.39℃
进料温度：
tF=95.57℃
塔底温度：
tW=110.3℃
精馏段平均温度为：
℃
提馏段平均温度为：
℃
全塔平均温度为：
℃
（2）全塔平均温度下的相对挥发度的求解：
用内插法求得当=95.42℃时，=0.392,=0.612,
（3）全塔平均温度下的液相粘度的求解：
根据液体粘度共线图查得：
在95.42℃下，
苯液体的粘度为μ1=0.234mPa.s，
甲苯的液体粘度为μ2=0.264mPa.s
∴=0.3920.234+（1-0.392）0.264=0.252mPa.s
因此==0.552
2、确定实际塔板数
实际板数：
，取36块。
实际精馏段塔板数：
，取17块。
实际提馏段塔板数：
，取19块。
3.5塔的工艺条件及物性数据计算
1、操作压力的计算
塔顶操作压力：
PD=101.325kPa，每层压降设为△P0=1kPa.
进料板操作压力：
PF=101.325+171=118.325kPa.；
塔底操作压力：
PW=101.325+136=137.325kPa.；
精馏段平均操作压力：
kPa.；
提馏段平均操作压力：
kPa.；
2、平均摩尔质量的计算
塔顶平均摩尔质量：
x1=0.983y1=xD=0.993
MVDM=0.99378.11+（1-0.993）92.13=78.21kg/kmol；
MLDM=0.98378.11+（1-0.983）92.13=78.35kg/kmol；
进料板平均摩尔质量：
xF=0.388yF=0.608
MVFM=0.60878.11+（1-0.608）92.13=83.60kg/kmol；
MLFM=0.38878.11+（1-0.388）92.13=86.69kg/kmol；
塔底平均摩尔质量：
xW=0.00589yW=0.0143
MVWM=0.014378.11+（1-0.0143）92.13=91.93kg/kmol；
MLWM=0.0058978.11+（1-0.00589）92.13=92.05kg/kmol；
精馏段平均摩尔质量：
kg/kmol；
kg/kmol；
提馏段平均摩尔质量：
kg/kmol；
kg/kmol；
3、平均密度计算
（1）气相平均密度计算：
精馏段：
kg/m3；
提馏段：
kg/m3；
（2）液相平均密度计算：
1）塔顶液相平均密度：
tD=80.39℃,
根据有机液体相对密度共线图查得：
kg/m3，kg/m3；
∴kg/m3；
2）进料口液相平均密度：
tF=95.57℃,
根据有机液体相对密度共线图查得：
kg/m3，kg/m3；
∴kg/m3；
3）塔底液相平均密度：
tW=110.3℃,
根据有机液体相对密度共线图查得：
kg/m3，kg/m3；
∴kg/m3；
故：
精馏段液相平均密度：
kg/m3；
提馏段液相平均密度：
kg/m3；
4、液体平均表面张力的计算
表3-6
温度℃
80
90
100
110
120
表面张力
[dyne/cm]
苯
21.27
20.06
18.85
17.66
16.49
甲苯
21.67
20.59
19.49
18.41
17.34
根据上表作出苯的表面张力与温度的关系图和甲苯的表面张力与温度的关系图如下：
（1）塔顶液相平均表面张力：
tD=80.39℃,
根据上图的线性关系得：
mN/m，mN/m；
x1=0.983y1=xD=0.993
mN/m；
（2）进料板液相平均表面张力：
tF=95.57℃,
根据上图的线性关系得：
mN/m，mN/m；
xF=0.388yF=0.608
mN/m；
（3）塔底液相平均表面张力：
tW=110.3℃,
根据上图的线性关系得：
mN/m，mN/m；
xW=0.00589yW=0.0143
mN/m；
故：
精馏段液相平均表面张力：
kg/m3；
提馏段液相平均表面张力：
kg/m3；
5、液相平均粘度的计算
（1）塔顶液相平均粘度：
tD=80.39℃,
根据液体粘度共线图查得：
mPa.s，mPa.s；
（2）进料口液相平均粘度：
tF=95.57℃,
根据液体粘度共线图查得：
mPa.s，mPa.s；
（3）塔底液相平均粘度：
tW=110.3℃,
根据液体粘度共线图查得：
mPa.s，mPa.s；
故：
精馏段液相平均粘度：
mPaS；
提馏段液相平均粘度：
mPaS；3.6精馏塔塔体工艺尺寸计算
1、板间距和塔径的计算
板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关系。
板距取大些，塔可允许气流以较高的速度通过，对完成一定生产任务，塔径可较小；反之，所需塔径就要增大些。
板间距取得大，还对塔板效率、操作弹性及安装检修有利。
但板间距增大以后，会增加塔身总高度，增加金属耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而又会增加全塔的造价。
初选板间距时可参考下表所列的推荐值。
表3-8板间距与塔径关系
塔径D,m
0.3～0.5
0.5～0.8
0.8～1.6
1.6～2.0
塔板间距HTmm
200～300
250～350
350～450
450～600
精馏段：
精馏段的气相体积流率：
m3/s
精馏段的液相体积流率：
m3/s
横坐标
取塔板间距HT=0.4m，板上液层高度hL=0.06m,则
m
由《常用化工单元设备的设计》图4-9筛板塔的泛点关联图得：
C20=0.0756
m/s
取安全系数为0.7，则空塔气速=m/s
m
按标准塔径圆整后=0.8m
塔截面积m2
实际空塔气速m/s
校核：
实际空塔气速/最大气速在0.6~0.8范围内符合要求。
提馏段同理可得：
V’=V=（R+1）D=（2.50+1）×17.86=62.51koml/h（其中D为塔顶产品流量）
提馏段的气相体积流率：
m3/s
提馏段的液相体积流率：
m3/s
横坐标
取塔板间距H’T=0.40m，板上液层高度h’L=0.06m,则
m
由史密斯图得：
=0.0756
m/s
取安全系数为0.7，则空塔气速=m/s
m
按标准塔径圆整后=0.8m
塔截面积m2
实际空塔气速m/s
经核算，实际空塔气速与最大气速之比，在0.6~0.8范围内，满足要求。
2、精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度：
m
提馏段有效高度：
m
精馏塔有效高度：
m
3.7精馏塔塔板主要工艺尺寸计算
它包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流型式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计算，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力校核和负荷性能图。
1、溢流装置计算
因为=0.8，=0.8，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：
（1）堰长
单溢流型塔板堰长一般取为（0.6~0.8）D，所以取=0.7D
精馏段堰长取=0.7=0.70.8=0.56m
提馏段堰长取=0.7=0.70.8=0.56m
（2）溢流堰高度
精馏段：
由,选用平直堰。
堰上液层高度，其中E近似为1。
则m。
取板上清液层高度hL=60mm，
故有精馏段溢流堰高度：
m
提馏段（同理）：
m
m
（3）弓形降液管宽度Wd和截面积Af
由,查表得：
，
精馏段：
m2；
m2；
提馏段：
m2；
m2；
验证液体在降液管内的停留时间，即：
精馏段：
s>5s
提馏段：
s>5s
故降液管设计合理。
（4）降液管底隙高度
为了保证良好的液封，又不使得液流阻力太大，一般取为
精馏段：
m>（0.02~0.025）m
提馏段：
m>（0.02~0.025）m
液体流过底隙的流速u隙
精馏段：
m/s
提馏段：
m/s
2、塔板布置
（1）塔板的分块：
因D<800mm，故无需分块，选用整版式塔板。
（2）安定区
在板上的传质区域与溢流堰之间需要有一个不开孔的区域即安定区，安定区宽度是指堰与它最近的一排空的中心线之间的距离，对于整版式浮阀塔可取进、出安定区宽度为0.6~0.7m，则取==0.06m。
（3）边缘区
塔板靠近塔壁部分需留出一圈区域，整版式浮阀塔应取==0.035m
（4）开孔区面积
对于单流型塔板：
式中：
：
孔区面积，；
；
精馏段：
=0.3074
提馏段：
=0.3074
（5）阀孔数的计算及其排列
选择F1型重型32g的浮阀，阀孔直径=39mm=0.039m，初取阀孔动能因子一般为8~12，取。
精馏段：
孔速为：
每层塔板上浮阀数目为：
个
浮阀排列方式：
采用等边三角形叉排开孔形式，取同一横排的孔心，作图排得浮阀数目为59块。
提馏段：
孔速为：
每层塔板上浮阀数目为：
个
浮阀排列方式：
采用等边三角形叉排开孔形式，取同一横排的孔心，作图排得浮阀数目为59块。
精馏段和提馏段每层踏板上实际浮阀数目均为59个，即
按块重新核算孔速和阀孔动能因数：
精馏段：
提馏段：
阀孔动能因数变化不大，仍在8~12范围内。
踏板开孔率：
精馏段：
（其中为精馏段实际空塔气速）
提馏段：
（其中为提馏段实际空塔气速）
3.8塔板校核—塔板的流体力学计算
1、气相通过浮阀塔板的压力降
（1）干板阻力的计算
对于浮阀有经验公式：
（根据《化工单元过程课程设计》）
精馏段：
m液柱
提馏段：
m液柱
（2）液层阻力
取充气系数，则
精馏段：
m
提馏段:
m
（4）液体表面张力所造成的阻力，此项可忽略不计，即
由上数据可得出，气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高：
精馏段：
每层塔板压力降的液柱高：
单塔压降:
提馏段：
每层塔板压力降的液柱高：
单塔压降：
精馏段与提馏段均小于计算前假设的压降（），所以符合要求。
2、淹塔
为防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度符合，即
其中：
（为板上液层高度）
精馏段：
∵板间距:
，,取Ф=0.5，
则有：
由此可见：
，符合设计要求。
提馏段：
∵板间距:
，,取Ф=0.5，
∴
由此可见：
，符合设计要求。
3、液沫夹带量校核
雾沫夹带将导致塔板效率下降。
通常塔板上雾沫夹带量kg液体/kg干气体，对于浮阀塔可用泛点百分率F作为间接衡量雾沫夹带量的指标（F<70%即可保证）。
精馏段：
泛点率（根据《化工单元过程课程设计》）
其中：
m3/sm3/s
kg/m3kg/m3
板上液体流经长度：
板上液体面积：
查物性系数K＝1.0，查泛点负荷系数表
则泛点率：
满足要求设计要求。
提馏段：
泛点率（根据《化工单元过程课程设计》）
其中：
m3/sm3/s
kg/m3kg/m3
板上液体流经长度：
板上液体面积：
查物性系数K＝1.0，查泛点负荷系数表
则泛点率：
满足要求设计要求。
3.9塔板负荷性能图
1、雾沫夹带线
精馏段：
泛点率，根据此作出负荷性能图中的物沫夹带线。
按泛点率70％计算：
整理得：
由上式知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，算出
提馏段：
泛点率，根据此作出负荷性能图中的物沫夹带线。
按泛点率70％计算：
整理得：
2、降液管液泛线
利用确定液泛线（）
精馏段：
（）
又：
（根据《化工单元过程课程设计》p115）
，则：
整理得：
提馏段：
与精馏段同理可得：
又：
（根据《化工单元过程课程设计》p115）
，则：
整理得：
3、液相负荷上限线
应保证液体的最大流量在降液管中停留时间不低于3～5s，取为液体降液管内停留时间下限，即：
，则：
精馏段：
提馏段：
4、漏液线（气相下限线）
对于F1型重阀，取作
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