2009 级化学工程与工艺课程设计设计题目：分离苯-甲苯混合物的连续精馏装置姓名：学院：学号：成绩：目录第一章 绪论1.1 精馏的定义及原理11.2 精馏的分类1.3 精馏的操作特点1.4 精馏的操作评价1.5 苯甲苯的相关物性参数1.6 符号说明第二章 设计任务2.1 技术参数2.2 设计的主要内容第三章 设计内容3.1 方案的确定和工艺流程说明3.2 全塔物料衡算3.3 塔板的层数3.4 塔的操作工艺条件及计算3.4.1 平均压强3.4.2 平均温度3.4.3 平均黏度3.4.4 平均分子量3.4.5 平均表面张力3.4.6 平均相对密度3.5 塔体尺寸的工艺计算3.5.1 塔径的计算3.5.2 精馏塔有效高度的计算第四章 辅助设备的选择和计算4.1 冷凝器的设计4.2 换热器的设计4.3 再沸器的设计4.4 离心泵的设计附录：参考资料第一章 绪论1.1 精馏的定义及原理精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。对于一次汽化，冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高，这就改变了气液两相的组成。当对部分汽化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而为冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分，混合物就分离为纯或比较纯的组分。1.2 精馏的分类精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分为连续精馏和间歇精馏；根据混合物的组分数，可分为二元精馏和多元精馏；根据是否在混合物中加入影响汽液平衡的添加剂，可分为普通精馏和特殊精馏（包括萃取精馏、恒沸精馏、水蒸汽精馏、分子精馏和加盐精馏等）；按照精馏操作的条件（如压力）不同，可分为加压精馏、常压精馏、减压精馏等。1.3 精馏的操作特点通过精馏分离可以直接获得所需要的产品，较其它一些分离方法，如吸收、萃取等精馏的操作流程较为简单。 精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。精馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而像吸收、萃取、结晶、膜分离等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。 精馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因此，精馏操作耗能较大。 精馏技术经过多年的发展及广泛的使用，目前已具有相当成熟的工程设计经验与一定的基础理论研究，并发展出了以精馏为基础的许多新型复合传质分离技术。 精馏过程操作简单，易于工程化。即可连续操作，也可间歇操作，可应用于各种批量的操作中。1.4 精馏的操作评价评 价 精 馏 操 作 的 主 要 指 标 是 ： 产 品 的 纯 度 。 板 式 塔 中 的 塔 板 数 或 填充 塔 中 填 料 层 高 度 ， 以 及 料 液 加 入 的 位 置 和 回 流 比 等 ， 对 产 品 纯 度 均 有 一 定影 响 。 调 节 回 流 比 是 精 馏 塔 操 作 中 用 来 控 制 产 品 纯 度 的 主 要 手 段 。 组 分回 收 率 。 这 是 产 品 中 组 分 含 量 与 料 液 中 组 分 含 量 之 比 。 操 作 总 费 用 。 主要 包 括 再 沸 器 的 加 热 费 用 、 冷 凝 器 的 冷 却 费 用 和 精 馏 设 备 的 折 旧 费 ， 操 作 时变 动 回 流 比 ， 直 接 影 响 前 两 项 费 用 。 此 外 ， 即 使 同 样 的 加 热 量 和 冷 却 量 ， 加热 费 用 和 冷 却 费 用 还 随 着 沸 腾 温 度 和 冷 凝 温 度 而 变 化 ， 特 别 当 不 使 用 水 蒸气 作 为 加 热 剂 或 者 不 能 用 空 气 或 冷 却 水 作 为 冷 却 剂 时 ， 这 两 项 费 用 将 大 大 增加 。 选 择 适 当 的 操 作 压 力 ， 有 时 可 避 免 使 用 高 温 加 热 剂 或 低 温 冷 却 剂 （ 或 冷冻 剂 ） ， 但 却 增 添 加 压 或 抽 真 空 的 操 作 费 用 。1.5 苯 、 甲 苯 的 相 关 物 性 参 数表 1 苯和甲苯的物理性质项目 分子式 分子量 M 沸点（） 临界温度 tC（） 临界压强PC（kPa）苯 A C6H6 78.11 80.1 288.5 6833.4甲苯 B C6H5CH3 92.13 110.6 318.57 4107.7表 2 苯和甲苯的饱和蒸汽压温度 080.1 85 90 95 100 105 110.6,kPaAP101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2，kPBa 40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0240.0表 3 常温下苯甲苯气液平衡数据温度 C080.1 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 4 纯组分的表面张力温度 80 90 100 110 120苯，mN/m甲苯，mN/m21.221.72020.618.819.517.518.416.217.3表 5 组分的液相密度温度() 80 90 100 110 120苯,kg/ 3m814 805 791 778 763甲苯,kg/ 809 801 791 780 768表 6 液体粘度 温度() 80 90 100 110 120苯（mP .s）a0.308 0.279 0.255 0.233 0.215甲苯（mP .s）0.311 0.286 0.264 0.254 0.2281.6 符号说明符号 意义 单位M 摩尔质量 Kg/kmolTN理论板层数 -F 原料处理量 Kmol/hD 塔顶产品馏出液流量 Kmol/hW 塔底产品釜残液 Kmol/hL 下降液体的流量 Kmol/hV 上升气体的流量 Kmol/hq 进料热状况参数 -R 回流比 -D 塔径 mC 计算液泛速度的负荷因子 -C20 液体表面张力为 20mN/m 时的负荷因子 -P 操作压力 kPaT 热力学温度 KET 全塔效率 -x 液相中易挥发组分的摩尔分数 -y 气相中易挥发组分的摩尔分数 - 相对挥发度 - 密度 Kg/m 黏度 mPa.s 表面张力 NA 塔截面积 u 空塔气速 m/ssV气相平均流量 m/sL液相平均流量 m/sHT 板间距 mK 传热系数 -Q 热流量 KW第 二 章 设 计 任 务 书2.1 技术参数设计任务：在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合物。已知原料液的处理量为 8000kg/h(按 7200h/年)，组成为 0.04（摩尔分数） ，要求塔顶馏出液的组成为 0.97，塔底釜液的组成为 0.02，平均 =2.5。设计条件：2.2 设计的主要内容编写设计任务书：设计方案的确定精馏塔的工艺计算精馏塔和塔板主要尺寸的计算绘制精馏装置流程图操作压力 进料热状况 回流比 单板压降 全塔效率4kPa（塔顶表压） 泡点进料q = 1R=1.8 Rmin 0.7kPa%50ET第三章 主要内容3.1 设计方案的确定本设计任务为分离苯甲苯混合物。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入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，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 1.8 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 M A=78.11 kg/kmol甲苯的摩尔质量 M B=92.13 kg/kmol402.13.9/60.178/40.Fx79D5.2/./2.Wx2）原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量96.813.*)40.1(.78*40. FM472979D0.)5.(.235.W3）物料衡算原料处理量 07.936.85Fmq 总物料衡算 F=D+W 93.07=D+W苯物料衡算 93.07*0.4402=0.9744D+0.0235WWDFxx联立解得 D=40.79kmol/h W=52.28kmol/h4）求最小回流比及操作回流比平均挥发度 =2.5泡点进料 q=1 所以 402.Fqx混合物的相平衡方程为 qqxy)1(628.0y故最小回流比为 4.1.628.0974minqDxR取操作回流比为 51*8.1in5）求精馏塔的气，液相负荷79.02.4*52.RDLhkmol/58.143)()1(Vl/6.3.F584hkol/6）求操作线方程精馏段操作线方程为2768.0159.2.974015.21 nnDnin xxRxy提馏段操作线方程8.03.4.97WFDx代入得 05.6.1/1/ nwnn xxRRy3.3 塔板的层数1）理论板层数 的求取TN逐板法计算理论板数 泡点进料 q=1 402.Fqx第一块板上升的蒸汽组成 97.1Dy从第一块板下降的液体组成式由 求取nnyx)1(9384.07.51.29405.121 yx第二块板上升的气相组成用式求取6.8.3.*79.02y第二块板下降的液体组成07.46.51.82x如此反复计算9073.3y 9.0384 684x.5y 572.670 06x13.7y 382.7因 ,第八块板上升的气相