1、江汉大学化工原理课程设计说明书题目 苯甲苯溶液连续精馏塔设计 专业班级 过控 141 学 生 陶翔 指导老师 刘红姣 成 绩 2017 年 7 月 5 日 化工原理课程设计任务书一、设计名称： 苯-甲苯溶液连续精馏塔设计二设计条件处理量： 10 万吨/y料液组成（质量分数）： 45%塔顶产品组成（质量分数）： 99%塔顶易挥发组分回收率： 99%每年实际生产时间： 7200h精馏塔顶的压强：4kPa (表压) 加热蒸汽：低压蒸汽单板压降：0.7kPa三、设计任务1、设备选型、设计方案的确定和流程说明； 2、精馏塔的工艺计算：塔径、塔高、溢流装置、塔板的布置、升气道等的设计与排列； 3、流体力学
2、性能的验算； 4、绘制塔板负荷性能图并结合流体力学验算进行调整； 5、有关附属设备的计算选型； 6、编写设计说明书和设计结果概要或设计一览表，绘制主体设备工艺条件图1目录1.流程和工艺条件的确定和说明 32.操作条件和基础数据 32.1 操作条件 .32.2 基础数据 .33.设计计算 33.1 精馏塔的物料衡算 .33.2 塔板数的确定 .43.2.苯 甲苯混合物的-图和 x-y 图 .43.2.2 确定最小回流比和回流比 63.2.3 精馏塔气、液相负荷的确定 63.2.4 操作线方程 73.2.5 图解法求理论板层数 73.2.6 全塔效率的计算 73.2.7 实际板层数 93.3 精馏
3、塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .93.3.1 操作压力计算 93.3.2 平均摩尔质量计算 93.3.3 平均密度计算 103.3.4 液体平均表面张力计算 123.3.5 液体平均粘度计算 133.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算与板间距的确定 .133.4.1 塔径的计算 133.4.2 塔高度计算 153.5 塔板主要工艺尺寸计算 .163.5.1 溢流装置的计算 163.5.2 塔板布置 183.6 筛板的流体力学验算 .1923.6.1 精馏段筛板的流体力学验算 193.6.2 提馏段筛板的流体力学验算 213.7 塔板负荷性能图 .233.7.1 精馏段塔板负荷性计算 232.7.
4、2 提馏段塔板负荷性能计算 253.8 塔的辅助设备及附件的计算与选型 .283.8.1 全凝器 283.8.2 再沸器 283.8.3 接管管径计算与选型 293.8.4 塔顶空间 313.8.5 人孔 31设计结果一览表 .31参考文献 .3531.流程和工艺条件的确定和说明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。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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比的 1.6 倍。塔釜采用间接蒸
5、汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2.操作条件和基础数据2.1 操作条件塔顶压力：4kPa进料热状态：泡点进料回流比：1.6 倍加热蒸汽：低压加热单板压降： 0.72.2 基础数据进料中苯的含量（质量分数）：45%塔顶苯的含量（质量分数）：99%塔顶易挥发组分回收率： 99%生产能力（万吨/年）：103.设计计算3.1 精馏塔的物料衡算苯的摩尔质量 =78kg/kmol甲苯的摩尔质量 =92kg/kmol进料组成（摩尔分数）4 = (0.4578)0.4578+0.5592=0.4911塔顶馏出液组成（摩尔分数）= 0.99780.9978+0.00192=0.9915进料平均摩尔质量 =0.
6、491178+0.508992=85.1246/塔顶溜出液平均摩尔质量 =0.991578+0.008592=78.12/根据全塔物料及轻组分衡算列平衡方程式，如下： =+=+而，进料量流量= 10872008501246=163.1595/以塔顶苯为主要产品，回收率= 100%可以解得 =79.3263/ =83.8332/ =0.0176签残液平均摩尔质量 =0.017678+0.0984292=91.7536/式中 F-原料液流量D-塔顶产品流量W-塔底产品流量3.2 塔板数的确定3.2.苯甲苯混合物的-图和 x-y 图 由化工工艺设计手册查得的苯-甲苯物系的气液平衡数据，如表 3-1所
7、示：表 3-1 苯-甲苯物系的气液平衡数据表5苯的摩尔分数 苯的摩尔分数液相 气相温度/ 液相 气相温度/ 0.00 0.00 110.6 0.592 0.789 89.40.088 0.212106.1 0.700 0.853 56.80.2000.370102.2 0.803 0.914 84.40.3000.50098.6 0.903 0.957 82.30.3970.61895.2 0.950 0.979 81.20.4890.71092.1 1.00 1.00 80.2根据表 3-1 作苯甲苯混合液的相平衡图如图 3-2 所示6根据表 3-1 作苯甲苯混合液的-y 图，如图 3-3
8、所示73.2.2 确定最小回流比和回流比采用作图法求最小回流比。应为是泡点进料，则 ,在图 3-3 对角线上，=（0.4911,0.4911）做垂线即为进料线（q 线） ，该线与平衡线的交点坐标为=0.7067 =0.4911故最小回流比为=0.99150.70640.70640.4914=1.32则操作回流比为=1.6=2.1123.2.3 精馏塔气、液相负荷的确定=3.11279.3263=167.5371/=(+1)=(2.112+1)79.3263=246.8634/=+=167.5371+163.1595=330.6966/8=2246.8634/3.2.4 操作线方程精馏段操作线方
9、程y=+=0.6787+0.3186提馏段操作线方程=+=1.33960.0059773.2.5 图解法求理论板层数理论板图 3-4图解得总理论板层数为块，进料板为第 9 块。3.2.6 全塔效率的计算（1）操作温度由图 3-2，画图可得9=80.5 =92.7 =109.71精馏段平均温度1=+ 2 =86.22提馏段平均温度2= +2 =101.7(2)相对挥发度塔顶相对挥发度 操作温度已知 =80.5 =92.7 =109.71则查手册，用内插法的 =2.534 =2.48 =2.37平均相对挥发度 =3 =2.46（3）液体的平均粘度表 3-5 苯和甲苯的液体粘度操作温度已知 =80.
10、5 =92.7 =109.71通过表 3-5，经内插法得当 时，=80.5苯 =0.0.30655 甲苯 =0.30957当 时，=92.7 苯 =0.27252 甲苯 =0.28当 时，=109.71苯 =0.21554 甲苯 =0.22878根据液相平均粘度公式 ln=塔顶：当 时，=80.5=0.3066进料板：当 时，=92.7 =0.2763塔底：当 时，=109.71=0.2285则液相平均粘度为10=+3 =0.27(4)全塔效率全塔效率 =0.49()0.254=0.54173.2.7 实际板层数精馏段的实际板层数：1=8=14.67315提馏段的实际板层数：2=9=16.65
11、17总实际板层数： =1+2=15+17=323.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.3.1 操作压力计算塔顶操作压力 =101.3+4=105.3每层塔板压降 =0.7进料板压力 =105.3+0.715=115.8塔底操作压力 =101.3+0.717=117.2精馏段的平均压力1=+2 =110.55提溜段的平均压力2=+2 =116.53.3.2 平均摩尔质量计算从图 3-3 可知塔顶： 1=0.9915,1=0.977811加料板： =0.428,=0.6533塔底： 0.0083,=0.0176塔顶的平均摩尔质量计算 =0.991578+(10.9915)92=78.12/
12、=0.977878+(10.9778)92=78.31/进料的平均摩尔质量计算 =0.653378+(10.6533)92=82.85/=0.427878+(10.4278)98=86.01/进料的平均摩尔质量计算 =0.017678+（ 10.0176） 92=91.75/=0.008878+(10.0088)92=91.88/精馏段与提馏段的平均摩尔质量计算=+2 =78.12+82.852 =80.485/=+2 =78.31+86.012 =82.16/=+2 =91.75+82.852 =87.3/=+2 =86.01+91.882 =88.945/3.3.3 平均密度计算精馏段的平
13、均温度：=+2 =86.22提馏段的平均温度：=+2 =101.07(1) 气相平均密度计算 精馏段与提馏段的平均气相密度计算如下：,=,= 110.580.4858.314(86.22+273.15)=2.98/312,=, = 116.587.38.314(101.07+273.15)3.27/3()液相平均密度计算 液相平均密度计算公式1=表 3-6 苯和甲苯的液相密度（1）塔顶液相平均密度：当 时，查表 3-6 由内插法得=80.5苯 =814.653/3,甲苯 =811.041/3= 1苯 +(1)甲苯=814.62/3（2）进料板液相平均密度：当 时，查表 3-6 由内插法得=92
14、.7 苯 =800.993/3,甲苯 =798.728/3进料板液相质量分率苯 = 0.428780.42878+（ 10.428） 92=0.338= 1苯苯 +(1苯 )甲苯=799.64/3（）塔底液相平均密度：当 时，查表 3-6 由内插法得=109.71苯 =781.126/3,甲苯 =781.209/313苯 = 0.0176780.017678+（ 10.0176） 92=0.015= 1苯苯 +(1苯 )甲苯=781.26/3精馏段液相平均密度为=814.622+799.642 =807.131/3提馏段液相平均密度为=799.64+781.262 =790.45/33.3.4
15、 液体平均表面张力计算液相平均表面张为依据下式计算，即=表 3-7 苯和甲苯的表面张力（）塔顶液相平均表面张力：当 时，查表 3-7 由内插法得=80.5苯 =21.14/ 甲苯 = 21.645 / 由 ，得=0.9915=0.991521.14+(10.9915)21.645=21.144/（2）进料板液相平均表面张力；当 时，查表 3-7 由内插法得=92.7 苯 =19.676/ 甲苯 =20.303 / 由 ，得=0.42814=0.42819.676+（ 10.428） 20.303=20.035 / （3）塔底液相平均表面张力：当 时，查表 3-7 由内插法得=109.71苯 =
16、17.538/ 甲苯 =18.432 /=0.017617.538+（ 10.0176） 18.432=18.42/精馏段液相平均表面张力为=21.144+20.0352 =20.723/提馏段液相平均密度为 =20.035+18.422 =19.2275/3.3.5 液体平均粘度计算前面已经计算得塔顶：当 时，=80.5=0.3066进料板：当 时，=92.7 =0.2763塔底：当 时，=109.71=0.2285精馏段平均粘度=0.3066+0.27632 =0.2915提馏段平均粘度=0.2285+0.27632 =0.25243.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算与板间距的确定3.4.1
17、塔径的计算（1）精馏段塔径计算精馏段的气、液相体积流率=3600=246.880.4536002.98=1.853/=3600=167.537182.163600814.622=0.0046943/15由 =式中 由=20(20)0.2计算，式中 是由化工原理 （下）史密斯关联图查出，20图的横坐标为 ()12=0.0044741.85(814.6222.98)12=0.0411取板间距 ，板上液层高度 ，则=0.50 =0.06=0.050.06=0.44由化工原理 （下）史密斯关联图查出， 20=0.10=20(20)0.2=0.10(20.723520)0.2=0.1007= =1.65
18、/安全系数为 0.7，则空塔气速为=0.7=0.71.65=1.155/=4=41.851.551.41按标准塔径圆整后为 =0.16（2）提馏段塔径计算提馏段的气、液相体积流率16= 3600=246.887.336003.27=1.833/=3600=330.696688.9453600790.45=0.01033/由=式中 由 计算，式中 是由化工原理 （下）史密斯关联图查 =20(20)0.2 20出，图的横坐标为()12=0.01031.83(790.453.27)12=0.0875取板间距 ，板上液层高度 ，则=0.50 =0.06=0.050.06=0.44由化工原理 （下）史密
19、斯关联图查出， 20=0.096=20(20)0.2=0.096(19.227520)0.2=0.0952= =1.485/安全系数为 0.7，则空塔气速为17=0.7=0.71.485=1.0394/=4= 41.851.0394=1.4968按标准塔径圆整后为 =0.16由此塔径都取 1.6m塔截面积为=42=41.62=2.012实际空塔气速为精馏段 =1.852.01=0.896/提馏段 =1.832.01=0.894/3.4.2 塔高度计算精馏段有效高度 精 =（ 精 -2） =（ 152） 0.5=6.5 提馏段有效高度 提 =（ 提 -2） =（ 172） =7.5精馏与提馏各开
20、一人孔，其高度为 0.8m.所以精馏塔有效高度为 =精 +提 +20.8=6.5+7.5+20.8=15.63.5 塔板主要工艺尺寸计算3.5.1 溢流装置的计算塔径 D=1.6m，选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘。精馏段的各项计算如下：（） 堰长 取 =0.7=0.71.6=1.12 （） 溢流堰高度 由 =18选用平直堰，堰上液层高度 用弗兰西斯公式计算，=2.841000()23=0.00447436001.12 =14.38查化工原理 （下）液流收缩系数计算图得： =1.024=2.841000()23=0.0172板上清液高度 =0.06故 =0.060.172=0.0428(3
21、) 弓形降液管宽度 和截面积 由=0.7查化工原理 （下）弓形降液管宽度与面积表得=0.094 =0.151 故 =0.0942.01=0.1892 =0.01511.6=0.2416 依据 验算液体在降液管中停留的时间 ，=3600=3600 =36000.1890.50.004473600=21.125故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度 0190= 36000取 0=0.24/则 0= 36000=0.004474360036001.120.24=0.0167-0=0.0428-0.0167=0.02610.006故降液管底隙高度设计合理。选用凹型受液盘，深度 =0.06提馏段的各项计
22、算如下：（1）堰长 取 =0.7=0.71.6=1.12 （2）溢流堰高度 由 =选用平直堰，堰上液层高度 用弗兰西斯公式计算，=2.841000()23=0.010336001.12 =31.14查化工原理 （下）液流收缩系数计算图得： =1.042=2.841000()23=0.0252板上清液高度 =0.06故 =0.060.0252=0.0348(3) 弓形降液管宽度 和截面积 由=0.7查化工原理 （下）弓形降液管宽度与面积表得 =0.094 =0.151 20故 =0.0942.01=0.1892 =0.01511.6=0.2416 依据 验算液体在降液管中停留的时间，=3600=
23、3600 =36000.1890.50.0.01033600=9.1475故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度 00= 36000取 0=0.24/则 0=36000= 0.0103360036001.120.24=0.00.0259-0=0.0348-0.00259=0.00890.006故降液管底隙高度设计合理。选用凹型受液盘，深度 =0.063.5.2 塔板布置（1）塔板的分块因 ,故塔板采用分块式。查表 3-8，塔板分为 4 块。800表 3-8 塔板分块数（2）边缘区宽度计算取 =0.08 =0.06 =0.2416（3）开孔区面积计算开孔区面积 按公式 计算 =2（ 22+218
24、0sin1）其中 =2(+)=0.8(0.2416+0.08)=0.4784=2=0.80.06=0.7421故 =2（ 22+2180sin1） =1.462（4）筛孔的设计及其排列苯和甲苯无明显腐蚀，可选用 的碳钢，取筛孔直径=3 0=5筛孔按正三角形排列，孔中心距 t 为=30=15筛孔数目 n 为=1.1152 =1.1151.460.00152 =6724个开孔率 为=0.907（ 0） 2=0.907(515)2=10.1%气体通过阀孔的气速为精馏段： 0= 0= 1.851.460.101=12.54/提馏段： 0= 0= 1.831.460.101=12.43/3.6 筛板的流
25、体力学验算3.6.1 精馏段筛板的流体力学验算（1）塔板压降平板阻力 计算干板阻力 由式 =0.051（0） 2()计算由 ，查化工原理 （下）干筛孔的流量系数图得：0=53=1.67 0=0.782故 液柱=0.051（0） 2()=0.050气体通过液层阻力 计算1气体通过液层阻力 由式 计算1 1=22= = 1.852.010.189=1.016/0=0.5222.98=1.75/查化工原理课程设计充气系数关联图 =0.53故 液柱1=（ +） =0.530.06=0.0318液体表面张力的阻力 计算液体表面张力的阻力 由 式 计算， =40液柱=420.07807.139.810.0
26、05=0.0021气体通过每层塔板的液柱高度 由式 计算， =+1+液柱=0.050+0.0318+0.0021=0.0839气体通过每层塔板的压降为 =0.0839807.1319.8=663.64稳定系数为23=0=12.545.65=2.211.5故本设计中无明显漏液。（4）泛液为了防止塔内发生泛液，降液管内液层高度 应服从公式的关系，（ +）取 ，则=0.6液柱（ +） =06（ 0.6+0.0428） =0.3857而 ,其中 计算，算的 液柱=+ =0.153（ 0）2 =0.00881则 液柱=0.08394+0.06+0.00881=0.1527稳定系数为=0=12.335.6
27、5=2.151.5故本设计中无明显漏液。（4）泛液为了防止塔内发生泛液，降液管内液层高度 应服从公式的关系，（ +）取 ，则=0.6液柱（ +） =06（ 0.6+0.0428） =0.381而 ,其中 计算，算的 液柱=+ =0.153（ 0）2 =0.00881则 m 液柱=0.08394+0.06+0.00881=0.152725（ +）故在设计中不会发生泛液现象。 3.7 塔板负荷性能图3.7.1 精馏段塔板负荷性计算（1）漏液线由=4.40(0.0056+0.13 ) =， 0 =+=2.841000()23联合整理得,=0.504727.1823+2.455在操作范围内，任取几个
28、值，按公式计算出 ，计算结果如表 3-9. 由上表 3-9 的数据可作出漏液线 1.(2)液沫夹带线以 为限，求 关系如下：=0.1/液 / 气 -由 =5.7106 ( )3.2 = = 2.010.189=055 =2.5=2.5(+)=0.0428=2.841000()23求得 =0.107+1.54642326整理的 =4.381817.235323在操作范围内，任取几个 值，按公式计算出 ，计算结果如表 3-10. 由上表 3-10 的数据可作出液沫夹带线 2（3）液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上层清液 作为最小液体负荷标准。由公式得=0.006=2.841000()23取 E=1
29、.024，则 =2.8410001.024(36001.12)23=0.006整理得 。 =0.000972203/由此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线 3（4）液相负荷下限线以 作为液体在降液管中时间的下限=4由 =4 整理得 。 =0.023623/由此可以做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线 4（5）泛液线令 =（ +） 由 =+=+1+联令两式得 +（ 1） =（ +1） +忽略 ，并整理得 2=223式中27=0.051(00)2()=+（ 1） =0.153(0)2=0.00284(1+)(3600)23代入数据整理得 2=18.320795.81268.323在操作范
30、围内，任取几个 值，按公式计算出 ，计算结果如表 3-11 由上表 3-11 的数据可做出泛液线 5根据以上各线方程，可作出精馏段筛板塔的负荷性能图，如图 3-12 所示2.7.2 提馏段塔板负荷性能计算28（1）漏液线由=4.40(0.0056+0.13 ) =， 0 =+=2.841000()23联合整理得,=0.504719.43523+1.988在操作范围内，任取几个 值，按公式计算出 ，计算结果如表 3-13. 由上表 3-13 的数据可作出漏液线 1.(2)液沫夹带线以 为限，求 关系如下：=0.1/液 / 气 -由 =5.7106 ( )3.2 = = 2.010.189=055 =2.5=2.5(+)=0.0348=2.841000()23求得 =0.087+1.546423整理的 =4.381817.235323在操作范围内，任取几个 值，按公式计算出 ，计算结果如表 3-14 .
