课程设计--甲苯-乙苯精馏塔设计《食品工程原理》课程设计设计题目甲苯-乙苯精馏塔设计学生姓名黄晓擎学生学号************专业班级食品1091班指导教师叶盛权设计时间2011年12月29号目录1、概述 (4)1.1设计题目 (4)1.2 设计目的 (4)1.3设计条件及主要物性参数表 (4)1.4设计内容 (5)1.5设计方案选定 (5)2、精馏塔的物料衡算 (6)2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (6)2.2物料衡算 (6)3、塔板数的确定 (6)3.1.理论板层数NT 的求取 (6)3.2图解法求理论板层数 (9)3.3实际塔板数N p的求取 (9)4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (10)4．1 操作压力计算 (10)4.2操作温度计算 (10)4.3平均摩尔质量的计算 (10)4.4 平均密度计算 (10)4.5 液体平均表面张力的计算 (12)5、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (13)5.1 塔径的计算 (13)5.2 精馏塔有效高度的计算 (14)6、塔板主要工艺尺寸的计算 (14)6.1 精馏段溢流装置的计算： (14)6.2塔板布置 (15)7.塔板流动性能的校核 (15)7.1液沫夹带的校核 (15)7.2塔板压降 (16)7.3 降液管液泛校核 (16)8、塔板负荷性能图 (17)8.1精馏段塔板负荷性能图 (17)9、板式塔的结构与附属设备的计算和选型 (20)9.1塔体的空间 (20)9.2精馏塔的附属设备 (20)10、所设计筛板与塔结构的主要结果汇总于下表 (20)11、主要接管尺寸的选取 (21)11.1进料管 (21)11.2回流管 (22)11.3釜液出口管 (22)11.4塔顶蒸汽管 (22)11.5加热蒸汽管 (22)12、设计中的符号说明 (22)13、参考文献 (25)14、结束语 (25)1、概述1.1设计题目甲苯—乙苯精馏装置设计1.2 设计目的1.2.1 通过甲苯-乙苯精馏装置设计，熟悉蒸馏装置的原理1.2.2加强对“食品科学与工程”及其化工原理知识的综合应用能力。
1.2.2提高自己分析与解决工程的实际问题的能力。
1.2.3培养查阅资料，选用公式和收集数值数据的能力，正确地选择设计参数。
掌握化工设计的基本程序和方法。
1.2.4加强对“食品科学与工程”及其化工原理知识的综合应用能力。
1.2.5树立正确的设计思想和实事求是，严谨，负责的工作作风。
1.3设计条件及主要物性参数表在一常压操作的连续精馏塔内分离甲苯－乙苯混合物。
1、处理量： 27000 （吨/年）。
2、操作周期：300天/年3、进料组成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的质量分数为30%。
4、进料状态：泡点进料5、料液初温： 35℃6、冷却水的温度： 30℃7、饱和蒸汽压强：2.5Kgf/cm2(1Kgf/cm2=98.066)KPa8、精馏塔塔顶压强: 4 KPa(表压)9、单板压降不大于 0.7 kPa10、总塔效率为 0.611、分离要求：塔顶的甲苯含量不小于99%(质量分数),塔底的甲苯含量不大于1%(质量分数)。
12、设备型式：筛板1.4设计内容1.4.1 精馏塔的物料衡算；1.4.2 塔板数的确定：1.4.3 精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算；1.4.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；1.4.5塔板主要工艺尺寸的计算；1.4.6塔板的流体力学验算：1.4.7 塔板负荷性能图；1.4.8 精馏塔接管尺寸计算；1.4.9 绘制生产工艺流程图；1.4.10 绘制精馏塔设计条件图；1.4.11 对设计过程的评述和有关问题的讨论。
1.5设计方案选定本设计任务为分离甲苯-乙苯混合物。
原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至35℃后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用立式自流式冷凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25℃后送至产品槽；塔釜采用卧式热虹吸再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。
1.5.1 精馏方式：本设计采用连续精馏方式。
原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。
其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。
由于所涉浓度范围内甲苯和乙苯的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。
1.5.2塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在甲苯和乙苯这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。
1.5.3 加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。
由于原料温度稳定，为减少操作成本采用35℃饱和液体进料。
1.5.4 由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。
2、精馏塔的物料衡算原料液处理量为3750kg/h,（每年生产300天），塔顶产品组成99%（w/w）甲苯。
原料30%（w/w）甲苯-乙苯溶液，釜残液含1%（w/w）的甲苯溶液。
分子量M甲苯=92.13 kg/kmol；M乙笨=106.16 kg/kmol。
2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料摩尔分数：FX=（0.3/92.13）/（0.3/92.13+0.7/106.16）=0.3306塔顶摩尔分数： XD=（0.99/92.13）/（0.99/92.13+0.01/106.16）=0.9913塔釜残液的摩尔分数： XW=（0.01/92.13）/（0.01/92.13+0.99/106.16）=0.0115 塔底产品的平均摩尔质量:FM=0.3306×92.13.+（1-0.3306）×106.16=101.5217kg/molMD=0.9913×92.13+（1-0.9913）×106.16=92.2521 kg/molMw=0.0115×92.13+（1-0.0115）×106.16=105.9987 kg/mol2.2物料衡算原料的处理量 F=（27000*103）/（300*24*101.5217）=36.9379kmol/h 总物料衡算 D+W=36.9379乙醇的物料衡算 36.9379*0.3306=0.9913×D+0.0115*W联立解得：塔顶采出量 D=12.0299 kmol/h塔底采出量 W=24.9080 kmol/h3、塔板数的确定3.1.理论板层数NT 的求取3.1.1甲苯、乙苯的温度-组成甲苯-乙苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。
根据Ct BA gp +-=0l （A 、B 、C 为Antoine 方程常数由手册已查得如表1）求得一系列温度下甲苯和乙苯的蒸气压o A P 、oB P 。
再根据泡点方程000x B A B P P P P --=和露点方程PxP A 0y =得到各组t-x(y) 数据（如表2），绘出甲苯、乙苯的温度-组成图（如图1）及平衡曲 线（如图2）。
图13.1.2确定操作的回流比R因q=1、x e =x f =0.3306在x ～y 图上查得y e =0.4996。
故有：47909.23306.04996.04996.09913.0y -x e D =--=-=e e x y Rm 而一般情况下R=(1.1～2)Rm ,考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍。
即：R=2Rm=5.81893.1.3求操作线方程精馏段操作线方程为：0.14540.8533x 1R xx 1R R y n D n 1n +=+++=+ L=R ×D=5.8189×12.0299=70.0008 kmol/h提馏段操作线方程为0.0027-1.3036x W-qF L Wx -x W -qF L qFL y m W m 1m =+++=+ 3.2图解法求理论板层数 精馏段操作线为经过点a(0.9913,0.9913)、c(0,0.1454)的直线，与q 线交与点d,而提留段操作线为经过点d 、b(0.0115,0.0115)两点的直线。
在x-y 图中绘出精馏段操作线、提留段操作线、q 线，并绘出梯级（如图2）。
图解得总理论塔板数N T =19.1119－1=18.1119块（不含再沸器）。
其中精馏段N T1=9块，提馏段N T2=9.1119块，第10块为加料板位置。
3.3实际塔板数N p 的求取精馏段：N p1=N T1/0.6=15，取N p1=15块；提留段：N P2=N T2/0.6=15.1865；取N p2=16块； 总塔板数：N P =N p1+N p2=31块。
4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 4．1 操作压力计算 4.1.1塔顶操作压力DP =101.3+4=105.3 kPa4.1.2每层塔板压降 △P = 0.7 kPa 4.1.3进料板压力FP = 105.3+0.7×15=115.8 kPa4.1.4塔底操作压力 ：P W ＝115.8＋0.7×16＝127 kPa 4.1.5精馏段平均压力 P m1=(105.3+115.8)/2=110.55 kPa 4.2操作温度计算查温度-组成图可得相应温度如下： 塔顶温度 ：T D ＝110.783 ℃ 进料板温度 ：T F ＝125.817 ℃ 塔底温度 ：T W ＝136.983 ℃精馏段平均温度 ：T m1＝（110.783＋125.817）/2 = 118.301 ℃4.3平均摩尔质量的计算 4.3.1塔顶平均摩尔质量计算：由y 1=x D =0.9913,查平衡曲线得x 1=0.9825kg/km ol 2521.9216.106)9913.01(13.929913.0M VDm =⨯-+⨯= kg/km ol 3755.9216.106)8259.01(13.928259.0M LDm =⨯-+⨯= 4.3.2进料板平均摩尔质量计算由 x F ＝0.3306，查平衡曲线得y F ＝0.4996kg/km ol 1506.9916.1066994.0192.130.4996M VFm =⨯-+⨯=）（ kg/km ol 101.521716.1060.3306192.130.3306M LFm =⨯-+⨯=）（ 4.3.3塔底平均摩尔质量计算由 x W ＝0.0115，查平衡曲线得y W ＝0.01151()kg/kmol 105.9985106.160.01151192.1311510.0M VWm =⨯-+⨯= ()kg/km ol 105.9987106.160115.0192.130.0115M LWm =⨯-+⨯= 4.3.4精馏段平均摩尔质量kg/km ol 95.70142/99.150692.2521M Vm1=+=）（ kg/km ol 96.94862/101.521792.3755M Lm1=+=）（ 4.4 平均密度计算4.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即3m1Vm1m1Vm1kg/m 3.2508273.15118.3018.31495.7014110.55RT M P =+⨯⨯==）（ρ 4.4.2液相平均密度计算由于已查得液相甲苯、乙苯在某些温度下的密度（如表3），将其以T 为x 轴、ρ为y 轴分别绘制出甲苯、乙苯的温度-密度曲线图（如图3）。