化工原理課程設計苯-甲苯板式分離

1、13生物工程專業(yè)版式精餾塔設計任務書1309030202苯含量 36%(質量)產品苯含量不低于96%釜液中苯含量不高于4%每小時處理5.5噸塔頂壓強4.5kpa進料熱狀態(tài)30加熱蒸汽600kpa（表壓）回流比 自選單板壓降>0.7kpa湘潭 年平均水溫20第一部分 概述1、 設計題目：苯-甲苯連續(xù)精餾塔設計二、設計任務：試設計分離苯-甲苯混合物的篩板精餾塔。已知原料液的處理量為5500kg/h，組成為0.36（苯的質量分數），要求塔頂餾出液的組成為0.96，塔底釜液的組成為0.04。操作壓力進料熱狀況回流比單板壓降4.5kPa（塔頂表壓）自選自選0.7kPa三、設計條件試根據上述工藝條件

2、作出篩板的設計計算。四、工藝流程圖原料液由高位槽經過預熱器預熱后進入精餾塔內。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經過冷凝器后被送出作為塔頂產品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設置原料槽。產品槽和相應的泵,有時還要設置高位槽。且在適當位置設置必要的儀表（流量計、溫度計和壓力表）。以測量物流的各項參數。第二部分 工藝設計計算一、 設計方案的確定本設計任務書為分離苯-甲苯混合物。對于二元混

3、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，其余部分經產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。二、精餾塔的物料衡算1.原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分數 苯的摩爾質量 =78.11Kg/mol 甲苯的摩爾質量 =92.14Kg/mol =0.3915=0.9662=0.04692.原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量=0.391578.11+(1-0.3915)92.14=86.647Kg/mol =0.966278.11+(1-0.9662)92.14=78.584Kg/mol =0.04

4、6978.11+(1-0.0469)92.14=91.481Kg/mol3.物料衡算原料處理量 =63.476Kmol/h總物料衡算 63.476=D+W 苯物料衡算 63.4760.3915=0.9662D+0.0338W 聯(lián)立解得 D=24.351Kg/mol，W=39.125Kg/mol3、 塔板數的確定 1.理論板層數的求取 苯-甲苯屬理論物系，可采用圖解法求理論板層數。 由手冊查得苯-甲苯物系的氣液平衡數據，繪出x-y圖x00.0580.1550.2560.3760.5080.6590.831y00.1280.3040.4530.5960.720.830.94311.0 1 3 4

5、5 f 6 7 q線 8 e(0.42,0.42) 9 101.00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（0.42，0.42）做垂線，ef即為 進料線（q線），該線與平衡線的交點坐標為： =0.642 =0.420 故最小回流比為：= 取操作回流比為：求精餾塔的氣、液相負荷 Kmol/h Kmol/h Kmol/h Kmol/h求操作線方程 精餾段操作線方程 提餾段操作線方程圖解法求理論板層數 采用圖解法求理論板層數，求解結果為： 總理論板層數，進料板位置2. 實際板層數的求取 精餾段實際板層數： 提餾段實際板層數：4、 精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算

6、 以精餾段為例進行計算。 1.操作壓力計算塔頂操作壓力 kPa每層塔板壓降 kPa進料板壓力 kPa提餾段平均壓力 kPa 2.操作溫度計算依據操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結果如下: 塔頂溫度 進料板溫度 3.平均摩爾質量計算 塔頂摩爾質量計算：由 進料板平均摩爾質量計算 由圖解理論板，得 查平衡曲線，得 提餾段平均摩爾質量 4.平均密度計算氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算，即 液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算： 塔頂液相平均密度計算： 由，查手冊得 進料板液相平均密度計算 由，查手冊得 進料板液相的質

7、量分數計算 精餾段液相平均密度為 5.液相平均表面張力計算 液相平均表面張力依下式計算，即 塔頂液相平均表面張力計算 由，查手冊得 進料板液相平均表面張力計算 由，查手冊得 精餾段液相平均表面張力為： 6.液相平均粘度計算 液相平均粘度依下式計算： 塔頂液相平均粘度計算 由，查手冊得 解得 進料板液相平均粘度計算 由，查手冊得 解得 精餾段液相平均粘度為 5、 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 1.塔徑的計算 精餾段的氣、液相體積流率為： 由， 取板間距，則 查圖得=0.070 按標準塔徑圓整后為 塔截面積為 實際空塔氣速為 2.精餾塔的有效高度的計算 精餾段有效高度為 提餾段有效高度為 在進料板上方

8、開一人孔，其高度為0.8m，故精餾塔的有效高度為 6、 塔板主要工藝尺寸的計算 1.溢流裝置計算篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺寸和結構對塔的性能有著重要影響。根據經驗并結合其他影響因素，當因D=1.0m,可選用單溢流弓形降液管，不設進口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下：堰長 取溢流堰高度 由，選用平直堰，堰上液層高度 近似取E=1，則取板上清液層高度 弓形降液管寬度和截面積 由 故 依式驗算液體在降液管中停留時間，即 故降液管設計合理。降液管底隙高度 取 故降液管底隙高度設計合理。 選用凹形受液盤，深度 2.塔板布置 塔板的分塊 因，故塔板采用分塊式。查表得，板塊分

9、為3快。 邊緣區(qū)快讀確定 取 開孔區(qū)面積計算 開孔區(qū)面積 其中 故 篩孔計算及其排列 本例所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑 篩孔按正三角形排列，取孔中心距 篩孔數目 開孔率為 氣體通過篩孔的氣速為 七、篩板的流體力學驗算 1.塔板壓降 干板阻力 干板阻力 由 故 氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力： 查圖得。故 液體表面張力的阻力計算 液體表面張力所產生的阻力： 氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算： 氣體通過每層塔板的壓降為： 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。 3. 液沫夾帶 液模夾帶量e： 故 在本設計中液沫

10、夾帶量在允許范圍內。4.漏液 對篩板塔，漏液點氣速： 實際孔速 穩(wěn)定系數為 故在本設計中無明顯漏液。5.液泛 為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高 苯-甲苯物系屬一般物系，取，則 板上不設進口堰 故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。八 塔板負荷性能圖1漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。 整理得 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表。0.00060.3030.00150.3130.00300.3250.00450.335 由此表數據即可作出漏液線1。 2.液沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板

11、效率大為降低。對于精餾，一般控制eV0.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關系如下: 由 整理得 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表。0.00061.2090.00151.1490.00301.0720.00451.007 由此表數據即可作出液沫夾帶線2。 3液相負荷下限線液相負荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導致塔板效率下降。 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。 取E=1，則 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。 4.液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在降液

12、管內停留時間過短，進入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。以作為液體在漿液管中停留時間的下限，可得 據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。 5.液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學驗算中通常對降液管液泛進行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內須維持一定的液層高度Hd令聯(lián)立得 式中 將有關數據帶入，得： 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表：0.00061.2380.00151.1550.00301.0360.

13、00450.919 由此表數據即可作出液泛線5 根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖： 泡沫夾帶線2 下 液泛線5 限 線上 3 限 線4A 漏液線1 0 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，該篩板上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得 故操作彈性為 九、設計一覽表將設計篩板的主要結果匯總于下表：序號 項目數值 序號項目數值 1 平均溫度90.817邊緣區(qū)寬度，m0.0352平均壓力109.318開孔區(qū)面積0.5243氣相流量0.61419篩孔直徑，m0.0054液相流量0.001720篩孔數目n26905實際塔板數2421孔中心距t，m0.0156有效段高度Z，m9.622開孔率，%10.17塔徑D，m1.023空塔氣速u，m/s0.7828板間距，m0.424篩孔氣速，m/s11.569溢流形式單溢流25穩(wěn)定系數1.931