甲苯乙苯的精餾(浮閥塔)PAGE26甲苯乙苯的精餾(浮閥塔)JINJING 《化工原理課程設計》說明書設計題目：甲苯乙苯的精餾（浮閥塔）

目錄第一章前言精餾原理及其在化工生產上的應用 4精餾塔對塔設備的要求 4常用板式塔類型及本設計的選型 4本設計所選塔的特性 5化工原理課程設計任務書 5第二章精餾塔的工藝計算物料衡算 6原料液及塔頂，塔底產品的摩爾分率 6物料衡算 6回流比的確定 7平均相對揮發(fā)度的計算 7板數的確定 8精餾塔的氣液相負荷 8精餾段與提餾段操作線方程 9全塔效率 9精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算 10操作溫度的計算 10操作壓強 11塔內各段氣液兩相的平均分子量 12精餾塔各組分的密度 13液體表面張力的計算 14液體平均粘度的計算 15氣液負荷計算 15精餾塔的塔體工藝尺寸計算 16塔徑的計算 16精餾塔有效高度的計算 17溢流裝置計算 17塔板布置 17浮閥板的流體力學驗算 18塔板壓降 18液沫夾帶 18塔板負荷性能圖 19過量液沫夾帶線關系式 20液相下限線關系式 20嚴重漏夜線關系式 21液相上限線關系式 21降液管液泛線關系式 22浮閥塔計算結果匯總 22第三章塔結構塔的設備結構圖 23結束語 24

第一章前言1.1精餾原理及其在化工生產上的應用實際生產中，在精餾柱及精餾塔中精餾時，上述部分氣化和部分冷凝是同時進行的。對理想液態(tài)混合物精餾時，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點低的B物質，而殘液是沸點高的A物質，精餾是多次簡單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結果，塔頂冷凝收集的是純低沸點組分，純高沸點組分則留在塔底。1.2精餾塔對塔設備的要求精餾設備所用的設備及其相互聯系，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類，通稱塔設備，和其他傳質過程一樣，精餾塔對塔設備的要求大致如下：一：生產能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會產生液泛等不正常流動。二：效率高：氣液兩相在塔內保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質效率。三：流體阻力?。毫黧w通過塔設備時阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作是時，易于達到所要求的真空度。四：有一定的操作彈性：當氣液相流率有一定波動時，兩相均能維持正液體的流動，而且不會使效率發(fā)生較大的變化。五：結構簡單，造價低，安裝檢修方便。六：能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。1.3常用板式塔類型及本設計的選型常用板式塔類型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。浮閥塔具有很多優(yōu)點，且加工方便，故有關浮閥塔板的研究開發(fā)遠較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板研開發(fā)的主要方向。近年來與浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質設備，浮閥塔多用不銹鋼板或合金。實際操作表明，浮閥在一定程度的漏夜狀態(tài)下，使其操作板效率明顯下降，其操作的負荷范圍較泡罩塔窄，但設計良好的塔其操作彈性仍可達到滿意的程度。浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點。所以在此我們使用浮閥塔，浮閥塔的突出優(yōu)點是結構簡單，造價低，制造方便；塔板開孔率大，生產能力大等。乙醇與水的分離是正常物系的分離，精餾的意義重大，在化工生產中應用非常廣泛，對于提純物質有非常重要的意義。所以有必要做好本次設計1.4．本設計所選塔的特性浮閥塔的優(yōu)點是：1．生產能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產能力比泡罩塔板大20%～40%，與篩板塔接近。2．操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。3．塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。4．氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。5．塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產能力的泡罩塔的50%～80%,但是比篩板塔高20%～30。但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學技術的不斷發(fā)展,各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。近幾十年來,人們對浮閥塔的研究越來越深入，生產經驗越來越豐富,積累的設計數據比較完整，因此設計浮閥塔比較合適設計條件：1、處理量：100000（噸/年）。2、進料組成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的質量分數為40%。3、進料狀態(tài)：泡點進料4、料液初溫：泡點溫度5、冷卻水的溫度：25℃6、飽和蒸汽壓強：5Kgf/cm2(1Kgf/cm2=98.066)KPa7、精餾塔塔頂壓強:1atm8、單板壓降不大于0.7kPa9、分離要求：塔頂的甲苯含量不小于94%(質量分數),塔底的甲苯含量不大于2%(質量分數)。10、年開工時間：300（天）第二章精餾塔的工藝計算一、精餾塔的物料衡算

(一)、原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率甲苯的摩爾質量MA=92.13kg/kmol乙苯的摩爾質量MB=106.16kg/kmol（二）、物料衡算對于甲苯-乙苯雙組分的連續(xù)精餾塔，根據總物料衡算及甲苯的物料衡算可求得餾出液流率D及殘液流率W。進料流量F=聯立解得D=61.765kmol/h,W=77.034kmol/h二、塔板數的確定

（一）、理論板層數NT的求取表1按托尼方程常數Antoine方程常數?物質ABC溫度范圍℃甲苯6.079541344.8219.4826～137乙苯6.082081424.255213.0626～163表2甲苯乙苯氣液平衡t/℃110.62113116119122101.3089108.3452117.7550127.7931138.487848.071251.761156.731862.077067.8163x1.00000.87550.73030.59690.4738y1.00000.93640.84900.75300.6477t/℃125128131134136.324149.8675161.9614174.7988188.4096199.504373.970080.559087.604495.1280101.2991x0.36010.25480.15710.06620.0000y0.53270.40740.27100.12310.00001、甲苯、乙苯的溫度-組成甲苯-乙苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數。根據（A、B、C為Antoine方程常數由手冊已查得如表1）求得一系列溫度下甲苯和乙苯的蒸氣壓、。再根據泡點方程和露點方程得到各組t-x(y)數據（如表2），繪出甲苯、乙苯的溫度-組成圖（如圖1）及平衡曲線（如圖2）。圖12、確定操作的回流比R因q=1、xe=xf=0.4344在x～y圖上查得ye=0.4996。故有：而一般情況下R=(1.1～2)Rm,考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的2倍。即：R=2Rm=3.53圖23、求操作線方程

精餾段操作線方程為：L=R×D=3.53*61.765=218.03提餾段操作線方程為4、圖解法求理論板層數精餾段操作線為經過點a(0.9475，0.9475)，c(0,0.2092)，與q線交與點d,而提留段操作線為經過點d、b(0.02298,0.02298)。在x-y圖中繪出精餾段操作線、提留段操作線、q線，并繪出梯級（如圖2）。圖解得總理論塔板數NT=13.5（不含再沸器）。其中精餾段NT1=6.3塊，提餾段NT2=8.2塊，第9塊為加料板位置。三、塔的操作工藝條件及相關物性數據的計算（一）、操作壓力計算

塔頂操作壓力：PD＝101.3kPa每層塔板壓降：取△P＝0.7kPa

進料板壓力：PF＝101.3＋0.7×15＝111.8kPa塔底操作壓力：PW＝111.8＋0.7×16＝123kPa

精餾段平均壓力：Pm1＝（101.3＋111.8）/2＝106.55kPa提餾段平均壓力：Pm2＝（111.8＋123）/2＝117.4kPa（二）、操作溫度計算查溫度-組成圖可得相應溫度如下：

塔頂溫度：TD＝111.5℃

進料板溫度：TF＝123.2℃塔底溫度：TW＝136.983℃

精餾段平均溫度：Tm1＝（111.5＋123.2）/2=117.35℃提餾段平均溫度：Tm2＝（123.2＋136.983）/2=130.0915℃（三）、平均摩爾質量計算

精餾段摩爾質量:

由拉格朗日插入法得：氣相組成：液相組成：提餾段平均摩爾質量:氣相組成：液相組成：（四）、平均密度計算由于已查得液相甲苯、乙苯在某些溫度下的密度（如表3），液相平均密度用計算（式中表示質量分數）。氣相平均密度用計算液相甲苯、乙苯在某些溫度下的密度?溫度T/℃60708090100ρkg/m3甲苯829.3819.7810800.2790.3乙苯831.8822.8813.6804.5795.2溫度T/℃110120130140150ρkg/m3甲苯780.3770759.5748.8737.8乙苯785.8776.2766.6756.7746.6表3液相甲苯、乙苯在某些溫度下的密度?求得在平均溫度下甲苯和乙苯的密度Tm1=117.35℃，，kg/m3，kg/m3同理：Tm2=130.0915℃，kg/m3，kg/m3精餾段液相平均密度:氣相平均密度計算kg/m3液相平均密度計算kg/m3提餾段液相平均密度:氣相平均密度計算kg/m3液相平均密度計算kg/m3(五)、相對揮發(fā)度精餾段：由,，得，所以提餾段：由,得，所以（六）、液體平均表面張力計算由于已查得液相甲苯、乙苯在某些溫度下的表面張力（如表4），將其以T為x軸、σ為y軸分別繪制出甲苯、乙苯的溫度-表面張力曲線圖（如圖4）。故甲苯、乙苯純組分在本設計所涉及的溫度范圍內的表面張力可用下式求得：甲苯σA=-0.1053T＋30.095乙苯σB=-0.1016T＋31.046而液相平均表面張力用計算表4甲苯、乙苯在某些溫度下的表面張力甲苯、乙苯在某些溫度下的表面張力（σ）?溫度T℃60708090100表面張力(mN/m)甲苯23.9422.8121.6920.5919.49乙苯25.0123.9622.9221.8820.85溫度T℃110120130140150表面張力(mN/m)甲苯18.4117.3416.2715.2314.19乙苯19.8318.8117.8116.8215.83

1、塔頂液相平均表面張力的計算

由TD＝111.5℃得：

σDA=-0.1053×111.5＋30.095=18.4296mN/mσDB=-0.1016×111.5＋31.046=19.7904mN/mσDm=0.9945×18.4296＋(1-0.9945)×19.7904=18.4237mN/m

2、進料板液相平均表面張力的計算

由TF＝123.2℃得：σFA=-0.1053×123.2＋30.095=17.122mN/mσFB=-0.1016×123.2＋31.046=18.5289mN/mσFm=0.4344×17.122＋（1－0.4344）×18.5289=17.9177mN/m3、塔底液相平均表面張力的計算

由TW＝136.983℃得：

σWA=-0.1053×136.983＋30.095=15.6707mN/mσWB=-0.1016×136.983＋31.046=17.1285mN/mσWm=0.02298×15.6707＋(1-0.02298)×17.1285=17.092mN/m

4、精餾段液相平均表面張力

σLm1=(σDm＋σFm)/2=（18.4237＋17.9177)/2=18.1707mN/m5、提餾段液相平均表面張力

σLm2=(σFm＋σWm)/2=（17.9177＋17.092)/2=17.5049mN/m（七）、液體平均粘度計算表5甲苯、乙苯在某些溫度下的粘度甲苯、乙苯在某些溫度下的粘度（μ）④溫度T/℃60708090100粘度（mPa·s）甲苯0.3730.340.3110.2860.264乙苯0.4260.3880.3540.3250.3溫度T/℃110120130140150粘度（mPa·s）甲苯0.2450.2280.2130.20.188乙苯0.2780.2590.2420.2260.213Tm1=117.35℃，,mPa·s,mPa·s同理;Tm2=130.0915℃時，mPa·s，mPa·s精餾段液相平均粘度：

mPa·s提餾段液相平均粘度：mPa·s實際塔板數Np的求取（八）、塔板效率：精餾段：，Np1=6.3/0.583968=10.8，取Np1=11塊；提留段：，NP2=7.2/0.592108=12.16；取Np2=13塊；總塔板數：NP=Np1+Np2=24塊。四、精餾塔的氣、液相負荷計算（一）、精餾段氣、液相負荷計算L=R×D=3.53×61.765=239.7123V=(R+1)D=4.53×61.765=299.1123質量流量：kg/skg/s體積流量:（二）、提餾段氣、液相負荷計算L=L+Qf=239.7123+138.799=378.5113V=V+(q-1)F=299.1123質量流量：kg/skg/s體積流量:精餾塔的塔體工藝尺寸計算

史密斯圖1、精餾段塔徑的計算取板間距HT=0.45m，取板上清液層高度＝0.07m。液氣動能參數：查Smith通用關聯圖得負荷因子：最大允空塔氣速：m/s估算塔徑：，圓整取，上下塔徑一致塔截面積：AT1=0.785D2=0.785×2.22=3.7994m2空塔氣速：m/s2、提餾段塔徑的計算取板間距HT=0.45m，取板上清液層高度＝0.07m。液氣動能參數：查Smith通用關聯圖得負荷因子：最大允空塔氣速：取適宜空塔氣速：μ2=0.7μF=0.77587m/s估算塔徑：，為加工方便，圓整取.塔截面積：AT2=0.785D2=0.785×2.22=3.7994m2空塔氣速：m/s六、塔板主要工藝尺寸的計算

(一)、溢流裝置計算1、精餾段溢流裝置計算因塔徑D＝2.2m，可選用單溢流弓形降液管平直堰。各項計算如下：①、堰長：?、?、溢流堰高度hw1根據液流收縮系數圖可查得液流收縮系數E1=1.031，對于平直堰，堰上液層高度hOW1可由Francis經驗公式計算得：精餾段：提留段：③、弓形降液管寬度Wd1和截面積Af1

由查弓形降液管的參數圖得：

驗算液體在降液管中停留時間：精餾段：提留段：故降液管設計合理。

④、降液管底隙高度精餾段：取則提留段：取則（不宜小于0.02～0.025m，滿足要求）故降液管底隙高度設計合理。（二）、塔板布置及浮閥數目與排列塔板分布本設計塔徑2.2m,采用分塊式塔板，以便通過人工裝拆塔板。浮閥數目與排列精餾段：取閥孔動能因子,則孔速m/s每層塔板上浮閥數目：塊取邊緣區(qū)寬度,破沫區(qū)寬度計算塔板上的鼓泡區(qū)面積，即：其中所以浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個橫排的孔心距t=75mm則排間距：mm因塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距應小些，取mm，按t=75mm,mm，以等腰三角形叉排方式作圖，得排閥數390個。按N=390重新計算：m/s塔板開孔率：提留段：取閥孔動能因子,則孔速m/s每層塔板上浮閥數目：塊浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個橫排的孔心距t=75mm則排間距：mm因塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距應小些，取mm，按t=75mm,mm，以等腰三角形叉排方式作圖，得排閥數390個。按N=390重新計算：m/s塔板開孔率：七、塔板的流體力學計算（一）、氣相通過浮閥塔板的壓降可根據計算精餾段：干板阻力：m/s因，故板上充氣液層阻力：取，液面表面張力及所造成的阻力：此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經塔板的壓降相當的高度為：Pa提留段：干板阻力：m/s因，故板上充氣液層阻力：取，液面表面張力及所造成的阻力：此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經塔板的壓降相當的高度為：Pa（二）、淹塔為了防止發(fā)生淹塔現象，要求控制降液管中清夜高度。,即（1）精餾段：單層氣體通過塔板壓降所相當的液柱高度：液體通過液體降液管的壓頭損失：板上液層高度：，則取，已選定則可見，所以符合要求。(2)提留段：單層氣體通過塔板壓降所相當的液柱高度：液體通過液體降液管的壓頭損失：板上液層高度：，則取，已選定則可見，所以符合要求。（三）、物沫夾帶精餾段：泛點率泛點率板上液體流經長度：板上液流面積：查物性系數K=1.0,泛點負荷因數圖，得對于大塔，為了避免過量物沫夾帶，應控制泛點率不超過80%。由以上計算可知，物沫夾帶能滿足（kg液/kg氣）的要求。（2）提留段：查物性系數K=1.0,泛點負荷因數圖，得對于大塔，為了避免過量物沫夾帶，應控制泛點率不超過80%。由以上計算可知，物沫夾帶能滿足（kg液/kg氣）的要求。八、塔板負荷性能圖（一）、物沫夾帶線泛點率據此可作出負荷性能圖中的物沫夾帶線，按泛點率80%計算：精餾段：整理得：由上式知物沫夾帶線為直線，則在操作范圍內任取兩個值算出提留段：整理得：表6物沫夾帶線上的氣液體積流量精餾段0.0025.4140.015.1150提留段0.0025.13270.014.8514、液泛線由此確定液泛線，忽略式中精餾段：整理得：提留段：整理得：在操作范圍內任取若干個值，算出的值。表7液泛值精餾段0.0018.8487960.0038.7380250.0048.6906660.0078.559268提留段0.0018.2571760.0038.150080.0048.1124490.0077.998738（三）、液相負荷上限液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于。液體降液管內停留時間以作為液體在降液管內停留時間的下限，則：（四）、漏液線對于F1型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則精餾段：提留段：（五）、液相負荷下限取堰上液層高度作為液相負荷下限條件作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關的豎直線。取E=1.0，則由以上作出塔板負荷性能圖精餾段：所以精餾段的操作彈性為5.2/1.4=3.71提留段：所以提留段的操作彈性為5.1/1.3=3.92九、精餾塔的設計計算結果匯總一覽表表9項目符號單位計算結果精餾段提餾段平均壓強PkPa116.55117.4平均溫度T℃117.35130.1平均密度氣相ρkg/m32.79493.1311液相774.318764.39平均流量氣相Vsm3/s2.83912.7476液相Lsm3/s0.0081430.014實際塔板數31塊1113板間距HTm0.450.45塔徑Dm2.22.2空塔氣速μm/s0.7470.723塔板液流型式單流型單流型溢流堰堰長m1.431.43堰高hWmm4.8733.