精馏塔的工艺计算

2 精馏塔的工艺计算

2.1精馏塔的物料衡算

2.1.1基础数据 （一）生产能力：

10万吨/年，工作日330天，每天按24小时计时。 （二）进料组成：

乙苯212.6868Kmol/h ；苯3.5448 Kmol/h ；甲苯10.6343Kmol/h 。 （三）分离要求：

馏出液中乙苯量不大于0.01，釜液中甲苯量不大于0.005。 2.1.2物料衡算（清晰分割）

以甲苯为轻关键组分，乙苯为重关键组分，苯为非轻关键组分。

01.0=D HK x ，005.0=W LK x ，

表2.1 进料和各组分条件

由《分离工程》P65式3-23得：

,1

,,1LK

i LK W

i HK D LK W

z x

D F

x x =-=--∑ （式2. 1）

2434.13005

.001.01005

.0046875.0015625.08659.226=---+?

=D Kmol/h

W=F-D=226.8659-13.2434=213.6225Kmol/h 0681.1005.06225.21322=?==W X W ，ωKmol/h

编号 组分 i f /kmol/h i f /% 1 苯 3.5448 1.5625 2 甲苯 10.6343 4.6875 3 乙苯 212.6868 93.7500

总计

226.8659

100

5662.90681.16343.10222=-=-=ωf d Kmol/h 132434.001.02434.1333=?==D X D d ，Kmol/h

5544.212132434.06868.212333=-=-=d f ωKmol/h

表2-2 物料衡算表

2.2精

馏塔工艺

计算

2.2.1操作条件的确定 一、塔顶温度

纯物质饱和蒸气压关联式（化工热力学 P199）：

C

C S T T x Dx Cx Bx Ax x P P /1)()1()/ln(635.11-=+++-=-

表2-3 物性参数

注

：压力单位0.1Mpa ，温度单位K

编号 组分 i f /kmol /h 馏出液

i d 釜液i ω 1 苯 3.5448 3.5448 0 2 甲苯 10.6343 9.5662 1.0681 3

乙苯

212.6868 0.1324

212.5544

总计 226.8659

13.2434 213.6225

组份 相对分子质量

临界温度C T 临界压力

C P 苯 78 562.2 48.9 甲苯 92 591.8 41.0 乙苯

106

617.2

36.0

表2-3饱和蒸汽压关联式数据

以苯为例，

2

.562/15.3181/1-=-=C T T x .

033213.1434.098273.6()434.01()(1?+?-?

-=-C

S

P P

In 01.02974.09.48)1.5ex p(a S P MPa P =?=?-=

同理，可得MPa P b 1.00985.00

?=

露点方程：∑

==

n

i i i p

p y 1

01

，试差法求塔顶温度

表2-4 试差法结果统计

故塔顶温度=105.5℃

二、塔顶压力

名称 A B C D 苯

-6.98273 1.3321

3

-2.62863

-3.33399 甲苯 -7.28607 1.3809

1

-2.83433

-2.79168

乙苯

-7.48645

1.45488 -3.37538

-2.23048

塔顶压力Mpa p 1.0013.1?=顶 三、塔底温度 泡点方程：

p x p

n

i i

i =∑=1

0试差法求塔底温度

故塔底温度=136℃

四、塔底压力

塔底压力Mpa p 1.0013.1?=底 五、进料温度

进料压力为Mpa p 1.0013.1?=进，

泡点方程：

p x p

n

i i

i =∑=1

试差法求进料温度

故进料温度=133℃

六、相对挥发度的计算

据化学化工物性数据手册，用内插法求得各个数据

5.105=顶t ℃，961.5=苯α514.2=甲苯α1=乙苯α； 136=底t ℃，9

6.1=甲苯α1=乙苯α； 133=进t ℃，38.4=苯α9

7.1=甲苯α1=乙苯α

综上，各个组份挥发度见下表

据清晰分割结果，计算最少平衡级数。

26.6148

.2lg )1324.05544.2120681.15612.9lg(lg ))()lg((min =?==

-HK LK W LK

HK D HK LK x x

x x N α

2.2.2塔板数的确定 一、最小回流比R min

本设计为泡点进料，即饱和液体进料，q =1

由恩特伍德公式：

1)(min ,+=-∑R x i

m

D i i θαα

1i i

i

x q ααθ=--∑

019375

.01148.2046875.0148.21705.5015625.01705.5=-?+-?+-?=-∑

θθθθααi i i x

试差法求得=θ 2.3 则最小回流比

组份 进料温度133

塔顶温度105.5 塔底温度136

平均相对挥发度 苯 4.38 5.961 5.1705 甲苯 1.97 2.514

1.96

2.148 乙苯 1

1

1 1

304.113

.2101

.013.2148.27223.0148.23.21705.52677.01705.51)(min =--?+-?+-?=--∑

=θααi m D i i x R ，

二、实际回流比

根据混合物分离的难易程度，取实际回流比为最小回流比的1.2倍 则R =1.2 R min =1.2×1.304=1.565

三、全塔理论板数的确定

102.01

565.1304.1565.11min =+-=+-R R R 查《化工原理》下P33图1-28吉利兰图得

52.02

min

=+-N N N

将26.6min =N 代入，求得N=15.2 四、进料板的计算

5.9lg )()(lg )(=???? ??÷=

-HK

LK HK LK m R f d f d N α

3

lg )()(lg )(=?

?

?

??÷=-HK

LK HK LK m S f f N αωω

因为

S R

m S m R R S N N

N N N N N ===+)()(2.15， 12

.112.1535

.9135

.9)()(1)()(=?+=?+=N N N N N N m S m

R m

S m R R 08

.412.112.15=-=-=R S N N N

所以,第5层理论板是加料版。

3 精馏塔主要尺寸的设计

3.1塔径的计算

3.3.1填料精馏塔有关参数 操作回流比：R=2 理论板数：N T =16 进料板序号：N F =5 塔顶温度：t D =105.5℃ 塔釜温度：t W =136℃

3.3.2 塔顶有关参数计算[4 由化工物性手册查得：

3/885m kg =苯ρ3/866m kg =甲苯ρ

3

/867m kg =乙苯ρ

气

体

平均摩尔质量：

mol

g M V /39.8810601.092722.078268.0=?+?+?=

气体密度：()3

3

5/85.2273

5.10510314.839.8810013.1m kg RT PM D V V =+????==ρ 液

体

密

度

：

3/102.87186701.0866722.0885268.0m kg L =?+?+?=ρ

s m V S /342.085

.2360039

.8873.393=??=

h kmol RD L /4868.262434.132=?==

3.3.3进料板有关参数计算

s m V V S S /342.03,

==

气相组成：94

.2=m α

()()014.0005.0194.21005

.094.21=?-+?=-+=x a x y αα

气体平均摩尔质量：

mol

g M V /8.105106986.092014.0'=?+?=

气体密度：()3

35''

/71.315.27313310314.88.10510013.1m

kg RT PM D V V

=+????==ρ

3'/76101.0771763722.0755268.0m kg L =?+?+?=ρ

3.3.4精馏段塔径计算

液相质量流量为：h kg L /231333.874868.26=?=ω 气相质量流量为：h kg V /75.351139.887.39=?=ω

流动参数为：0377

.0102.87185.275.351123135

.05

.0=??

? ??=???

? ??=L V V

L

ρρωω

ψ

由于填料选择的是金属孔板波纹填料350Y ；

查埃克特通用关联图得：7

.02

.02=L L

V msx g u μρρφ?

由于s mPa L ?=262.0μ10.1102.8713

.958===

L ρρ?水

0033.0102

.87185

.2==L V ρρ257=φ 代入上式中得：

7.08.90033

.010.1262.02

max 2.0=???u

即：s m u /3.3max = 由于max 0.8

u

u =

即：s m u u /64.23.38.08.0max =?== 由公式

m u V D S 51.064.214.3342

.044=??==

π

圆整后为0.6m 3.3.5提溜段塔径计算

液相质量流量为：h kg L

/1709648.6735.253'

=?=ω 气相质量流量为：h kg V

/42008.1057.39'

=?=ω

流动参数为：28

.076171.34200170965

.05

.0''''

=??

?

??=??

?

? ??=L V V L ρρωωψ

同上，查图得：4.02

.0''

'

'2

'max =L L V g u μρρφ?

由于257=φs mPa L

?=207.0'

μ 12.1770863'

===L ρρ?水00488

.076171

.3''==L V ρρ

代入上式中得：

4

.08.9000207

.000488.012.12572

.02

'

max =????u

即：s m u /1.3'

max

=

s m u u /48.21.38.08.0max ''=?==

则：m u V D S 53.048.214.3342

.044'

=??==

π

比较精馏段与提溜段计算结果，二者基本相同。圆整塔径，取D=600mm 3.4液体喷淋密度及空塔气速核算 精馏段液体喷淋密度为

()

h

m m D U L

L

?=?

?? ??=

??

?

??=

232

2

/58.4423.014.33.7406.23312πρω

精馏段空塔气速为：

s m D u V

V

/22.126.014.3360085.275.351122

2=??? ???=??? ??=πρω

提溜段液体喷淋密度为：

()

h m m U ?=?

?? ??=

232

'

/3.3326.014.3420017096

提溜段空塔气速为：

s m D u V V /11.126.014.3360071.34200

222

'

'

'=?

??

???=

??

?

??=

πρω

查规整填料性能参数知32/350m m =σ，取)/(08.023(min)h m m L W ?= 则)/(2835008.023(min)(min)h m m L U W ?=?==σ 经核算，选用塔径600mm 符合要求。

3.5 填料层高度计算

填料层高度计算采用理论板当量高度法。

对350Y 金属孔板波纹填料，由附录查每M 填料理论板数为3.5～4块， 取： 3.5t n =，则：11

0.293.5

t HETP m n ===

由：HETP N Z T ?=

精馏段填料层高度为：m

Z 45.129.05=?=精

提溜段填料层高度为：m Z 48.329.012=?=提

根据设计要求，流出一定的安全系数，填料层高度一般为

Z

Z )5.12.1('-=

所以

m

Z 885.13.145.1=?=精

m

Z 52.43.148.3=?=提

设计取精馏段填料层高度为2.0m ，提溜段填料层高度为4.6m 。 3.6附属设备及主要附件的选型计算 一、接管的计算

二、（1）塔顶蒸汽管：从塔顶至冷凝器的蒸汽导管，必须适合尺寸，以免

产生过大压力降。