苯-甲苯精馏塔一些计算计

苯-甲苯精馏塔计算3.2 流程和方案的说明及论证3.2.1 流程的说明首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。

因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。

气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。

液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。

塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。

最终，完成苯与甲苯的分离。

3.2.2 方案的说明和论证本方案主要是采用浮阀塔。

精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。

常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：3一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。

二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

五：结构简单，造价低，安装检修方便。

六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。

而浮阀塔的优点正是：3.3 设计的计算与说明3.3.1 全塔物料衡算根据工艺的操作条件可知：料液流量F=（10-0.5*19）t/h=2.25Kg/s =94.285Kmol/h料液中易挥发组分的质量分数xf =（30+0.5*19）%=39.5%；塔顶产品质量分数xd = 98%，摩尔分数为97.6%；塔底产品质量分数xw= 2%，摩尔分数为1.7%；由公式：F=D+WF*xf=D*xd+W*xw代入数值解方程组得：塔顶产品(馏出液)流量D=41.067 Kmol/h=0.89Kg/s；塔底产品(釜液)流量W=53.218Kmol/h=1.360 Kg/s。

3.3.2．分段物料衡算lgPa*=6.02232-1206.350/(t+220.237) 安托尼方程lgPb*=6.07826-1343.943/(t+219.377) 安托尼方程xa=(P 总-Pb*)/(Pa*-Pb*) 泡点方程根据xa从《化工原理》P204表6—1查出相应的温度根据以上三个方程，运用试差法可求出Pa*,Pb*当xa=0.395 时，假设t=92℃Pa*=144.544P，Pb*=57.809P,当xa=0.98 时，假设t=80.1℃Pa*=100.432P，Pb*=38.904P,当xa=0.02 时，假设t=108℃Pa*=222.331P，Pb*=93.973P,t=92℃，既是进料口的温度，t=80.1℃是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度，t=108℃是釜液需被加热的温度。

根据衡摩尔流假设，全塔的流率一致，相对挥发度也一致。

a=Pa*/Pb*=144.544P/57.809P =2.500（t=80.1℃）所以平衡方程为y=ax/[1+(a－1)x]=2.500x/（1+1.500x），最小回流比Rmin 为Rmin=[xd/xf-a(1-xd)/(1-xf)]/(a-1)＝1.426，所以R=1.5Rmin＝2.139，所以精馏段液相质量流量L(Kg/s)＝RD＝2.139*0.89=1.904，精馏段气相质量流量V(Kg/s)＝(R+1)D＝3.139*0.89=2.794，所以，精馏段操作线方程yn+1=R*xn/(R+1)+xd/(R+1)=0.681xn+0.311因为泡点进料，所以进料热状态q=1所以，提馏段液相质量流量L'(Kg/s)＝L+qF＝1.904+1*2.25=4.154，提馏段气相质量流量V'(Kg/s)＝V-(1-q)F＝2.794。

所以，提馏段操作线方程ym+1= L'xm/ V'-Wxw/ V'=1.487xm-0.0083.3.3 理论塔板数的计算（1）联立精馏段和提馏段操作线方程解得xd=0.3759且前面已算得xw=0.017（2）用逐板计算法计算理论塔板数第一块板的气相组成应与回流蒸汽的组成一致，所以y1=xd,然后可以根据平衡方程可得x1,从第二块板开始应用精馏段操作线方程求yn,用平衡方程求xn,一直到xn<xd,共需n-1 块精馏板，第n 块板为进料板。

x17<xw，因为釜底间接加热，所以共需要17-1=16块塔板。

精馏段和提馏段都需要八块板。

3.3.4 实际塔板数的计算根据内插法，可查得：苯在泡点时的黏度μa(mPa.s)＝0.25，甲苯在泡点是的黏度μb(mPa.s)＝0.27，所以：平均黏度μav(mPa.s)＝μa*xf+μb*(1-xf)＝0.25*0.395+0.27（1-0.395）=0.262所以：总板效率E=1/[0.49 (a*μav)e0.245]＝0.544实际板数Ne=Nt/Et＝29.412＝30实际精馏段塔板数为Ne1=14.705=15实际提馏段塔板数为Ne2=14.705=15由上可知，在求取实际板数时，以精馏段，提馏段分别计算为佳。

而且设计时，往往精馏段，提馏段都多加一层至几层塔板作为余量，以保证产品质量，并便于操作及调节。

3.3.5塔径计算因为液流量不大，所以选取单流型，因为提馏段液相流量较大，所以以提馏段的数据确定全塔数据更为安全可靠。

所以：气相体积流量Vh(m^3/h)＝3325.713219，Vs(m^3/s)＝0.923809227，液相体积流量Lh(m^3/h)＝25.123146，Ls(m^3/h)＝0.006978652。

查表得，液态苯的泡点密度ρa(Kg/m^3)＝792.5，液态甲苯的泡点密度ρb(Kg/m^3)＝790.5，根据公式1/ρl=x1/ρa+(1-x1)/ρb 得，液相密度ρl(Kg/m^3)＝791.1308658，根据公式苯的摩尔分率＝(y1'/78)/[yi'/78+(1-yi')/92]M’=苯的摩尔分率*M 苯＋甲苯的摩尔分率*M 甲苯ρv=M’/22.4*273/(273+120)*P/P0 得气相密度ρv(Kg/m^3)＝2.742453103。

气液流动参数，Flv=Lh/Vh*(ρl/ρv)^0.5＝0.12830506，根据试差法，设塔径D(m)＝1.2，根据经验关系:可设板间距Ht＝0.45m,清液层高度Hl[常压塔（50～100mm)）]取为50mm,所以液体沉降高度Ht-hl＝0.4m。

根据下图可查得，气相负荷因子C20= 0.065,液体表面张力δ(mN/m)，100℃时，查表苯18.85 甲苯19.49所以，平均液体表面张力为19.26427815，根据公式: C=C20*[(δ/20)^0.2]得，C= 0.064514585.所以，液泛气速uf(m/s)＝C*〔(ρl-ρv)^0.5〕/〔ρv^0.5〕＝1.093851627。

设计气速u(m/s)＝u=(0.6～0.8)*uf＝0.765696139，设计塔径D'(m)=(Vs/0.785/u)^0.5＝1.197147394，根据标准圆整为1.2m,空塔气速u0(m/s)=0.785*Vs/D/D=0.469409612.3.3.6 确定塔板和降液管结构⑴确定降液管结构塔径D(mm) 1200塔截面积At(m^2) 查表 1.31Ad/At (Ad/At)/% 查表10.2lw/D lw/D 查表0.73降液管堰长lw(mm) 查表876降液管截面积的宽度bd(mm) 查表290降液管截面积Ad(m^2) 查表0.115底隙hb(mm), 一般取为30～40mm,而且小于hw,本设计取为30mm,溢流堰高度hw(mm), 常压和加压时，一般取50～80mm．本设计取为60mm,⑵降液管的校核单位堰长的液体流量，(Lh/lw) (m^3/m.h)＝27.47661034，不大于100～130，符合要求堰上方的液头高度how(mm) ＝2.84*0.001*E*[(Lh/lw)^0.66667] ＝25.86020161，式中，E 近似取一，how=25.86>6mm,符合要求。

底隙流速，ub(m/s) =Ls/lw/hb＝0.2544130，而且不大于0.3～0.5，符合要求。

⑶塔盘及其布置由于直径较大，采取分块式，查表得分三块，厚度取位4mm。

降液区的面积按Ad 计算，取为0.115m^2,受液区的面积按Ad 计算，取为0.115m^2,入口安定区得宽度bs'(mm)，一般为50～100，本设计取为60。

出口安定区得宽度bs'(mm)，一般为50～100，本设计取为60。

边缘区宽度bc(mm)，一般为50～75，本设计取为50，有效传质区，Aa(m^2)＝2*{x*(r^2-x^2)^0.5+r^2*[arcsin(x/r)]}＝24.59287702.塔板结构如下两图9⑷浮阀数排列选择F1 型重型32g 的浮阀阀孔直径给定，d0(mm)=39mm, 动能因子F0 一般取为8～12，本设计取为11.5。

阀孔气速，uo(m/s)=F0/[ρv^0.5]= 6.940790424，阀孔数n=Vs*4/d0/d0/u0/3.1415926=103.8524614，取104。

实际排列时按等腰三角形排,中心距取为75mm, 固定底边尺寸B(mm)= 70,所以实际排出104 个阀孔，与计算个数基本相同。

所以，实际阀孔气速uo(m/s)=Vs*4/d0/d0/n/3.1415926=6.930943938实际阀孔动能因子，F0=u0*ρv^0.5=11.48368564，开孔率ψ=n*d0*d0/D/D = 0.10985，一般10％～14％，符合要求。

3.3.7塔板的流体力学校核(1) 液沫夹带量校和核液体横过塔板流动的行程，Z(m) =D-2*bD=0.62塔板上的液流面积，Ab(m^2) =At-2*Ad=1.08物性系数，K，查表得＝1泛点负荷因数，Cf=0.125，见下页图。

F2={Vs*[ρv/(ρl-ρv)]^0.5+1.36*Z*Ls}/Ab/K/Cf=0.41815191，F1=Vs*[ρv/(ρl-ρv)^0.5]/At/K/Cf/0.78=0.397830445，泛点率F1＜(0.8～0.82)，F!,F2 均符合要求。