苯-甲苯式精馏塔工艺设计

一序言

化工原理课程设计是综合运用《化工原理》课程和有关先修课程（《物理化学》，《化工制图》等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实际的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，计算能力等。

精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。

第二章设计任务书

一、设计题目

苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计。

二、设计任务

(1)原料液中苯含量：质量分率：w F＝35%(质量)，其余为甲苯。

(2)塔顶产品中苯含量：w D=95％。

(3)釜底苯含量：w D=8.5％。

(4)生产能力：20000t/a，年工作日300天。

三、操作条件

(1)精馏塔顶压强：101.13kPa(常压) (2)进料热状态：泡点进料

(3)回流比：R=1.3Rmin (4)单板压降压：0.7kPa

四、设计内容及要求

(1)设计方案的确定及流程说明

(2)塔的工艺计算

(3)塔和塔板主要工艺尺寸的设计

塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板的流体力学验算；塔板的负荷性能图。

(4)编制设计结果概要或设计一览表

(5)辅助设备选型与计算

(6)绘制塔设备结构图：采用绘图纸徒手绘制

五、参考书目

[1]王志奎、刘丽英、刘伟化工原理(第四版)下册•北京：化学工业出版社，2012.7

[2]化工原理课程设计书

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78.11 kg/kmol和92.14kg/kmol，原料含苯的质量百分率为35%，塔顶苯含量不低于95 %，塔底苯含量不大于0.05%，则：

原料液含苯的摩尔分率：

0.35/78.11

0.388

0.35/78.110.65/92.14

F

x==

+

塔顶含苯的摩尔分率：

0.95/78.11

0.996

0.95/78.110.05/92.14

D

x==

+

塔底含苯的摩尔分率：

0.05/78.11

0.0585

0.05/78.110.95/92.14

W

x==

+

3.2.2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：

M F＝78.11×0.388＋(1－0.388)×92.14＝860696kg/kmol

塔顶液的平均摩尔质量：

M D ＝78.11×0.957＋(1－0.957)×92.14＝78.712kg/kmol

塔底液的平均摩尔质量：

M W＝78.11×0.0585＋(1－0.0585)×92.14＝91.291kg/kmol

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 ,＝20000t/（300×24）h ＝2777.78kg/h ，

全塔物料衡算：

进料液： F=2777.78（kg/h ）/86.696（kg/kmol ）=32.04kmol/h 总物料恒算： F=D+W

苯物料恒算： F×0.388=D×0.957+W ×32.040 联立解得： W ＝9.640kmol/h

D ＝22.400kmol/h

3.3 塔板数的确定

理论塔板数T N 的求取

苯-甲苯物系属理想物系，可用梯级图解法（M·T）,求取N T ，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

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：

()()

o

o o B A B t p p p p x --=/t

A p x p y /o =

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）

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

2.60 2.56 2.53 2.49 2.46 2.43 2.40 2.37 2.35/9 2.466α=++++++++=（）

在y-x 图上，因1=q ，查得660.0e =y ，而q 0.388F x x ==，0.957D x =。故由式（3-53a ）得最小回流比：

也可根据课本中公式（10-45）得，

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，即： R=1.3R min =1.3*1.522=2.018

精馏塔的汽、液相负荷：

精馏段：液相流量：L=RD=2.018×22.4=45.203kmol/h

气相流量：V=(R+1)D=(2.018+1)×22.4=67.603kmol/h

提镏段：液相流量：L ′=L+F=45.203+35.040=77.243kmol/h

气相流量：V ′=V=67.603kmol/h

3.3.3理论塔板数的确定

精馏段操作线为： 1+n y =1

1

+++R x x R R D n =0.669n x +0.317

平衡方程:x 11x y ）（-+=αα

提馏段操作线可由b(x W ，x W )及精馏段操作线和q 线的交点d 决定。

min 0.9570.611

1.552

0.6110.388

D e e e x y R y x --=

==--】）（【F

D F D min x 1x 1x x 11

R ----=

αα