分离苯-甲苯筛板式精馏塔设计

4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计 食品原理 课程设计说明书 筛板式精馏塔设计 目录 第一部分 概述 1、 设计题目...........................................................................................3 2、 设计任务...........................................................................................3 3、 设计条件...........................................................................................3 4、 工艺流程图………………………………………………………...3 第二部分 工艺设计计算 1、 设计的确定..............................................................................4 2、 精馏塔的物料衡算..........................................................................4 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数........................................................4 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量................................................4 3.物料衡算原料处理量....................................................................................4 三、塔板数的确定.................................................................................4 1.理论板层数 的求取.................................................................................4 2.实际板层数的求取.......................................................................................6 4、 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.................................6 1.操作压力计算................................................................................................6 2.操作温度计算................................................................................................6 3.平均摩尔质量计算........................................................................................6 ⑴塔顶摩尔质量计算.........................................6 ⑵进料板平均摩尔质量计算...................................6 ⑶提馏段平均摩尔质量.......................................7 4.平均密度计算...............................................................................................7 ⑴气相平均密度计算.........................................7 ⑵液相平均密度计算.........................................7 5.液相平均表面张力计算...............................................................................7 ⑴塔顶液相平均表面张力计算.................................7 ⑵进料板液相平均表面张力计算...............................7 6.液相平均粘度计算.......................................................................................8 ⑴塔顶液相平均粘度计算.....................................8 ⑵进料板液相平均粘度计算...................................8 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.........................................................8 1.塔径的计算...................................................................................................8 2.精馏塔有效高度计算...................................................................................9 6、 塔板主要工艺尺寸的计算...........................................................9 1.溢流装置计算..............................................................................................9 ⑴堰长 ..................................................9 ⑵溢流堰高度 ...........................................9 ⑶弓形降液管宽度 和截面积 ..........................9 2.塔板布置....................................................................................................9 ⑴塔板的分块.............................................9 ⑵边缘区宽度确定.........................................9 ⑶ 开孔区面积计算........................................9 ⑷筛孔计算及其排列.......................................10 7、 筛板的流体力学验算..................................................................11 1.塔板压降....................................................................................................11 ⑴干板阻力 计算........................................11 ⑵气体通过液层的阻力 计算..............................11 ⑶液体表面张力的阻力 计算..............................11 2.液面落差...................................................................................................12 3.液沫夹带...................................................................................................12 4.漏液...........................................................................................................12 5.液泛...........................................................................................................12 8、 塔板负荷性能图.........................................................................13 1.漏液线.......................................................................................................13 2.液沫夹带线...............................................................................................13 3.液相负荷下限线.......................................................................................14 4.液相负荷上限线.......................................................................................14 5.液泛线.......................................................................................................14 九、设计一览表.................................................................16 十、参考文献……………………………………………17 第一部分 概述 1、 设计题目：筛板式精馏塔设计 二、设计任务： 试设计分离苯-甲苯混合物的筛板精馏塔。已知原料液的处理量为4000kg/h，组成为0.38（苯的质量分数），要求塔顶馏出液的组成为0.98，塔底釜液的组成为0.01。 操作压力 进料热状况 回流比 单板压降 全塔效率 4kPa（塔顶表压） 自选 自选 0.7kPa 三、设计条件 试根据上述工艺条件作出筛板的设计计算。 四、工艺流程图 原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。 第二部分 工艺设计计算 1、 设计方案的确定 本设计任务书为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。 二、精馏塔的物料衡算 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 =78.11Kg/mol 甲苯的摩尔质量 =92.14Kg/mol = =0..420 = =0.983 = =0.012 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 =0.420 78.11+(1-0.420) 92.14=86.25Kg/mol =0.983 78.11+(1-0.983) 92.14=78.35Kg/mol =0.012 78.11+(1-0.012) 92.14=91.96Kg/mol 3.物料衡算原料处理量 = =46.38Kmol/h 总物料衡算 46.38=D+W 苯物料衡算 46.38 0.420=0.983 D+0.012 W 联立解得 D=19.49Kg/mol，W=26.89Kg/mol 3、 塔板数的确定 1.理论板层数 的求取 苯-甲苯属理论物系，可采用图解法求理论板层数。 ①由查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图 x 0 0.058 0.155 0.256 0.376 0.508 0.659 0.83 1 y 0 0.128 0.304 0.453 0.596 0.72 0.83 0.943 1 1.0 1 3 4 5 f 6 7 q线 8 e(0.42,0.42) 9 10 1.0 0 ②求最小回流比及操作回流比 采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e（0.42，0.42）做垂线，ef即为 进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为： =0.642 =0.420 故最小回流比为： = 取操作回流比为： ③求精馏塔的气、液相负荷 Kmol/h Kmol/h Kmol/h Kmol/h ④求操作线方程 精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 ⑤图解法求理论板层数 采用图解法求理论板层数，求解结果为： 总理论板层数 ，进料板位置 2. 实际板层数的求取 精馏段实际板层数： 提馏段实际板层数： 4、 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 以精馏段为例进行计算。 1.操作压力计算 塔顶操作压力 kPa 每层塔板压降 kPa 进料板压力 kPa 提馏段平均压力 kPa 2.操作温度计算 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下: 塔顶温度 进料板温度 3.平均摩尔质量计算 ⑴塔顶摩尔质量计算：由 EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT ⑵进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板，得 查平衡曲线，得 ⑶提馏段平均摩尔质量 4.平均密度计算 ⑴气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT ⑵液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算： ①塔顶液相平均密度计算： 由 ，查手册得 ②进料板液相平均密度计算 由 ，查手册得 进料板液相的质量分数计算 ③精馏段液相平均密度为 5.液相平均表面张力计算 液相平均表面张力依下式计算，即 ⑴塔顶液相平均表面张力计算 由 ，查手册得 ⑵进料板液相平均表面张力计算 由 ，查手册得 精馏段液相平均表面张力为： 6.液相平均粘度计算 液相平均粘度依下式计算： ⑴塔顶液相平均粘度计算 由 ，查手册得 解得 ⑵进料板液相平均粘度计算 由 ，查手册得 解得 精馏段液相平均粘度为 5、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 1.塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为： 由 ，式中 由式（5-5）计算，其中的 由图5-1查取，图的横坐标为： 取板间距 ，则 查图5-1得 =0.070 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 实际空塔气速为 2.精馏塔的有效高度的计算 精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为 6、 塔板主要工艺尺寸的计算 1.溢流装置计算 筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当因D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下： ⑴堰长 取 ⑵溢流堰高度 由 ，选用平直堰，堰上液层高度 近似取E=1，则 取板上清液层高度 ⑶弓形降液管宽度 和截面积 由 故 依式（5-9）验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。 ⑷降液管底隙高度 取 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度 2.塔板布置 ⑴塔板的分块 因 ，故塔板采用分块式。查表5-3得，板块分为3快。 ⑵边缘区快读确定 取 ⑶开孔区面积计算 开孔区面积 按式（5-12）计算，即 其中 故 ⑷筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性，可选用 碳钢板，取筛孔直径 筛孔按正三角形排列，取孔中心距 筛孔数目 开孔率为 气体通过筛孔的气速为 七、筛板的流体力学验算 1.塔板压降 ⑴干板阻力 干板阻力 由 故 ⑵气体通过液层的阻力 计算 气体通过液层的阻力 由式（5-20）计算： 查图5-11，得 。故 ⑶液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力 由式（5-23）计算： 气体通过每层塔板的液柱高度 可按下式计算： 气体通过每层塔板的压降为： 2.液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 3. 液沫夹带 液模夹带量由式（5-24）计算： 故 在本设计中液沫夹带量 在允许范围内。 4.漏液 对筛板塔，漏液点气速 可由式（5-25）计算： 实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。 5.液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 苯-甲苯物系属一般物系，取 ，则 板上不设进口堰， 可由式（5-30）计算，即 故在本设计中不会发生液泛现象。 8． 塔板负荷性能图 1漏液线 漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。 整理得 在操作范围内，任取几个 值，依上式计算出 值，计算结果列于下表。 0.0006 0.303 0.0015 0.313 0.0030 0.325 0.0045 0.335 由此表数据即可作出漏液线1。 2.液沫夹带线 当气相负荷超过此线时，液沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制eV≤0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下: 由 整理得 在操作范围内，任取几个 值，依上式计算出 值，计算结果列于下表。 0.0006 1.209 0..0015 1.149 0.0030 1.072 0.0045 1.007 由此表数据即可作出液沫夹带线2。 3液相负荷下限线 液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。 对于平直堰，取堰上液层高度 作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得 取E=1，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 4.液相负荷上限线 该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。 以 作为液体在浆液管中停留时间的下限，由式（5-9）得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。 5.液泛线 若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd 令 联立得 式中 将有关数据带入，得： 在操作范围内，任取几个 值，依上式计算出 值，计算结果列于下表： 0.0006 1.238 0.0015 1.155 0.0030 1.036 0.0045 0.919 由此表数据即可作出液泛线5 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图： 泡沫夹带线2 下 液泛线5 限 线 上 3 限 线 4 A 漏液线1 0 在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 故操作弹性为 九、设计一览表 将设计筛板的主要结果汇总于下表： 序号 项目 数值 序号 项目 数值 1 平均温度 90.8 17 边缘区宽度 ，m 0.035 2 平均压力 108.8 18 开孔区面积 0.524 3 气相流量 0.614 19 筛孔直径 ，m 0.005 4 液相流量 0.0017 20 筛孔数目n 2690 5 实际塔板数 24 21 孔中心距t，m 0.015 6 有效段高度Z，m 9.6 22 开孔率 ，% 10.1 7 塔径D，m 1.0 23 空塔气速u，m/s 0.782 8 板间距 ，m 0.4 24 筛孔气速 ，m/s 11.56 9 溢流形式 单溢流 25 稳定系数 1.93 10 降液管形式 弓形 26 每层塔板压降 ，kPa 0.629 11 堰长 ，m 0.66 27 负荷上限 液泛控制 12 堰高 ，m 0.047 28 负荷下限 漏液控制 13 板上液层高度 ，m 0.06 29 液沫夹带 ，（kg液/kg气） 0.014 14 堰上液层高度 ，m 0.013 30 气相负荷上限 ， 1.063 15 降液管底隙高度 0.032 31 气相负荷下限 ， 0.309 16 安定区宽度 ，m 32 操作弹性 3,440 十、参考文献 [1]王国胜. 化工原理课程设计[M]. 大连：大连理工大学出版社，2005. [2]杨同舟.食品工程原理.北京：中国农业出版社，2001 [3]匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005 [4] 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 大连：天津大学出版社，2005 1 _1234567953.unknown _1234568017.unknown _1234568049.unknown _1234568065.unknown _1234568081.unknown _1234568089.unknown _1234568097.unknown _1234568105.unknown _1234568109.unknown _1234568111.unknown _1234568113.unknown _1234568114.unknown _1234568112.unknown _1234568110.unknown _1234568107.unknown _1234568108.unknown _1234568106.unknown _1234568101.unknown _1234568103.unknown _1234568104.unknown _1234568102.unknown _1234568099.unknown _1234568100.unknown _1234568098.unknown _1234568093.unknown _1234568095.unknown _1234568096.unknown _1234568094.unknown _1234568091.unknown _1234568092.unknown _1234568090.unknown _1234568085.unknown _1234568087.unknown _1234568088.unknown _1234568086.unknown _1234568083.unknown _1234568084.unknown _1234568082.unknown _1234568073.unknown _1234568077.unknown _1234568079.unknown _1234568080.unknown _1234568078.unknown _1234568075.unknown _1234568076.unknown _1234568074.unknown _1234568069.unknown _1234568071.unknown _1234568072.unknown _1234568070.unknown _1234568067.unknown _1234568068.unknown _1234568066.unknown _1234568057.unknown _1234568061.unknown _1234568063.unknown _1234568064.unknown _1234568062.unknown _1234568059.unknown _1234568060.unknown _1234568058.unknown _1234568053.unknown _1234568055.unknown _1234568056.unknown _1234568054.unknown _1234568051.unknown _1234568052.unknown _1234568050.unknown _1234568033.unknown _1234568041.unknown _1234568045.unknown _1234568047.unknown _1234568048.unknown _1234568046.unknown _1234568043.unknown _1234568044.unknown _1234568042.unknown _1234568037.unknown _1234568039.unknown _1234568040.unknown _1234568038.unknown _1234568035.unknown _1234568036.unknown _1234568034.unknown _1234568025.unknown _1234568029.unknown _1234568031.unknown _1234568032.unknown _1234568030.unknown _1234568027.unknown _1234568028.unknown _1234568026.unknown _1234568021.unknown _1234568023.unknown _1234568024.unknown _1234568022.unknown _1234568019.unknown _1234568020.unknown _1234568018.unknown _1234567985.unknown _1234568001.unknown _1234568009.unknown _1234568013.unknown _1234568015.unknown _1234568016.unknown _1234568014.unknown _1234568011.unknown _1234568012.unknown _1234568010.unknown _1234568005.unknown _1234568007.unknown _1234568008.unknown _1234568006.unknown _1234568003.unknown _1234568004.unknown _1234568002.unknown _1234567993.unknown _1234567997.unknown _1234567999.unknown _1234568000.unknown _1234567998.unknown _1234567995.unknown _1234567996.unknown _1234567994.unknown _1234567989.unknown _1234567991.unknown _1234567992.unknown _1234567990.unknown _1234567987.unknown _1234567988.unknown _1234567986.unknown _1234567969.unknown _1234567977.unknown _1234567981.unknown _1234567983.unknown _1234567984.unknown _1234567982.unknown _1234567979.unknown _1234567980.unknown _1234567978.unknown _1234567973.unknown _1234567975.unknown _1234567976.unknown _1234567974.unknown _1234567971.unknown _1234567972.unknown _1234567970.unknown _1234567961.unknown _1234567965.unknown _1234567967.unknown _1234567968.unknown _1234567966.unknown _1234567963.unknown _1234567964.unknown _1234567962.unknown _1234567957.unknown _1234567959.unknown _1234567960.unknown _1234567958.unknown _1234567955.unknown _1234567956.unknown _1234567954.unknown _1234567921.unknown _1234567937.unknown _1234567945.unknown _1234567949.unknown _1234567951.unknown _1234567952.unknown _1234567950.unknown _1234567947.unknown _1234567948.unknown _1234567946.unknown _1234567941.unknown _1234567943.unknown _1234567944.unknown _1234567942.unknown _1234567939.unknown _1234567940.unknown _1234567938.unknown _1234567929.unknown _1234567933.unknown _1234567935.unknown _1234567936.unknown _1234567934.unknown _1234567931.unknown _1234567932.unknown _1234567930.unknown _1234567925.unknown _1234567927.unknown _1234567928.unknown _1234567926.unknown _1234567923.unknown _1234567924.unknown _1234567922.unknown _1234567905.unknown _1234567913.unknown _1234567917.unknown _1234567919.unknown _1234567920.unknown _1234567918.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567914.unknown _1234567909.unknown _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1234567910.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567906.unknown _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.unknown _1234567904.unknown _1234567902.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown