分离苯-甲苯筛板式精馏塔设计[优秀]

课

食品工程原理 设计说明书

筛板式精馏塔设计

程

4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计

目录

第一部分 概述

一、设计题目...........................................................................................3 二、设计任务...........................................................................................3 三、设计条件...........................................................................................3 四、工艺流程图………………………………………………………...3

第二部分 工艺设计计算

一、设计方案的确定..............................................................................4 二、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NT的求取.................................................................................4 2.实际板层数的求取.......................................................................................6

四、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

六、塔板主要工艺尺寸的计算...........................................................9

1.溢流装置计算..............................................................................................9 ⑴堰长lW..................................................9 ⑵溢流堰高度hW...........................................9

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4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计

⑶弓形降液管宽度Wd和截面积Af..........................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

七、筛板的流体力学验算..................................................................11

1.塔板压降....................................................................................................11 ⑴干板阻力hc计算........................................11 ⑵气体通过液层的阻力hL计算..............................11 ⑶液体表面张力的阻力h计算..............................11 2.液面落差...................................................................................................12 3.液沫夹带...................................................................................................12 4.漏液...........................................................................................................12 5.液泛...........................................................................................................12

八、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

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4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计

第一部分 概述

一、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4000千克/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.

三、设计条件

操作压力 4kPa(塔顶表压) 进料热状况 自选 回流比 自选 单板压降 0.7kPa 全塔效率 ET52% 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

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一、 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 MA=78.11千克/米ol 甲苯的摩尔质量 MB=92.14千克/米ol X0.38/78.11F=0.38/78.110.62/92.14=0..420

X0.98/78.11D=0.98/78.110.02/92.14=0.983

X0.01/78.11W=

0.01/78.110.99/92.14=0.012 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF=0.42078.11+(1-0.420)92.14=86.25千克/米ol

MD=0.98378.11+(1-0.983)92.14=78.35千克/米ol MW=0.01278.11+(1-0.012)92.14=91.96千克/米ol 3.物料衡算原料处理量 F=

400086.25=46.38千米ol/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=19.49千克/米ol,W=26.千克/米ol

三、塔板数的确定 1.理论板层数NT的求取

苯-甲苯属理论物系,可采用图解法求理论板层数.

①由手册查得苯-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 y

1.0 1 1

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3 4 5 f 6 7

q线

8 e(0.42,0.42)

9

10 1.0 0 x

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: yq=0.2 xq=0.420 故最小回流比为:Rmin=

xdyqyqxq0.9830.21.

0.20.420 取操作回流比为:R2Rmin21.3.08

③求精馏塔的气、液相负荷

LRD3.0819.4960.03千米ol/h

V(R1)D(3.081)19.4979.52千米ol/h LLF60.0346.38106.41千米ol/h VV79.52千米ol/h ④求操作线方程 精馏段操作线方程 y'''LD60.0319.49xx0x0.9830.755x0.245 VV79.5279.52L''W106.41'26.x0.0121.338x'0.004 提馏段操作线方程y'x'xwVV79.5279.52⑤图解法求理论板层数

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采用图解法求理论板层数,求解结果为:

论板层数NT13包括再沸器,进料板位置NF6 2.实际板层数的求取

59.610 0.527 提馏段实际板层数:N提13.514

0.52 精馏段实际板层数:N精四、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 pD101.34105.3kPa 每层塔板压降 p0.7kPa

进料板压力 pF105.30.710112.3kPa 提馏段平均压力 pm(105.3112.3)/2108.8kPa

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TD82.1C 进料板温度TF99.5C 3.平均摩尔质量计算

⑴塔顶摩尔质量计算:由xDy10.983,查平均曲线，得x10.926

MVDm0.98378.11(10.983)92.1378.35kg/kmol

' MLDm0.92678.11(10.926)92.1379.15kg/kmol

⑵进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板,得 yF0.612 查平衡曲线,得 xF0.395

（10.612）92.1383.55kg/kmol MVFm0.61278.11 MLFm0.39578.11(10.395)92.1386.59kg/kmol ⑶提馏段平均摩尔质量

MVm(78.3583.55)/280.95kg/kmol

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MLm(79.1586.59)/282.87kg/kmol 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

mMVm3VmpRT109.580.95(91.95273.15)2.91kg/m

m8.314⑵液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算:

1ai/i

Lm ①塔顶液相平均密度计算:

由TD82.1C,查手册得 A812.7kg/m3，3B807.9kg/m 1LDm0.98/812.70.02/807.9812.6kg/m3

②进料板液相平均密度计算

由T,查手册得 33F99.5CA793.1kg/m，B790.8kg/m 进料板液相的质量分数计算

a0.39578.11

A0.39578.110.60592.130.356LFm1

0.356/793.10.4/790.8791.6kg/m3 ③精馏段液相平均密度为 3Lm(812.6791.6)/2802.1kg/m

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 Lmxii ⑴塔顶液相平均表面张力计算

由TD82.1C,查手册得 A21.24mN/m，B21..24mN/m LDm0.98321.240.01721.2421.24mN/m ⑵进料板液相平均表面张力计算

由TF99.5C,查手册得 A18.90mN/m，B20.00mN/m LFm0.39518.900.60520.0019.57mN/m 精馏段液相平均表面张力为:

Lm(21.2419.57)/220.41mN/m

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6.液相平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算:

lgLmxilgi ⑴塔顶液相平均粘度计算

由TD82.1C,查手册得 A0.302mPa•s，B0.306mPa•s lgLDm0.983lg(0.302)0.017lg(0.306) 解得 LDm0.302mPa•s ⑵进料板液相平均粘度计算

由TF99.5C,查手册得 A0.256mPa•s，B0.265mPa•s

lgLFm0.395lg(0.256)0.605lg(0.265) 解得 LFm0.261mPa•s

精馏段液相平均粘度为 Lm(0.3020.261)/20.282mPa•s

五、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: VsVMVm79.5280.950.616m3/s

3600Vm36002.91LMLm60.0382.810.0017m3/s

3600Lm3600802.1 Ls由umaxCLV,式中C由式(5-5)计算,其中的C20由图5-1查取,图的横坐标为: VLhL1/20.00173600802.11/2()()0.0460 VhV0.61436002.91取板间距HT0.40,板上液层高度hL0.06m,则 HLhL0.40.060.34m 查图5-1得C20=0.070 CC20(L20)0.20.07(20.410.2)0.0703 201

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umax0.0703802.12.911.165m/s

2.91按标准塔径圆整后为 D1.0m 塔截面积为 AT实际空塔气速为 u 2.精馏塔的有效高度的计算

精馏段有效高度为 Z精(N精1)HT(101)0.43.6 提馏段有效高度为 Z提(N提1)HT(141)0.45.2 在进料板上方开一人孔,其高度为0.8米,故精馏塔的有效高度为 ZZ精Z提0.83.65.20.89.6m 六、塔板主要工艺尺寸的计算

41.020.785m2

Vs0.6140.782m/s AT0.785 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=1.0米,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lw

取lw0.66D0.661.00.66m ⑵溢流堰高度hw

由hwhlhow,选用平直堰,堰上液层高度how 近似取E=1,则how2.84LE(h)2/3 1000lw2.840.001736002/31()0.013m 10000.66取板上清液层高度 hw0.060.0130.047m ⑶弓形降液管宽度Wd和截面积Af

AflwW0.66，查图5-7，得0.0762，d0.0136 由DATD 故

Af0.0762AT0.07620.7850.0598m2Wd0.136D0.1361.00.136m

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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h0 h0' 取u00.08m/s，则

3600AfHTLh36000.05980.4014.07s5s

0.00173600Lh '3600lwu00.001736000.032m 36000.660.08hwh00.0470.0320.015m0.013mh0 故降液管底隙高度设计合理.

' 选用凹形受液盘,深度hw 50mm。 2.塔板布置 ⑴塔板的分块

因D800mm,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WsWs0.065m,Wc0.035m

⑶开孔区面积计算

开孔区面积Aa按式(5-12)计算,即

xarcsin)180r

D1.0x(WdWs)(0.1360.065)0.299m22Aa2(xrx22r2 其中 rD1.0Wc0.0350.465m 2222 故

Aa2(0.3110.4650.2990.4652180arcsin0.299)0.524m2 0.465 ⑷筛孔计算及其排列

本例所处理的物系无腐蚀性,可选用3mm碳钢板,取筛孔直径d05mm。 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t3d03515mm

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1.155A1.1550.524 筛孔数目 nat20.01522690个

开孔率为 0.907(d020.0052t)0.907(0.015)10.1%

气体通过筛孔的气速为 u0VsA0.6140.1010.52411.60m/s o七、筛板的流体力学验算

1.塔板压降

⑴干板阻力hc计算

干板阻力hu0c由式（5-19）计算：hc0.051(c)2(v) 0L 由d0/5/31.67，查图5-10得：C200.772 故hc0.051(11.60220.772)(.91802.1)0.418m液柱 ⑵气体通过液层的阻力hL计算

气体通过液层的阻力hL由式(5-20)计算:

h1hLuVsAA0.614a.05980.843m/sTf0.7850

F0uav0.8432.911.44kg1/2/(s•m1/2)

查图5-11,得0.61.故

h1hl(hwhow)0.61(0.0470.013)0.036m液柱 ⑶液体表面张力的阻力计算

液体表面张力所产生的阻力h由式(5-23)计算:

4L420.41103 h.19.810.0050.0021m液柱

Lgd0802 气体通过每层塔板的液柱高度hP可按下式计算:

hPhch1h0.4180.0360.00210.0799m液柱 气体通过每层塔板的压降为:

pphpLg0.0799802.19.81629Pa0.7kPa（设计允许值）

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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:

5.7106ua

ev(h)3.2LHTf

hf2.5hL2.50.060.15m 故 e5.7106v20.41103(4.8433.20.00.15)0.014kg液/kg气0.1kg液/kg气 在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内.

4.漏液

对筛板塔,漏液点气速u0，min可由式(5-25)计算:

uo，min4.4C0(0.00560.13hLh)L/v

4.40.772（0.00560.130.060.0021）802.1/2.915.995m/s 实际孔速 u011.60m/su0，min 稳定系数为 Ku0u11.6005.9951.931.5 ，min 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Hd应服从式（5-32）的关系，即 Hd(HThw) 苯-甲苯物系属一般物系,取0.5,则

(HThw)0.5(0.400.047)0.224m而H

dhphLhd 板上不设进口堰,hd可由式(5-30)计算,即

h.153(u'2d00)0.1530.0820.001m液柱Hd0.080.060.0010.141m液柱 Hd(HThw)

故在本设计中不会发生液泛现象.

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八． 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.

u0，min4.4C0(0.00560.13hLhc)L/Vu0，min

Vs，2.84Lh2/3min，hLhwhow，howE()A01000lw 2.84L1(h)2/3]h}L/V1000lw得Vs，min4.4C0A0{0.00560.13[hw

4.40.7720.1010.524{0.00560.13[0.0473600Ls2/32.841()]0.0021}802.1/2.9110000.66

整理得 Vs，min2.9850.009510.114Ls2/3 在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表.

Ls/(m3/s) 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 Vs/(m3/s) 0.303 0.313 0.325 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≤0.1千克液/千克气.以ev=0.1千克液/千克为限,求Vs-Ls关系如下:

ev5.7106L(ua)3.2

HThf 由 uaVsVs1.379Vs

ATAf0.7850.05983600Ls2/32.84/31()0.88L2s10000.662/32/3 hf0.1182.2Ls,HThf0.2822.2Ls

61.379Vs5.7103.2eV[]0.132/320.41100.2822.2Lshf2.5hL2.5(hwhow)，hw0.047，how/3 整理得 Vs1.2810.02L2s

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在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表.

Ls/(m3/s)

0.0006

0..0015

0.0030

0.0045

由此表数据即可作出液沫夹带线2. 3液相负荷下限线

Vs/(m3/s) 1.209 1.149 1.072 1.007

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how0.006m作为最小液体负荷标准.由式(5-7)得

how2.843600LS2/3E()0.006 1000lW 取E=1,则 LS，min(0.00610002/30.66)0.00056m3/s

2.843600 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4s作为液体在浆液管中停留时间的下限,由式(5-9)得

AfHTLS4,LS，minAfHT40.05980.400.00598m3/s

4 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

Hd(HThw)，HdhPhLhdhPhehLho,h1•hL，hLhwhow

联立得 忽略h，将how，hd与LS，hc与VS的关系式带入上式，整理得

'2/3a'VS2b'c'L2SdLS0.051V ' a()(Aoco)2LHT(1)hW(1)howhchdh 式中bHT(1)hW,c''0.15336002/3'3，d2.8410E(1)() 2(lWho)lW1

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将有关数据带入,得:

0.0512.91()0.111(0.1010.5240.772)802.1b'0.50.4(0.50.611)0.0470.1480.153c'343.012 (0.660.032)36002/3d'2.841031(10.61)()1.4210.662/3220.111V0.148343.01LS1.421LS2/3VS21.333090L2S12.79LSa' 在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs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:

Ls/(m3/s) Vs/(m3/s)

VS 泡沫夹带线2 VS,max 下 液泛线5 限 线 上 3 限 线 4 A

VS,min 漏液线1 0 LS

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

33 VS，min1.063m/s，VS，min0.309m/s

故操作弹性为

VS，1.063max3.440 VS，0.309min 1

4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计

九、设计一览表

将设计筛板的主要结果汇总于下表: 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

项目 数值 90.8 108.8 0.614 0.0017 24 9.6 1.0 0.4 单溢流 弓形 0.66 0.047 0.06 0.013 0.032 序号 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 项目 边缘区宽度Wc,米 开孔区面积AS，cm 筛孔直径do,米 筛孔数目n 孔中心距t,米 开孔率,% 空塔气速u,米/s 筛孔气速uo,米/s 稳定系数 每层塔板压降pp,kPa 负荷上限 负荷下限 液沫夹带ev,(千克液/千克气) 气相负荷上限VS,max,m/s 气相负荷下限VS,min,m/s 操作弹性 332数值 0.035 0.524 0.005 2690 0.015 10.1 0.782 11.56 1.93 0.629 液泛控制 漏液控制 0.014 1.063 0.309 3,440 C 平均温度tm，平均压力pm，kPa 3气相流量VS，m/s 3液相流量LS，m/s 实际塔板数 有效段高度Z,米 塔径D,米 板间距HT,米 溢流形式 降液管形式 堰长hL,米 堰高hW,米 板上液层高度hL,米 堰上液层高度how,米 降液管底隙高度ho，m 安定区宽度WS,米

十、参考文献

[1]王国胜. 化工原理课程设计[米]. 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[米]. 北京:化学工业出版社,2005

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4000kg/h苯-甲苯筛板式精馏塔设计

[4] 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[米]. 大连:天津大学出版社,2005

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