苯甲苯溶液连续精馏塔设计(武汉工程大学)

武汉工程大学课程设计说明书课题名称 苯-甲苯溶液连续精馏塔设计专业班级 环境工程学生学号 学生姓名 学生成绩 指导老师课题工作时间2015年12月16日至2016年1月5日 武汉工程大学化学与环境工程学院填写说明：1. 一、二、三项由指导老师在课程设计（学年论文）开始前填写并交由学生保管；2. 四、五两项由学生在完成课程设计后填写，并将此表与课程设计一同装订成册交给指导老师；3. 成绩评定由指导老师按评定标准评分；4. 此表格填写好后与正文一同装订成册。一、 课程设计的任务或学年论文的基本要求：1、 苯-甲苯溶液连续精馏塔设计（九万吨/年）2、 基本要求2.1总体要求 1.在设计过程中，要发挥独立思考，独立工作的能力。 2.初步树立工程技术工作所必备的系统观念、全局观念、技术思想和经济观点，培养严肃认真的工作作风。3.本课程设计重点训练的部分是精馏塔中苯-甲苯混合液及其各组分在不同塔段的物理性质计算与校核，以及相应塔设备的选取。4.本课程设计不要求对设计方案作比较，只对技术特征加以说明。5.设计说明书，内容应完整（包括计算草图），简明扼要，文句通顺，字迹端正。设计图纸应按标准绘制，内容完整，主次分明。2.2具体要求 （1）应说明精馏塔处理的工艺过程，说明选择设备型号（型式）的理由； （2）应说明设备设计参数，并列出数据； （3) 应计算主要设备的工艺尺寸，并列出所采用的全部计算公式和采用的计算数据，并附相应的计算草图； （4）应说明采用的泵等的型号和主要参数； （5）设计叙述有关问题分析讨论； （6）设计计算说明书应有封页和目录； （7) 说明书针对计算和说明，应内容完整、条理分明简明扼要、文句通顺、字迹端正； （8）交课程设计计算说明书时必须提交设计计算原始草稿一份； （9）图上绘图应绘出主要处理设备、辅助设备和各种连接管线； （10）图纸应包括工艺流程图一张、设备总装图一张，图中应附设备一览表，说明各设备的名称、数量及主要外形尺寸； （11）图中应附图例以及必要的文字说明，图中应附比例。 (12) 图中文字一律用仿宋体书写。图纸应清洁美观，主次分明，线条粗细有别，图幅采用2号图纸。指导教师签字： 教研室主任签字： 年 月 日 年 月 日二、 进度安排：发题时间： 2015年12月16日查找资料，初步确定设计方案及设计内容 1-2天根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿 2-3天撰写设计说明书，总装图，答辩 4-5天三、 应收集资料及主要参考文献：参考文献 1环境工程专业课程设计指导教程与案例精选，张莉 杨嘉谟 编，化学工业出版社，北京. 2化工原理课程设计，第1版，柴诚敬 刘国维 李阿娜 编，天津科学技术出版社，1994.3化工原理（下册），第3版，陈敏恒 丛德滋等编，化学工业出版社，北京，2010.4化工原理 上册，第3版，陈敏恒 丛德滋等编，化学工业出版社，北京，2010.5 化学化工物性数据手册，无机卷，青岛化工学院 全国图算学培训中心组织编写，刘光启 马连湘 刘杰主编.6化学化工物性数据手册，有机卷，青岛化工学院 全国图算学培训中心组织编写，刘光启 马连湘 刘杰主编.7化工原理及设备课程设计，李芳 主编, 化学工业出版社，北京,2011.8板式精馏塔设计，第一版，伍钦 梁坤等编，化学工业出版社，北京，2010.9化工工艺设计手册 上册，第四版，中国石化集团上海工程有限公司编，化学工业出版社，北京，2009.10化工原理课程设计，贾绍义 柴诚敬 编，天津大学出版社，2002.四、课程设计（学年论文）摘要（中文）：精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。因此，研究精馏塔的设计并熟练掌握其过程很有必要。塔设备又称塔器。一类塔形的化工设备。具有一定形状（截面大多是圆形）、一定容积、内外装置一定附件的容器。用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。本设计采用的筛板塔是其板式塔中重要的一类。苯在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，毒性较高，是一种致癌物质。可通过皮肤和呼吸道进入人体，体内极其难降解，因为其有毒，常用甲苯代替，苯是一种碳氢化合物也是最简单的芳烃。它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。五、 课程设计（学年论文）摘要（英文）：Distillation is a distillation method for high purity liquid mixtures to be separated by reflux, is a liquid mixture industry on the most widely used separation operation, widely used in petroleum, chemical industry, light industry, food, metallurgy and other departments. Therefore, the design of distillation column and proficiency in the process it is necessary.Tower also known as column, a pyramid of chemical equipment, with certain shapes (section mostly circular), container volume, and some certain attachment device. The tower is often used to make the gas and liquid, solid and gas, liquid and gas and liquid or liquid and solid contact, and promote the interaction, to complete the heat transfer and mass transfer in chemical industry process. The sieve tower used in this design is an important kind of the plate tower. Benzene at room temperature, a colorless, transparent liquid sweet, and has a strong aroma. Benzene-combustible, high toxicity, is a carcinogen. Can enter the body through the skin and the respiratory tract, in vivo degradation is extremely difficult, because of its toxic and commonly used in place of toluene, benzene is an aromatic hydrocarbon is also the simplest. It is insoluble in water, soluble in organic solvents, itself also be used as organic solvents. Benzene is a basic petrochemical raw materials. Production and production technology level of benzene is one of the hallmarks of a countrys level of petrochemical development.key words: benzene; toluene, distillation; stripping section; sieve tray tower.六、 成绩评定 指导教师评语： 指导教师签字： 年 月 日七、答辩记录答辩意见及答辩成绩答辩小组教师签字：年 月 日总评成绩：（教师评分75%+答辩成绩25%）课程设计评审标准（指导教师用）评价内容具体要求权重调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好的论述课题的实施方案；有收集加工各种信息及获得新知识的能力。0.1实践能力能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。如装置安装、调试、操作。0.2分析解决问题能力能运用所学和技能去发现和解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论0.2工作量和工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。0.2质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号同一，编号齐全，书写工整规范，图标完整、整洁、正确；论文结果有应用价值。0.2创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独到见解0.1化工原理课程设计任务书一、 课程设计题目苯-甲苯溶液连续精馏塔设计二、 课程设计的内容1 设计方案的确定2 带控制点的工艺流程图的确定3 操作条件的选择（包括操作压强、进料状态、回流比等）4 塔的工艺计算（1） 全塔物料衡算（2） 最佳回流比的确定（3） 理论板及实际板的确定（4） 塔径的计算（5） 降液管及溢流堰尺寸的确定（6） 浮阀数及排列方式（筛板孔径及排列方式）的确定（7） 塔板流动性能的校核（8） 塔板负荷性能图的绘制（9） 塔板设计结果汇总表5 辅助设备工艺计算（1）换热器的面积计算及选型（2）各种接管管径的计算及选型（3）泵的扬程计算及选型6塔设备的结构设计：（包括塔盘、裙座、进出口料管）三、 课程设计的要求1、 撰写课程设计说明书一份2、 工艺流程图一张3、 设备总装图一张四、 课程设计所需的主要技术参数原料： 苯-甲苯溶液原料温度： 30处理量： 9万吨/年原料组成（苯的质量分数）：40%产品要求：塔顶产品中苯的质量分数： 94%；塔顶产品中苯的回收率：99%生产时间： 300天（7200h）冷却水进口温度：30加热介质： 0.6MPa（表压）饱和水蒸汽五、 课程设计的进度安排1、 查找资料，初步确定设计方案及设计内容，1-2天2、 根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿，2-3天3、 撰写设计说明书，总装图，答辩，4-5天六、 课程设计考核方式与评分方法指导教师根据学生的平时表现、设计说明书、绘图质量及答辩情况评定成绩，采用百分制。其中：平时表现 20%设计说明书 40%绘图质量 20%答辩 20%指导教师：邓黎丹 课程负责人：邱心泓 2015 年 12 月16日摘要精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。因此，研究精馏塔的设计并熟练掌握其过程很有必要。塔设备又称塔器。一类塔形的化工设备。具有一定形状（截面大多是圆形）、一定容积、内外装置一定附件的容器。用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体密切接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。本设计采用的筛板塔是其板式塔中重要的一类。苯在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，毒性较高，是一种致癌物质。可通过皮肤和呼吸道进入人体，体内极其难降解，因为其有毒，常用甲苯代替，苯是一种碳氢化合物也是最简单的芳烃。它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。【关键词】：苯；甲苯；精馏段；提馏段；筛板塔。AbstractDistillation is a distillation method for high purity liquid mixtures to be separated by reflux, is a liquid mixture industry on the most widely used separation operation, widely used in petroleum, chemical industry, light industry, food, metallurgy and other departments. Therefore, the design of distillation column and proficiency in the process it is necessary.Tower also known as column, a pyramid of chemical equipment, with certain shapes (section mostly circular), container volume, and some certain attachment device. The tower is often used to make the gas and liquid, solid and gas, liquid and gas and liquid or liquid and solid contact, and promote the interaction, to complete the heat transfer and mass transfer in chemical industry process. The sieve tower used in this design is an important kind of the plate tower. Benzene at room temperature, a colorless, transparent liquid sweet, and has a strong aroma. Benzene-combustible, high toxicity, is a carcinogen. Can enter the body through the skin and the respiratory tract, in vivo degradation is extremely difficult, because of its toxic and commonly used in place of toluene, benzene is an aromatic hydrocarbon is also the simplest. It is insoluble in water, soluble in organic solvents, itself also be used as organic solvents. Benzene is a basic petrochemical raw materials. Production and production technology level of benzene is one of the hallmarks of a countrys level of petrochemical development.key words: benzene; toluene, distillation; stripping section; sieve tray tower.69目录第一章 前言17第二章 设计方案192.1 生产要求192.2 选择塔型192.3 精馏方式202.4 操作压力202.5 进料状态202.6加热方式212.7热能利用212.8工艺流程21第三章 塔板的工艺设计233.1常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系233.1.1苯和甲苯的汽液平衡组成233.1.2作苯-甲苯的x-y图及t-x图233.2 全塔物料衡算及理论塔板数的确定253.2.1全塔物料衡算253.2.2回流比和理论塔板数的确定253.3 精馏段的物性衡算283.3.1精馏段操作线方程283.3.2液体平均粘度283.3.3精馏段的塔板效率293.4 提馏段的物性衡算293.4.1提馏段操作线方程293.4.2液体平均粘度293.4.3提馏段的塔板效率303.5实际塔板数的确定303.6塔径的确定313.6.1、平均分子量Mm313.6.2、气液相密度的计算313.6.3、气液相体积流量的计算333.6.4 精馏段液体平均表面张力333.6.5 提馏段液体平均表面张力343.6.6、塔径的计算343.7 精馏塔有效高度的计算;363.8 塔板主要工艺尺寸的计算363.8.1溢流装置计算363.8.2 塔板布置38第四章 塔板的流体力学性能校核414.1精馏段塔板流体力学验算414.1.1干板压降相当的液柱高度414.1.2气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl414.1.3克服液体表面张力压降相当的液柱高度h424.1.4液面落差424.1.5液沫夹带量的校核434.1.6溢流液泛条件的校核434.1.7液体在降液管内停留时间的校核444.1.8漏液点的校核444.2提馏段塔板流体力学验算444.2.1干板压降相当的液柱高度444.2.2气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl454.2.3克服液体表面张力压降相当的液柱高度h454.2.4液面落差454.2.5液沫夹带量的校核454.2.6溢流液泛条件的校核454.2.7液体在降液管内停留时间的校核464.2.8漏液点的校核464.3精馏段塔板负荷性能图474.3.1 过量液沫夹带线474.3.2溢流液泛线474.3.3液相上限线484.3.4漏液线（气相负荷下限线）494.3.5液相下限线494.3.6操作线504.4提馏段塔板负荷性能图504.4.1 过量液沫夹带线514.4.2溢流液泛线514.4.3液相上限线524.4.4漏液线（气相负荷下限线）524.4.5液相下限线534.4.6操作线54第五章 塔总体高度的设计555.1塔高的确定555.2塔顶空间Ha的确定555.3塔底空间Hb的确定555.4塔顶封头的确定555.5裙座高度HS的确定565.6人孔565.7塔板结构的确定57第六章 塔的附属设备选型596.1 冷凝器的换热面积计算596.2预热器换热面积计算596.3离心泵选型60第七章 塔的主要接管尺寸的选取637.1塔顶蒸气管路637.2塔顶液相回流管路637.3进料管路647.4塔釜残液流出管路647.5塔顶馏出液管路657.6接口管路汇总表65第八章 心得体会67符号一览表68参考文献69化工原理课程设计第一章 前言精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。要想把低纯度的苯甲苯溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为苯和甲苯的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高第二章 设计方案设计方案包括精馏流程、设备的结构类型和操作参数等的确定。例如组分的分离顺序（多组分体系）、塔设备的形式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。限于篇幅，仅对其中一些内容作些阐述，其他内容可见参考文献。2.1 生产要求设计要求塔产量为90000吨/年，每年工作日为300天，每天24小时连续正常工作。产品的质量要求：料液组成(质量分数)40%，塔顶产品(质量分数)94%，塔顶产品回收率99%。塔顶压力为4KPa（表压），单板压降小于或等于0.7KPa。加热介质：0.6MPa（表压）饱和水蒸汽。2.2 选择塔型精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。该塔设计生产时日要求较大，由板式塔与填料塔比较1知：板式塔直径放大时，塔板效率较稳定,且持液量较大，液气比适应范围大，因此本次精馏塔设备选择板式塔。下面是板式塔中泡罩塔和筛板塔各自的优缺点：（1）筛板塔是降液管塔板中结构最简单的，它与泡罩塔相比较具有下列优点：生产能力大10-15%，板效率提高15%左右，而压降可降低30%左右，另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右，安装容易，也便于清洗检修2。设计得当者，性能不亚于泡罩塔。（2）泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下优点：操作弹性大，无泄漏，液气比范围大，不易堵塞，能适应多种介质。泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。根据生产要求，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，本设计采用筛板塔比较合适。2.3 精馏方式由设计要求知，本精馏塔为连续精馏方式。2.4 操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则：(1) 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式；(2) 考虑利用较高温度的蒸气冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作；(3) 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。2.5 进料状态进料状态有5种，可用进料状态参数q值来表示。q值增加，冷凝器负荷降低而再沸器负荷增加，由此而导致的操作费用的变化与塔顶出料量D和进料量F的比值D/F有关；对于低温精馏，不论D/F值如何，采用较高的q值为经济；对于高温精馏，当D/F值大时宜采用较小的q值，当D/F值小时宜采用q值较大的气液混合物。如果实际操作条件与上述要求不符，是否应对进料进行加热或冷却可依据下列原则定性判断： 进料预热的热源温度低于蒸馏釜的热源温度，可节省高温热源时，对进料预热有利，但会增加提馏段的塔板数； 当塔顶冷凝器采用冷冻剂进行冷却，又有比较低的冷量可利用时，对进料预冷有利。泡点进料时的操作比较容易控制，且不受季节气温的影响；此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造时比较方便。2.6加热方式精馏段通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，可使得釜残液中的轻组分浓度降低，所需的理论塔板数略有增加，且物系在操作温度下黏度不大有利于间接蒸汽加热。因此，本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量。2.7热能利用蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和部分冷凝，因此效率很低，塔顶蒸汽冷凝放出的热量是很大的，但其能位较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用，或可以采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可以获得节能的效果，例如可以采用设置中间再沸器和中间冷凝器的流程。2.8工艺流程原料槽中的原料液先由离心泵送到预热器预热，再进精馏塔，精馏塔塔顶蒸汽经全凝器冷凝，泡点回流，塔顶产品输送进苯贮存罐，而再沸器则加热釜液，塔釜产品流入釜液贮存罐。第三章 塔板的工艺设计3.1常压下苯-甲苯气液平衡组成与温度的关系3.1.1苯和甲苯的汽液平衡组成查书2得到不同温度下苯和甲苯的汽液平衡组成如下表所示：表3-1 苯和甲苯的相平衡数据表液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/液相摩尔分数x气相摩尔分数y温度/00110.565575.590.1112.5109.916079.188.9837.11108.796582.587.63511.2107.617085.786.521020.8105.057588.585.441529.4102.798091.284.42037.2100.758593.683.332544.298.849095.982.253050.797.13959881.113556.695.589798.880.664061.994.099999.6180.214566.792.6910010080.015071.391.43.1.2作苯-甲苯的x-y图及t-x图根据表3-1中的数据分别画出苯-甲苯的x-y相图及t-x图:图3-1 苯-甲苯的x-y相图图3-2 苯-甲苯的t-x图3.2 全塔物料衡算及理论塔板数的确定3.2.1全塔物料衡算料液中苯的摩尔分率：=进料平均摩尔质量: =0.440278+(1-0.4402)92=85.84()9万吨/年=g/h处理量：F=mol/h，塔顶苯的摩尔分率：=由可求得：D=mol/h由可求得：W=mol/h，塔顶易挥发组分回收率：=塔底难挥发组分回收率：3.2.2回流比和理论塔板数的确定由相平衡线与物料衡算数据用图解法求最小理论板数：图3-3 最小理论板数由图可知：=9根据101.325KPa下，苯-甲苯的汽液平衡组成关系绘出苯-甲苯t-x-y和x-y图，因为是料液是泡点进料，q=1，所以Xp=XF，由 得 Rmin=1.34确定回流比 R=(1.1-2.0）Rmin通过作R/Rmin (R+1)*N表和R/Rmin -(R+1)*N图：取实际操作回流比为理论回流比的1.6倍：R=1.6 Rmin=2.144R/RminN(R+1)*N1.12254.4281.21949.5521.31849.3561.41748.8921.51648.161.61547.161.71549.171.81447.7681.91449.6442.01451.52此时对应精馏段操作线方程为：由精馏段方程及q线方程作出下图：由图可得，所需理论板数为NT =15（块），第6块板进料。进料板处组成为：由t-x图得出温度与x的拟合方程t=-0.00002*x3+0.0045*x2-0.5597*x+110.38可得出塔底、进料板和塔顶对应的温度如下：tw=109.75,tF=92.76,tD=80.71由相平衡公式可得根据相平衡线读出塔顶，进料板和塔底的相平衡组成分别为：;由此求得，塔顶，进料板和塔底的相对挥发度分别为：;3.3 精馏段的物性衡算3.3.1精馏段操作线方程精馏段：V=（R+1）D=（2.144+1）67.1=210.96(kmol/h) L=RD=2.14467.1=143.86(kmol/h)则精馏段操作线方程：3.3.2液体平均粘度液相平均粘度按下式3计算：查液体黏度共线图4得：（式中1-苯，2-甲苯）(1) 塔顶: 在80.71下=0.311;=0.323;=0.94870.311+（1-0.9487）0.323则=0.312()(2) 进料: 在92.76下：=0.282 ; =0.298。=0.4402 0.281+(1-0.0.4402)0.298则=0.291()=（+）/2=（0.312+0.291）/2=0.3015（）3.3.3精馏段的塔板效率精馏段的平均相对挥发度:则可得：=2.4660.3015=0.743（）用奥康奈尔法()计算全塔效率：3.4 提馏段的物性衡算3.4.1提馏段操作线方程提馏段：=V -(1-q)F=210.96-(1-1)146=210.96（kmol/h）=LqF=143.86+1146=289.86（kmol/h）则提馏段操作线方程：=+ = =1.374-0.0028993.4.2液体平均粘度塔釜: 在109.75下=0.241; =0.255; =0.00775 0.241+（1-0.00775） 0.255 则=0.255()进料: 在92.76下：=0.282 ; =0.298。=0.4402 0.281+(1-0.0.4402)0.298 则=0.291()=（+）/2=（0.312+0.291）/2=0.3015（）3.4.3提馏段的塔板效率提馏段的平均相对挥发度:则可得：=2.4930.273=0.681（）用奥康奈尔法()计算全塔效率：3.5实际塔板数的确定由 得精馏段实际板数： =9.4910（块）提馏段实际板数：N提 =16.7217（块）则实际全塔板数：N= =27块，实际第11块板进料。3.6塔径的确定3.6.1、平均分子量Mm(1)塔顶：=0.978878+(1-0.9788)92=78.29（）=0.948778+(1-0.9487)92=78.72（）(2)进料板:=0.396978+(1-0.3969)92=86.44(）(3)塔釜：=0.0195478+(1-0.01954)92=91.89（）=0.0077578+(1-0.00775)92=91.89（）3.6.2、气液相密度的计算（1）操作压力的计算因为常压下苯甲苯是液态混合物，其沸点较低（小于100），且不是热敏性材料，采用常压精馏就可以成功分离。故塔顶压强：PD=101.3+4=105.3KPa，取每层压强降：塔底压强：进料板压强：全塔平均操作压强：精馏段平均操作压强：提馏段平均操作压强：（2）精馏段的气液相密度计算平均温度: 气相平均摩尔质量：查表56可得，;，,塔顶密度7：进料板密度：精馏段液相平均密度:（3）提馏段的气液相密度计算平均温度: 气相平均摩尔质量：查表可得，;，,塔釜密度：进料板密度：提馏段液相平均密度:3.6.3、气液相体积流量的计算（1）精馏段气液相体积流量由已知条件V=210.96 L=143.86 得=1.611()= ()（2）提馏段气液相体积流量由已知条件=210.96 =289.86 得=1.542()= ()3.6.4 精馏段液体平均表面张力查图得tD=80.71时，苯和甲苯的表面张力为：1=21.7dyn/cm,2=21.7dyn/cmtF=92.76时，苯和甲苯的表面张力为：1=19.8dyn/cm,2=20.5dyn/cm液相平均表面张力有下式计算： 塔顶液相平均表面张力： 进料板液相平均表面张力：精馏段液相平均表面张力：3.6.5 提馏段液体平均表面张力查图得tw=109.75时，苯和甲苯的表面张力为：1=18.9dyn/cm,2=19.4dyn/cmtF=92.76时，苯和甲苯的表面张力为：1=19.8dyn/cm,2=20.5dyn/cm液相平均表面张力有下式计算： 塔底液相平均表面张力： 进料板液相平均表面张力：提馏段液相平均表面张力：3.6.6、塔径的计算（1）精馏段塔径的计算取板间距 ，板上液层高度 液层高度的取值为50mm-100mm ，则两相流动参数计算如下=（）（）=0.04210参考化工原理下图10-42筛板塔的泛点关联得：C=0.065=u=1.0803()为使本物系不易起泡,取泛点百分率为80%，可求出设计气速=0.81.0803=0.864()根据塔设备系列化规格，将圆整到D=1.6m 作为初选塔径，因此重新校核流速u实际泛点百分率为：（2）提馏段塔径的计算取板间距 ，板上液层高度 ，则两相流动参数计算如下=（）（）=0.09055参考化工原理下图10-42筛板塔的泛点关联得：C=0.063=u=0.9542()为使本物系不易起泡,取泛点百分率为80%，可求出设计气速=0.80.9542=0.7633()根据塔设备系列化规格，将圆整到D=1.7m 作为初选塔径，因此 重新校核流速u实际泛点百分率为： 取较大的精馏段塔径D=1.7m。塔的截面积3.7 精馏塔有效高度的计算;精馏段有效高度：提留段有效高度：在进料板上方开人一孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为3.8 塔板主要工艺尺寸的计算3.8.1溢流装置计算因塔径D=1.7m，可选用单溢流弓形降液管，各项计算如下：（1）堰长取(一般取0.6-0.8D)（2）溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度：，近似取E=1式中：-塔内液体流量，m3/h，E-液体收缩系数，由液流收缩系数计算查图可得，E近似取1则同理，提馏段的为取板上清液层高度故同理，提馏段的为（3）弓形降液管宽度和截面积由由弓形降液管的参数图查得，故降液管面积：弓形降液管的宽度： 验算液体在降液管中停留时间为：同理，提馏段的为 故降液管设计合理（4）降液管底隙高度，取液体通过降液管底隙速度=0.14m/s 则同理，提馏段的为 故降液管底隙设计合理。（5）塔板的分块a塔板的分块因，故塔板采用分块式，,故塔板采用整块式 查得塔板分块数表得，塔板分为3块。 b边缘区宽度的确定取 （1）在塔板上的鼓泡区（其面积以Ap表示）与堰之间，需有一个不开孔区，称为安定区。其作用是避免大量的含泡沫液相进入降液管，一般情况下，安定区可取为：外堰前的安定区：Ws70100mm。 内堰后的安定区：Ws50100mm。 在小塔中的安定区根据情况可适当缩小。 （2）边缘区板面靠近塔壁部分，需留出一圈边缘区Wc供支持塔板的边梁使用。对于塔径在2.5m以下的塔，Wc可取为50mm；塔径大于2.5m的塔，Wc取为60mm或更大些。3.8.2 塔板布置（1）、开孔区面积计算（Wd为弓形降液管的宽度）开孔区面积按照如下公式计算：（2）筛板数与开孔率初取， t为空心距离 ，自己选取：筛孔数与开孔率：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳的板厚为，孔间距 = 依下式计算塔板上的开孔率=5.67%则每层塔板上的开孔面积为：（为开孔区面积）=5030孔第四章 塔板的流体力学性能校核4.1精馏段塔板流体力学验算气体通过筛板压降相当的液柱高度：4.1.1干板压降相当的液柱高度取板厚，,由书（化工原理及设备课程设计）图2-10得:Co=0.79d0为孔径m/s=0.051=液柱4.1.2气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl相应的气体动能因子 ，式中充气系数，反映板上液层的充气程度，通常=0.50.6，可由充气系数关联图查得；F0气相动能因子，kg1/2/(sm1/2)Ua-通过有效传质区的查化工原理下图10-46得：=0.62液柱4.1.3克服液体表面张力压降相当的液柱高度h= 板压降 本设计是在常压下操作，所以对板压降本身无特殊要求。4.1.4液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。液面落差对筛板塔，液面落差通常可忽略不计4.1.5液沫夹带量的校核汽0.01943 Kg液/Kg气5s 要大于3s-5s不会产生严重的气泡夹带。4.1.8漏液点的校核漏液点的孔速为：=3.1138(m/s)筛孔气速= 塔板稳定系数 说明塔板具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的塔径及各工艺尺寸合适。4.2提馏段塔板流体力学验算气体通过筛板压降相当的液柱高度：4.2.1干板压降相当的液柱高度取板厚，,由书（化工原理及设备课程设计）图2-10得:Co=0.77m/s=0.051=液柱4.2.2气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hl相应的气体动能因子 查化工原理下图10-46得：=0.65液柱4.2.3克服液体表面张力压降相当的液柱高度h=板压降 本设计是在常压下操作，所以对板压降本身无特殊要求。4.2.4液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。4.2.5液沫夹带量的校核汽0.0218 Kg液/Kg气5s不会产生严重的气泡夹带。4.2.8漏液点的校核漏液点的孔速为：=5.58(m/s)筛孔气速= 塔板稳定系数 说明塔板具有足够的操作弹性。根据以上各项流体力学验算，可认为设计的塔径及各工艺尺寸合适。4.3精馏段塔板负荷性能图以下计算常用得,E经验计算,取E=1.0则=2/3 4.3.1 过量液沫夹带线依下式计算: =3.2 (4-1)式中： =(h+h)=令=0.1kg液/kg气，由=20.6810, H=0.35代入式(4-1)得：0.1=()整理得： 在操作范围中，任取几个值，根据上式算出值列于表4-1中：表4-10.0000.0020.0040.0060.0082.8902.5782.3952.2412.104依表中数据在作出过量液沫夹带线(见图4-1)4.3.2溢流液泛线液泛线的确定可根据公式以及这几个公式联立求解得：忽略式中的，将与与与的关系式代入上式，整理得故 取若干值，计算值，见表4-2，作出液泛线。(见图4-1)表4-20.00000020004000600085.4204.6903.8372.6871.2154.3.3液相上限线取液体在降液管中停留时间为5秒。一般要小于3-5s所以去极限时间5s则=（）在=处作出垂线得液相负荷上限线，可知在图上它为与气体流量 V无关的垂直线。(参见图4-1）4.3.4漏液线（气相负荷下限线）由h=h+h=，u=代入下式求漏液点气速式：u=4.4C=4.40.77将=0.0987代入上式并整理得：V=0.334据上式，取若干个值计算相应值，见表4-3，作漏液线(见图4-1)表4-30.0000.0020.0040.0060.0080.5290.6190.6660.7040.7364.3.5液相下限线取平顶堰堰上液层高度=6，作为液相负荷下限条件，低于此下限,则不能保证板上液流分布均匀。 对于平直堰，取堰上液层高度 =0.006mh=2.8410E（）0.006=2.84101（）整理得：在图上处作垂线即为液相下限线。(见图4-1)图4-1 精馏段塔板负荷性能图4.3.6操作线P点为操作点，其坐标为：， 该段中气体和液体的流量OP为操