化工工藝設(shè)計(jì)計(jì)算完整實(shí)例引言精餾是化工生產(chǎn)中最常用的分離技術(shù)之一，通過(guò)混合物中各組分揮發(fā)度的差異，實(shí)現(xiàn)液相與氣相的多次接觸，從而達(dá)到高純度分離的目的。本文以苯-甲苯二元混合物連續(xù)精餾為例，詳細(xì)闡述工藝設(shè)計(jì)的完整流程，包括物料衡算、回流比確定、理論板數(shù)計(jì)算、塔高塔徑設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等關(guān)鍵步驟，旨在為化工設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用的參考模板。一、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1原料與產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)料：苯-甲苯混合物，流量\(F=100\,\text{kmol/h}\)，苯摩爾分?jǐn)?shù)\(x_F=0.4\)，泡點(diǎn)進(jìn)料（\(q=1\)）。塔頂產(chǎn)品：苯摩爾分?jǐn)?shù)\(x_D=0.95\)（質(zhì)量要求：工業(yè)級(jí)苯）。塔底產(chǎn)品：苯摩爾分?jǐn)?shù)\(x_W=0.05\)（甲苯含量≥95%）。1.2操作條件操作壓力：常壓（\(P=101.3\,\text{kPa}\)）。塔頂溫度：約\(82^\circ\text{C}\)（由\(x_D=0.95\)查苯-甲苯沸點(diǎn)圖）。塔底溫度：約\(108^\circ\text{C}\)（由\(x_W=0.05\)查苯-甲苯沸點(diǎn)圖）。板間距：取經(jīng)驗(yàn)值\(H_T=0.3\,\text{m}\)（浮閥塔常用板間距）。1.3物理性質(zhì)相對(duì)揮發(fā)度：苯與甲苯的平均相對(duì)揮發(fā)度\(\alpha=2.45\)（由Antoine方程計(jì)算不同溫度下的飽和蒸氣壓，取平均值）。液相密度：塔頂液相密度\(\rho_{L,D}\approx850\,\text{kg/m}^3\)，塔底液相密度\(\rho_{L,W}\approx870\,\text{kg/m}^3\)，平均\(\rho_L=860\,\text{kg/m}^3\)。氣相密度：塔頂氣相密度\(\rho_V=\frac{PM}{RT}=\frac{101.3\times78.81}{8.314\times355}\approx2.70\,\text{kg/m}^3\)（\(M\)為塔頂平均摩爾質(zhì)量，\(T\)為塔頂溫度）。二、工藝計(jì)算2.1物料衡算根據(jù)總物料衡算和苯組分衡算：\[\begin{cases}F=D+W\\Fx_F=Dx_D+Wx_W\end{cases}\]代入數(shù)據(jù)解得：\[D=\frac{F(x_F-x_W)}{x_D-x_W}=\frac{100\times(0.4-0.05)}{0.95-0.05}\approx38.89\,\text{kmol/h}\]\[W=F-D=100-38.89=61.11\,\text{kmol/h}\]2.2回流比確定2.2.1最小回流比\(R_{\text{min}}\)泡點(diǎn)進(jìn)料（\(q=1\)），進(jìn)料板氣液組成滿足\(x_q=x_F=0.4\)，由相平衡方程：\[y_q=\frac{\alphax_q}{1+(\alpha-1)x_q}=\frac{2.45\times0.4}{1+1.45\times0.4}\approx0.62\]最小回流比公式：\[R_{\text{min}}=\frac{x_D-y_q}{y_q-x_q}=\frac{0.95-0.62}{0.62-0.4}=1.5\]2.2.2操作回流比\(R\)取操作回流比為最小回流比的1.3倍（經(jīng)驗(yàn)值，兼顧塔高與能耗）：\[R=1.3\timesR_{\text{min}}=1.3\times1.5=1.95\approx2.0\]2.3理論板數(shù)計(jì)算（逐板法）2.3.1精餾段操作線方程\[y_{n+1}=\frac{R}{R+1}x_n+\frac{x_D}{R+1}=\frac{2}{3}x_n+0.3167\]2.3.2提餾段操作線方程提餾段液相流量\(L'=L+qF=RD+F=2\times38.89+100=177.78\,\text{kmol/h}\)提餾段氣相流量\(V'=V=(R+1)D=3\times38.89=116.67\,\text{kmol/h}\)提餾段操作線方程：\[y_{m+1}=\frac{L'}{V'}x_m-\frac{Wx_W}{V'}=1.524x_m-0.026\]2.3.3逐板計(jì)算從塔頂開(kāi)始（全凝器，\(y_1=x_D=0.95\)），交替使用相平衡方程和精餾段操作線方程，直到\(x_n\leqx_F\)（進(jìn)料板位置），再切換為提餾段操作線方程，直到\(x_m\leqx_W\)。計(jì)算過(guò)程摘要：精餾段：\(y_1=0.95\tox_1=0.885\toy_2=0.907\tox_2=0.798\to\dots\tox_7=0.384\)（小于\(x_F=0.4\)，進(jìn)料板為第7塊）。提餾段：\(x_7=0.384\toy_8=0.559\tox_8=0.341\to\dots\tox_{14}=0.0235\)（小于\(x_W=0.05\)）。結(jié)果：理論板數(shù)\(N_T=14\)塊（包括再沸器），其中精餾段6塊，提餾段8塊，進(jìn)料板位于第7塊。2.4塔板效率與實(shí)際板數(shù)采用奧康奈爾公式計(jì)算全塔效率\(E_O\)：\[E_O=0.49(\alpha\mu_L)^{-0.245}\]其中，液相平均粘度\(\mu_L\approx0.595\,\text{mPa·s}\)（苯與甲苯的平均粘度），代入得：\[E_O=0.49\times(2.45\times0.595)^{-0.245}\approx0.436\]取經(jīng)驗(yàn)值\(E_O=0.6\)（浮閥塔常見(jiàn)效率），實(shí)際板數(shù)：\[N_P=\frac{N_T}{E_O}=\frac{14}{0.6}\approx23\,\text{塊}\]2.5塔高計(jì)算塔高由實(shí)際板數(shù)、板間距及塔頂/塔底空間決定：\[H=(N_P-1)H_T+H_{\text{頂}}+H_{\text{底}}\]其中，塔頂空間\(H_{\text{頂}}=0.5\,\text{m}\)（氣相緩沖），塔底空間\(H_{\text{底}}=1.0\,\text{m}\)（液相停留），代入得：\[H=(23-1)\times0.3+0.5+1.0=8.1\,\text{m}\]2.6塔徑計(jì)算塔徑由氣相負(fù)荷和空塔氣速?zèng)Q定，公式為：\[D=\sqrt{\frac{4V_V}{\piu}}\]2.6.1氣相體積流量\[V_V=\frac{(R+1)DRT}{P}=\frac{3\times38.89\times8.314\times355}{____}\approx0.944\,\text{m}^3/\text{s}\]2.6.2泛點(diǎn)氣速\(u_f\)采用史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標(biāo)：\[\frac{L}{V}\sqrt{\frac{\rho_V}{\rho_L}}=\frac{77.78}{116.67}\times\sqrt{\frac{2.70}{860}}\approx0.0376\]板間距\(H_T=0.3\,\text{m}\)，查圖得泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)\(C_{20}=0.085\,\text{m/s}\)，則：\[u_f=C_{20}\sqrt{\frac{\rho_L}{\rho_V}}=0.085\times\sqrt{\frac{860}{2.70}}\approx1.51\,\text{m/s}\]2.6.3操作氣速與塔徑取操作氣速\(u=0.7u_f=1.06\,\text{m/s}\)，代入塔徑公式：\[D=\sqrt{\frac{4\times0.944}{3.14\times1.06}}\approx1.06\,\text{m}\]圓整為標(biāo)準(zhǔn)塔徑\(D=1.1\,\text{m}\)。三、設(shè)備選型3.1塔板類型選擇F1型浮閥塔板，理由：效率高（全塔效率約0.6）；操作彈性大（氣相負(fù)荷變化范圍±50%）；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。3.2冷凝器采用管殼式冷凝器（臥式），冷卻介質(zhì)為循環(huán)水（進(jìn)口25℃，出口35℃）。熱負(fù)荷\(Q_C=V(H_V-H_L)\approx1248\,\text{kW}\)（由熱量衡算得）；傳熱系數(shù)\(K=800\,\text{W/(m}^2·\text{℃)}\)（經(jīng)驗(yàn)值）；傳熱面積\(A=\frac{Q_C}{K\DeltaT_m}\approx30\,\text{m}^2\)（\(\DeltaT_m\)為對(duì)數(shù)平均溫差）。3.3再沸器采用立式熱虹吸式再沸器，加熱介質(zhì)為1.0MPa飽和蒸汽（溫度180℃）。熱負(fù)荷\(Q_R=Q_C+DH_D+WH_W-FH_F\approx1300\,\text{kW}\)（由熱量衡算得）；傳熱系數(shù)\(K=1500\,\text{W/(m}^2·\text{℃)}\)（經(jīng)驗(yàn)值）；傳熱面積\(A=\frac{Q_R}{K\DeltaT_m}\approx12\,\text{m}^2\)（\(\DeltaT_m=180-108=72^\circ\text{C}\)）。四、結(jié)論與設(shè)計(jì)總結(jié)4.1設(shè)計(jì)結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目結(jié)果1塔頂產(chǎn)品流量\(D\)38.89kmol/h2塔底產(chǎn)品流量\(W\)61.11kmol/h3操作回流比\(R\)2.04理論板數(shù)\(N_T\)14塊5實(shí)際板數(shù)\(N_P\)23塊6塔高\(yùn)(H\)8.1m7塔徑\(D\)1.1m8冷凝器熱負(fù)荷\(Q_C\)1248kW9再沸器熱負(fù)荷\(Q_R\)1300kW4.2設(shè)計(jì)優(yōu)化方向若需降低能耗，可適當(dāng)增大回流比，但會(huì)增加塔高；若需提高處理能力，可增大塔徑或采用高效塔板（如導(dǎo)向浮閥