化工原理课程设计：苯-甲苯分离过程筛板精馏塔设计



苯-甲苯分离过程筛板精馏塔设计
已知条件
1	项目	设计产量(苯) kg/年	工作时间 h	xF	xD	xW	进料温度
	参数	29000000	7200	0.41	0.99	0.02	20℃
	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	C6H5—CH3	92.13	110.6	318.57	4107.7
	苯和甲苯的饱和蒸汽压
	温度℃	80.1	85	90	95	100	105	110.6
	PAo kPa	101.33	116.9	135.5	155.7	179.2	204.2	240
	PBo kPa	40	46	54	63.3	74.3	86
	常温下苯和甲苯气液平衡数据
	温度℃		80.1	85	90	95	100	105
	液相中苯的摩尔分率		1	0.78	0.581	0.412	0.258	0.13
	汽相中苯的摩尔分率		1	0.9	0.777	0.63	0.456	0.262
	纯组分的表面张力
	温度	80	90	100	110	120
	苯，mN/m	21.2	20	18.8	17.5	16.2
	甲苯，mN/m	21.7	20.6	19.5	18.4	17.3
	组分的纯相密度
	温度（℃）	80	90	100	110	120
	苯，kg/m3	814	805	791	778	763
	甲苯，kg/m3	809	801	791	780	768
	液体粘度µl
	温度（℃）	80	90	100	110	120
	苯，mPa·s	0.308	0.279	0.255	0.233	0.215
	甲苯,mPa·s	0.311	0.286	0.264	0.254	0.228
物料衡算
2	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	液料含苯质量分数	WF	-	计算	xF*M苯/[xF*M苯+（1-xF）*M甲苯]		0.3707
	2	塔顶含苯质量分数	WD	-	计算	xD*M苯/[xD*M苯+（1-xD）*M甲苯]		0.9882
	3	塔底含苯质量分数	WW	-	计算	xW*M苯/[xW*M苯+（1-xW）*M甲苯]		0.0170
	4	料液平均分子量	MF	kg/kmol	计算	xF*M苯+(1-xF)*M甲苯		86.3818
	5	塔顶平均分子量	MD	kg/kmol	计算	xD*M苯+(1-xD)*M甲苯		78.2502
	6	塔底平均分子量	MW	kg/kmol	计算	xW*M苯+(1-xW)*M甲苯		91.8496
	7	塔顶产品量（质量）	D'	kg/h	计算	29000000/(24*300)		4027.7778
	8	塔底产品量（质量）	W'	kg/h	计算	(WD-WF)*D'/(WF-WW)		7031.0583
	9	进料量（质量）	F'	kg/h	计算	D'+W'		11058.8361
	10	塔顶产品量	D	kmol/h	计算	D'/MD		51.4731
	11	塔底产品量	W	kmol/h	计算	W'/MW		76.5497
	12	进料量	F	kmol/h	计算	F'/MF		128.0228
塔板数确定
3	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	塔温确定	tD	℃	计算	插值法		80.21
			tF	℃	计算			93.81
			tW	℃	计算			109.35
	2	平均温度		℃	计算	（tD+tW）/2		94.78
	3	相对挥发度	α1	-	计算			2.5799
			α2	-	计算			2.4356
			α3	-	计算			2.476
			α	-	计算			2.4964
	4	加料热量的参数	q	-	选定			1/3
	5	q线方程		-		y=qx/(q-1)-xF/(q-1)		y=-0.5x+ 0.615
	6	相平衡方程		-		y=αx/[1+(α-1)x]		y=2.50/(1+1.50x)
	7	进料气液苯平衡浓度	xe	-	q线方程、相平衡方程联立计算	y=qx/(q-1)-xF/(q-1)              y=αx/[1+(α-1)x]		0.2700
			ye	-				0.4800
	8	最小回流比	Rmin	-	计算	（xD-ye）/(ye-xe)		2.4286
	9	回流比	R	-	选取计算	R=1.3Rmin		3.1571
	10	精馏段操作线方程		-	计算
	11	提馏段操作线方程		-	计算
	12	精馏段提馏段操作方程交点	xq	-	计算	联立精馏段、提馏段操作线方程		0.2990
	13	精馏段	y1	-	计算	y1=xD		0.9900
			x1	-	计算			0.9754
			y2	-	计算			0.9813
			x2	-	计算			0.9546
			y3	-	计算			0.9655
			x3	-	计算			0.9181
			y4	-	计算			0.9378
			x4	-	计算			0.8578
			y5	-	计算			0.8920
			x5	-	计算			0.7678
			y6	-	计算			0.8236
			x6	-	计算			0.6515
			y7	-	计算			0.7352
			x7	-	计算			0.5265
			y8	-	计算			0.6401
			x8	-	计算			0.4161
			y9	-	计算			0.5562
			x9	-	计算			0.3342
			y10	-	计算			0.4940
			x10	-	计算			0.2812
	14	提馏段	y11	-	计算			0.3988
			x11	-	计算			0.2099
			y12	-	计算			0.2955
			x12	-	计算			0.1438
			y13	-	计算			0.1997
			x13	-	计算			0.0909
			y14	-	计算			0.1228
			x14	-	计算			0.0531
			y15	-	计算			0.0681
			x15	-	计算			0.0284
			y16	-	计算			0.0323
			x16	-	计算			0.0132
	15	粘度	μ1	-	根据平均温度查表	-		0.2680
			μ2	-	根据平均温度查表	-		0.2750
	16	平均粘度	μm	-	计算	xF*μ1+(1-xF)μ2		0.2721
	17	全塔效率	ET	-	计算	0.17-0.616lgμm		0.5182
	18	实际板数	N精	-	计算	N精理/ET		18.0000
			N提	-	计算	N精提/ET		14.0000
			N总	-	计算	N精+N提		32.0000
精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
4	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	精馏段操作温度	Tm精	K	-	（tD+tF）/2+273.15		360.1600
	2	提馏段操作温度	Tm提	K	-	（tW+tF）/2+273.15		374.7300
	3	塔顶平均摩尔质量	ML,Dm	kg/kmol	计算	x1*M苯+（1-x1）M甲苯		78.4548
			MV,Dm	kg/kmol	计算	y1*M苯+（1-y2）M甲苯		78.2502
	4	进料板平均摩尔质量	ML,Fm	kg/kmol	计算	xF*M苯+（1-xF）M甲苯		88.1882
			MV,Fm	kg/kmol	计算	yF*M苯+（1-yF）M甲苯		85.2037
	5	塔底平均摩尔质量	ML,Wm	kg/kmol	计算	xW*M苯+（1-xW）M甲苯		91.9447
			MV,Wm	kg/kmol	计算	yW*M苯+（1-yW）M甲苯		91.6765
	6	精馏段平均摩尔质量	MLm	kg/kmol	计算	（ML,Dm+ML,Fm）/2		83.3215
			MVm	kg/kmol	计算	(MV,Dm+MV,Fm)/2		81.7270
	7	提馏段平均摩尔质量	MLm'	kg/kmol	计算	(ML,Wm+ML,Fm)/2		90.0665
			MVm'	kg/kmol	计算	(MV,Wm+MV,Fm)/2		88.4401
	8	塔顶操作压力	PD	kPa	常数	-		101.3000
	9	每层塔板压降	ΔP	kPa	选定	-		0.7000
	10	进料板压力	PF	kPa	计算	PD+(N-1)*ΔP		114.6000
	11	塔底操作压力	PW	kPa	计算	PD+N总*ΔP		122.3000
	12	精馏段平均压力	Pm1	kPa	计算	(PF+PD)/2		107.9500
	13	提馏段平均压力	Pm2	kPa	计算	(PF+PW)/2		118.4500
	14	精馏段平均气相密度	ρVm	kg/m3	计算	Pm1MVm/RTm		2.9463
	15	提馏段平均气相密度	ρVm'	kg/m3	计算	Pm1MVm/RTm		3.3624
	16	塔顶液相平均密度	ρ1	kg/m3	查表	-		813.8110
			ρ2	kg/m3	查表	-		808.2300
			ρL,Dm	kg/m3	计算	1/[WD/ρ1+(1-WD)/ρ2]		813.7448
	17	进料板质量分数	W10	-	计算	x10*M苯/[x10*M苯+（1-x10）*M甲苯]		0.2490
	18	进料板平均密度	ρ1'	kg/m3	查表	-		799.6700
			ρ2'	kg/m3	查表	-		797.1900
			ρL,Fm	kg/m3	计算	1/[W10/ρ1'+(1-W10)/ρ2']		797.8061
	19	塔釜质量分数	W16	-	计算	x16*M苯/[x16*M苯+（1-x16）*M甲苯]		0.0112
	20	塔釜平均密度	ρ1''	kg/m3	查表	-		778.8500
			ρ2''	kg/m3	查表	-		780.7200
			ρL,Wm	kg/m3	计算	1/[W16/ρ1''+(1-W16)/ρ2'']		780.6990
	21	精馏段液相平均密度	ρLm精	kg/m3	计算	(ρL,Dm+ρL,Fm)/2		805.7755
	22	提馏段液相平均密度	ρLm提	kg/m3	计算	(ρL,Wm+ρL,Fm)/2		789.2525
	23	塔顶液相表面张力	σ1	mN/m	查表	-		21.1700
			σ2	mN/m	查表	-		21.6769
			σL,Dm	mN/m	计算	xD*σ1+(1-xD)*σ2		21.1751
	24	进料板液相表面张力	σ1'	mN/m	查表	-		19.5428
			σ2	mN/m	查表	-		20.1809
			σL,Fm	mN/m	计算	x10*σ1'+(1-x10)*σ2'		20.0015
	25	塔釜液相表面张力	σ1''	mN/m	查表	-		17.5910
			σ2''	mN/m	查表	-		18.4715
			σL,Wm	mN/m	计算	x16*σ1''+(1-x16)*σ2''		18.4599
	26	精馏段液相平均表面张力	σLm精	mN/m	计算	(σL,Dm+σL,Fm)/2		20.5883
		提馏段液相平均表面张力	σLm提	mN/m	计算	(σL,Wm+σL,Fm)/3		19.2307
	27	塔顶液相平均粘度	μ1	mPa·S	查表	-		0.3074
			μ2	mPa·S	查表	-		0.3105
			μL,Dm	mPa·S	计算	xD*μ1+(1-xD)*μ2		0.3074
	28	进料板液相平均粘度	μ1'	mPa·S	查表	-		0.2699
			μ2'	mPa·S	查表	-		0.2776
			μL,Fm	mPa·S	计算	x10*μ1'+(1-x10)*μ2'		0.2754
	29	塔釜液相平均粘度	μ1''	mPa·S	查表	-		0.2344
			μ2''	mPa·S	查表	-		0.2547
			μL,Wm	mPa·S	计算	x16*μ1''+(1-x16)*μ2''		0.2544
	30	精馏段液相平均粘度	μLm精	mPa·S	计算	(μL,Dm+μL,Fm)/2		0.2914
	31	提馏段液相平均粘度	μLm提	mPa·S	计算	(μL,Wm+μL,Fm)/2		0.2649
	32	精馏段气液负荷计算	V	kmol/h	计算	（R+1）D		213.9809
			VS	m3/s	计算	VMVm/(3600ρVm)		1.6488
			L	kmol/h	计算	RD		162.5078
			LS	m3/s	计算	VMLm/(3600ρLm)		0.0061
	33	提馏段气液负荷计算	V'	kmol/h	计算	(R+1)D+(q-1)F		128.6324
			VS'	m3/s	计算	V'MVm'/(3600ρVm')		0.9398
			L'	kmol/h	计算	RD+qF		205.1821
			LS'	m3/s	计算	V'MLm'/(3600ρLm')		0.0041
精馏塔的塔体工艺尺寸计算
5	精馏段塔径
	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	板间距	HT	m	选定	-		0.4000
	2	板上液层高度	hL	m	选定	-		0.0600
	3	C计算参数	C20	-	查史密斯关联图	-		0.0700
	4	校正表面张力	σ	mN/m		-		20.5900
	5	C的计算	C	-	计算	C20*(σ/20)^0.2		0.0704
	6	空塔气速	umax	m/s	计算			1.1620
	7	安全系数	-	-	选定	-		0.7000
	8	空塔气速	u	m/s	计算	0.7*umax		0.8134
	9	精馏段塔径	D	m	计算	[4VS/(Πu)]^0.5		1.8050
	10	塔径圆整	D精	m	选定	-		1.9000
	11	空塔气速	u精	m/s	计算	VS/AT		0.5819
	提馏段塔径
	12	C计算参数	C20’	-	查史密斯关联图	-		0.0690
	13	校正表面张力	σ'	mN/m		-		19.2300
	14	C的计算	C'	-	计算	C20’*(σ'/20)^0.2		0.0685
	15	空塔气速	umax'	m/s	计算			1.0470
	16	空塔气速	u'	m/s	计算	0.7*umax’		0.7330
	17	提馏段塔径	D'	m	计算	[4VS/(Πu')]^0.5		1.2780
	18	塔径圆整	D提'	m	选定	-		1.9000
	19	空塔气速	u提'	m/s	计算	VS'/AT		0.3315
	20	精馏段有效高度	Z精	m	计算	(N精-1)*0.45		7.6500
	21	提馏段有效高度	Z提	m	计算	(N提-1)*0.45		5.8500
	22	人孔高度、直径	h人孔	m	选定	-		0.5000
			D人孔	m	选定	-		0.5000
	23	人孔数	NP	-	计算	（N/8）-1		3.0000
	24	塔底空间高度	HB	m	选定	-		2.0000
	25	塔顶空间高度	HD	m	选定	-		1.0000
	26	进料板处板间距	HF	m	选定	-		0.4000
	27	塔高	H	m	计算	(N-NF-NP-1)HT+NPHP+HD+HB+NFHF		15.7000
塔板主要工艺尺寸的计算
6	溢流装置的计算
	精馏段
	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	堰长	lW	m	计算	（0.6~0.8）D		1.2540
	2	-	Lh	m	计算	3600*LS		22.1268
	3	-	E	-	查表	-		1.2100
	4	堰上液层高度	hOW	m	查表、计算	2.84E*(Lh/lw)^(2/3)/1000		0.0230
	5	堰高	hW	m	计算	hL-hOW		0.0370
	提馏段
	6	堰长	lW'	m	计算	（0.6~0.8）D		1.2540
	7	-	Lh'	m	计算	3600*LS		14.6790
	8	-	E'	-	查表	-		1.2000
	9	堰上液层高度	hOW'	m	查表、计算	2.84E*(Lh/lw)^(2/3)/1000		0.0170
	10	堰高	hW'	m	计算	hL-hOW		0.0430
	降液管
	11	降液管面积	Af	m2	查表、计算	0.072*π(D^2)/4		0.2041
	12	降液管宽度	Wd	m	查表、计算	0.13D		0.2470
	13	精馏段停留时间	θ	s	计算			13.2854
	14	提馏段停留时间	θ'	s	计算			20.0260
	15	降液管底隙高度	ho	m	计算			0.0327
	16		ho	m	计算			0.0217
	塔板布置
	17	边缘区宽度	Wc	m	选取	-		0.0400
	18	安定区宽度	Ws	m	选取	-		0.0800
	19	-	x	m	计算	x= D/2-(Wd+Ws )		0.6230
	20	-	r	m	计算	r= D/2-Wc		0.9100
	21	开孔区面积	Aa	m2	计算			2.0754
	22	筛孔孔径	d0	mm	选取	-		5.0000
	23	孔中心距	t	mm	计算	4*d0		20.0000
	24	筛孔数	n	-	计算			6008.2830
	25	开孔率	φ	-	计算			0.0567
	26	每层板上的开孔面积	A0	m2	计算	φ*Aa		0.1176
	27	精馏段气速	u	m/s	计算	VS/A0		14.0141
	28	提馏段气速	u'	m/s	计算	VS'/A0		7.9883
筛板的流体力学验算
7	序号	名称	符号	单位	由来	公式		数值
	1	孔流系数	C0	-				0.8068
	2	干板压降相当的液柱高度（精馏段）	hC	m	计算			0.0452
	3	干板压降相当的液柱高度（提馏段）	hC'	m	计算			0.0213
	4	气体穿过板上液层压降相当的液柱高度(精馏段)	ua	-	-			0.6267
	5		Fa	-	-			1.0757
	6		ε0	-	-			0.6432
	7		hl	m	计算			0.0386
	8	气体穿过板上液层压降相当的液柱高度(提馏段)	ua’	-	-			0.3572
	9		Fa'	-	-			0.6550
	10		ε0'	-	-			0.7054
	11		hl'	m液柱	计算			0.0423
	12	克服液体表面张力压降相当的液柱高度(精馏段)	hσ	m液柱	计算			0.0021
	13	克服液体表面张力压降相当的液柱高度(提馏段)	hσ'	m液柱	计算			0.0020
	14	气体通过塔板的压降(精馏段)	hp	m液柱	计算			0.0859
	15	气体通过塔板的压降（提馏段）	hp’	m液柱	计算			0.0656
	16	单板压降	ΔP	Pa	计算	hpgρL		678.2653
	17	单板压降	ΔP’	Pa	计算	hpgρL		508.0170
	18	雾沫夹带（精馏段）	ev	kg液/kg气	计算			0.0052
	19	雾沫夹带（提馏段）	ev'	kg液/kg气	计算			0.0009
	20	漏液点气速(精馏段)	uOW	-	计算			6.2447
	21	漏液点气速(提馏段)	uOW'	-	计算			5.8100
	22	筛板稳定系数(精馏段）	K	-	计算	u精/uOW		2.2442
	23	筛板稳定系数(精馏段）	K'	-	计算			1.3749
	24		hd	-	计算			0.0034
	25		hd'	-	计算			0.0034
	26	降液管中清液层高度（精馏段）	Hd	-	计算			0.1279
	27	降液管中清液层高度（提馏段）	Hd'	-	计算			0.1114
	28	参考（精馏段）		-	计算			0.2185
	29	参考（提馏段）		-	计算			0.2215