苯-甲苯筛板式精馏塔设计终结版.doc
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20000吨/年苯-甲苯筛板式精馏塔设计
化工原理
课程设计说明书
筛板式精馏塔设计
姓名高江超
班级化工102
学号2010012075
指导老师朱宪荣
目录
第一部分概述
一、设计题目...........................................................................................3
二、设计任务...........................................................................................3
三、设计条件...........................................................................................3
四、工艺流程图………………………………………………………...3
第二部分工艺设计计算
一、设计方案的确定..............................................................................4
二、精馏塔的物料衡算..........................................................................4
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数........................................................4
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量................................................4
3.物料衡算原料处理量....................................................................................4
三、塔板数的确定.................................................................................4
1.理论板层数的求取.................................................................................4
2.实际板层数的求取.......................................................................................6
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.................................6
1.操作压力计算................................................................................................6
2.操作温度计算................................................................................................6
3.平均摩尔质量计算........................................................................................6
⑴塔顶摩尔质量计算.........................................6
⑵进料板平均摩尔质量计算...................................6
⑶提馏段平均摩尔质量.......................................7
4.平均密度计算...............................................................................................7
⑴气相平均密度计算.........................................7
⑵液相平均密度计算.........................................7
5.液相平均表面张力计算...............................................................................7
⑴塔顶液相平均表面张力计算.................................7
⑵进料板液相平均表面张力计算...............................7
6.液相平均粘度计算.......................................................................................8
⑴塔顶液相平均粘度计算.....................................8
⑵进料板液相平均粘度计算...................................8
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.........................................................8
1.塔径的计算...................................................................................................8
2.精馏塔有效高度计算...................................................................................9
六、塔板主要工艺尺寸的计算...........................................................9
1.溢流装置计算..............................................................................................9
⑴堰长..................................................9
⑵溢流堰高度...........................................9
⑶弓形降液管宽度和截面积..........................9
2.塔板布置....................................................................................................9
⑴塔板的分块.............................................9
⑵边缘区宽度确定.........................................9
⑶开孔区面积计算........................................9
⑷筛孔计算及其排列.......................................10
七、筛板的流体力学验算..................................................................11
1.塔板压降....................................................................................................11
⑴干板阻力计算........................................11
⑵气体通过液层的阻力计算..............................11
⑶液体表面张力的阻力计算..............................11
2.液面落差...................................................................................................12
3.液沫夹带...................................................................................................12
4.漏液...........................................................................................................12
5.液泛...........................................................................................................12
八、塔板负荷性能图.........................................................................13
1.漏液线.......................................................................................................13
2.液沫夹带线...............................................................................................13
3.液相负荷下限线.......................................................................................14
4.液相负荷上限线.......................................................................................14
5.液泛线.......................................................................................................14
九、设计一览表.................................................................16
十、参考文献……………………………………………17
第一部分概述
一、设计题目：
筛板式精馏塔设计
二、设计任务：
试设计分离苯-甲苯混合物的筛板精馏塔。
已知原料液的处理量为20000吨/年，组成为0.50（苯的质量分数），要求塔顶馏出液的组成为0.99，塔底釜液的组成为0.02。
操作压力
进料热状况
回流比
单板压降
厂址
表压
泡点进料
自选
0.7kPa
齐齐哈尔地区
三、设计条件
试根据上述工艺条件作出筛板的设计计算。
四、工艺流程图
原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。
操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。
塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。
并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。
为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。
产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。
且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。
以测量物流的各项参数。
第二部分工艺设计计算
一、设计方案的确定
本设计任务书为分离苯-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，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
的2倍、
二、苯-甲苯的物性参数表
三、精馏塔的物料衡算
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
苯的摩尔质量=78.11Kg/mol
甲苯的摩尔质量=92.14Kg/mol
==0.54
==0.99
==0.024
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
=0.5478.11+（1-0.54）92.14=84.56Kg/mol
=0.9978.11+（1-0.99）92.14=78.25Kg/mol
=0.02478.11+（1-0.024）92.14=91.79Kg/mol
3.物料衡算原料处理量
==32.85Kmol/h
总物料衡算32.85=D+W
苯物料衡算32.850.54=0.99D+0.024W
联立解得D=17.49Kmol/h，W=15.35Kmol/h
三、塔板数的确定
1.理论板层数的求取
苯-甲苯属理论物系，可采用图解法求理论板层数。
①由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图见附图5
或用逐板计算法见草稿
附图7苯和甲苯的气液平衡相图
x
0
0.058
0.155
0.256
0.376
0.508
0.659
0.83
1
y
0
0.128
0.304
0.453
0.596
0.72
0.83
0.943
1
②求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比。
在图中对角线上，自点e（0.42，0.42）做垂线，ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为：
=0.0.745=0.99
故最小回流比为：
=
取操作回流比为：
③求精馏塔的气、液相负荷
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
④求操作线方程
精馏段操作线方程
⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，求解结果为：
总理论板层数，进料板位置
2.实际板层数的求取
精馏段实际板层数：
提馏段实际板层数：
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
以精馏段为例进行计算。
1.操作压力计算
塔顶操作压力kPa
每层塔板压降kPa
进料板压力kPa
精馏段平均压力kPa
2.操作温度计算
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。
计算结果如下:
塔顶温度进料板温度
3.平均摩尔质量计算
⑴塔顶摩尔质量计算：
由
⑵进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板，得
查平衡曲线，得
⑶提馏段平均摩尔质量
4.平均密度计算
⑴气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
⑵液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算：
①塔顶液相平均密度计算：
由，查手册得
②进料板液相平均密度计算
由，查手册得
进料板液相的质量分数计算
③精馏段液相平均密度为
5.液相平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即
⑴塔顶液相平均表面张力计算
由，查手册得
⑵进料板液相平均表面张力计算
由，查手册得
精馏段液相平均表面张力为：
6.液相平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算：
⑴塔顶液相平均粘度计算
由，查手册得
解得
⑵进料板液相平均粘度计算
由，查手册得
解得
精馏段液相平均粘度为
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为：
由，式中由式（5-5）计算，其中的由附图1
史密斯关联图
查取，图的横坐标为：
取板间距，则
查图5-1得=0.070
按标准塔径圆整后为
塔截面积为
实际空塔气速为
2.精馏塔的有效高度的计算
精馏段有效高度为
提馏段有效高度为
在进料板上方开一人孔，其高度为0.7m，故精馏塔的有效高度为
六、塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流装置计算
筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。
其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。
根据经验并结合其他影响因素，当因D=0.8m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。
各项计算如下：
⑴堰长
取
⑵溢流堰高度
由，选用平直堰，堰上液层高度
查附图2近似取E=1.54，则
取板上清液层高度
⑶弓形降液管宽度和截面积
由
故
依式（5-9）验算液体在降液管中停留时间，即
故降液管设计合理。
⑷降液管底隙高度
取
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘，深度
2.塔板布置
⑴塔板的分块
因，故塔板采用分块式。
查表5-3得，板块分为3快。
⑵边缘区快读确定
取
⑶开孔区面积计算
开孔区面积按式（5-12）计算，即
其中
故
⑷筛孔计算及其排列
本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径
筛孔按正三角形排列，取孔中心距
筛孔数目
开孔率为
气体通过筛孔的气速为
七、筛板的流体力学验算
1.塔板压降
⑴干板阻力
干板阻力
由
干筛孔的流量系数
故
⑵气体通过液层的阻力计算
气体通过液层的阻力由式（5-20）计算：
充气系数关联图
查附图4，得。
故
⑶液体表面张力的阻力计算
液体表面张力所产生的阻力由式（5-23）计算：
气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算：
气体通过每层塔板的压降为：
2.液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。
3.液沫夹带
液模夹带量由式（5-24）计算：
故
在本设计中
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