化工原理课程设计--苯-甲苯连续精馏塔的工艺设计

目录第1章前言 (3)1.1设计题目 (3)1.2精馏及精馏流程 (3)1.3精馏的分类 (4)1.4精馏操作的特点 (4)1.5塔板的类型与选择 (5)1.6相关符号说明 (5)第2章精馏塔的精馏段的设计计算 (7)2.1设计方案的确定 (7)2.2精馏塔的物料衡算 (7)2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (7)2.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (7)2.2.3物料衡算 (8)2.3塔板数的确定 (8)2.3.1理论板层数的确定 (8)2.3.2实际板层数求取 (10)2.4精馏塔的精馏段工艺条件及有关物性数据的计算 (11)2.4.1精馏段的操作压力 (11)2.4.2精馏段的操作温度 (11)2.4.3精馏段气、液混合物的平均摩尔质量 (11)2.4.4精馏段气、液相的平均密度 (12)2.4.5精馏段液相平均表面张力 (12)2.5精馏段的塔体工艺尺寸计算 (13)2.5.1精馏段塔径和实际空塔气速的确定 (13)2.5.2精馏段精馏塔有效高度的求取 (15)2.6精馏段塔板主要工艺尺寸的计算 (15)2.6.1精馏段溢流装置性能参数的确定 (15)2.6.2精馏段塔板布置及浮阀的数目与排列 (16)2.7精馏段塔板流体力学验算 (18)2.7.1精馏段气相通过浮阀塔板的压降 (18)2.7.2精馏段降液管中清夜层高度的确定 (19)2.8精馏段塔板负荷性能图 (20)2.8.1精馏段雾沫夹带线 (20)2.8.2精馏段液泛线 (21)2.8.3精馏段液相负荷上限线 (22)2.8.4精馏段漏液线 (22)2.8.5精馏段液相负荷下限线 (22)第3章浮阀塔板工艺设计结果一览表 (24)第4章设计过程的评述和讨论 (25)4.1回流比的选择 (25)4.2塔高和塔径 (25)4.3精馏塔的操作和调节 (25)第5章塔附件设计 (26)5.1附件的计算 (26)5.1.1接管 (26)5.1.2筒体与封头 (27)参考文献 (29)课程设计心得 (30)第1章前言1.1 设计题目苯－甲苯连续精馏塔的工艺设计（浮阀塔）1.2 精馏及精馏流程精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。

因此可是混合物得到几乎完全的分离。

精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。

精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药、食品等工业中尤为常见的单元操作。

化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:⑴获得馏出液塔顶的产品；⑵将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；⑶脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。

精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。

在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。

根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

1.3 精馏的分类按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。

化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。

多组分精馏的特点：⑴能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大；⑵流程短，设备投资费用少；⑶耗能量低，收率高，操作费用低；⑷操作管理方便。

1.4精馏操作的特点从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。

但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：（1)沸点升高精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。

在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。

（2)物料的工艺特性精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。

如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。

（3)节约能源精馏汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。

如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。

1.5塔板的类型与选择塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业应用以错流式塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。

我们应用的是浮阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。

它具有结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。

1.6相关符号说明英文字母Aa—塔板开孔区面积,m2；Af —降液管截面积,m2；A0 —筛孔总面积,m2；AT —塔截面积,m2；c0 —流量系数,无因次；C ——计算umax时的负荷系数,m/s；CS —气相负荷因子,m/s；d——填料直径,m；d0——筛孔直径,m；D ——塔径,m；ev—液体夹带量,kg（液）/kg（气）；E——液流收缩系数,无因次；ET—总板效率,无因次；F—气相动能因子,kg1/2/(s·m1/2）；F0—筛孔气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2) ；g——重力加速度,9.81m/ s2；h——填料层分段高度,m；h1—进口堰与降液管间的水平距离,m；hc—与干板压降相当的液柱高度,m液柱；hd—与液体流过降液管的压降相当的液柱hf—塔板上鼓泡层高度,m；h1 —与板上液层阻力相当的液柱高度,m；hL—板上清液层高度,m；h0—降液管的底隙高度,m；hOW—堰上液层高度,m；hW—出口堰高度,m；h,W—进口堰高度,m；hб——与阻力表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱；H——板式塔高度,m；Hd——降液管内清液层高度,m；H D——塔顶空间高度,m；HF——进料板处塔板间距,m；HP——人孔处塔板间距,m；HT——塔板间距,m；K——稳定系数,无因次；LW—堰长,m；Lh —液体体积流量,m3/h；Ls —液体体积流量,m3/s；Lw —润湿速率,m3/(m·s)；m——相平衡系数,无因次；n——筛孔数目；NT——理论板层数；P——操作压力,Pa；△P—压力降,Pa；△PP气体通过每层筛板的降压,Pa；t——筛孔的中心距,m；u——空塔气速,m/s；uF—泛点气速,m/s；u 0—气体通过筛孔的速度,m/s；u,min—漏液点气速,m/s；u′0—液体通过降液管底隙的速度,m/s；Vh——气体体积流量,m3/h；Vs——气体体积流量,m3/s；wL——液体质量流量,kg/s；wV—气体质量流量,kg/s；Wc——边缘无效区宽度,m；Wd——弓形降液管宽度,m；Ws——泡沫区宽度,m；x—液相摩尔分数；X——液相摩尔比；y——气相摩尔分数；Y——气相摩尔分比；Z——板式塔的有效高度,m；填料层高度,m。

下标max—最大的；min—最小的；L——液相的；V——气相的θ——液体在降液管内停留时间,s；μ——粘度,mPa·s；Φ—开孔率或孔流系数，无因次；σ——表面张力,N/m；ρ——密度,kg/m3；第2章 精馏塔的精馏段的设计计算2.1设计方案的确定本设计任务为分离苯和甲苯混合物。

对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。

本设计采用气液两相混合进料。

将原料液通过预热器加热后送入精馏塔内。

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，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，操作回流比取最小回流比的1.5倍。

塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

2.2精馏塔的物料衡算2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯的摩尔质量 78/A M kg kmol = 甲苯的摩尔质量 92/B M kg kmol=0.45/780.4910.45/780.55/92F x ==+ 0.96/780.9660.96/780.04/92D x ==+ 0.04/780.0470.04/780.96/92W x ==+2.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量0.491780.5099285.126F M =⨯+⨯= 0.966780.0349278.476D M =⨯+⨯=2.2.3物料衡算产品产出量 ,400050.97(/)78.476n D q kmol h ==总物料衡算 ,,50.97n F n W q q =+苯物料衡算 ,,0.4910.9660.047n F n Wq q =⨯50.97+联立解得,F ,105.499/54.529/n n W q kmol h q kmol h==2.3塔板数的确定2.3.1理论板层数的确定(1)求最小回流比及操作线回流比由于是饱和液体进料，查表得苯—甲苯的相对挥发度α=2.47。

故最小回流比为()23.11111min =⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=F D F D X X X X R αα取操作回流比为min 1.8 1.5 1.232R R ==⨯≈（2）求精馏塔的气液相负荷'',,,,,,,,,,250.97101.94(/)(1)(21)50.97152.91(/)101.94105.499209.2(/)(1)152.91(/)n L n D n V n D n L n F n L n V n F n V q Rq kmol h q R q kmol h q q q kmol h q q q q kmol h ==⨯= =+=+⨯= =+=+= =+-=（3）操作线方程精馏段操作线方程,,,,0.6670.322n L n D D n Vn Vq q y x x x q q =+=+提留段操作线方程''',,''',, 1.3570.017n L n W W n V n V q q y x x x q q =-=-相平衡方程x x x y P P P 4537.11x537.42)1(1+=-+=αα（4）逐板计算法求理论塔层数逐板计算法是利用相平衡方程与操作线方程从塔顶开始逐板计算各板的汽相和液相组成，从而求得所需要的理论板数。