化工原理课程设计--苯—甲苯精馏塔的设计.docx

化工原理课程设计题目：萃一甲苯精馆塔的设计专业I应用化工技.班姓名：指导老师：2012年12月310前言3任务书4一理论依据4二.工艺计算过程1设计方案的确定72精慵塔的物料衡73 .塔板数的确定84 .精憎塔的工艺条件及有关物性数据的计算85 .精馆段气液负荷计算106、塔和塔的主要工艺尺寸计算117 .筛板的流体力学验算158 .塔板负荷性能图179 .精储塔的附属设备及接管尺寸21三.参考文献21化工原理课程设计是高等学校的一门专业必修课,通过本课程学习,有利于培育学生的独立工作、独立思索和运用所学学问解决实际工程技术问题的实力,是提高学生综合素养,使高校生向工程师转化的一个重要的教学环节。蒸慵单元操作自古以来就在工业生产中用于分别液体混合物。它是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组份分别的，多用于分别各种有机混合液，蒸储有很多操作方式，按有没有液体回流，可分为有回流蒸慎与无回流蒸情，有回流的蒸馆称为精馆。本次设计的要求是要设计苯.甲苯精值塔，用以分别苯-甲苯的混合液。此次设计在*老师的指导下进行，运用学过的基础学问，熬炼自己设计生产设备的实力。此次设计加深了我们对精储操作的相识，熬炼了我们阅读化工原理文献并且搜集资料的实力，同时液培育了我们独立思索问题、分析问题、解决问题的实力，也培育了我们相互协作的实力，为今后实际工作的应用打好了基础。由于设计者的水平有限，所设计的方案之中难免有不妥之处，希望老师赐予指责指正。任务书在一连续操作的精馆塔中分别苯一甲苯溶液，混合液中含苯41%,饱和液体进料.已知原料液的处理量为5000kgh要求：情出液中苯的组成不低于0.94(摩尔分数)，釜液中苯的组成为0.06。单板压降不大于0.7kpa,操作压力：4kpa(塔顶常压)，回流比，R=2,进料热状态参数q=1.理论依据(1)苯和甲苯的物理性质：项目分子式分子量沸点C临界温度,C临界压强F,k苯ACM78.1180.1288.56833.4甲苯BCkH5-CH392.13110.6318.574107.7笨与甲苯的液相密度P1.t,C8090100I1.O120苯，kgmj815803.9792.5780.3768.9甲苯,kgm,810800.2790.3780.3770.0(3)液体表面张力。，t,C8090100I1.O120苯,mN/m21.2720.0618.8517.6616.49甲苯,mN/m21.6920.5919.9418.4117.31(4)液体粘度Mt,C8090100I1.O120木，mpas0.3080.2790.2550.2330.215甲苯,mpas0.3110.2860.2640.2540.2283(5)液体气化热yt/C8090100110120苯，kj/kg394.1386.9379.3371.5363.2甲苯，kj/kg379.9373.8367.6361.2354.6(6)饱和蒸汽压Pt苯、甲苯的饱和蒸汽压可用方程Antoine求算，IDgP=A与，式中：tt+C物系温度P；P饱和蒸汽压A、B、C一一AntOine常数,其值见附表:组分ABC苯6.0231206.35220.24甲苯6.0781343.94219.58(7)笨一甲紫溶液的气液平衡数据温度tC液相中苯的摩尔分数X气相中苯的摩尔分数y110.560.000109.911.(X)2.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.0020.8102.7915.0029.4101.7520.0037.298.8425.0044.297.1330.0050.795.5835.0056.694.0940.0061.992.6945.0066.791.4050.0071.39().1155.0075.588.8060.0079.187.6365.0082.586.5270.0085.785.475.0088.584.4080.0091.283.3385.0()93.682.2590.0095.981.1195.0098.080.6697.0098.880.2199.0099.680.01100.00100工艺计算过程一.设计方案的确定本设计任务为分别苯甲苯混合物。对于二元混合物的分别，应采纳连续精怖流程.设计中采纳泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馅塔内.塔顶上升蒸气采纳全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回潦至塔内，其余部分经产品冷却落冷却后送至储罐。该物系属易分别物系，最小回流比较小，故操作回潦比取最小回流比的2倍。塔釜采纳间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储程,二.精储塔的物料衡算(D原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔旗量MJ78I1.kgJbno1.甲茉的摩尔质量MB=923kgfkmo1.已知：流量F=5thXf=O.47Xw=O.08Xd=O.982)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M1-0.47X78.11+(1-0.17)×92.13=85.kgkmo1.M11=O.98X78.11+(10.98)×92.13=78.39kgktt1.M.-0.08×78.11+(IH).08)X92.13=91.01o(3)物料衡算叮料处理址：F=-=58.45(k11o1.h)85.54总物料衡算D+W=58.45苯的物料衡钵58.45×0.47-0.98D+0.08W联立解得D=25.33kmo1./hW=33.12kmo1./h三.塔板数的确定相平衡方程:X=ya-(a-1.)y=y2.45-1.45y常母段操作线方程y=(RRU)xz0(R+1.)=0.74x+0.25塔釜汽液回流比RR.=X""=°9"°68=i.43"y-Xm0.68-0.47求得K=2RBiJ2x1.43=2.86提留段操作线方程：1.=RXD=2.86x25.33=72.44(KnX%)已知q=1.jVVY=Y=V一1Kj1.=i.34X-0.03£=1.+qFWA"£_|V理论塔板数计兑：先交咨运用相平衡方程与精循段操作线方程计算如卜;y=o=0.98由相平衡方程x,=0.95精憎段悚作线方程:y.=0.95X0.89y=0.90y(=0.84X79,=0.68y,=075X0.55y=0.66所以第六快板为进利板.1.=0.的Xf=0.47以下交替用提留段操作线方程与相平衡方程计算如下:f1.=044y.=0.56X034y,=0.43Xk=S23y9=0.28Xv=O.14V=0.151.<1=006Xio=006MXW=O.08所以总理论板数为10,精储段理论板数为5。全塔效率七,：塔顶温度h=8O.44°C塔底温度1.=106.07塔内平均温度为93.26oC£r=0.17-0.6161.gUiii液相平均粘度M.v=0-47M»+<,-0-47）p»=0.47×0.286+0.53×0.279=0.274Er=017×0.616Ig0.27452%、实际塔板精饰段10层提留段8以四.精慵塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馅段为例进行计算.（1）操作压力计算塔顶操作压力D=101.3+4-105.3kPa每届塔板压降ZV-0.7kPa进料板压力R=105.3+0.7X10=112.3kPa精微段平均压力m=<105.3+112.3）/2=108.8kPa（2）操作温度计笄依据操作压力，由泡点方程通过试差法计鸵出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压计算结果如下：=0.(M4(4丫4丫0.0020Y806.5yIkXaJ=(o.75A1.o?J查图5-8得Q=O.072,依卜式校正到物系表面张力为20.4Nm时的&即:C=C31()m=0.072(20.420)ft2=0.072320Ui=取平安系数为072,则u=0.72Mniai=O.72×1.197=0.838m/s故D=匪I三亚=.0?mVmtV3.14×0.838按标准，塔径圆整为1.2m,则空塔气速为0.73ms.(二)溢流装置采纳单溢流、弓形降液管、平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。各项计算如下。1 .溢流堰长4取堰长w=066D,即"O.66×1.0=0.66m2 .出口堰高w-4.“OWwD=0.66/1.0=0.66,yr=3602°=19.3m知E为1.05,依下式：22f.2.84J1.V2.84,八13600x0.0020卡nn,1IiowEH1.=X1.oW=0.014m100O(人J100O0.66)故=0.06-0.014=0.046m依式计算塔板上的筛孔数n,即f1.158×IO,Y1158x10'a-cj-p-1.=X0.532=2738扎0.907依式计算塔板上开孔区的开孔率团即%="2=10.1%（在5-15%范围内）3.0*每层塔板上的开孔面积An为：A0=Ad=0.101×0.532=0.0537n气体通过筛孔的气速uf=3=黑=14.0m/sA,0.0537（五）塔有效高度（精情段）Z=（IO-I）XO.4=3.6m（六）塔高计算Z=NHHt=（10+8）×0.4=7.2m七、箭板的流体力学验算（一）气体通过箭板压降相当的液柱高度p依式hp=hc+,+1 .干板压降相当的液柱高度力,依4=2=1.67,杳图8-13,CO=O.84,于是有3ht=0.闾图=005（斓廉3=0.0515，2 .气流穿过板上液层压降相当的液柱高度九=AA=C长=1.03ms,FU=Hdp=1.0X/193=1.76Ar-Af0.785-0.05/由图874查取板上液层充气系数备=0.62依式/"=etih1.=n(hw+w)=0.580.06=0.0348m3 .克服液体表面张力压降相当的液柱高度(M-P1_44×20.67×101侬，弋h=0.00209mptfidti806.5X9.81X0.005故%=0.0515+0.0348÷0.00209=0.088m单板压降：/)=%/),g=0.088×806.5×9.81=699.3pa<0.7kpa(设计允许)(二)雾沫夹带量e,的验算e=5.70f%=5.7x10，41.03依式G-fir-f,)20.87XIO-30.4-2.5×0.()6=0.02狄WV<0.1kaUkgV故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带（三）漏夜的验算依式i(O.OO56+O.I3A1.-AJp4uOW-*v044/(0.0056+0.13x0.06-0.00209)x806.5V2.936.5nts筛板的稳定性系数：K=&=笑=2.1501.5）“ow6.5故在设计负荷下不会发生过量漏夜。（四）液泛验算为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清夜高度也（z+Ajo依式计算，即,产儿+生+儿儿依式计算，即：f=O.I53=O.I53（-00020-=0.00095，""V1.whoJ<0.66x0.038；Hd=0.088+0.06÷0.00095=0.149m取=0.5,则中(,+%)=0.5(0.4+0.(M6)=0.223,“故在设计中负荷下不会发生液泛。依据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精储段塔径及各工艺尺寸是合适的。八、塔板负荷性能图()雾沫夹带线(1)依式（三）H呼(右式中“=2=1.03K（八）A1-Aj0.785-0.05674-2hf=2.5(%+殳W)=2.5h.+2.84X10'号叫j近似取£7.0,=0.046m,1.w=0.66m"2"故力=2.50.(M6+2.841.(rY=0.12+2.2061.sI(b)0.66J取雾沫夹带极限值R.为0.Ikg液kg气，已知b=20.41×103Nm,Hr=0.4m,并将（八）、(b)式代入式（三）,得下式:3.21.03K1,0.4-0.118-2.2()60.5.7XIOf,20.41XIOi整理得匕=1.29-10.IO1.Jo在操作范围内，任取几个人值，依式算出相应的咚值列于附表1中。附表11.s,mS0.6X10'1.5×IOj3.OXIO14.5X10”Vs,m7s1.281.161.081.02依表中数据在VS1.S图中雾沫夹带线（1），如图3所示。（二）液泛线（2）有（“r+力W）=/%+hw+how+rf（X）近似取E=I0,hw=0.046m,1.w=0.66m22由式ZJow=2.84*10可号吆）'=2.84*10写*了=0.8825蜷（c）Itc=0.05%"处=0.05if（-=-1co）pjICoAJI806引=0.051（Vf=0.0912V0.84X0.0537JV806.5；由式+%及式=o（hw+how）=0.6"0.046+0.8825s7=0.0276+0.5259I%=0.00209m（已算出），得hp=0.0912V/+0.0276+0.52591.-+0.00209=0.0297+0.0912V5.5259J（d）又因为"5J=243口（O将H1=O.4m,m,=0.016m,=0.5及（c）、（d）、（e）式代入式（x）式得：0.5x（0.4+0.046）=0.297+0.0912V.2÷0.88251.s5+0.53+0.0276+243C整理得下式：Vr2=1.6-15.441.j-4912.31./（2）在操作范围内取若干1.值，依（2）式计算V.值，列于附表2,依表中数据作出泛液线（2）,如图3中线（2）所示。附表21.m7s0.6×i011.5×10j3.0X10'4.5X103V,.m7s1.581.391.241.09（三）液相负荷上限线（3）取液体在降压管中停留时间为4秒，有下式.hta（0.4x0.0567：1,q1.sm1.=0.00567m/so）r4液相负荷上限线（3）在W1.坐标图上为与气体流量无关的垂直线,如图3线（3）所示。（四）漏夜线（气相负荷下限线）（4）由,=w+w=048+0.88251.J,“叩=餐代入漏夜点气速式：AG（00056+0134-%）口11OWVPV1=4.4×0.84ii;0.0056+0.1.0.048+0.88251.a5-0.2（）9翳1把Af=0.0537m2代入上式并整理，得VSHn=3.281.0.00972÷O.1151.s5此即气相负荷下限关系式，在操作范围内取若干1.值，依（4）式计算V5值，列于附表3,依表中数据作出气相负荷下限线（4）,如图3中线（4）所示。附表31.m7s0.6×10,1.5×10'3.OX1.O34.5×10V.m7s0.3260.3470.3600.371（五）液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液高度w=0006m作为液相负荷下限条件，依下式，取£>1.0,则：型登&F即O*当3600.I（K）OiwJIO（X）I0.66J整理上式得Gmh=5.61×10,m7s（5）依此值在V1.i图上作线（5）即为液相负荷下限线。如图3所示将以上5条线标绘于图3（匕Zj中，即为精帽段负荷性能图。5条线保卫区域为精储塔板操作区，P为操作点，OP为操作线。OP线与线（1）的交点相应气相负荷匕.，OP线与线（4）的交点相应气相负荷匕"。可知本设计塔板上限由雾沫夹带限制，下限为漏液限制。精馀段的操作弹性为:VrS.m照二327九、精馆塔的附属设备及接管尺寸选列管式原料预热器，强制循环式列管全凝器，列管式塔顶及塔底产品冷却器，热虹吸式再沸器。依据惹来能够恒算计算各换热设备的加热蒸汽或冷却水的耗量，换热面积依化工原理教材“传热”章介绍的方法计算，此处从略。参考文献【1】王志魁.化工原理M.第三版,北京：化学工业出版社，2008.4.【2】宋华,陈颖.化工分别工程M.哈尔滨：哈尔滨工业高校出版社，2003.4.【3】王国盛.化工原理课程法计M大连：大连理工高校出版社，2005.2.【4】唐伦成.化工原理课程设计简明教程M哈尔淀：哈尔滨工程裔校出版设，2005.4.【6】柴诚敬，刘国维，李阿姬.化工原理课程设计W.天津：天津科学技术出版社,2004.