化工原理课程设计说明书

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3.1 设计方案的选定及基础数据的搜集

3.1.1设计方案的选定

本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于塔压力接近常压（实际上略高于常压），因操作压力偏离常压很小，可以近似看做在常压下操作。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入精馏塔。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，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，故可由操作总费用等核算出最佳操作回流比。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔釜液温度较高，故可直接用其预热进料液至泡点温度，充分利用了能量。冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。

3.1.2选择塔型

塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： (１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。

(２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。

(３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

(４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

筛板塔的缺点是：

(１) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。

(２) 操作弹性较小(约2～3)。

(３) 小孔筛板容易堵塞。

下图是板式塔的简略图：

3.1.3基础数据的搜集

项目 分子式 分子量M 沸点（℃） 临界温度t C

（℃） 临界压强P C （kPa ） 苯A C 6H 6 78.11 80.1 288.5

6833.4 甲苯B

C 6H 5—CH 3

92.13

110.6

318.57

4107.7

温度C 0

80.1 85 90 95 100 105 110.6 0

A P ,kPa 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0

B P ，kPa

40.0

46.0

54.0

63.3

74.3

86.0

温度C 0

80.1 85 90 95 100 105 液相中苯的摩尔分率 1.000 0.780 0.581

0.412

0.258 0.130 汽相中苯的摩尔分率

1.000

0.900

0.777 0.630

0.456

0.262

表3.4 纯组分的表面力

表3.6 液体粘度µ

表3.9 Antoine 常数值

3.2精馏塔的物料衡算

3.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 物料衡算式:

{

F

W D Fx Wx Dx F

W D =+=+

苯的摩尔质量 甲苯的摩尔质量

313.013

.92/721.011.78/279.011

.78/279.0=+=F x

989.013

.92/013.011.78/987.011

.78/987.0=+=D x

012.013

.92/99.011.78/01.011

.78/01.0=+=W x

3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

()mol kg M F k /74.8713.92313.0111.78313.0=⨯-+⨯=

()mol kg M D k /26.7813.92989.0111.78989.0=⨯-+⨯=

()mol kg M W k /96.9113.92012.0111.78012.0=⨯-+⨯=

3.2.3物料衡算 原料处理量

h F /kmol 73.4674

.871000

1.4=⨯=

总物料衡算 73.46=+W D

苯物料衡算 W D F 012.0989.0313.0+= 联立解得

⎩⎨

⎧==h

kmol W h

kmol D /33

.32/4

.14

式中 F------原料液流量 D------塔顶产品量 W------塔底产品量

3.3 塔板数的确定 3.3.1理论板数T N 的求取

（1）求最小回流比

由表 1 苯和甲苯的物理性质查得，苯和甲苯的沸点分别为t A =80.1℃和t B =110.6℃

在t A =80.1℃下，由安托因方程 lgP A 0=A-B/(t ﹢c)及表 得 P A 0=101.323 P B 0=38.96

则相对挥发度α1= P A 0/ P B 0=101.323/38.96=2.601 同理，在t B =110.6℃下，相对挥发度α2=2.348 由于（α1-α2）／α1×100％＝9.7％﹤30％ 则α=α1＋﹙α2-α1﹚x ··································①

相平衡方程 1(1)x

y x

αα=

+-····························②

联立，得y=(2.601-0.235x)x/1+(1.601-0.235x)x ···········③ 又由q x =F x =0.313 可解得q y =0535 ∴Rmin=

q

q q D x y y x --=

313

.0-535.0535

.0-989.0=2.045

（2）最佳回流比的确定

R=（1.1~2）Rmin=2.2495~4.09

取不同的R 值，可以求出相应的理论板数，作N*（R+1）—R 图，找出N*（R+1）最小时对应的R 值，运用MATLAB 软件作图如下