分离苯-甲苯混合液的苯-甲苯式精馏塔工艺设计

分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第6页共46页第二章设计任务书1.设计题目：分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计2.工艺条件：生产能力：苯-甲苯混合液处理量80000t/a原料组成：苯含量为40%（质量百分率，下同）进料状况：热状况参数q自选分离要求：塔顶苯含量不低于99.5%，塔底苯含量不大于1.5%3.建厂地区：大气压为760mmHg，自来水年平均温度为15℃的滨州4.塔板类型：板式精馏塔5.生产制度：年开工300天，每天三班8小时连续生产6.设计内容：1）精馏塔的物料衡算；2）塔板数的确定；3)精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4)精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9)绘制生产工艺流程图；10)绘制精馏塔设计条件图；11)绘制塔板施工图（可根据实际情况选作）；分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第7页共46页12)对设计过程的评述和有关问题的讨论。第三章设计内容3.1设计方案的确定及工艺流程的说明本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于该二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。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。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，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。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。3.2全塔的物料衡算3.2.1原料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率苯和甲苯的相对摩尔质量分别为78.11kg/kmol和92.14kg/kmol，原料含苯的质量百分率为40%，塔顶苯含量不低于99.5%，塔底苯含量不大于1.5%，则：原料液含苯的摩尔分率：440.014.92/60.011.78/40.011.78/40.0Fx塔顶含苯的摩尔分率：996.014.92/005.011.78/995.011.78/995.0Dx塔底含苯的摩尔分率：0176.014.92/985.011.78/015.011.78/015.0Wx3.2.2原料液及塔顶底产品的平均摩尔质量由3.1.1知产品中甲苯的摩尔分率，故可计算出产品的平均摩尔质量：原料液的平均摩尔质量：MF＝78.11×0.440＋(1－0.440)×92.14＝85.967kg/kmol塔顶液的平均摩尔质量：MD＝78.11×0.996＋(1－0.996)×92.14＝78.166kg/kmol塔底液的平均摩尔质量：MW＝78.11×0.0176＋(1－0.0176)×92.14＝91.893kg/kmol分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第8页共46页3.2.3料液及塔顶底产品的摩尔流率依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，得：F,＝8000t/（300×24）h＝1111.12kg/h，全塔物料衡算：进料液：F=1111.12（kg/h）/91.893（kg/kmol）=12.091kmol/h总物料恒算：F=D+W苯物料恒算：F×0.440=D×0.996+0.0176×12.091联立解得：W＝6.963kmol/hD＝5.128kmol/h3.3塔板数的确定理论塔板数TN的求取苯-甲苯物系属理想物系，可用梯级图解法（M·T）,求取NT，步骤如下：3.3.1平衡曲线的绘制根据苯-甲苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取。依据，将所得计算结果如列表2：表2苯（x）-甲苯（y）的相平衡数据温度，（℃）80.184889296100104108110.6ip（kpa）苯101.3101.3101.3101.3101.3101.3101.3101.3101.3甲苯39.039.039.039.039.039.039.039.039.0两相摩尔分率X1.0000.8160.6510.5040.3730.2560.1520.0570Y1.0000.9190.8250.7170.5940.4550.3000.1250本方案中，塔内压力接近常压（实际上略高于常压），因操作压力偏离常压很小，所以其对x~y平衡关系的影响完全可以忽略。将上表中数据作图得x~y曲线：oooBABtppppx/tApxpy/o分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第9页共46页3.3.2操作回流比的确定表3苯--甲苯物系在某些温度t下的a值（附x值）t(℃)80.184889296100104108110.6α2.602.562.532.492.462.432.402.372.35x10.8160.6510.5040.3730.2570.1520.0570可见随着温度的升高，α变化不大，可对表中两端数据取平均值475.22/35.26.2）（在y-x图上，因1q，查得660.0ey，而440.0qFxx，996.0Dx。故由式（3-53a）得最小回流比：也可根据课本中公式（10-45）得，代入数据计算得：两种计算方法结果相同。考虑到精馏段操作线离平衡线较近，取实际操作的回流比为最小回流比的1.2倍，图1苯—甲苯混合液的y-x图53.1440.0734.0734.0996.0mineeeDxyyxR】）（【FDFDminx1x1xx11R522.10.4410.9961475.20.4400.9961475.21Rmin】）（【分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第10页共46页即：R=1.5Rmin=1.2*1.522=1.826精馏塔的汽、液相负荷：精馏段：液相流量：L=RD=1.826×5.128=9.364kmol/h气相流量：V=(R+1)D=(1.826+1)×5.128=14.492kmol/h提镏段：液相流量：L′=L+F=9.364+12.091=21.455kmol/h气相流量：V′=V=14.492kmol/h3.3.3理论塔板数的确定0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0ByegbcaxwxFxDxf0.00.20.40.60.81.0图2苯-甲苯物系精馏分离理论塔板数的图解精馏段操作线为：1ny=11RxxRRDn=0.645nx+0.356平衡方程:x11xy）（提馏段操作线可由b(xW，xW)及精馏段操作线和q线的交点d决定。泡点加料时q=1FRDqFLL'（1）DRFqVV)1()1('（2）分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第11页共46页对全塔物料横算D+W=F（3）DDx+WWx=FFx（4）由(1)、(2)式得432.00176.0996.00176.0440.0WDWFxxxxFD(5)FDRxFDxxFDRRFDDRDxFxxDRFRDVWxxVLyDFmDFmwmm)1()1(1)1()1(''''1(6)将(5)式值带入(6)中得提留段操作线为0069.040.1'1mmxy将x=0.5代入精馏段操作线，求得y=0.6685，即有d(0.5，0.6931)。(1)精馏段利用平衡方程和精馏段操作线方程计算精馏段的塔板数：x2=0.869(用平衡关系)y3=0.905(用物料衡算，即操作线)x3=0.793(用平衡关系)y4=0.856(用操作线)；x4=0.705(用平衡关系)y5=0.800(用操作线)；x5=0.615(用平衡关系)y6=0.742(用操作线)；x6=0.535(用平衡关系)y7=0.691(用操作线)；x7=0.472(用平衡关系)5.0472.07dxx所以进料位置在第7块板(2)提馏段利用相平衡方程和提留段操作线方程计算提留段塔板数：y9=0.540；x9=0.319y10=0.422；x10=0.226y11=0.294；x11=0.143y12=0.181；x12=0.081y13=0.096；x13=0.0408y14=0.041；x14=0.0169分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第12页共46页04.00169.014wxx因此，理论板数为(14-1)=13层，进料位置为第7层板。苯--甲苯在某些温度下的粘度：μ=Σxiμi=0.44*0.284+0.56*0.291=0.2923(mPa.s)μ表示以加料摩尔组成为准的液体的平均摩尔粘度。可以简单的用以下近似公式计算塔的总效率：E=0.563-0.276lg（αμ）+0.0815[lg(αμ)]2=0.60315精馏段的实际板数为：6.1160315.07精N(层)取12（层）提馏段的实际板数为：9.960315.06提N（层）取10（层）实际是在第12块塔板进料的。3.4塔的精馏段操作工艺条件及计算3.4.1平均压强pm塔顶压强：取每层塔板的压降0.7KPa进料板：塔底压强：kPa1.1257.022PPFW平均压强：3.4.2平均温度tm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，计算结果如下：塔顶温度:tD=81.1℃进料板温度:tF=82.3℃。平均温度：tm81.72/82.381.1℃3.4.3平均分子量mMt8090100110120A0.3080.2790.2550.2330.215B0.3110.2860.2640.2540.228kPa4.1172/1.1257.109mpkPa7.109127.03.101PFkPa3.101PD分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第13页共46页塔顶：996.01Dxy，950.01x（查图2）kg/kmol166.7814.92996.0111.78996.0,mVDM812kg/kmol.7814.92950.0111.78950.0,mLDM加料板：6267.0Fy，0.440Fx（查图2）kg/kmol347.3814.92.62670111.786267.0,mVFMmol85.967kg/k14.92440.0111.78440.0,mLFM精馏段：kg/kmol757.082/347.38166.78,mVMkg/kmol390.822/967.58812.78,mLM3.4.4液体的平均粘度液相平均粘度依下式计算:lgμLm=∑xilgμi塔顶液相平均粘度的计算：查化工原理附录11，在81.1℃下有：μA=0.321mPa·s，μB=0.414mPa·slgμLD,m=0.986lg(0.321)+0.014lg(0.414)解得：μLDm=0.398mPa·s进料板液相平均粘度的计算:在82.3℃下，查得：μA=0.298mPa·s，μB=0.404mPa·slgμLF,m=0.685lg(0.298)+0.315lg(0.404)解得：μLFm=0.327mPa·s精馏段液相平均表面张力为μ,Lm=（0.398+0.327）/2=0.363mPa·ssmPa322.0014.0414.0986.0321.0,DBBDAAmLDxxmL,分离苯-甲苯混合液的浮阀板式精馏塔工艺设计湖北民族学院化工原理课程设计第14页共46页加料板：smPa329.0298.0404.0702.0298.0,mLF精馏段：smPa326.02/329.0322.0,mL3.4.5液体的平均密度ρ1.液相平均密度BB