10 萬(wàn)噸年苯-甲苯分離板式精餾塔設(shè)計(jì)
苯-甲苯分離板式精餾塔的設(shè)計(jì)
1.概述…………………………………………………………………………1
1.1設(shè)計(jì)題目…………………………………………………………………1
1.2操作條件…………………………………………………………………1
2.設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………………………………………1
2.1本設(shè)計(jì)任務(wù)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(shí)際板層數(shù)的求取…………………………………………………3
2.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算……………………………3
2.4.1操作壓力的計(jì)算……………………………………………………3
2.4.2 操作溫度計(jì)算………………………………………………………3
2.4.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算…………………………………………………4
2.4.4平均密度計(jì)算………………………………………………………4
2.4.4.1氣相平均密度計(jì)算……………………………………………4
2.4.4.2液相平均密度計(jì)算……………………………………………4
2.4.5 液體平均表面張力的計(jì)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(jì)算………………………………………………6
2.5.1塔徑的計(jì)算…………………………………………………………6
2.5.2精餾塔有效高度的計(jì)算……………………………………………7
2.6塔板主要工藝尺寸的計(jì)算…………………………………………………7
2.6.1溢流裝置計(jì)算………………………………………………………7
2.6.1.1堰長(zhǎng)…………………………………………………………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(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算………………………………………………8
2.6.2.4篩孔計(jì)算及排列. ……………………………………………9
2.7 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算………………………………………………………9
2.7.1塔板壓降………………………………………………………………9
2.7.1.1干板阻力計(jì)算………………………………………………9
2.7.1.2氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算…………………………………9
2.7.1.3液體表面張力的阻力計(jì)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(fù)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(fù)荷下限線……………………………………………………13
2.8.4液相負(fù)荷上限線……………………………………………………13
2.8.5液泛線………………………………………………………………13
3. 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽表……… …………………………………………………15
4.總結(jié)…………………… ……… ……………………………………………16
5.參考文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)圖 ………………………………………………………16
苯-甲苯分離板式精餾塔的設(shè)計(jì)
1.概述
1.1設(shè)計(jì)題目
試設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)）。要求年產(chǎn)純度為 95% 的苯 10 萬(wàn)噸/年，塔釜餾出液中含苯不得高于 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
① 要求塔頂苯的含量為 95% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。
② 要求苯的回收率為 95% 。
（說(shuō)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(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)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(shí)連續(xù)運(yùn)行。
2.設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.1本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離苯—甲苯混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)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(diǎn)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(chǔ)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(chǔ)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(cè)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(duì)角線上，自點(diǎn)e（0.228，0.228）作垂線ef即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)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(fù)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(jìn)料板位置=7
2.3.2實(shí)際板層數(shù)的求取
精餾段實(shí)際板層數(shù)=6/0.52=11.54≈12
提餾段實(shí)際板層數(shù)=4/0.52=7.69≈8
2.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算
2.4.1操作壓力的計(jì)算
塔頂操作壓力 =101.30 kPa
每層塔板壓降 P=0.7 kpa
進(jìn)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(jì)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(jìn)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(jì)算
塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)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(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)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(jì)算
2.4.4.1氣相平均密度計(jì)算
由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即
kg/
2.4.4.2液相平均密度計(jì)算
液相平均密度依上式計(jì)算，即
塔頂液相平均密度的計(jì)算
由 = 91.7 ℃，查手冊(cè)得
= 801.84 kg/ =798.48 kg/
kg/
進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算
由 =102.2，查手冊(cè)得
= 789.79 kg/ =788.07 kg/
進(jìn)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(jì)算
液相平均表面張力依下式計(jì)算
塔頂液相平均表面張力的計(jì)算
由查手冊(cè)得
進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算
由℃ 查手冊(cè)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(jì)算，即
塔頂液相平均粘度的計(jì)算
由tD=81.2查手冊(cè)得
解出
進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算
由tF=102.2℃，查手冊(cè)的
解出
精餾段液相平均粘度的計(jì)算
2.5精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算
2.5.1塔徑的計(jì)算
精餾段的氣、液相體積流率為
由
式中C由5-5計(jì)算，其中的由圖5-1查取，圖的橫坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=4.0m
塔截面積為
實(shí)際空塔氣速為
2.5.2精餾塔有效高度的計(jì)算
精餾段有效高度為
提餾段有效高度為
在進(jìn)料板上方開(kāi)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(jì)算
2.6.1溢流裝置計(jì)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(xiàng)計(jì)算如下：
2.6.1.1堰長(zhǎng)
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(jì)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(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即
故降液管設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算
開(kāi)孔區(qū)面積按式
計(jì)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(jì)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(kāi)孔率為
氣體通過(guò)閥孔的氣速為
2.7 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算
2.7.1塔板壓降
2.7.1.1干板阻力計(jì)算
干板阻力由式計(jì)算
由 5/3=1.667，查圖5-10得，0.772
故 液柱
2.7.1.2氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算
氣體通過(guò)液層的阻力由式計(jì)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(jì)算
液體表面張力的阻力可按式計(jì)算，即
液柱
氣體通過(guò)沒(méi)層塔板的液柱高度可按下式計(jì)算，即
液柱
氣體通過(guò)每層塔板的壓降為
〈0.7kpa
2.7.2液面落差
對(duì)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(jì)算，即
故 〈0.1
2.7.4漏液
對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算，即
實(shí)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(yīng)服從下式的關(guān)系，即
丙酮——水物系屬一般物系，取，則
而
板上不設(shè)進(jìn)口堰，可由下式計(jì)算，即
液柱
液柱
故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象
2.8 塔板負(fù)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(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)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(guān)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(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)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(fù)荷下限線
對(duì)于平直堰，取堰上液層高度= 0.006 m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式5-7得
取 E=1.00，則
據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3
2.8.4液相負(fù)荷上限線
以 = 4 s 作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由式5-9 得
4
故
據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)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(guān)系式代入上式，并整理得
式中
將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得
故
在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)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(fù)荷性能圖，如圖所示
在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)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(shè)計(jì)篩板的主要結(jié)構(gòu)匯總于下表。
3. 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽表
表 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果
序號(hào)
項(xiàng)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(shí)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(zhǎng)，
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(kāi)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(kāi)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(fù)荷上限
液泛控制
28
負(fù)荷下限
液漏控制
29
液沫夾帶
0.0509
30
氣相負(fù)荷上限，
9.98
31
氣相負(fù)荷下限，
5.12
32
操作彈性
1.949
4.總結(jié)
5.參考文獻(xiàn)：
[1] 上?；瘜W(xué)設(shè)計(jì)院醫(yī)藥工業(yè)設(shè)計(jì)建設(shè)組?；すに囋O(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）。
北京?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，1996
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[3] 楊祖榮.化工原理.化學(xué)工業(yè)出版社.2004
[4] 汪鎮(zhèn)安. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）（第三版）. 化學(xué)工藝出版社，2003.
16