分离正庚烷-正辛烷混合液地筛板精馏塔

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DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering课程设计说明书分离正庚烷-正辛烷混合液课程名称课程名称的筛板精馏塔设计姓名学号班级指导教师校方企方 设计地点设计时间2014年5月31日 口录1.设计任务及要求?????????????????????????3..1.1设计任务??????????????????????????.31.2设计容??????????????????????????.32.主要基础数据??3.设计计算????????????????????????????4..3.1设计方案的确定????????????????????????43.2精馏塔的物料衡算???????????????????????43.3塔板数的确定?????????????????????????53.4精馏塔工艺条件及有关物性数据?????????????????63.5精馏塔塔体工艺尺寸计算????????????????????83.6全凝器冷凝介质的消耗量???????????????????9..3.7再沸器加热介质的消耗量???????????????????10..4.筛板塔设计结果汇总??????????????????????...115.工艺流程图??????????????????????????11...6.设计感想???????????????????????????...12..12 设计题目：分离正庚烷-正辛烷混合液的筛板精馏塔1.设计任务及要求1.1设计任务在一常压操作的连续塔精微塔分离正庚烷-正辛烷混合物。原料液年处理量为20000t,料液浓度为50%（正庚烷质量分数）。要求塔顶产品正庚烷浓度为98.5%（质量分数），塔底釜液中正辛烷浓度不低于98%（质量分数）。设计条件如下：操作压力进料热状况回流比单板降压全塔效率建厂地址4kPa泡点进料2<0.7kPaEr=55%根据上述工艺条件进行筛板塔的设计计算1.2设计容1.设计方案的确定及流程说明；2.工艺计算；3.主要设备工艺尺寸设计；4.设计结果汇总；5.工艺流程图；6.设计感想。2.主要基数数据表1正庚烷和正辛烷的物理性质项目分子式分子量沸点/。c/临界温度©临界压强/kpa正庚烷C7H16100.2198.5201.71620正辛烷C8H18114.22125.62962510-正辛烷的气液平衡与温度的关表2常压下正庚烷系温度-98^——105——110115——120——125^-正庚烷（g）yA1.000.810.6730.4910.2800正辛烷（l）xa1.000.6560.4870.3110.1570以上为实验数据，也可用安托尼（Antoine）公式计算：lg（P0）=A-t+C 表3A、B、C取值 温度/°CABC正庚6.021263.91216.432烯辛6.051356.36209.635表4液体密度（Kg/m3）温度/°C20406080100120140正庚烷684.8667.4649.4630.7611.0590.3568.3正辛烷703.7705.6689.4672.7655.437.4618.7液体表面力（10表5-3N/m）温度/°C20406080100120140正庚烷20.1818.216.2614.3612.5110.78.952正辛烷21.5419.6417.7815.9514.1612.4110.71表6液体表面粘度（10-3Pa•s）温度/°C20406080100120140正庚烷0.4170.3420.2860.2420.2080.1810.143正辛烷0.5450.4360.3580.4000.2550.2190.190表7液体汽化热（KJ/mol）温度/°C8090100110120正庚烷375364352348335正辛烷3703603503453333.设计计算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，应采用连续精储流程。设计中采取饱和液体进料，即泡点进料。将原料液通过预热器加热至泡点都送入精僭塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器，冷凝液在泡点下一部分回流至塔，其余部分经产品冷却后送至贮罐。该物系属易分离体系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍塔釜采用饱和蒸汽加热，塔顶产品冷却后送至贮罐。3.2精储塔的物料衡算⑴原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数正庚烷的摩尔质量：Ma=100.21Kg/Kmol 正辛烷的摩尔质量：Mb=114.22Kg/Kmolxf=nA=50?100.21=0.5327原料液的摩尔组成：xD=98.5?100.2198+.5(1?0100-908.2.51)?114.22=0.9868D98.5?100.21+(100-98.5)?114.22FnA+nB50?100.21+50?114.22进料量F=210?30024=14.99kmol/h2X107?300X24106.7569molmol113.902kgmol由全塔的物料衡算方程可写出：F=D+WD=7.93kmol/hFxf=Dxd+WxwW=7.06kmol/h3.3塔板数的确定⑴理论塔板层数Nt正庚烷-正辛烷属于理想物系，采用图解法求理论塔板数①由设计手册查得正庚烷-正辛烷物系的气液平衡数据，绘出x-y图2?100.21CO__X=(100-98)?100.21+98?114.22=0.0227106.7569kgMf=xfMa+(1-xf)Mb=0.5327X100.21+(1-"5327)x11422-0.9868)x114.22=100.395kgMD=xdMa+(1-XDMB=0.9868X100.21+(1MwxwMa+(1-xwMb=0.0227X100.21+(1八oo-0.0227)入114.22⑵原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量⑶全塔物料衡算 ②求最小回流比（Rmin）及操作回流比（R）采用作图法求最小回流比。泡点进料（q=1）,即q为直线。在图中对角线上，自点e（0.5327,0.5327）做垂线ef即为进料线（q线）,q线与平衡线交于点d,d点坐标为yq=0.7066,xq=0.5327。 故最小回流比:XD-yqyqR1-xq③精储塔的气、液相负荷L=RD=25.5346kmol/hL'=L+qF=40.5246kmol/h④操作线方程0.9868-0.70660.2802==1.610.7066-0.53270..1739R=2Rmin=3.22V=L+D=33.4646kmol/hV'=V+(q-1)F=33.4646kmol/h►一，一一一一……、一一‘精储段操作线万程：yn+1=rR+1xn+RX+D1=0.76Xn+0.234提偏段操作线方程：ym+1=%，Xm-VWXw=1.21Xm-0.005⑤图解法求理论塔板数在图上做操作线，由点（0.9868,0.9868）起在平衡线与操作线间画阶梯，直到阶梯与平衡线交点小于0.0227为止。由此得到理论板Nt=15块（含再沸器）。其中,精储段7块，提储段8块（含进料板）。第8块为进料板。⑥实际塔板层数Np的求取精储段实际板层数：N精=7/0.55心13提储段实际板层数：N提=7/0.55弋13总实际板数：Np=N精+N提=263.4精储塔工艺条件及有关物性数据以精微段为例进行计算⑴操作压力 塔顶操作压力：PD=101.3+4=105.3kpa 每层塔压降：?p=0.7kpa进料板压力：Pf=105.3+0.7X13=114.4kpa精馏段平均压力：Pm=(105.3+114.4)/2=109.85kpa(2)操作温度根据表1的常压下正庚烷=正辛烷的气液平衡常数与温度的关系。有插法求得：塔顶温度：tD=98.49℃进料板温度：tF=113.85℃精馏段平均温度：tm=(98.49+113.85)/2=106.2℃(3)平均摩尔质量①塔顶气、液混合物平均摩尔质量：由xD=y1=0.9868，查平衡曲线，得xi=0.981MLDm=xiXMa+(1-xi)XMb=96.14kq/kmolMvDm=yiXMa+(1-y1)XMb=97.38kg/kmol②进料板气、液混合物平均摩尔质量：由图解理论板数，得yF1=0.62，查平衡曲线，得xF1=0.47MLFm=xfiXMa+(1-xfi)XMb=107.64kg/kmolMVFm=yFIXMa+(1-yF1)XMb=105.53kg/kmol③精馏段气、液混合物平均摩尔质量：Mldm+MlfmM精Lm2=101.89kg/kmolMVDm+MVFmM精Vm=101.46kg/kmol「精mM精VmRT精m(4)平均密度①气相平均密度理想气体状态方程109.85x101.46=3.54kg/m38.314X(106.2+273)P精Vm②液相平均密度10A加=+PLmPLAPLB塔顶液相平均密度tD=98.49℃，由表4插法得：pla=612.49kg/m3,Plb=656.71kg/mLPDm=613.5kg/m tF=113.85℃，由表4插法得： 进料板液相质量分数：XF1XMAxj+"J0.47X100.21x0.47X100.02.14+67(1-100.407.21)X114.220.438进料板液相平均密度 0.4380.562+596.67227.435)PLFm=312kg/m31PLFm精储段液相平均密度Lm(PLDm+PLFm)=462.75kg/m⑸液相平均表面力液相平均表面力：OLm=Ein=1Xid塔顶液相平均表面力:tD=98.49°C，由表5插法得:a=13.9mN/m,b=14.3mN/m°LDm=xd/+(1-xd)ob=13.91mN/m进料板液相平均表面tF=113.85℃,由表5插法得：的=xf(t+(1-xf)y=12.05mN/ma=11.26mN/m,b=12.95mN/m精Lm(&Dm+(yLFm)2=12.98mN/m精储段液相平均表面力为:VM精Vm3600P精Vm33.46X101.46=0.266m3/s3600X3.54 皿精Lm25回101.89=0.0016m3/sLs3600P精Lm3600x462.75由Umax=CVplp-pVPV0.020.2C=C20(,)C20由斯密斯关联图查(T斯密斯关联图的横坐标:VLmm1?2lVss(PP精精3600X0.0016462.751?233660000X°Q.°206166乂(46325745)=0.0688(T精Lm0.2查斯密斯关联图得：C20=0.069C=C20(20)Pl-PgUmax=CV=CVP精Lm-P精0212.980.2Vm=0.069X(200.2)=0.PgP精Vm=0.xV46275-3.54=0.718m/s3.54②空塔气速计算取板间距Ht=0.40m)板上液层高度hL=0.06m)贝UHt-hL=0.34m安全系数取0.7,则空塔气速为：u=0.7umax=0.5022m/sD=，4冗U=，3.144X0.02656022=0.82m兀u3.14X0.5022按照标准塔径圆整后为：D=1.0m塔截面积：At=、D2=0.785m2实际空塔气速为u=VS=0.3389m/sAT⑵精僭塔有效高度计算精储段有效高度Z精=(N精-1)Ht=(13-1)X0.4=4.8m提偏段有效高度2提=(N提-1)Ht=(13-1)X0.4=4.8m在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m,故精微塔有效高度为Z=Z精+Z提+0.8=10.4m 3.6全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Qc=(R+1)D(hV-hL)=V(hV-hL)由于塔顶溜出液几乎为纯正庚烷，为简化计算，可按纯的正庚烷的摩尔焓计算。若回流液在饱和温度下进入塔，则hV-hL=r正庚烷tD=98.49℃,由表7插法得该温度下正庚烷的汽化热为341.81J/Kgr正庚烷=341.81XMa=341.81X100.21=34253KJ/kmolQc=vxr=33.4646X34253=1.15X106kJ/h水为冷凝质，其进15℃，30℃，则平均温度下的比热cpc=4.181KJ/Kg?℃(查设计手册)，冷凝水用量为：Qc1.15X1064Wc=c==1.83X10，kg/hccpc(t2-t1)4.181X(30-15)3.7再沸器加热介质的消耗量热*负荷qb=Qv+Qw-Qf-Ql=WhXr水①塔顶蒸汽带出的热量Qv(塔顶产品几乎为纯正庚烷，摩尔汽化始取纯正庚烷的摩尔汽化焓)：Qv=VXHv=VX(cp正庚烷XtD+r正庚烷)=33.4646X(255.54X98.49+34253)=1.99X106KJ/h(查设计手册：tD=98.49℃时，cp正庚烷=255.54KJ/(kmol?℃)②塔底产品带出的热量QW(塔底产品几乎为纯正辛烷，摩尔汽化焓取纯正辛烷的摩尔汽化焓)：Qw=WXhw=WXcp正辛烷Xtw=7.06X299.55X124.79=2.64X105KJ/h(由表1插法求得釜液温度tw=124.79C。查设计手册：tw=124.79C时，cp正辛烷=299.55kJ/kmol?C)③原料液带入的热量QFtF=113.85Co由设计手册查出此温度下正庚烷、正辛烷的比热容cp正庚烷=264.55kJ/kmol?C)cp正辛烷=293.55kJ/kmol?C。原料液平均摩尔比热容：Cp=xfXcp正庚烷+(1-xf)Xcp正辛烷=0.5327X264.55X100.21+0.4673X293.55= 278.10kJ/kmol℃Qf=FXhF=FXCpXtF=14.99X278.10X113.85=4.75X105KJ/h④回流液带入的热量QL(回流液的摩尔焓取纯正庚烷的摩尔焓)Ql=LXhL=LXcp正庚烷XtD=25.5346X255.54X98.49=6.43X105KJ/hQb=Qv+Qw-Qf-Ql=(19.9+2.64-4.75-6.43)=11.36X105KJ/h200kPa(表压)的水蒸气汽化热为r水=3.97X10，KJ/Kmol加热水蒸汽的消耗量为：6.43X105X18Wh=r水=3.97X104=291.54kg/h3.筛板塔设计结果汇总项卜7H勺单位数值精，段提僭段平均压力PmkPa109略平均温度tm°C106.2平均流量气相Vsm3/s0.266液相Lsm3/s0.0016实际塔板数N块26板间距Htm0.4塔的有效高度Zm10.4塔径Dm1.0空塔气速um/s0.5022全凝气冷凝水用量WcKg/h1.83X104再沸器水蒸气用量WhKg/h291.54 3.工艺流程图 *943.设计感想这次我们课程设计的课题是分离正庚烷-正辛烷混合液的筛板精储塔，虽然是简单的纯化分离设计，但是还是发现自己有很多知识点存在遗漏或忘记。在老师和同学的帮助和指导下，对于一些平常理论的知识，有了更深的认识，感觉受益匪浅。这对我们以后的学习和工作有很大的帮助，我在此感谢老师和同学们的热心帮助。通过化工原理的课程设计，使我增长了不少实际的知识，也在大脑中确立了一个关于化工生产的轮廓。设计中需要的许多知识都需要我们查阅资料和文献，并要求加以归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导，不仅巩固了所学的化工原理知识,更极大的拓宽了我们的知识面，学习到了书本上学不到的东西，这对于一个工程类的学生来说是十分重要的，因为除了理性认识还应具有一定的感性认识。认真的面对是我这次课程设计的最大收获，通过这次筛板精储塔的设计让我对课本上的知识有了更系统更深的认识和理解。回顾整个过程，本次课程设计让我受益匪浅。4.参考文献[1]祖荣.化工原理.：高等教育.2011[2]王国祖.化工原理课程设计（第二版）.：理工大学.201110.9850.015PLDm612.49656.71 =+Pla=596.67kg/m1*3**,Plb=227.435kg/mPLDm612.49656.71