10 萬噸年苯-甲苯分離板式精餾塔設計
苯-甲苯分離板式精餾塔的設計
1.概述…………………………………………………………………………1
1.1設計題目…………………………………………………………………1
1.2操作條件…………………………………………………………………1
2.設計內(nèi)容……………………………………………………………………1
2.1本設計任務為分離苯—甲苯混合物……………………………………1
2.2 精餾塔的物料衡算………………………………………………………1
2.2.1原料液及塔頂、塔底的摩爾分率…………………………………1
2.2.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量………………………2
2.2.3 物料衡算……………………………………………………………2
2.3塔板數(shù)的確定……………………………………………………………2
2.3.1 理論板層數(shù)的求取……………………………………………2
2.3.2實際板層數(shù)的求取…………………………………………………3
2.4精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算……………………………3
2.4.1操作壓力的計算……………………………………………………3
2.4.2 操作溫度計算………………………………………………………3
2.4.3 平均摩爾質(zhì)量計算…………………………………………………4
2.4.4平均密度計算………………………………………………………4
2.4.4.1氣相平均密度計算……………………………………………4
2.4.4.2液相平均密度計算……………………………………………4
2.4.5 液體平均表面張力的計算…………………………………………5
2.4.6液體平均粘度…………………………………………………………5
2.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算………………………………………………6
2.5.1塔徑的計算…………………………………………………………6
2.5.2精餾塔有效高度的計算……………………………………………7
2.6塔板主要工藝尺寸的計算…………………………………………………7
2.6.1溢流裝置計算………………………………………………………7
2.6.1.1堰長…………………………………………………………7
2.6.1.2溢流堰高度…………………………………………………7
2.6.1.3弓形降液管寬度和截面積……………………………8
2.6.1.4降液管底隙高度……………………………………………8
2.6.2塔板布置………………………………………………………………8
2.6.2.1塔板的分塊……………………………………………………8
2.6.2.2邊緣區(qū)寬度確定………………………………………………8
2.6.2.3開孔區(qū)面積計算………………………………………………8
2.6.2.4篩孔計算及排列. ……………………………………………9
2.7 塔板的流體力學驗算………………………………………………………9
2.7.1塔板壓降………………………………………………………………9
2.7.1.1干板阻力計算………………………………………………9
2.7.1.2氣體通過液層的阻力計算…………………………………9
2.7.1.3液體表面張力的阻力計算…………………………………10
2.7.2液面落差……………………………………………………………10
2.7.3液沫夾帶……………………………………………………………10
2.7.4漏液…………………………………………………………………10
2.7.5液泛…………………………………………………………………11
2.8 塔板負荷性能圖…………………………………………………………11
2.8.1漏液線………………………………………………………………11
2.8.2液沫夾帶線…………………………………………………………12
2.8.3液相負荷下限線……………………………………………………13
2.8.4液相負荷上限線……………………………………………………13
2.8.5液泛線………………………………………………………………13
3. 設計數(shù)據(jù)一覽表……… …………………………………………………15
4.總結…………………… ……… ……………………………………………16
5.參考文獻及設計圖 ………………………………………………………16
苯-甲苯分離板式精餾塔的設計
1.概述
1.1設計題目
試設計一座連續(xù)精餾塔用于分離苯－甲苯混合液，原料液中含苯 20% （質(zhì)量分數(shù)）。要求年產(chǎn)純度為 95% 的苯 10 萬噸/年，塔釜餾出液中含苯不得高于 3% （質(zhì)量分數(shù)）。
① 要求塔頂苯的含量為 95% （質(zhì)量分數(shù)）。
② 要求苯的回收率為 95% 。
（說明：①和②的條件滿足其一）
1.2操作條件
1.2.1塔頂壓力 常壓
1.2.2進料熱狀態(tài) 泡點進料
1.2.3回流比 取最小回流比的2倍
1.2.4塔底加熱蒸氣壓力 0.5Mpa（表壓）
1.2.5單板壓降 ≤0.7kPa
1.2.6塔板類型 篩板塔
1.2.7工作日 每年工作日為300天，每天24小時連續(xù)運行。
2.設計內(nèi)容
2.1本設計任務為分離苯—甲苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。該物系塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。
2.2 精餾塔的物料衡算
2.2.1原料液及塔頂、塔底的摩爾分率：
苯的摩爾質(zhì)量 =78.11kg/kmol
甲苯摩爾質(zhì)量=92.13kg/kmol
2.2.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量
2.2.3 物料衡算
原料處理量
總物料衡算 F = 176.46 + W
苯物料衡算 0.228F =0.957×176.46 + 0.035W
聯(lián)立解得 F = 842.99kg/h W = 666.53kg/h
2.3塔板數(shù)的確定
2.3.1 理論板層數(shù)的求取
苯—甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)
2.3.1.1由手冊查得苯—甲苯物系的汽液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖，
2.3.1.2 求最小回流比及操作回流比
采用作圖法求最小回流比，在圖中對角線上，自點e（0.228，0.228）作垂線ef即為進料線（q線），該線與平衡線的交點坐標為
=0.425 =0.228
故最小回流比為
取操作回流比為
=2=22.70=5.40
2.3.1.3 求精溜塔的氣，液相負荷
L=RD=5.40×176.46=952.88kmol/h
V=（R+1）D=（5.40+1）×176.46=1129.34kmol/h
L′=L+F=952.88+842.99=1795.87 kmol/h
V′= V =1129.34kmol/h
2.3.1.4求操作線方程
精餾段操作線方程為
提餾段操作線方程為
2.3.1.5逐板法求理論板層數(shù)
總理論板層數(shù)=11（包括再沸器）
進料板位置=7
2.3.2實際板層數(shù)的求取
精餾段實際板層數(shù)=6/0.52=11.54≈12
提餾段實際板層數(shù)=4/0.52=7.69≈8
2.4精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算
2.4.1操作壓力的計算
塔頂操作壓力 =101.30 kPa
每層塔板壓降 P=0.7 kpa
進料板壓力 =101.30+0.712=109.70 kpa
精餾段平均壓力=(101.30+109.70)/2=105.50 kpa
2.4.2 操作溫度計算
查苯—甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù)，由內(nèi)插法求得
塔頂溫度 =81.2°C
進料板溫度 =102.2℃
精餾段平均溫度 =(81.2+102.2)/2=91.7℃
2.4.3 平均摩爾質(zhì)量計算
塔頂平均摩爾質(zhì)量計算
由 = =0.957，查平衡曲線，得
= 0.899
=0.957*78.11+（1-0.957）*92.13=78.71 kg/kmol
=0.899*78.11+（1-0.899）*92.13=79.53 kg/kmol
進料板平均摩爾質(zhì)量計算
=0.348
=0.176
=0.348*78.11+（1-0.348）*92.13=87.25kg/kmol
=0.176*78.11+（1-0.176）*92.13=89.66kg/kmol
精餾段平均摩爾質(zhì)量
=（78.71+87.25）/2=82.98 kg/kmol
=（79.53+89.66）/2=84.60kg/kmol
2.4.4平均密度計算
2.4.4.1氣相平均密度計算
由理想氣體狀態(tài)方程計算，即
kg/
2.4.4.2液相平均密度計算
液相平均密度依上式計算，即
塔頂液相平均密度的計算
由 = 91.7 ℃，查手冊得
= 801.84 kg/ =798.48 kg/
kg/
進料板液相平均密度的計算
由 =102.2，查手冊得
= 789.79 kg/ =788.07 kg/
進料板液相的質(zhì)量分率
kg/
精餾段液相平均密度為
kg/
2.4.5 液體平均表面張力的計算
液相平均表面張力依下式計算
塔頂液相平均表面張力的計算
由查手冊得
進料板液相平均表面張力的計算
由℃ 查手冊得
精餾段液相平均表面張力：
2.4.6液體平均粘度
液相平均粘度依下式計算，即
塔頂液相平均粘度的計算
由tD=81.2查手冊得
解出
進料板液相平均粘度的計算
由tF=102.2℃，查手冊的
解出
精餾段液相平均粘度的計算
2.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算
2.5.1塔徑的計算
精餾段的氣、液相體積流率為
由
式中C由5-5計算，其中的由圖5-1查取，圖的橫坐標為
取板間距，板上液層高度，則
-=0.400-0.10=0.300m
查圖5-1得 =0.062
C==0.062
取安全系數(shù)為0.70 ，則空塔氣速為
按標準塔徑圓整后為 D=4.0m
塔截面積為
實際空塔氣速為
2.5.2精餾塔有效高度的計算
精餾段有效高度為
提餾段有效高度為
在進料板上方開一人孔，其高度為：0.8m
故精餾塔的有交高度為
2.6塔板主要工藝尺寸的計算
2.6.1溢流裝置計算
因塔徑D＝4.0 m，可選用雙溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：
2.6.1.1堰長
取 = 0.60 D= 0.604.0=2.4m
2.6.1.2溢流堰高度
由
選用平直堰，堰上液層高度由式5-7計算，即
=
近似取E=1，則
=
取板上清液層高度100mm
故 0.10-0.0343=0.0657m
2.6.1.3弓形降液管寬度和截面積
由 0.60
查圖5-7 得
0.0555 0.120
故 =0.0555=0.055512.56=0.697
= 0.120D=0.1204.0=0.480
依式5-9 驗算液體在降液管中停留時間，即
故降液管設計合理
2.6.1.4降液管底隙高度
取
則
>0.006 m
故降液管底隙高度設計合理
選用凹形受液盤，深度=50mm
2.6.2塔板布置
2.6.2.1塔板的分塊
因 D800mm，故塔板采用分塊式。查表5-3得，塔板分為6塊以上。
2.6.2.2邊緣區(qū)寬度確定
取
2.6.2.3開孔區(qū)面積計算
開孔區(qū)面積按式
計算
其中0.480/2+0.100＝0.340
4.0/2-（0.480+0.100）=1.420m
4.0/2-0.05=1.950m
故
2.6.2.4篩孔計算及排列.
篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為
篩孔數(shù)目n為
開孔率為
氣體通過閥孔的氣速為
2.7 塔板的流體力學驗算
2.7.1塔板壓降
2.7.1.1干板阻力計算
干板阻力由式計算
由 5/3=1.667，查圖5-10得，0.772
故 液柱
2.7.1.2氣體通過液層的阻力計算
氣體通過液層的阻力由式計算
查圖5-11，得0.62。
故 m液柱
2.7.1.3液體表面張力的阻力計算
液體表面張力的阻力可按式計算，即
液柱
氣體通過沒層塔板的液柱高度可按下式計算，即
液柱
氣體通過每層塔板的壓降為
〈0.7kpa
2.7.2液面落差
對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。
2.7.3液沫夾帶
液沫夾帶量由下式計算，即
故 〈0.1
2.7.4漏液
對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即
實際孔速>
穩(wěn)定系數(shù)為
2.7.5液泛
為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應服從下式的關系，即
丙酮——水物系屬一般物系，取，則
而
板上不設進口堰，可由下式計算，即
液柱
液柱
故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象
2.8 塔板負荷性能圖
2.8.1漏液線
由
=
=
得
整理得
在操作數(shù)據(jù)內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于表
， 0.001 0.010 0.020 0.030 0.040
， 4.693 5.236 6.574 5.843 6.019
由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1
2.8.2液沫夾帶線
以 = 0.1 kg液/kg氣為限，求關系如下
由
=
=0.0657
=
故
整理得 =17.509-69.018
在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于表
， 0.0010 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400
， 16.819 12.424 9.4370 6.9310 5.2350
由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2
2.8.3液相負荷下限線
對于平直堰，取堰上液層高度= 0.006 m作為最小液體負荷標準。由式5-7得
取 E=1.00，則
據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3
2.8.4液相負荷上限線
以 = 4 s 作為液體在降液管中停留時間的下限，由式5-9 得
4
故
據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線4
2.8.5液泛線
令
由
聯(lián)立得
忽略，將與與與的關系式代入上式，并整理得
式中
將有關的數(shù)據(jù)代入，得
故
在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于表
， 0.0010 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400
， 14.628 13.145 11.708 10.087 8.0440
由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5
根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖所示
在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即作出操作線，由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為液漏控制，由圖5-20查得
故操作彈性為
所設計篩板的主要結構匯總于下表。
3. 設計數(shù)據(jù)一覽表
表 篩板塔設計計算結果
序號
項目
數(shù)值
1
平均溫度，℃
91.7
2
平均壓力，
105.5
3
氣相流量，
9.020
4
液相流量，
0.028
5
實際塔板數(shù)
18
6
有效段高度
7.6
7
塔徑，
4.0
8
板間距，
0.4
9
溢流形式
雙溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰長，
2.4
12
堰高，
0.0657
13
板上液層高度，
0.10
14
堰上液層高度，
0.10
15
降液管管底隙高度，
0.0467
16
安定區(qū)寬度，
0.10
17
邊緣區(qū)寬度，
0.05
18
開孔區(qū)面積，
7.358
19
篩孔直徑，
0.005
20
篩孔數(shù)目
37772
21
孔中心距，
0.015
22
開孔率，%
10.1
23
空塔氣速，
0.718
24
篩孔氣速，
12.14
25
穩(wěn)定系數(shù)
1.675
26
每層塔板壓降，
656.860
27
負荷上限
液泛控制
28
負荷下限
液漏控制
29
液沫夾帶
0.0509
30
氣相負荷上限，
9.98
31
氣相負荷下限，
5.12
32
操作彈性
1.949
4.總結
5.參考文獻：
[1] 上?；瘜W設計院醫(yī)藥工業(yè)設計建設組?；すに囋O計手冊（上冊）。
北京?；瘜W工業(yè)出版社，1996
[2] 賈紹義，柴成敬. 化工原理課程設計. 天津大學出版社，2002.
[3] 楊祖榮.化工原理.化學工業(yè)出版社.2004
[4] 汪鎮(zhèn)安. 化工工藝設計手冊（上、下冊）（第三版）. 化學工藝出版社，2003.
16