苯-甲苯浮阀精馏塔课程设计

BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第1页，共41页第一篇化工原理课程设计任务书1.1设计题目苯-甲苯连续精馏（浮阀）塔的设计1.2设计任务1、精馏塔设计的工艺计算及塔设备计算（1）流程及操作条件的确定；物料衡算及热量衡算；（2）塔板数的计算；（3）塔板结构设计（塔板结构参数的确定、流动现象校核、负荷性能图）；（4）塔体各接管尺寸的确定；（5）冷却剂与加热剂消耗量的估算。2.设计说明及讨论3.绘制设计图（1）流程图（A4纸）；（2）塔盘布置图（8开坐标纸）；（3）工艺条件图（1号绘图纸）。BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第2页，共41页1.3原始设计数据1、原料液：苯-甲苯，其中苯含量为35%（质量），常温；2、馏出液含苯：99.2%（质量）；3、残液含苯：0.5%（质量）；4、生产能力：4000(kg/h).BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第3页，共41页第二篇流程及流程说明为了能使生产任务长期固定，适宜采用连续精流流程。贮罐中的原料液用机泵泵入精馏塔，塔釜再沸器用低压蒸汽作为热源加热料液，精馏塔塔顶设有全凝器，冷凝液部分利用重力泡点回流部分连续采出到产品罐（具体流程见附图）。在流程确定方案选择上，本设计尽可能的减少固定投资，降低操作费用，以期提高经济效益。1、加料方式的选择：设计任务年产量虽小，但每小时4000Kg的进料量，为维持生产稳定，采用高位槽进料，从减少固定投资，提高经济效益的角度出发，选用泡点进料的加料方式。2、回流方式的选择：塔的生产负荷不大，从降低操作费用的角度出发，使用列管式冷凝器，利用重力泡点回流,同时也减少了固定投资。3、再沸器的选择：塔釜再沸器采用卧式换热器，使用低压蒸汽作为热源，做到了不同品位能源的综合利用，大大降低了能源的消耗量。BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第4页，共41页第三篇设计计算3.1全塔的物料衡算1、将任务书中的质量分数换算成摩尔分数，进料hkmol4000F35%78.110.33835%78.1165%92.13Fx（摩尔百分数）0.5%78.110.005890.5%78.1199.5%92.13Wx（摩尔百分数）99.2%78.110.99399.2%78.110.8%92.13Dx（摩尔百分数）2、求平均分子量，将hkg换算成hkmol进料处:78.110.38892.130.61286.69kgkmolFM塔顶处:78.110.99392.130.00778.21kgkmolDM塔釜处:78.110.0058992.130.9941192.05kgkmolWM进料:kmol/h46.144000/86.69F3、全塔的物料衡算由物料衡算得：FFDFWDFxWxDx代入数据得：993.000589.0388.014.4614.46DWDW解之得：hkmol86.17hkmol28.28DWBeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第5页，共41页3.2相对挥发度及回流比R1、求全塔平均相对挥发度：表3-1123456789tC。80.184889296100104108110.6x1.0000.8160.6510.5040.3730.2570.1520.0570y1.0000.9190.8250.7170.5940.4560.3000.1250（1）塔内温度的计算：采用内插法计算塔内的温度1）塔顶：BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第6页，共41页由于采用全凝器，因此10.993Dxy。查表可知，在80.1℃与84℃之间，y值很接近，因此这两点之间可近似看作为直线，设此直线方程为：tkyb，代入80.1℃与84℃时的y值：bkbk919.0841.80解得：25.12815.48bk即直线方程为：48.15128.25ty将y1=0.993代入方程解得t1=tD=80.39℃2）塔底：xW＝0.00589，设直线方程为：t=kx+b，代入108℃与110.6℃时的x值：bbk6.110057.0108解得：6.1106.45bk所以直线方程为：t=-45.6x+110.6将xW＝0.00589代入方程解出tW=110.3℃。3）进料：Fx=0.388，设直线方程为t=kx+b，代入92℃到96℃的x值：bkbk373.096504.092解得：4.1075.30bk所以直线方程为：t=-30.5x+107.4将Fx＝0.388代入方程解出tF=95.57℃。所以全塔的平均温度t=357.953.11039.80=95.42℃（2）塔内平均相对挥发度：采用内插法计算塔内平均温度下的相对挥发度设直线方程x=kt+b,代入92℃到96℃之间的x的值bkbk96373.092504.0解得：517.303275.0bk所以直线方程为：x=-0.03275t+3.517将t=95.42℃代入方程解出x=0.392设直线方程y=kt+b,代入92℃到96℃之间的y的值BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第7页，共41页bkbk96594.092717.0解得：546.303075.0bk所以直线方程为：y=-0.03075t+3.546将t=95.42℃代入方程解出y=0.612∵y1y=xx1将x=0.392，y=0.612代入得：=2.452、求回流比R（1）最小回流比Rmin由y1y=xx1，代入=2.45整理得：y=x45.112.45x○1由于采用泡点进料，所以q=1,故q线方程为xe=Fx=0.388○2联立○1、○2，求解得：608.0388.0eeyxRmin＝75.1388.0608.0608.0993.0eeeDxyyx（2）确定最适宜操作回流比R一般取R＝（1.2～2.0）Rmin，然后在其间取适当值，通过计算作图，从而找出最适宜操作回流比R。其中X=1R-RminR，Y=1N-NminN，Y=)1(75.0567.0XNmin=lg/)11lg(wwDDxxxx由下表3-2可以看出，当R=1.35Rmin=2.50时，所得的回流比费用最小，即最适宜回流比R=2.50。BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第8页，共41页表3-2R/RminXYRNN*R1.200.110.532.1025.1952.901.300.160.482.2822.7651.771.310.160.482.2922.5751.741.320.170.482.3122.3851.711.330.170.472.3322.2151.691.340.180.472.3522.0451.681.350.180.462.3621.8751.671.360.190.462.3821.7151.681.370.190.462.4021.5651.691.380.190.452.4221.4151.711.390.200.452.4321.2751.731.400.200.452.4521.1351.761.500.240.412.6319.9452.341.600.280.392.8019.0353.271.700.310.372.9818.3054.441.800.340.343.1517.7055.761.900.360.333.3317.2057.202.000.390.313.5016.7858.73R与N*R的关系图y=5.2779x2-24.525x+80.31250.0052.0054.0056.0058.0060.000.001.002.003.004.00RN*RBeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第9页，共41页3.3求理论塔板数求解方法：采用逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。精馏段：操作线方程：DnnxRxRRy1111将R=2.50代入方程得：150.2993.0150.250.21nnxy即：284.0714.01nnxy相平衡关系为：xy45.112.45xx=y45.145.2y对于第一层塔板：ｙ１＝ｘＤ＝0.993，由相平衡关系求得：x１=0.983(其中相对挥发度取2.45)。将x１代入操作线方程得：y2=0.714×0.983+0.284=0.986。然后再次应用相平衡关系即可求得x2=0.966（之后α取全塔平均相对挥发度）。依次求解可求得其他值，如下表所列：表3-3y10.993x10.983y20.986x20.966y30.974x30.939y40.954x40.894y50.922x50.828y60.875x60.741y70.813x70.640y80.741x80.539Y90.669x90.452y100.607x100.387xynn1(利用操作线方程)yxnn(利用相平衡关系)BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第10页，共41页由表可以看出，x9xex10,因此第10层为进料层，从第10层开始进入提镏段。提镏段：操作线方程：WnnxWLWxWLLy1其中：L=RD=2.50×17.86=44.65kmol/hqFLL=90.79koml/hq=1代入方程得：00266.0452.11nnxy将x10代入提馏段操作线方程方程求得y11=0.559，之后用相平衡关系即可求得x11=0.341。同理可求出其他值，如下表所列：表3-4y110.559x110.341y120.492x120.280y130.408x130.220y140.317x140.159y150.228x150.108y160.154x160.0692y170.0978x170.0424y180.0589x180.0249y190.0335x190.0140y200.0177x200.00730y210.00794x210.00326由表可看出x20Wxx21，因此理论减去塔釜相当的一层塔板，理论塔板数在19和20块之间，又：212020xxxxw=00326.000730.00.00589-0.00730=0.35，所以理论塔板数为19.35块（不含塔釜）。其中精馏段9块，提馏段10.35块，第10块为进料板。BeijingtechnologyandBusinessUniversity化工原理课程设计第11页，共41页3.4确定全塔效率ET并求解实际塔板数1、确定全塔效率利用奥康奈尔的经验公式245.049.0LTE其中：—全塔平均温度下的平均相对挥发度；L—全塔平均温度下的液相粘度,mPa.s；对于多组分的液相粘度：LiLix其中：Li—液态组分i的粘度,mPa.s；xi—液相中组分i的摩尔分率；（1）全塔平均温度的求解：查表3-1，采用内插法求得:塔顶温度：tD=80.39℃进料温度：tF=95.57℃塔底温度：tW=110.3℃精馏段平均温度为：98.87257.9539.80mt℃提馏段平均温度为：94.10223.11057.95mt℃全