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1、苯与甲苯混合物精馏塔设计方案一、概述化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质. 芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料，树脂，农药，合成药物，合成橡胶，合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以用来制造三硝基甲苯，苯甲酸，对苯二甲酸，防腐剂，染料，泡沫塑料，合成纤维等。精馏是分离液体混合物最常用的一种单
2、元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯甲苯的分离。苯甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁。因此用筛板塔。筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔
3、盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。二、设计方案的确定本设计任务为分苯甲苯的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。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器冷却后送至贮罐。该物系属于易分离物系，故操作回流比取为2.7。塔底采用直接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。 三、精馏塔的物料衡算 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量为： 甲苯的摩尔质量为： 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量物料平衡原料处理量 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 四、塔板数的确定 理论
4、板层数NT的求取因为苯甲苯属于理想物系，可采用图解法求解理论板层数操作回流比求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为 图解法求理论塔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 (包括再沸器)进料板位置 理论板层数的求取精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 五、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 操作压力的计算 操作为常压操作，所以 操作温度的计算 依据安托因方程 苯 甲苯 又 所以 塔顶温度 进料板温度 塔底温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由查平衡曲线得 进料板平均摩尔质量计算由 查平衡曲线得 塔底平均摩
5、尔质量计算由 查平衡曲线得 精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量 平均密度的计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即精馏段气相平均密度提馏段气相平均密度 液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算由，查手册得 进料板液相平均密度的计算由，查手册得 进料板液相的质量分率 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 精馏段液相平均密度为提馏段液相平均密度为 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，查手册得 进料板液相平均表面张力的计算 由，查手册得 塔底液相平均表面张力的计算 由，查手册得 精馏段液相平均表面张力
6、 提馏段液相平均表面张力 液体平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算 即塔顶液相平均粘度的计算 由，查手册得 解出 进料板平均粘度的计算由，查手册得 解出 由，查手册得 解出 精馏段平均粘度提馏段平均粘度六、精馏塔的塔体工艺尺寸计算由上面可知精馏段 塔径的计算精馏段的气、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，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 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，板上清液层高度取，则由史密斯关联图，得知
7、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 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一个人孔，其高度为故精馏塔有效高度为 七、塔板主要工艺尺寸的计算 溢流装置计算精馏段：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： 堰长可取 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 弓形降液管的宽度和截面积由 查图得 故 降液管底隙高度取 则故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度 。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： 堰长可取 溢流堰高度
8、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 弓形降液管的宽度和截面积由 查图得 故 降液管底隙高度取 则 故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度 。 塔板布置精馏段： 塔板的分块因为，所以选择采用分块式，塔板可分为3块。 边缘区宽度确定取， 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中则 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（在5%15%范围内）气体通过阀孔的气速为提馏段： 塔板的分块因为，所以选择采用分块式，塔板可分为3块。 边缘区宽度确定取， 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 则 筛孔计算
9、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（在5%15%范围内）气体通过阀孔的气速为八、筛板的流体力学验算 塔板压降的校核精馏段： 干板的阻力计算干板的阻力按公式计算并由可，查得 故 液柱 气体通过液层的阻力的计算气体通过液层的阻力按公式计算查得故 液柱 板压降 液柱 本设计系常压操作，对板压降本身无特殊要求。提馏段： 干板的阻力计算干板的阻力按公式计算并由可，查得 故 液柱 气体通过液层的阻力的计算气体通过液层的阻力按公式计算查得故 液柱 板压降 液柱 本设计系常压操作，对板压降本身无特殊要求。 液沫夹带量的校核精馏段：液沫夹
10、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。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。 溢流液泛条件的校核精馏段：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。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。 液体在降液管内停留时间的校核精馏段：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
11、停留时间为 不会产生严重气泡夹带。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。 漏液点的校核精馏段：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。提馏段：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 在本设
12、计中无明显漏液。九、塔板负荷性能图 漏液线精馏段：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。提馏段：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。 液沫夹带线精馏段：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。提馏段：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。 液相负荷下限线精馏段：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
13、做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。提馏段：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。 液相负荷上限线精馏段： 以作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。提馏段：以作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。 液泛线精馏段：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 提馏段：令 联立得 忽略、，将与、和、与的关系代入上式，得 式中将有关
14、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 6.负荷性能图及操作弹性精馏段：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 故操作弹性为提馏段：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 故操作弹性为十、计算结果汇总表：序号项目精馏段提馏段1平均温度 tm 85.65100.62操作压力 P kPa101.33气相流量 Vs m3/s0.9631.0064液相流量 Ls m3/s0.002120.004585实际塔板数1
15、3146有效段高度 Z m4.85.857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 0.04870.041113板上液层高度hL m0.0614堰上液层高度how m0.01130.018915降液管底隙高度ho m0.02760.031816安定区宽度Ws m0.0617边缘区宽度Wc m0.0318开孔区面积Aa m20.6460.64719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/s0.8520.8924筛孔气速u0
16、 m/s14.7515.3925稳定系数K2.202.3727与板压降相当的液柱高度hf m0.10090.108628与干板压降相当的液柱高度hd m0.0650.07529液体在降液管内停留的时间s7.37.630塔板上当量清液高度hc m0.03280.036331液液沫夹带 ev (0.1kg液/kg气)0.0270.030732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/s1.391.3535气相负荷下限 m3/s0.450.3836操作弹性3.13.6十一、参考文献1化工传递及设备课程设计 匡国柱、史启才主编 化工出版社 2001年2化工原理课程设计（化工传
17、递与单元操作课程设计）贾绍义、柴诚敬主编 天津大学出版社 2002年3化工原理课程设计简明教程 唐伦成主编 哈尔滨工程大学出版社 2005年4化工原理课程设计 柴诚敬、刘国维、李阿娜主编 天津科学技术出版设 2005年5化工原理（下册） 张洪流 主编 华东理工大学出版社 2006年6化工原理（下册） 陈敏恒 主编 化学工业出版社 2006年7化工制图 林大钧 主编 高等教育出版社 2007年8化工设备设计基础 谭蔚 主编 天津大学出版社 2007年十二 、课程设计体会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，此次课程设计相对上学期的来说难度有所增大，初
18、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！
