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1、化工原理课程设计说明书设计题目：苯-甲苯分离过程筛板式精馏塔设计者：班 级 化工2009级（1）班姓 名 郑 健 学 号 2009071976 日 期 2012年6月26日 指导教师：（签名） 设计成绩： 日期 单位：石河子大学化学化工学院化工系目录1设计方案的选择及流程说明41.1概述41.1.1精馏原理41.1.2精馏塔选定41.2设计方案的确定42精馏塔的物料衡算52.1原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量52.2原料液及塔顶和塔底的摩尔分率52.3物料衡算53塔数的确定63.1理论板层数的求取63.1.1相对挥发度的求取63.1.2求最小回流比及操作回流比63.1.3求精馏塔的气、液相
2、负荷73.1.4求操作线方程73.1.5采用逐板法求理论板层数73.2实际板层数的求取84精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算84.1操作压力的计算84.2操作温度的计算94.3平均摩尔质量计算94.4平均密度计算104.4.1气相平均密度计算104.4.2液相平均密度计算104.5液体平均表面张力的计算114.6液体平均黏度计算125塔及塔板的工艺尺寸的设计计算135.1塔径的设计计算135.1.1精馏段：135.1.2提馏段：145.2塔的有效高度的计算155.3塔的实际高度的计算155.4溢流装置的计算155.4.1精馏段：155.4.2提馏段：165.5塔板布置175.5.1精馏段：1
3、75.5.2提馏段：186流体力学验算206.1塔板压强降206.1.1精馏段：206.1.2提馏段：216.2液沫夹带量的校核216.2.1精馏段：216.2.2提馏段：226.3溢流液泛的校核226.3.1精馏段：226.3.2提馏段：236.4液体在降液管内停留时间的校核236.4.1精馏段：236.4.2提馏段：236.5漏液点的校核236.5.1精馏段：236.5.2提馏段：247塔板负荷性能图（以精馏段为例）257.1漏液线257.2液沫夹带线257.3液相负荷下限线267.4液相负荷上限线267.5液泛线277.6负荷性能图及操作弹性288计算结构汇总表299小结301 设计方案
4、的选择及流程说明1.1 概述1.1.1 精馏原理利用从塔底部上升的含轻组分较少的蒸气，与从塔顶部回流的含重组分较少的液体逆流接触，同时进行多次部分汽化和部分冷凝，使原料得到分离。同时进行多次部分汽化和部分冷凝是在精馏塔中实现的。塔板上有一层液体，气流经塔板被分散于其中成为气泡，气、液两相在塔板上接触，液相吸收了气相带入的热量。使液相中的易挥发组分汽化，由液相转移到气相；同时，气相放出了热量，使气相中的难挥发组分冷凝，由气相转移到液相。部分汽化和部分冷凝的同时进行是汽化、冷凝潜热相互补偿。精馏就是多次而且同时进行部分汽化和部分冷凝，使混合液得到分离的过程。1.1.2 精馏塔选定精馏是气液两相之间
5、的传质过程，而传质过程是由能提供气液两相充分接触的塔设备完成，并要求达到较高的传质效率。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质量、热量传递，气液相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶填料表面下流，气体逆流而上，与液相接触进行质量、热量传递，气液相组成沿塔高连续变化，属于微分接触操作过程。我们选择的是板式塔。板式塔大致可分为两类：一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板等；另一类是无降液管塔板，如栅板、穿流式波纹板等。工业上应用较多的是前者。这里，我们选择的是具有降
6、液管的筛板塔。筛板塔是在塔板上钻有均匀分布的筛孔，上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的液料。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易阻塞的物系可采用大孔径筛板。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量小；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。实际上，任
7、何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素,依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。1.2 设计方案的确定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加回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2 精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量甲苯的摩尔质量 =92.13kg/kmo
8、l苯的摩尔质量 =78.11kg/kmol=0.678.11+(1-0.6) 92.13=83.718kg/kmol=0.9478.11+(1-0.94)92.13=78.9512kg/kmol2.2 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 =0.95 f=6700kg/hF=80.03Kmol/h=0.94 所以D=48.02 Kmol/h由物料衡算 D+W=F F=D+W,所以W=32.01Kmol/h所以：=0.0899 2.3 物料衡算原料处理量 F=80.03Kmol/h总物料衡算 F=D+WD+W=F联立解得 D=48.02kmol/h W=32.01mol/h3 塔数的确定3.1 理论板层
9、数的求取3.1.1 相对挥发度的求取有内插法可计算塔顶、塔釜的气液相组成塔顶： 0.863 塔釜：0.215 0.785 2.492.772.633.1.2 求最小回流比及操作回流比泡点进料： 故最小回流比为=取操作回流比为R=1.7=1.70.71=1.2073.1.3 求精馏塔的气、液相负荷3.1.4 求操作线方程精馏段操作线方程为 （a）提馏段操作线方程 （b）3.1.5 采用逐板法求理论板层数由 得 将 =2.63 代入得相平衡方程 （c）联立（a）、（b）、（c）式，可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶为全凝则由（c）式求得第一块板下降液体组成利用（a）式计算第二块板上升蒸汽组成为
10、=0.547+0.426=0.547*0.856+0.426=0.894交替使用式（a）和式（c）直到，然后改用式（b）和式（c）交替计算，直到为止，计算结果见表1。表1板号123456789y0.900.8940.8420.7920.7420.6520.5140.3460.19x0.8560.7620.6700.591xF0. 5220.4160.2870.1670.0819xW 精馏塔的理论塔板数为 =9（包括再沸器）进料板位置 3.2 实际板层数的求取全塔效率为0.545，则有（包括再沸器）4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1 操作压力的计算塔顶的操作压力 每层塔板的压降 进料
11、板压力 塔底操作压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 4.2 操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽由安托尼方程计算，计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 塔底温度 精馏段平均温度 =(81.264+90.65)/2=85.957提馏段平均温度 4.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量的计算由理论板的计算过程可知，x1=0.856 进料板平均摩尔质量的计算由理论板的计算过程可知，塔底平均摩尔质量的计算有理论版计算过程可知 精馏段的平均摩尔质量为提馏段的平均摩尔质量为4.4 平均密度计算4.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程式计算，即精馏段气
12、相平均密度提馏段气相平均密度 4.4.2 液相平均密度计算液相平均密度计算依下式计算，即：塔顶液相平均密度的计算。由，查液体在不同温度下的密度表得： 进料板液相平均密度的计算。 由，查液体在不同温度下的密度表得： 塔底液相平均密度的计算由，查手册得 塔底液相的质量分率 精馏段的平均密度为：提馏段的平均密度为：4.5 液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算，即：塔顶液相平均表面张力的计算。由，查液体表面张力共线图得： 进料板液相平均表面张力的计算。由，查液体表面张力共线图得： 由，查手册得 精馏段平均表面张力为：提馏段平均表面张力为：4.6 液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即：
13、塔顶液相平均黏度的计算：由，查气体黏度共线图得： 进料液相平均黏度的计算：由，查气体黏度共线图得： 塔底液相平均黏度的计算：由，查气体黏度共线图得： 精馏段液相平均黏度为：1提馏段液相平均黏度为：15 塔及塔板的工艺尺寸的设计计算5.1 塔径的设计计算5.1.1 精馏段：精馏段的气、液相体积流率为：由，式中C由求取，其中由筛板塔汽液负荷因子曲线图查取，图横坐标为0.033取板间距，板上液层高度，则查筛板塔汽液负荷因子曲线图得取安全系数为0.7，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为。塔截面积为：5.1.2 提馏段：提馏段的气、液相体积流率为由式中，负荷因子由史密斯关联图查得，图的横坐标为 取板间距，
14、板上清液层高度取，则由史密斯关联图，得知气体负荷因子取安全系数为，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 塔截面积为实际空塔气速为5.2 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0.8m，5.3 塔的实际高度的计算精馏塔的有效高度为：5.4 溢流装置的计算5.4.1 精馏段：因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：5.4.1.1 堰长取5.4.1.2 溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即：近似取E=1，则取板上清液层高度故5.4.1.3 弓形降液管宽度和截面积：由，查弓形降液管参数图得： 则：，验算液体在降液管中停留时
15、间，即：故降液管设计合理。5.4.1.4 降液管底隙的流速，则：故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。5.4.2 提馏段：因塔径，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：5.4.2.1 堰长可取5.4.2.2 溢流堰高度由选用平直堰,堰上层液高度由式计算近似取，则取板上清液层高度故 5.4.2.3 弓形降液管宽度和截面积：由 查图得 故5.4.2.4 降液管底隙的流速取 则 故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度 。5.5 塔板布置5.5.1 精馏段：5.5.1.1 塔板的分块。因，所以选择采用分块式，塔板可分为3块。5.5.1.2 边缘区宽度确定：取，5.5
16、.1.3 开孔区面积计算。开孔区面积计算为：其中 故 5.5.1.4 筛孔数与开孔率筛孔计算及其排列。本设计的物系没有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为筛孔的数目为开孔率为：气体通过筛孔的气速为：5.5.2 提馏段：5.5.2.1 塔板的分块。因，所以选择采用分块式，塔板可分为3块。5.5.2.2 边缘区宽度确定：取，5.5.2.3 开孔区面积计算。开孔区面积计算为：其中 故 5.5.2.4 筛孔数与开孔率筛孔计算及其排列。本设计的物系没有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为筛孔的数目为开孔率为：气体通过筛孔的气速为：6 流体力学验算6
17、.1 塔板压强降6.1.1 精馏段：6.1.1.1 干板阻力计算。干板阻力由下式计算：由，查筛板塔汽液负荷因子曲线图得故6.1.1.2 气体通过液层的阻力计算。气体通过液层的阻力由下式计算，即 查充气系数关联图得。故 液柱（3）液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由下式计算，即： 液柱本设计系常压操作，对板压降本身无特殊要求。6.1.2 提馏段：6.1.2.1 干板阻力计算。干板阻力由下式计算：干板的阻力按公式计算并由可，查得故 液柱6.1.2.2 气体通过液层的阻力计算。气体通过液层的阻力按公式计算查得故 液柱液体表面张力所产生的阻力由下式计算，即： 液柱 本设计系常压操作，对板压
18、降本身无特殊要求。6.2 液沫夹带量的校核6.2.1 精馏段：液沫夹带量由公式计算。由 故 故本设计中液沫夹带量在设计范围之内。6.2.2 提馏段：液沫夹带量由公式计算由 故 故本设计中液沫夹带量在设计范围之内。6.3 溢流液泛的校核6.3.1 精馏段：为防止塔内发生液泛，降液管内液高度应服从下式关系，即 苯甲苯属于一般物系，取，则 液柱而 液柱故降液管内的当量清液高度 液柱则 故在本设计不会发生溢流液泛。6.3.2 提馏段：为防止塔内发生液泛，降液管内液高度应服从下式关系，即 苯甲苯属于一般物系，取，则 液柱而 液柱故降液管内的当量清液高度 液柱则 故在本设计不会发生溢流液泛。6.4 液体在
19、降液管内停留时间的校核6.4.1 精馏段：为避免发生严重的气泡夹带现象，通常规定液体在降液管的停留时间不小于液体在降液管内的停留时间为 不会产生严重气泡夹带。6.4.2 提馏段：为避免发生严重的气泡夹带现象，通常规定液体在降液管的停留时间不小于液体在降液管内的停留时间为不会产生严重气泡夹带。6.5 漏液点的校核6.5.1 精馏段：设漏液点的孔速，相应的动能因子（以为基准）故塔板上当量清液高度为查得此漏液点的干板压降对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即因计算值与假定值接近，故计算正确塔板的稳定系数可由下式计算，即故在本设计中无明显漏液。6.5.2 提馏段：设漏液点的孔速，相应的动能因子（以为基准
20、）故塔板上当量清液高度为查得此漏液点的干板压降 对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即因计算值与假定值接近，故计算正确塔板的稳定系数可由下式计算，即在本设计中无明显漏液。7 塔板负荷性能图（以精馏段为例）7.1 漏液线由 得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值计算结果列于下表 由上表数据即可作出漏液线1。7.2 液沫夹带线以为限，求关系如下：故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值计算结果列于下表 由上表即可作出液沫夹带线2。7.3 液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，则取，则据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。7.4 液相负荷上限线 以作
21、为液体在降液管中停留时间的下限，由下式故 据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限4。7.5 液泛线令 联立得 忽略、，将与、和、与的关系代入上式，得 式中将有关数据代入,得故在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值计算结果列于下表 7.6 负荷性能图及操作弹性在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图二可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得 故操作弹性为8 计算结构汇总表序号项目精馏段提馏段1平均温度 tm 85.95791.962操作压力 P kPa101.33气相流量 Vs m3/s0.850.824液相流量 Ls m3/s0.001630.001
22、655实际塔板数6126有效段高度 Z m24.47精馏塔塔径D m1.28板间距HT m0.40.459溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长lW m0.960.9612堰高hW m 0.050510.0504313板上液层高度hL m0.0614堰上液层高度how m0.009490.0095715降液管底隙高度ho m0.01130.011516安定区宽度Ws m0.0617边缘区宽度Wc m0.0318开孔区面积Aa m20.6460.64619筛孔直径d0 m0.00520筛孔数目n3317332221孔中心距 m0.01522开孔率 10.123空塔气速u m/s0.8861.0
23、424筛孔气速u0 m/s13.0312.5725稳定系数K2.001.9427与板压降相当的液柱高度hf m0.08790.084328与干板压降相当的液柱高度hd m0.04980.048629液体在降液管内停留的时间s15.6515.0530塔板上当量清液高度hc m0.03280.036331液液沫夹带 ev (0.1kg液/kg气)0.1590.15232负荷上限液沫夹带线控制33负荷下限漏液线控制34气相负荷上限 m3/s1.435气相负荷下限 m3/s0.3536操作弹性49 小结经过一个多星期的努力，终于把课程设计做完了，这次的课程设计可以说让我感触良多：首先，此次课程设计相对
24、上学期的来说难度有所增大，初看觉得挺容易的，但在实际做的时候却发现这样那样的困难，举个很简单的例子：计算时很多参数并不是已知的，都要通过去查表或者相关资料获取。而且参数的选取也不是一次就符合，在验算后如果不符合设计要求还得重新选取、重新计算。这是很麻烦的！再次，在画图时也出现了一些问题，刚开始时忽略了老师给的PPT，所以无从下手。在看完PPT后也只是有个基本了解，实际的操作也有些麻烦，但经过小组的讨论终于把图完成了。最后，这次课程设计是我看到了自己的很多不足，知识体系的欠缺，掌握得很不牢固。也使我认识到理论和实际的差距，在理论中的知识不一定都是可行的。这就必须有一个探究的过程。看着自己完成的设计材料和画完的图纸，心里的成就感油然而生。虽然过程是曲折的，但收获是巨大的；我想在以后的学习过程中我们要学会探索、钻研，不能满足现状，知识是永无止境的。这次课程设计结束了，我们付出了艰辛，换来了喜悦与收获。同时给我们的学习带来了很大的启发与帮助！
