化工原理课程设计苯甲苯板式精馏塔

               ——苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计

学    院 ：       生命科学学院       

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     指导老师 ：                          

一、序言     2

二、设计任务     2

三、设计条件     2

四、设计方案     2

五、工艺计算     3

1、设计方案的选定及基础数据的搜集    5

2、精馏塔的物料衡算    6

3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算    10

4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算    15

5、塔板主要工艺尺寸的计算    16

6、筛板的流体力学验算    19

7、塔板负荷性能图    22

六、设计结果一览表    27

七、参考书目    28

八、心得体会    28

九、附录    29

一、序言

    化工原理课程设计是综合运用化工原理课程和有关先修课程物理化学,化工制图等所学知识,完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学,是理论联系实际的桥梁,在整个教学中起着培养学生能力的重要作用;通过课程设计,要求更加熟悉工程设计的基本内容,掌握化工单元操作设计的主要程序及方法,锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力,问题分析能力,思考问题能力,计算能力等;

    精馏是分离液体混合物含可液化的气体混合物最常用的一种单元操作,在化工,炼油,石油化工等工业中得到广泛应用;精馏过程在能量剂驱动下有时加质量剂,使气液两相多次直接接触和分离,利用液相混合物中各组分的挥发度的不同,使易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,实现原料混合液中各组分的分离;根据生产上的不同要求,精馏操作可以是连续的或间歇的,有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离;本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计,即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯,采用连续操作方式,需设计一板式塔将其分离;

二、设计任务

1原料液中苯含量：质量分率＝75％质量,其余为甲苯;

2塔顶产品中苯含量不得低于98％质量;

3残液中苯含量不得高于％质量;

4生产能力：90000 t/y苯产品,年开工310天;

三、设计条件

1精馏塔顶压强：表压      

2进料热状态：自选

3回流比：自选;                  

4单板压降压：≯ 

四、设计方案

1设计方案的确定及流程说明

2塔的工艺计算

3塔和塔板主要工艺尺寸的设计

4塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算;

5编制设计结果概要或设计一览表

6辅助设备选型与计算

7绘制塔设备结构图

五、工艺计算

1、设计方案的选定及基础数据的搜集

本设计任务为分离苯一甲苯混合物;由于对物料没有特殊的要求,可以在常压下操作;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人精馏塔内;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比的倍;

塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐;其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝,热效率比较低,但塔顶冷凝器放出的热量很多,但其能量品位较低,不能直接用于塔釜的热源,在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一,充分利用了能量;塔板的类型为筛板塔精馏,筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔,孔径一般为3～8mm,筛孔在塔板上作正三角形排列;筛板塔也是传质过程常用的塔设备,它的主要优点有：

    １ 结构比浮阀塔更简单,易于加工,造价约为泡罩塔的60％,为浮阀塔的80％左右;

    ２ 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加10～15％;

    ３ 塔板效率高,比泡罩塔高15％左右;

    ４ 压降较低,每板压力比泡罩塔约低30％左右;

    筛板塔的缺点是：

    １ 塔板安装的水平度要求较高,否则气液接触不匀;

    ２ 操作弹性较小约2～3;

３ 小孔筛板容易堵塞;

下图是板式塔的简略图：

表1  苯和甲苯的物理性质

1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 

苯的摩尔质量 

甲苯的摩尔质量 

2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 

3物料衡算 

原料处理量

总物料衡算 

苯物料衡算 联立解得

式中  F------原料液流量

      D------塔顶产品量

      W------塔底产品量

塔板数的确定 

1理论板层数NT的求取 

苯一甲苯属理想物系,可采逐板计算求理论板层数; 

①求最小回流比及操作回流比; 采用恩特伍德方程求最小回流比;

解得,最小回流比

               取操作回流比为

②求精馏塔的气、液相负荷 

     泡点进料：q=1

③求操作线方程     精馏段操作线方程为

提馏段操作线方程为

2逐板法求理论板

又根据    可解得    =   

相平衡方程     解得

       变形得      

用精馏段操作线和相平衡方程进行逐板计算

 =   ,  =

,  

,   

,   

,  

,   

因为,

故精馏段理论板 n=5,用提留段操作线和相平衡方程继续逐板计算

,

,

,

,

,

因为,

所以提留段理论板 n=5不包括塔釜

3全塔效率的计算

查温度组成图得到,塔顶温度TD=℃,塔釜温度TW=105℃,全塔平均温度Tm =℃;

分别查得苯、甲苯在平均温度下的粘度

,

平均粘度由公式,得

全塔效率ET

4求实际板数

 精馏段实际板层数

提馏段实际板层数

进料板在第11块板;

3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

1操作压力计算 

塔顶操作压力P＝4+ kPa

每层塔板压降 △P＝ kPa

进料板压力＝+×10＝ kPa

塔底操作压力=  kPa

精馏段平均压力 P m1 ＝+／2＝ kPa

提馏段平均压力P m2 =+/2 = 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、甲苯的饱和蒸气压由 

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＝℃ 

塔底温度=℃

精馏段平均温度= .+/2 = ℃

提馏段平均温度=+/2 =℃

3平均摩尔质量计算 

塔顶平均摩尔质量计算 

由xD=y1=,代入相平衡方程得x1=

进料板平均摩尔质量计算 

由上面理论板的算法,得＝, ＝

塔底平均摩尔质量计算

由xw=,由相平衡方程,得yw=

精馏段平均摩尔质量 

提馏段平均摩尔质量

（4）平均密度计算 

（5）①气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算,精馏段的平均气相密度即 

提馏段的平均气相密度

②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tD＝℃,查手册得 

塔顶液相的质量分率 

进料板液相平均密度的计算 

由tF＝℃,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tw＝℃,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

5 液体平均表面张力计算 

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 tD＝℃,查手册得 

进料板液相平均表面张力的计算 

由tF＝℃,查手册得 

塔底液相平均表面张力的计算 

由 tW＝℃,查手册得 

精馏段液相平均表面张力为 

提馏段液相平均表面张力为 

6 液体平均粘度计算 

液相平均粘度依下式计算,即 

μLm=Σxiμi

塔顶液相平均粘度的计算 

由 tD＝℃,查手册得 

进料板液相平均粘度的计算 

由tF＝℃,查手册得 

塔底液相平均粘度的计算 

由tw＝℃,查手册得 

精馏段液相平均粘度为 

提馏段液相平均粘度为 

7气液负荷计算

     精馏段：

   提馏段：

4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 

 1 塔径的计算

塔板间距HT的选定很重要,它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性,以及塔的安装、检修等都有关;可参照下表所示经验关系选取;

表7  板间距与塔径关系

初选板间距,取板上液层高度,

故；

查史密斯关联图 得C20=；依式

校正物系表面张力为时

可取安全系数为,则安全系数—,

故

按标准,塔径圆整为,则空塔气速s;

对提馏段：

初选板间距,取板上液层高度,

故；

查2：图3—8得C20=；依式=

校正物系表面张力为时

按标准,塔径圆整为,则空塔气速s;

将精馏段和提溜段相比较可以知道二者的塔径不一致,根据塔径的选择规定,对于相差不大的二塔径取二者中较大的,因此在设计塔的时候塔径取;

5、塔板主要工艺尺寸的计算

(1)溢流装置计算 

精馏段

因塔径D＝,可选用单溢流弓形降液管,采用平行受液盘;对精馏段各项计算如下： 

a溢流堰长：单溢流去lW=～D,取堰长为=×=

b出口堰高：

故   

c降液管的宽度与降液管的面积：

由查2：图3—13得,

故  ,

利用2：式3—10计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,

即大于5s,符合要求

d降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速

依2：式3—11：符合

e受液盘

  采用平行形受液盘,不设进堰口,深度为60mm

同理可以算出提溜段相关数据如下：

a溢流堰长：单溢流去lW=～D,取堰长为=×=

b出口堰高：

由

查知E=,依式

可得

故

c降液管的宽度与降液管的面积：

由      

查图得,    

故

计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积,

即大于5s,符合要求

d降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速s

  m符合

2 塔板布置 

精馏段

①塔板的分块 

因D≥800mm,故塔板采用分块式;塔极分为4块;对精馏段：

a)取边缘区宽度

安定区宽度

b计算开空区面积

,

解得,

c筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为,正三角形排列,一般碳的板厚为,取,

故孔中心距5×5=

筛孔数

则每层板上的开孔面积为

气体通过筛孔的气速为

6、筛板的流体力学验算 

塔板的流体力学计算,目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作,以便决定对有关塔板参数进行必要的调整,最后还要作出塔板负荷性能图;

1 气体通过筛板压强相当的液柱高度计算       

精馏段：

a)干板压降相当的液柱高度：依,查干筛孔的流量系数图得,C0=由式

b气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：

,

  由与关联图查得板上液层充气系数=,依式

c克服液体表面张力压降相当的液柱高度：

依式

,

故

则单板压强：

(2) 液面落差 

(3) 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 雾沫夹带

故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带;

   4 漏液

由式

筛板的稳定性系数,故在设计负荷下不会产生过量漏液;

  5 液泛

为防止降液管液泛的发生,应使降液管中清液层高度

依式,  而

取,则

故在设计负荷下不会发生液泛;

根据以上塔板的各项液体力学验算,可认为精馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的;

同精馏段公式计算,提溜段各参数计算如下：

1 气体通过筛板压强相当的液柱高度计算

a)干板压降相当的液柱高度：

b气体穿过板上液层压降相当的液柱高度：

,       

  由与关联图查得板上液层充气系数=,依式

c克服液体表面张力压降相当的液柱高度：

, 

故

则单板压降：

 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

故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带;

4 漏液

   查得： 

筛板的稳定性系数,故在设计负荷下不会产生过量漏液;

5 液泛

为防止降液管液泛的发生,应使降液管中清液层高度

依式,  而

取,则

故在设计负荷下不会发生液泛;

根据以上塔板的各项液体力学验算,可认为提馏段塔径及各项工艺尺寸是适合的;

7、塔板负荷性能图 

精馏段：

1 雾沫夹带线 

雾沫夹带量

取,前面求得,

代入,整理得：

在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-19; 

表8

2 液泛线 

由E=,lW=得：

已算出,

,,

代入,整理得：

在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-20; 表10

3 液相负荷上限线 

以θ＝4s作为液体在降液管中停留时间的下限, 

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线m3/s; 

4 漏液线 

由和,

代入得：

整理得：

在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于表3-21; 表11

5 液相负荷下限线 

对于平直堰,取堰上液层高度hOW＝作为最小液体负荷标准;E=

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线5;

根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图,如图所示; 

图1 精馏段筛板负荷性能图 

在负荷性能图上,作出操作点P,连接OP,即作出操作线;由图可看出,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为漏液控制;

同精馏段,得出提馏段的各曲线为：

(1) 雾沫夹带线 

整理得：

(2)  液泛线 

已知E=  lw=,同理精馏段得：

由此可作出精馏段液泛线2;

3 漏液线 

整理得：

据此可作出漏液线3; 

4 液相负荷上限线 

以θ＝5s作为液体在降液管中停留时间的下限,

据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线; 

5 液相负荷下限线 

以how＝5s作为液体在降液管中停留时间的下限,

整理得：

由此可作出液相负荷下限线5; 根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图,如图所示; 

六、设计结果一览表

  本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套苯－甲苯物系的分离的塔板式连续精馏塔设备;通过近两周的团队努力,反经过复杂的计算和优化,我们三人组终于设计出一套较为完善的塔板式连续精馏塔设备;其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求,而且操作弹性大,生产能力强,达到了预期的目的;                    

通过这次课程设计我经历并学到了很多知识,熟悉了大量课程内容,懂得了许多做事方法,可谓是我从中受益匪浅,我想这也许就是这门课程的最初本意;从接到课题并完成分组的那一刻起我们就立志要尽最大努力把它做全做好;首先,我们去图书馆借阅了大量有关书籍,并从设计书上了解熟悉了设计的流程和方法;通过查阅资料我们从对设计一无所知变得初晓门路,而进一步的学习和讨论使我们使我们具备了完成设计的知识和方法,这使我们对设计有了极大的信心,我们确定了设计方案和具体流程及设计时间表,然后就进入了正是的设计工作当中;  

八、参考文献

1 张浩勤,陆美娟.化工原理第二版上下册. 北京：化学工业出版社,2006.

2    路秀林,王者相. 化工设备设计全书塔设备M. 北京：化学工业出版社,2004.

3 姚玉英.天津大学出版社上下册,2003.

4 王志魁. 化工原理第四版M. 北京：化学工业出版社,2010.

5 王为国. 化工原理课程设计M. 北京：化学工业出版社,2010.

6 马沛生. 化工数据. 北京：中国石化出版社,2003.