甲醇溶液分离设计.docx

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甲醇溶液分离设计

苯-甲苯溶液常压分离设计

设计说明书

专业：

轻化工程082

学号：

108142043

姓名：

姚程康

教师：

王仕财

时间：

2009.6.15～6.26

目录

目录--------------------------------------------------------------------------------------------------------------2

一．前言---------------------------------------------------------------------------------------------------------4

1．1概述----------------------------------------------------------------------------------------------------4

1．2设计任务及要求----------------------------------------------------------------------------------4

二．塔的工艺计算------------------------------------------------------------------------------------------4

1．物料衡算----------------------------------------------------------------------------------------------------5

1．1物料衡算-------------------------------------------------------------------------------------------5

1．2物料衡算结果------------------------------------------------------------------------------------6

1．3各部分参数计算-------------------------------------------------------------------------------------6

1．4平均相对挥发度------------------------------------------------------------------------------------6

1．5回流比的确定--------------------------------------------------------------------------------------6

2．理论板数确定-----------------------------------------------------------------------------------------7

2.1精馏段操作线方程-----------------------------------------------------------------------------7

2．2提馏段操作线方程-----------------------------------------------------------------------------7

2．3用图解法计算理论塔板数------------------------------------------------------------------------8

3．实际板数确定---------------------------------------------------------------------------------------------9

4．塔径设计计算--------------------------------------------------------------------------------------------9

4．1精馏塔设计的主要依据和条件-----------------------------------------------------------10

4．1．1塔顶条件下的流量及物性参数----------------------------------------------------10

4．1．2塔釜条件下的流量及物性参数----------------------------------------------------10

4．1．3进料条件下的流量及物性参数-----------------------------------------------------11

4．1．4精馏段的流量及物性参数-----------------------------------------------------------12

4．1．5提馏段的流量及物性参数-----------------------------------------------------------12

4．2塔径的计算---------------------------------------------------------------------------------------13

4．3塔高的计算---------------------------------------------------------------------------------------14

5．塔板结构尺寸的确定------------------------------------------------------------------------------14

5．1塔板尺寸------------------------------------------------------------------------------------------15

5．2弓形降液管---------------------------------------------------------------------------------------15

5．2．1堰高------------------------------------------------------------------------------------------15

5．2．2降液管底隙高度--------------------------------------------------------------------------15

5．2．3进口堰高和受液盘---------------------------------------------------------------------15

5．3浮阀数目及排列--------------------------------------------------------------------------------16

6．流体力学验算----------------------------------------------------------------------------------------16

6．1干板阻力------------------------------------------------------------------------------------------16

6．2漏液验算------------------------------------------------------------------------------------------16

6．3液泛验算-----------------------------------------------------------------------------------------17

6．4雾沫夹带验算-----------------------------------------------------------------------------------17

7．操作性能负荷图-------------------------------------------------------------------------------------17

7．1雾沫夹带上限线--------------------------------------------------------------------------------17

7．2液泛线----------------------------------------------------------------------------------------------17

7．3液体负荷上限线--------------------------------------------------------------------------------17

7．4漏液线----------------------------------------------------------------------------------------------18

7．5液相负荷下限线--------------------------------------------------------------------------------18

8．热量衡算--------------------------------------------------------------------------------------------------18

8．1加热介质的选择--------------------------------------------------------------------------------19

8．2冷却剂的选择-----------------------------------------------------------------------------------19

8．3热量衡算------------------------------------------------------------------------------------------20

9．各接管尺寸的确定------------------------------------------------------------------------------------21

9．1进料管------------------------------------------------------------------------------------------------21

9．2釜残液出料管-------------------------------------------------------------------------------------11

9．3回流液管--------------------------------------------------------------------------------------------21

9．4塔顶上升蒸汽管----------------------------------------------------------------------------------21

9．5水蒸汽进口管-------------------------------------------------------------------------------------21

三．设计结果一览表（附表格）--------------------------------------------------------------------21

四．流程示意简图-----------------------------------------------------------------------------------------22

五．个人总结------------------------------------------------------------------------------------------------23

六．参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------23

一．前言

化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。

生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质.芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。

苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料，树脂，农药，合成药物，合成橡胶，合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以用来制造三硝基甲苯，苯甲酸，对苯二甲酸，防腐剂，染料，泡沫塑料，合成纤维等。

1.1概述

精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。

精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。

实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。

本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯——甲苯的分离。

筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。

与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：

生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。

1.2设计任务及要求

设计题目：

苯-甲苯溶液分离设计

原料：

苯-甲苯溶液

处理能力：

5000kg/h

苯含量：

38%（质量分数），甲苯62%

设计要求：

塔顶馏出液苯含量不小于97%（质量分数）

釜液苯含量不大于3.0%（质量分数）

操作压力：

自选

进料温度：

泡点

进料状况：

泡点

2．塔的工艺计算

操作压力

精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。

精馏操作中压力影响非常大。

当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。

但当压力太低时，对设备要求较高，设备费用增加。

因此在设计时一般采用常压精馏。

气液平衡时，x、y、t数据

气液平衡时，x、y、t数据如表1所示

气液平衡关系表

温度t/℃

苯摩尔分数

温度t/℃

苯摩尔分数

液相x/%

气相y/%

液相x/%

气相y/%

80.1

100

100

100

25.7

45.6

84

81.6

91.9

104

15.2

30.0

88

65.1

82.5

108

5.7

12.5

92

50.4

71.7

110.6

0

0

96

37.3

59.4

1．1物料衡算

已知：

F=5000kg/h

摩尔分数：

M苯=78.15kg/kmol，M甲苯=92.18kg/kmol

n苯=5000×0.38/78.15=24.31,n甲苯=5000×0.62/92.18=33.63

xF=24.31/（24.31+33.63）=42.96%

xD=0.97/78.15/（0.97/78.15+0.03/92.18）=97.44%,

Xw=0.03/78.15/（0.03/78.15+0.97/92.18）=4.19%

进料平均相对分子质量M平均=0.4296×78.15+（1-0.4296）×92.18

=86.15kg/kmol

原料液：

F=5000/86.15=58.02kmol/h

总物料：

F=D+W

易挥发组分：

FxF=DxD+Wxw

代入数据解得：

D=24.12kmol/hW=33.90kmol/h

塔顶产品的平均相对分子质量：

MD平均=78.15×0.9744+92.18×（1-0.9744）=78.51kg/kmol

塔顶产品质量流量：

D´=MD平均D=78.51×24.12=1893.66kg/h

塔釜产品的平均相对分子质量：

Mw平均=78.15×0.0419+92.18×（1-0.0419）=91.59kg/kmol

塔釜产品质量流量：

W´=Mw平均W=33.90×91.59=3104.90kg/h

1.2物料衡算结果

物料衡算结果表

塔顶出料

塔底出料

进料

质量流量/（kg/h）

1893.66

3104.90

5000

质量分数/%

96.99

3.58

38.97

摩尔流量/（kmol/h）

24.12

33.90

58.02

摩尔分数/%

97.44

4.19

42.96

1.3塔顶气相、液相、进料和塔底的温度分别为：

TVD、TLD、TF、TW

查表1，用内插法算得：

塔顶：

（97.44-81.6）/（100-81.6）=（TLD-84）/（80.1-84）

TLD=80.44℃

（100-97.44）/（100-91.9）=（80.1-TVD）/（80.1-84）

TVD=81.33℃

塔釜：

（0-4.19）/（0-5.7）=（110.6-Tw）/（110.6-108）

Tw=108.69℃

进料：

（37.3-42.96）/（37.3-50.4）=（96-TF）/（96-92）

TF=94.27℃

精馏段平均温度：

T1平均=（TD+TF）/2=（81.33+94.27）/2=87.80℃

提馏段平均温度：

T2平均=（TF+Tw）/2=（108.69+94.27）/2=101.48℃

1.4平均相对挥发度α

取x-y曲线上两端点温度下α的平均值。

查表1可得：

T=108℃时，

α1=yAxB/yBxA=y（1-x）/[（1-y）×x]

=12.5×（100-5.7）/[（100–12.5）×5.7]

=2.36

T=84℃时，

α2=y（1-x）/[（1-y）×x]

=91.9×（100—81.6）/[（100—91.9）×81.6]

=2.56

所以α=（α1α2）1/2=（2.36*2.56）1/2=2.46

1.5回流比的确定

解析法：

Rmin=1∕（α-1）*[xD/xF-α（1-xD）/（1-xF）]

得：

Rmin=1.55

又回流比R可取：

R=（1.1～2）Rmin

取1.6,R=1.6×1.55=2.48

2.理论塔板数的计算

2.1精馏段操作线方程

Yn+1=R/（R+1）×xn+xD/（R+1）

=2.48/3.48×xn+0.9744/3.48

=0.713xn+0.28

2.2提馏段操作线方程

L=RD=2.48×24.12=59.82kmol/h

V=（R+1）D=3.48×24.12=83.94kmol/h

故提馏段的液、气流量为：

q=1

L´=L+qF=59.82+58.02=117.84kmol/h

V´=V–（1-q）F=83.94kmol/h

代入提馏段操作线方程得：

Ym+1=L´/V´×xm-WxW/V´

=117.84/83.94xm-24.12×0.0419/83.94

=1.404xm-0.0120

y=0.713x+0.280

y=1.404x-0.0120

2.3用图解法计算理论塔板数

q线方程：

x=0.39

y=1.404x-0.0120

y=0.713x+0.28

利用图解法并经过计算可以得出：

全塔共需理论板13.8块，扣除再沸器后塔内的理论板数为12.8块，其中，精馏段5.8块，提馏段7块，加料板在第8块。

3.实际塔板数NP

查资料得苯-甲苯精馏塔全塔效率一般为0.54，故实际塔板数N=12.8/0.54=24，精馏段塔板数为：

5.8/0.54=11

4.塔径设计计算

4.1精馏塔设计的主要依据和条件

苯-甲苯在不同温度下的密度（Kg/M3）

温度/℃

苯

甲苯

80

816

809.86

83

813

806.92

90

806

799.99

93

804

797

98

797

791.98

112

774

772

4.1.1塔顶条件下的流量及物性参数

XD=0.9744，D=24.12kmol/h

（1）气相平均相对分子质量：

MVD（平均）=78.51kg/kmol

（2）液相平均相对分子质量

MLD（平均）=MVD（平均）=78.51Kg/kmol

（3）气相密度：

ρVD=MVD（平均）/22.4×T0/T×P/P0

=78.51/22.4×273.15/（273.15+81.33）

=2.70kg/m3

（4）液相密度

TLD=80.44℃，查上表，用内插法算得：

ρ苯=815.56Kg/m3,ρ甲苯=809.43kg/m3

1/ρLD=0.9699/ρ苯+（1–0.9699）/ρ甲苯=0.9699/815.56+0.0301/809.43

ρLD=815.66kg/m3

（5）塔顶出料的质量流量

D´=D×MLD（平均）=24.12×78.51=1893.66kg/h

塔顶数据结果表

符号

MLD（平均）kg/kmol

MVD（平均）

kg/kmol

ρVD

kg/m3

ρLD

kg/m3

D'

kg/h

D

kmo