甲苯-乙苯的精馏工艺课程设计.docx

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1、 甲苯-乙苯的精馏工艺设计 化工原理课程设计 学生姓名：XXX 学 号：XXXXXXXXX 年 级：XX级X班 专 业：化学工程与工艺 设计题目：甲苯-乙苯的精馏工艺 2009 年 12 月 20 日目录第一部分 设计任务书 一、设计题目4二、设计任务4三、设计条件4四、设计内容4 第二部分 精馏塔的设计一、精馏塔的物料衡算6 （一）、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率6 （二）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量6 （三）、物料衡算 6二、塔板数的确定6 （一）、理论板层数的求取7 （二）、实际塔板数的求取10三、塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算 10 （一）、操作压力计算 10 （二）

2、、操作温度计算 10 （三）、平均摩尔质量计算 11 （四）、平均密度计算12 （五）、液体平均表面张力计算14（六） 、液体平均粘度计算 16四、精馏塔的气、液相负荷计算18 （一）、精馏段气、液相负荷计算18（二） 、提馏段气、液相负荷计算18五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算19 （一）、塔径的计算 19 (二）、精馏塔有效高度的计算20六、塔板主要工艺尺寸的计算20 （一）、溢流装置计算20 （二）、塔板布置23七、筛板的流体力学验算25 (一) 、塔板压降 25 (二) 、液面落差 27 (三) 、液沫夹带 27 (四) 、漏液 28 (五) 、液泛 28八、塔板负荷性能图 29 （一）、

3、精馏段塔板负荷性能图29 （二）、提馏段塔板负荷性能图32九、精馏塔的设计计算结果汇总一览表37 第三部分 冷凝器的设计一、确定设计方案 39二、确定物性数据 39三、计算热负荷 40 1、壳程液流量40 2、壳程流体的汽化潜热 40 3、热负荷41四、逆流平均温差 41五、冷却水用量 41六、估算传热面积 42七、换热器的工艺结构尺寸42八、换热器核算 43九、换热器主要结构尺寸和计算结果47 第四部分 再沸器的设计一、有关物性的确定 48二、估算传热面积、初选换热器型号51三、传热能力核算 52四、循环流量的校核 58 1、计算循环推动力58 2、循环阻力 59 3、循环推动力与循环阻力的

4、比值 60五、再热器主要结构尺寸和计算结果61 第五部分 其它设计附图62设计评估67参考资料68第一部分设计任务书一、设计题目：筛板式精馏塔的设计 二、设计任务：完成精馏塔的工艺设计；精馏塔设备设计；有关附 属设备的设计和选用；绘制工艺流程图；塔板结构 简图和塔板负荷性能图；编制设计说明书。 三、设计条件： 1、处理量： 27000 （吨/年）。 2、进料组成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的质量分数为30%。 3、进料状态： 泡点进料 4、料液初温 ： 35 5、冷却水的温度： 30 6、饱和蒸汽压强：2.5Kgf/cm2(1Kgf/cm2=98.066)KPa 7、精馏塔塔顶压强: 4 K

5、Pa(表压) 8、单板压降不大于 0.7 kPa 9、总塔效率为 0.6 10、分离要求：塔顶的甲苯含量不小于99%(质量分数),塔底的 甲苯含量不大于1%(质量分数)。 11、年开工时间： 7200 （小时） 12、完成日期： 2009 年 12 月 12 日 13、厂 址：湖北荆门地区（大气压为760mmHg） 四、设计内容 （一）、工艺设计 1、选择工艺流程和工艺条件（要求画出工艺流程） 加料方式； 加料状态； 塔顶蒸汽冷凝方式； 塔釜加热方式； 塔顶塔底的出料状态； 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。 2、精馏工艺计算 物料衡算确定各物料流量和组成； 经济核算确定适宜的回流比； 精馏

6、塔实际塔板数。 （二）、精馏塔设备设计 1、选择塔型和板型。采用板式塔，板型为筛板塔， 2、塔和塔板主要工艺结构的设计计算 3、塔内流体力学性能的设计计算； 4、绘制塔板负荷性能图。画出精馏段和提馏段某块的负荷性 能图 5、有关具体机械结构和塔体附件的选定。 接管规格、筒体与封头、除沫器、裙座、吊柱、人孔、塔 的顶部空间、塔的底部空间。 接管规格：（1）进料管（2）回流管（3）塔釜出料管（4）塔顶蒸汽出料管（5）塔釜进气管（6）法兰 6、总塔高的计算：包括上、下封头、裙座高度、塔主体的 高度、塔的顶部空间、塔的底部空间 （三）、附属设备的设计与选型 1、换热器选型。对原料预热器、塔底再沸器、塔

7、顶产品冷 却器等进行选型。 2、塔顶冷凝器设计选型。根据换热量，回流管内流速，冷 凝器高度，对塔顶进行选型设计。 （四）、设计结果汇总 （五）、工艺流程图及精馏塔工艺条件图 （六）、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论 第二部分 精馏塔的设计一、精馏塔的物料衡算 (一)、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲苯的摩尔质量MA=92.13 kg/kmol 乙苯的摩尔质量MB=106.16 kg/kmol （二）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 MF=0.330692.13(10.3306)106.16=101.5217 /kmol MD=0.991392.13(10.9913)106.16

8、=92.2521 kg/kmol MW=0.011592.13(10.0115)106.16=105.9987 kg/kmol（三）、物料衡算 对于甲苯-乙苯双组分的连续精馏塔，根据总物料衡算及甲苯的物料衡算可求得馏出液流率D及残液流率W。 进料流量F= 联立解得D=12.0299 kmol/h , W=24.9080 kmol/h二、塔板数的确定 （一）、理论板层数NT的求取 表1Antoine方程常数物质ABC温度范围甲苯6.079541344.8219.4826137乙苯6.082081424.255213.0626163 表2t/110.62113116119122101.3089 1

9、08.3452 117.7550 127.7931 138.4878 48.0712 51.7611 56.7318 62.0770 67.8163 x1.0000 0.8755 0.7303 0.5969 0.4738 y1.0000 0.9364 0.8490 0.7530 0.6477 t/125128131134136.324149.8675 161.9614 174.7988 188.4096 199.5043 73.9700 80.5590 87.6044 95.1280 101.2991 x0.3601 0.2548 0.1571 0.0662 0.0000 y0.5327 0.

10、4074 0.2710 0.1231 0.0000 1、甲苯、乙苯的温度-组成 甲苯-乙苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 根据（A、B、C为Antoine方程常数由手册已查得如表1）求得一系列温度下甲苯和乙苯的蒸气压、。 再根据泡点方程和露点方程得到各组t-x(y)数据（如表2），绘出甲苯、乙苯的温度-组成图（如图1）及平衡曲 线（如图2）。 图 1 2、确定操作的回流比R 因q=1、xe=xf=0.3306在xy图上查得ye=0.4996。故有： 而一般情况下R=(1.12)Rm ,考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍。 即：R=2Rm=5.8189

11、 图2 3、求操作线方程 精馏段操作线方程为： L=RD=5.818912.0299=70.0008 kmol/h 提馏段操作线方程为 4、图解法求理论板层数 精馏段操作线为经过点a(0.9913,0.9913)、c(0,0.1454)的直线，与q线交与点d,而提留段操作线为经过点d、b(0.0115,0.0115)两点的直线。在x-y图中绘出精馏段操作线、提留段操作线、q线，并绘出梯级（如图2）。 图解得总理论塔板数NT=19.11191=18.1119块（不含再沸器）。其中精馏段NT1=9块，提馏段NT2=9.1119块，第10块为加料板位置。（二）、实际塔板数Np的求取 精馏段：Np1=

12、NT1/0.6=15，取Np1=15块； 提留段：NP2=NT2/0.6=15.1865；取Np2=16块； 总塔板数：NP=Np1+Np2=31块。三、塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算（一）、操作压力计算 塔顶操作压力 ：PD101.34= 105.3 kPa 每层塔板压降 ：取P0.7 kPa 进料板压力 ：PF105.30.715115.8 kPa 塔底操作压力 ：PW115.80.716127 kPa 精馏段平均压力：Pm1（105.3115.8）/2110.55 kPa 提馏段平均压力：Pm2（115.8127）/2121.4 kPa（二）、操作温度计算 查温度-组成图可得相应温

13、度如下： 塔顶温度 ：TD110.783 进料板温度 ：TF125.817 塔底温度 ：TW136.983 精馏段平均温度 ：Tm1（110.783125.817）/2 = 118.301 提馏段平均温度 ：Tm2（125.817136.983）/2 = 131.40 （三）、平均摩尔质量计算 1、塔顶平均摩尔质量计算 由y1=xD=0.9913,查平衡曲线得x1=0.9825 2、进料板平均摩尔质量计算 由 xF0.3306，查平衡曲线得yF0.4996 3、塔底平均摩尔质量计算 由 xW0.0115，查平衡曲线得yW0.01151 4、精馏段平均摩尔质量 5、提馏段平均摩尔质量 （四）、平

14、均密度计算 1、气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 2、液相平均密度计算 由于已查得液相甲苯、乙苯在某些温度下的密度（如表3），将其以T为x轴、为y轴分别绘制出甲苯、乙苯的温度-密度曲线图（如图3）。故甲苯、乙苯纯组分在本设计所涉及的温度范围内的密度可用下式求得： 甲苯A=-1.0245T892.00 ， 乙苯 B=-0.9521T889.84 而液相平均密度用计算（ 式中表示质量分数）。 液相甲苯、乙苯在某些温度下的密度温度 T/60708090100 kg/m3甲 苯829.3819.7810800.2790.3乙 苯831.8822.8813.6804.5795.2温度 T/1

15、10120130140150 kg/m3甲 苯780.3770759.5748.8737.8乙 苯785.8776.2766.6756.7746.6 表3 图3 、塔顶液相平均密度的计算 由TD110.783 得： DA=-1.0245110.783892.00=778.5028 kg/m3 DB=-0.9521110.783889.84=784.3635 kg/m3 、进料板液相平均密度的计算 由TF125.817 得： FA=-1.0245125.817892.00=763.1005 kg/m3 FB=-0.9521125.817889.84=770.0496 kg/m3 进料板液相的质量

16、分率 、塔底液相平均密度的计算 由TW136.983 得： WA=-1.0245136.983892.00=751.6609 kg/m3 WB=-0.9521136.983889.84=759.4184 kg/m3 、精馏段液相平均密度 Lm1=(DmFm)/2=（778.561767.9516）=773.2563 kg/m3 、精馏段液相平均密度 Lm2=(FmFWm)/2=（767.9516759.34）=763.6458 kg/m3（五）、液体平均表面张力计算 由于已查得液相甲苯、乙苯在某些温度下的表面张力（如表4），将其以T为x轴、为y轴分别绘制出甲苯、乙苯的温度-表面张力曲线图（如图

17、4）。故甲苯、乙苯纯组分在本设计所涉及的温度范围内的表面张力可用下式求得： 甲苯 A=-0.1053T30.095 乙苯 B=-0.1016T31.046 而液相平均表面张力用计算 表4甲苯、乙苯在某些温度下的表面张力（）温度 T60708090100表面张力(mN/m)甲苯23.9422.8121.6920.5919.49乙苯25.0123.9622.9221.8820.85温度 T110120130140150表面张力 (mN/m)甲苯18.4117.3416.2715.2314.19乙苯19.8318.8117.8116.8215.83 图4 1、塔顶液相平均表面张力的计算 由 TD11

18、0.783 得： DA=-0.1053110.78330.095=18.4296 mN/m DB=-0.1016110.78331.046=19.7904 mN/m Dm=0.982518.4296(1-0.9825)19.7904=18.4534mN/m 2、进料板液相平均表面张力的计算 由TF125.817 得： FA=-0.1053125.81730.095=16.8465 mN/m FB=-0.1016125.81731.046=18.2630 mN/m Fm=0.330616.8465（10.3306）18.2630=17.7947 mN/m 3、塔底液相平均表面张力的计算 由 TW

19、136.983 得： WA=-0.1053136.98330.095=15.6707 mN/m WB=-0.1016136.98331.046=17.1285 mN/m Wm=0.011515.6707(1-0.0115)17.1285=17.1118 mN/m 4、精馏段液相平均表面张力 Lm1=(DmFm)/2=（18.453417.7947)/2=18.1241mN/m 5、提馏段液相平均表面张力 Lm2=(FmWm)/2=（17.794717.1118)/2=17.4532 mN/m（六）、液体平均粘度计算 表5甲苯、乙苯在某些温度下的粘度（）温度 T/60708090100粘度（mP

20、as）甲苯0.3730.340.3110.2860.264乙苯0.4260.3880.3540.3250.3温度 T/110120130140150粘度（mPas）甲苯0.2450.2280.2130.20.188乙苯0.2780.2590.2420.2260.213 图5 已查得液相甲苯、乙苯在某些温度下的粘度（如表5），将其以T为x轴为y轴分别绘制出甲苯、乙苯的温度-粘度曲线图（如图5）。 故甲苯、乙苯纯组分在本设计所涉及的温度范围内的粘度可用下式算得：甲苯 ：=1.210-5T20.0046T0.6010 乙苯 ：=1.410-5T20.0053T0.6896 液相平均粘度用lgLm=x

21、ilgi计算 1、塔顶液相平均粘度的计算 由TD110.783 得 ： DA=1.210-5110.78320.0046110.7830.6010 DA=0.2387 mPas DB=1.410-5110.78320.0053110.7830.6896 DB=0.2743 mPas lgDm=0.9825lg(0.2387)(1-0.9825)lg(0.2743) 解出Dm=0.2393 mPas 2、进料板液相平均粘度的计算 由TF125.817 得 ： FA=1.210-5125.81720.0046125.8170.6010 FA= 0.2122 mPas FB=1.410-5125.8

22、1720.0053125.8170.6896 FB= 0.2444 mPas lgFm=0.3306lg(0.2122)(1-0.3306)lg(0.2444) 解出Fm= 0.2332 mPas 3、塔底液相平均粘度的计算 由TW136.983 得 ： WA=1.210-5136.98320.0046136.9830.6010 WA=0.1961 mPas WB=1.410-5136.98320.0053136.9830.6896 WB=0.2263 mPas lgWm=0.0115lg(0.1961)(1-0.0115)lg(0.2263) 解出Wm=0.2259 mPas 4、精馏段液相

23、平均粘度 Lm1=(0.2393+0.2332)/2=0.2363 mPas 5、提馏段液相平均粘度 Lm2=(0.23320.2259)/2=0.2296 mPas四、精馏塔的气、液相负荷计算（一）、精馏段气、液相负荷计算 汽相摩尔流率：V=(R+1)D=(5.8189+1)12.0299=82.0307kmol/h 汽相体积流量： 汽相体积流量： 液相回流摩尔流率：L=RD=5.818912.0299=70.0012 kmol/h 液相体积流量： 液相体积流量：（二）、提馏段气、液相负荷计算 汽相摩尔流率： 汽相体积流量 汽相体积流量 液相回流摩尔流率： 液相体积流量： 液相体积流量：五、

24、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 （一）、塔径的计算 1、 精馏段塔径的计算 取板间距HT=0.50m，取板上清液层高度 0.06m。 液气动能参数 ： 查Smith通用关联图得 负荷因子： 最大允空塔气速： 取适宜空塔气速：1=0.7F1=0.95064 m/s 估算塔径 ：，按标准塔径圆整后取塔径D1 m。塔截面积为 AT1=0.785D2=0.78512=0.785 m2 2、 提馏段塔径的计算 取板间距HT=0.50m，取板上清液层高度 0.06m。 液气动能参数 ： 查Smith通用关联图得 负荷因子： 最大允空塔气速： 取适宜空塔气速：2=0.7F=0.84223 m/s 估算塔径 ：，为

25、加工方便，圆整取，即上下塔段直径保持一致. 塔截面积为 AT2=0.785D2=0.78512=0.785 m2 表6 板间距与塔径的关系塔径D/mm300500500800800160016002400板间距HT/mm200，250，300250，300，350300，350，400，450，500400，450，500，550，600（二）、精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度： Z精=( Np1-1)HT=(15-1) 0.5=7 m 提馏段有效高度： Z提=( Np2-1)HT=(16-1) 0.5=0.75 m 在进料板上方开一人孔HT，其高度为0.5 m 故精馏塔的有效高度Z =Z

26、精Z提0.5=77.50.5=15 m六、塔板主要工艺尺寸的计算 (一)、溢流装置计算 1、精馏段溢流装置计算 因塔径D1 m，可选用单溢流弓形降液管平直堰，采用凹形液盘。各项计算如下： 、堰长： 取 、溢流堰高度hw1 由；，根据液流收缩系数图可查得液流收缩系数E1=1.031，对于平直堰，堰上液层高度hOW1可由Francis经验公式计算得： hOW应大于6mm，本设计满足要求，板上清液层高度 60mm ，故 、弓形降液管宽度Wd1和截面积Af1 由查弓形降液管的参数图得： 液体在降液管中停留时间： 故降液管设计合理。 、降液管底隙高度ho1 取降液管底隙的流速则 （不宜小于0.020.0

27、25 m，满足要求）hW1-ho1=44.2-34.86=9.34 mm6 mm故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度取=50mm。 2、提馏段溢流装置计算 因塔径D1 m，可选用单溢流弓形降液管平直堰，采用凹形液盘。各项计算如下： 、堰长： 取 、溢流堰高度hw2 由；，根据液流收缩系数图可查得液流收缩系数E2=1.081，对于平直堰，堰上液层高度hOW2由Francis经验公式计算： hOW应大于6mm，本设计满足要求 ，板上清液层高度 60mm ，故、弓形降液管宽度Wd2和截面积Af2 因=，塔径D相同故Wd2=Wd1=0.11 m，Af2=Af1=0.07065 m2 液体在

28、降液管中停留时间：故降液管设计合理。 、降液管底隙高度ho2 取降液管底隙的流速则 (满足要求） 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度取=50mm。 （二）、塔板布置 1、精馏段塔板布置 、塔板的分块 因D1800mm，故塔板采用分块式。塔板分为3块。 表7 塔板分块数与塔径的关系塔径D/mm8001200140016001800200022002400塔板分块数 3 4 5 6 、破沫区(安定区)宽度、无效边缘区确定 取破沫区宽度：=0.06 m ；取无效边缘区：Wc1=0.05 m。 、开孔区面积计算 开孔区面积Aa按计算 其中x1=D/2-(Wd1Ws1 )= 0.5-(0.

29、11+0.06)=0.33 m r1 = D/2-Wc1 =0.5-0.05=0.45 m 故 、筛孔计算及其排列 本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用3 mm（一般的厚度为34mm）碳钢板，取筛孔直径 d015 mm（工业生产中孔径一般在310mm之间，45mm居多），筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 t13d013 515mm（通常采用2.55倍孔直径的中心距） 。 筛孔数目： 开孔率为：（开孔率一般在515%之间,满足要求） 每层塔板开孔面积： 气体通过筛孔的气速： 2、提馏段塔板布置 、塔板的分块 因D2800mm，故塔板采用分块式。塔板分为3块。 、破沫区(安定区)宽度、无效边缘区确

30、定 取破沫区宽度：=0.06 m 取无效边缘区：Wc2=Wc1=0.05 m 、开孔区面积计算 开孔区面积Aa2=Aa1=0.5353 m2 、筛孔计算及其排列 同样选用3 mm碳钢板，筛孔直径 d02=d015 mm，按正三角形排列，孔中心距t为 t2=t13d013 515mm。 筛孔数目：n2=n1=2755个 开孔率为： （满足要求） 每层塔板开孔面积： 气体通过筛孔的气速：表8 单流型塔板某些参数推荐值 塔径D/mm塔截面积AT/m2（Ad/AT）/% lW/D 弓形降液管降液管面积Ad/mm2堰长lW/mm堰宽bD/mm 800 0.05277.227 10.0 14.20.661

31、 0.726 0.800529，581，640100 125 1600.0363 0.0502 0.0717 1000 0.78546.8 9.8 14.20.650 0.714 0.800650 714 800120 150 2000.0534 0.0770 0.1120 1200 1.13107.22 10.2 14.20.661 0.730 0.800794 876 960150 290 2400.0816 0.1150 0.1610七 、 筛板的流体力学验算 (一) 、塔板压降 1、精馏段的塔板压降 、干板阻力hc1计算 干板阻力hc1由 计算 d01/5/31.6667，由孔流系数图

32、查得孔流系数C010.8011 故 、气体通过板上液层的压降 气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有： 动能因子： 查充气系数图得充气系数：（一般可近似取）。 故 、液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力由计算 、气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即 气体通过每层塔板的压降为 ： （满足工艺要求）。 2、提馏段的塔板压降 、干板阻力hc2计算 干板阻力hc2由 计算 d02531.6667，查得孔流系数C020.8011 故 、气体通过板上液层的压降 气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有： 动能因子： 查图得充气系数：（一般可近似取）。 故 、液体表面张力的阻

33、力计算 液体表面张力所产生的阻力由计算 、气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即 气体通过每层塔板的压降为 ： （满足工艺要求）。 (二)、 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 (三)、 液沫夹带 液沫夹带量可用式计算： 精馏段液沫夹带量 提馏段液沫夹带量: （验算结果表明产生的雾沫夹带量在本设计范围内允许） (四) 、漏液 对筛板塔，漏液点气速(下限气速)uOM可由下式计算，即 精馏段： 实际孔速uo112.4337 m/suOM1 稳定系数为K1=uo1/uOM1=12.4337/5.82693=2.1341.5 提馏段： 实际孔速uo211.41613 m/suOM2 稳定系数为K2=uo2/uOM2=11.41613/5.4372=2.11.5 （故