苯甲苯筛板塔课程设计

化工原理课程设计

苯—甲苯筛板塔分离

目录

第一章设计目的、要求以及内容........................... - 4 -

1.1化工原理课程设计的目的与要求 ......................... - 4 -

1.2化工原理课程设计的内容 ............................... - 5 -

1.3安排与要求........................................... - 5 -

第二章设计计算........................................ - 5 -

2.1基础数据的汇总 ....................................... - 5 -

2.1.1组分的物理性质 .................................. - 5 -

2.1.2组分的饱和蒸汽压 ................................ - 5 -

2.1.3组分的气液平衡数据（常温） ...................... - 5 -

2.1.4纯组分的表面张力 ................................ - 5 -

2.1.5组分的液相密度 .................................. - 5 -

2.1.6组分的液体粘度 .................................. - 5 -

2.1.7常压下苯-甲苯的气液平衡数据 ..................... - 5 -

2.2工艺设计计算......................................... - 5 -

2.2.1进料组成........................................ - 5 -

2.2.2物料衡算........................................ - 5 -

2.2.3回流比的确定 .................................... - 5 -

2.2.4理论塔板数的确定 ................................ - 5 -

2.2.5实际塔板数的确定 ................................ - 5 -

2.3 精馏塔有关物性数据的计算............................ - 15 -

2.3.1操作压力计算 ................................... - 5 -

2.3.2操作温度的计算 ................................. - 5 - 2.3.3平均摩尔质量计算 ............................... - 5 - 2.3.4平均密度的计算 ................................. - 5 -

2.3.5液体平均表面张力计算 .......................... - 18 - 2.4精馏塔体工艺尺寸的计算 .............................. - 19 -

2.4.1塔径的计算 ..................................... - 19 - 第三章精馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算................... - 21 -

3.1精馏塔有效高度的计算 ................................ - 21 - 3.2溢流装置计算........................................ - 21 - 3.3塔板布置............................................ - 22 - 3.4筛板的流体力学验算 .................................. - 23 -

3.4.1塔板压降....................................... - 23 -

3.4.2气体通过每层塔板的液柱高度

h ................... - 23 -

p

3.4.3液沫夹带量e v的验算............................. - 24 -

3.4.4漏液的验算 ..................................... - 24 -

3.4.5液泛验算....................................... - 24 - 3.5塔板负荷性能图 ...................................... - 24 -

3.5.1 漏液线......................................... - 24 -

3.5.2液沫夹带线 ..................................... - 25 -

3.5.3液相负荷下限线 ................................. - 26 -

3.5.4液相负荷上限线 ................................. - 26 -

3.5.5液泛线......................................... - 26 -

第四章板式塔得结构与附属设备.......................... - 28 -

4.1附件的计算.......................................... - 28 -

4.1.1接管........................................... - 28 -

4.1.2冷凝器......................................... - 31 -

4.1.3 再沸器......................................... - 31 -

4.2 板式塔结构......................................... - 32 -

第五章热量衡算...................................... - 33 -

5.1热量衡算............................................ - 33 -

5.1.1塔顶热量....................................... - 33 -

5.1.2塔底热量....................................... - 34 -

第六章设计结果汇总及参考文献........................... - 35 - 6.1设计结果一览表 ..................................... - 35 -

6.2流程设计图......................................... - 36 -

6.3精馏流程设计方案的确定 ............................. - 37 -

6.4设计思路........................................... - 37 -

6.4.1精馏方式的选定 ............................... - 38 -

6.4.2加热方式 ..................................... - 38 -

6.4.3操作压力的选取 ............................... - 38 -

6.4.4回流比的选择 ................................. - 38 -

6.4.5塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择.......... - 38 -

6.6.6板式塔的选择 ................................. - 38 - 6.4 参考书目............................................... - 39 -

第一章设计目的、要求以及内容

1.1化工原理课程设计的目的与要求

通过理论课的学习和生产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识，对于一个未来的工程技术人员来说，如何运用所学的知识去分析和解决实际问题是至关重要的，本课程设计的目的也是如此。

化工原理是研究化工单元操作基本原理的一门专业技术基础课，化工原理课程设计是化工原理课程之后的一个实际教学环节，通过本次课程设计，使学生初步掌握化工单元操作设计的基本程序和方法，提高度查阅技术资料、国家技术标准的能力，能够正确的选用公式进行计算和设计，强化工程意识，进一步培养学生综合运用所学知识以及解决实际问题的能力。

化工原理课程设计是化工以及其他理工科专业的学生在校期间第一次进行的设计，要求每个同学独立完成一个实际装置（本次设计为精馏塔装置）的设计，设计中应应对精馏原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修进行全面的考虑，最终以简洁的文字、表格及图纸把设计表达出来。本次设计是在老师的指导下，由学生独立进行的设计。因此，对学生的独立工作能力和实际工作能力是一次很好的锻炼机会，是培养化工技术人员的一个重要环节。通过设计，学生应培养和掌握：

1、正确的设计思想和认真负责的设计态度。

设计应结合实际进行，力求经济、实用、可靠和先进。

设计应对生产负责。设计中的每一数据，每一笔一划都要准确可靠，负责到底。

2、独立的工作能力及灵活运用所学知识和分析问题解决问题的能力。

设计由学生独立完成，教师只起到指导作用，学生在设计中碰到问题和教师进行讨论。教师只是做提示和启发，由学生自己去解决问题，指导教师在原则上不负责检查结果的准确性，学生应自己负责计算结果的准确性，可靠性。

学生可以在设计中可以相互讨论，但不能照抄，为了更好的了解和检查学生独立分析问题和解决问题的能力，设计的最后阶段安排有答辩环节，若答辩不通过，则设计不能通过。

3、精馏装置设计的一般办法和步骤。

4、正确运用各种参考资料。合理选用各种经验公式和数据。

由于所用的资料不同，各种经验公式和数据可能会有一些差别。设计者应可能的了解这些公式、数据的来历、实用范围，并能正确的运用。

设计铅，学生应该详细阅读设计指导书，任务书，明确设计目地、任务及内容。设计中安排好自己的工作，提高效率。

1.2化工原理课程设计的内容

1、选择流程，画流程图。

2、做物料衡算，列出物料衡算表。

3、确定操作条件（压力、温度）。

4、选择合适的回流比，计算理论板数。

5、做热量衡算，列出热量衡算表。

6、选择换热器，计算冷却介质及加热介质用量。

7、完成塔板设计。

8、编写设计计算说明书。

1.3安排与要求

设计进行一周，大致可以分为以下几个阶段：

1、准备（一天）

教师介绍有关课程设计的情况，下达设计任务书。学生应详细阅读设计任务书，明确设计目的、设计任务、设计内容及设计步骤。安排好今后两周的工作。

2、设计计算阶段（四~五天）

按设计任务及内容进行设计计算，有时甚至需要对几个不同的方案进行设计计算，并对设计结果进行分析比较，从中选择较好的方案。计算结束后编写出设计计算说明书。

设计计算说明书应包含：目录、设计任务书、流程图、设计计算、计算结果及所引用的资料目录等。

设计计算说明书除了有数字计算之外还应有分析，只有数字计算，而无论述分析，这样的设计是不完整的，也是不能通过的。设计部分应列出计算式，代入数值，计算结果。计算结果应有单位。说明书一律用A4纸写，文字部分要简练，书写要清楚。说明书要标上页码，加上封面，装订成册。

3、答辩（一天）

答辩安排在最后一天进行。答辩前学生应将设计计算说明书装订成册，连同计算机辅助计算一起交给教师。答辩时学生先简要汇报一下自己的设计工作，然后回答教师提出的问题。

第二章设计计算

2.1基础数据的汇总

2.1.1组分的物理性质

表1 苯和甲苯的物理性质

项目 分子式 分子量M 沸点（℃） 临界温度t C

（℃） 临界压强P C （kPa ） 苯A 甲苯B

C 6H 6 C 6H 5—CH 3

78.11 92.13

80.1 110.6

288.5 318.57

6833.4 4107.7

2.1.2组分的饱和蒸汽压

表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压

温度C 0

80.1 85 90 95 100 105 110.6 0

A P ,kPa

B P ，kPa

101.33 40.0

116.9 46.0

135.5 54.0

155.7 63.3

179.2 74.3

204.2 86.0

240.0

2.1.3组分的气液平衡数据（常温）

表3 常温下苯—甲苯气液平衡数据

温度C 0 80.1 85 90 95 100 105 110.6 液相中苯的摩尔分率 汽相中苯的摩尔分率

1.000 1.000

0.780 0.900

0.581 0.777

0.412 0.630

0.258 0.456

0.130 0.262

0 0

2.1.4纯组分表面张力

表4 纯组分的表面张力

温度 80 90 100 110 120 苯，mN/m 甲苯，Mn/m

21.2 21.7

20 20.6

18.8 19.5

17.5 18.4

16.2 17.3

2.1.5组分的液相密度

表5 组分的液相密度

温度(℃) 80 90 100 110 120 苯,kg/3m 甲苯,kg/3m

814 809

805 801

791 791

778 780

763 768

2.1.6组分液体粘度

表6 液体粘度μL

温度(℃) 80 90 100 110 120 苯（mP

a

.s）

甲苯（mP

a .s）

0.308

0.311

0.279

0.286

0.255

0.264

0.233

0.254

0.215

0.228

2.1.7常压下苯-甲苯的气液平衡数据

表7常压下苯——甲苯的气液平衡数据

温度t ℃液相中苯的摩尔分率

x

气相中苯的摩尔分率

y

110.56 0.00

109.91 1.00 2.50

108.79 3.00 7.11

107.61 5.00 11.2

105.05 10.0 20.8

102.79 15.0 29.4

100.75 20.0 37.2

98.84 25.0 44.2

97.13 30.0 50.7

95.58 35.0 56.6

94.09 40.0 61.9

92.69 45.0 66.7

91.40 50.0 71.3

90.11 55.0 75.5

80.80 60.0 79.1

87.63 65.0 82.5

86.52 70.0 85.7

85.44 75.0 88.5

84.40 80.0 91.2

83.33 85.0 93.6

82.25 90.0 95.9

81.11 95.0 98.0

80.66 97.0 98.8

80.21 99.0 99.61

80.01 100.0 100.0 2.2 工艺设计计算

2.2.1进料组成

操作压力：)

(

a

4000表压

P

处 理 量： h Kg /4400 进料组成： )( %36质量分率

馏出液组成： %97≥（质量分率） 釜液组成： %1≤（质量分率） 塔顶全凝器

回流比： m i n )22.1(R R -= 加料状态： 泡点进料1q = 单板压降： 0.7a kp ≤ 全塔效率： %60

2.2.2物料衡算

（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯 的物质的量：kmol kg M A /11.78= 甲苯的物质的量：kmol kg M B /13.92=

399

.013

.92/64.011.78/36.011

.78/36.0x ==

+F

974

.013.92/03.011.78/97.011

.78/97.0x ==+D

012.013.92/99.011.78/01.011.78/01.0==+W

x

（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量：

kmol M F /kg 54.8613.92)399.01(11.78399.0=?-+?= kmol g M D /k 24.8713.92)974.01(11.87974.0=?-+?=

kmol kg M W /96.9113.92)012.01(11.78012.0=?-+?= （3）物料衡算

F

w D Fx Wx D F

W D =+=+x

解： 带入h kmol h kg F /84.5054.864400/4400=== 399.0x =F 974.0=D x 012.0x =W

399.084.50012.0974.084

.50?=?+?=+W D W D

解得：h

km ol D h ol W /45.20/km 39.30==

2.2.3 回流比的确定

（1）相对挥发度的计算：

表8 气液相平衡数据

t /℃ 80.1

85 90 95

100 105 110.6 a A kp p / 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0 a B kp p /

40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0 101.33 x/摩尔分数 1.000 0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0 y/摩尔分数

1.000

0.900

0.777

0.633

0.456

0.262

图1

因此根据上图可知：

塔顶：即当974.0x =D 已知该图的曲线方程为： 41.110444.42289.122+-=x x T

所以有：

℃73.8041.110974.0444.42974.0289.122=+?-?=D T

所以查表可知：

kpa

P kpa P B A 0.4033.101==

53.20

.4033

.101===B A D P P α 塔底;

同理得 ℃90.10941.110012.0444.42012.0289.122=+?-?=W T 所以查表可知pa P A k 0.240= pa P B k 33.101=

即 37.233

.101240===

B A W P P α 平均相对挥发度： 45.2=?=W D ααα 进料温度（泡点温度）： 36.0x =F

℃72.9641.11036.0444.4236.0289.122

=+?-?=F T

（2）平衡线方程的求算

气液相平衡方程 y

y

y

y

y

y

x 45.145.2)1()1(-=

--=

--=

αααα

（3）q 线方程

进料状态由五种，即过冷液体进料（1>q ),饱和液体进料（1q =），气液混合进料(10<

q x =F x 。

（4）最小回流比

399.0==F p x x p

p

p y y x 45.145.2-=

由以上两式可得

619.0=p y 61.1399

.0-619.0619

.0-974.0min ==

--=p

p p D x y y x R

（5）回流比的确定

因为min )22.1(R R -=

所以确定回流比为 42.261.15.15.1min =?=?=R R

2.2.4 理论塔板数的确定

（1） 图解法

上表表7常压下苯——甲苯的气液平衡数据

温度t ℃ 液相中苯的摩尔分率

x 气相中苯的摩尔分率

y 110.56 0.00 109.91 1.00 2.50 108.79 3.00 7.11 107.61 5.00 11.2 105.05 10.0 20.8 102.79 15.0 29.4 100.75 20.0 37.2 98.84 25.0 44.2 97.13 30.0 50.7 95.58 35.0 56.6 94.09 40.0 61.9 92.69 45.0 66.7 91.40 50.0 71.3 90.11 55.0 75.5 80.80 60.0 79.1 87.63 65.0 82.5 86.52 70.0 85.7 85.44 75.0 88.5 84.40 80.0 91.2 83.33

85.0

93.6

82.25 90.0 95.9 81.11 95.0 98.0 80.66 97.0 98.8 80.21 99.0 99.61 80.01 100.0 100.0

根据上图绘制气液平衡图，并做出苯-甲苯物系的精馏分离理论塔板数。

图2

通过作图可知理论塔板数为16块，其中精馏段有8块，提馏段有8块。

（2）逐板计算法

① 精馏段操作线方程

精馏段液相质量流量：h kmol D R L /49.4945.2042.2=?=?= 精馏段气相质量流量：h mol D L V /k 94.6945.2049.49=+=+=

精馏段操作方程：D n D n n x V

D

V L R x x R R +=+++=

+x 11y 1 即得：

28.071.0y 1+=+n n x ...........................①式 ②提馏段操作线方程

提馏段气相质量流程：)1(/k 94.69,===q h mol V V 因为 提馏段液相质量流程：h ol W V L /km 33.10039.3094.69''=+=+=

提馏段操作线方程： W m

W m m W

L W

x W L L x V W V L x x y '''''''1---=+-=+ 即得：

0043.043.1y 1-=+m m x ..........................②式 ③相平衡方程

通过上述计算已知相平衡方程为： y

y

y

y

y

y

x 45.145.2)1()1(-=

--=

--=

αααα.................③式

④ 逐板计算

利用精馏段的操作方程、提馏段操作方程以及相平衡方程，可自上而下逐板计算所需的理论板数。 因塔顶为全凝器，则974.01==D x y 。

由③式求得第一块下降液体组成

939.0974

.045.145.2974

.0x 1=?-=

利用精馏段操作线，即①式计算第二块板上升蒸汽组成为： 947.028.0939.071.02=+?=y

交替使用 ③ 和①式 则计算过程如下：

879.0947

.045.145.2947

.0x 2=?-= 904.028.0879.071.03=+?=y

794.0904

.045.145.2904

.0x 3=?-= 843.028.0794.071.04=+?=y

687.0843

.045.145.2843

.0x 4=?-= 768.028.0687.071.05=+?=y

575.0768

.045.145.2768

.0x 5=?-= 688.028.0575.071.06=+?=y

474.0688

.045.145.2688

.0x 6=?-= 616.028.0939.071.07=+?=y

396.0616

.045.145.2616

.0x 7=?-= 561.028.0396.071.08=+?=y

343.0561.045.145.2561

.0x 8=?-=

当计算到8x 时，即可得F x x <8,故改用提馏段操作线方程，即式②，

486.00043.0343.043.1y 9=-?=

279.0486

.045.145.2486

.0x 9=?-=

394.00043.0279.043.1y 10=-?=

210.0394

.045.145.2394

.0x 10=?-=

296.00043.0210.043.1y 11=-?=

146.0296

.045.145.2296

.0x 11=?-= 205.00043.0146.043.1y 12=-?=

095.0205

.045.145.2205

.0x 12=?-=

132.00043.0095.043.1y 13=-?= 058.0132

.045.145.2132

.0x 13=?-= 079.00043.0058.043.1y 14=-?=

034.0079

.045.145.2079

.0x 14=?-= 044.00043.0034.043.1y 15=-?=

018.0044

.045.145.2044

.0x 15=?-= 021.00043.0018.043.1y 16=-?=

009.0021

.045.145.2021

.0x 16=?-=

当计算到16x 时，即可得出W x x <16

,所以计算停止。

整理上述计算过程即可得数据如下表： 表 9 板号 1 2 3 4 5 6 7 8 x 0.939 0.879 0.794 0.687 0.575 0.474 0.396 0.343<0.36 y 0.974 0.947 0.904 0.843 0.768 0.688 0.616 0.561 板号 9 10 11 12 13 14 15 16 x 0.279 0.210 0.146 0.095 0.058 0.034 0.018 0.009<0.01 y 0.486 0.394 0.296 0.208 0.132 0.079 0.044 0.021

所以，通过计算可知理论塔板数为16块，且与作图法得出相同结论。

2.2.5实际塔板数的确定

有给定的条件可知全塔效率（T E ）为60%

且 T

E N N 理

实= 所以可知

精馏段：（块）

实146.08

==

N 提馏段：（块）

实146

.08

==N

故综上所述 理论塔板数为16块，实际塔板数为28块，其中15块为进料板，精馏段14块板，提馏段为14块板。