筛板精馏塔设计

3.5 筛板精馏塔设计示例

3.5.1 化工原理课程设计任务书设计题目:分离苯-甲苯混合液的筛板精馏塔

在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的处理量为4000kg/h，组成为0.41(苯的质量分率)，要求塔顶馏出液的组成为0.96，塔底釜液的组成为0.01。

设计条件如下：表3-18

进料热状态回流比单板压降全塔效率建厂地址

操作压力

4kPa(塔顶常压) 自选自选≤0.7kPa ET=52% 天津地区

试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。

3.5.2 设计计算 1 设计方案的确定

本设计任务为分离苯一甲苯混合物。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人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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。

2 精馏塔的物料衡算

(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

苯的摩尔质量

甲苯的摩尔质量

（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

（3）物料衡算

原料处理量

总物料衡算 46.61＝D＋W

苯物料衡算 46.61×0.45＝0.966D＋0.012 W

联立解得 D＝21.40 kmol／h

W=25.21kmol／h

3 塔板数的确定

（1）理论板层数N T的求取

苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

①由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出x~y图，见图3-22。

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3-19中对角线上，自点e（0.45，0.45）作垂线ef即为进料线(q线)，该线与平衡线的交点坐标为

y q＝0.667 xq＝0.450

故最小回流比为

取操作回流比为

③求精馏塔的气、液相负荷

图3-22 图解法求理论板层数

④求操作线方程

精馏段操作线方程为

提馏段操作线方程为

⑤图解法求理论板层数

采用图解法求理论板层数，如图3-22所示。求解结果为总理论板层数N T＝12．5（包括再沸器）

进料板位置N F＝6

（2）实际板层数的求取

精馏段实际板层数5/0.52＝9.6≈10,

提馏段实际板层数 6.5/0.52=12.5≈13

4 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P D＝101.3＋4= 105.3 kPa

每层塔板压降△P＝0.7 kPa

进料板压力P F ＝105.3＋0.7×10＝112.3kPa

精馏段平均压力P m ＝（105.3＋112.3）／2＝108.8 kPa

（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、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：

塔顶温度t D＝82.1℃

进料板温度t F＝99.5℃

精馏段平均温度t m＝（82.l＋99.5）/2 = 90.8℃

（3）平均摩尔质量计算

塔顶平均摩尔质量计算

由x D=y1=0.966,查平衡曲线（见图3-22），得x1=0.916

进料板平均摩尔质量计算

由图解理论板（见图3-22，得y F＝0.604

查平衡曲线（见图3-22），得x F＝0.388

精馏段平均摩尔质量

（4）平均密度计算

①气相平均密度计算

由理想气体状态方程计算，即

②液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算，即

塔顶液相平均密度的计算

由t D＝82.1℃，查手册得

进料板液相平均密度的计算

由tF＝99.5℃，查手册得

进料板液相的质量分率

精馏段液相平均密度为

ρLm=（812.5+791.6）/2=802.1 kg/m3

(5) 液体平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算，即

塔顶液相平均表面张力的计算

由 tD＝82.1℃，查手册得σA=21.24 m N/m σB=21.42 m N/m σLDm=0.966×21.24+(1-0.966)×21.42=21.25 mN/m

进料板液相平均表面张力的计算

由t F＝99.5℃，查手册得σA=18.90 m N/m σB=20.0 m N/m σLF m=0.388×18.90+(1-0.388)×20.0=19.57 mN/m

精馏段液相平均表面张力为

σLm=（21.25+19.57）/2=20.41 mN/m

(6) 液体平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算，即

lgμLm=Σxi lgμi

塔顶液相平均粘度的计算

由tD＝82.1℃，查手册得

μA=0.302 mPa·s μB=0.306 mPa·s

lgμLDm=0.966×lg(0.302)+ (1-0.966)×lg(0.306)

解出μLDm=0.302 mPa·s

进料板液相平均粘度的计算

由tF＝99.5℃，查手册得

μA=0.256 mPa·s μB=0.265 mPa·s

lg μLFm=0.388×lg(0.256)+ (1-0.388)×lg(0.265)

解出μLFm=0.261 mPa·s

精馏段液相平均粘度为

μLm=(0.302+0.261)/2=0.282 mPa·s

5 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