【正文】 要求 (1)設計方案的確定及流程說明 (2)塔的工藝計算 (3)塔和塔板主要工藝尺寸的設計 塔高、塔徑以及塔板結構尺寸的確定；塔板的流體力學驗算；塔板的負荷性能圖。 (4)編制設計結果概要或設計一覽表 (5)輔助設備選型與計算 (6)繪制塔設備結構圖：采用繪圖紙徒手繪制 五、時間及地點安排 (1)時間： ～ (第 1周～第 4周 ) (2)地點： 東南大學成賢學院 六、參考書目 [1]夏清 ,陳常貴 ?化工原理下冊? 天津 ： 天津大學 出版社， 2021 [2]任曉光 ?化工原理 課程設計指導 ?北京： 化學工業(yè)出版社 ， 2021 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 6 三 設計計算 設計方案的選定及基礎數(shù)據(jù)的搜集 本設計任務為分離苯一甲苯混合物。由于對物料沒有特殊的要求，可以在常壓下操作。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 倍。塔底設置再沸器采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。其中由于蒸餾過程的原理是多次進行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其 能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設計中設計把其熱量作為低溫熱源產(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預熱器的熱源之一，充分利用了能量。 塔板的類型為篩板塔精餾，篩板塔塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為3～ 8mm，篩孔在塔板上作正三角形排列。 篩板塔也是傳質過程常用的塔設備，它的主要優(yōu)點有： (１ ) 結構比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的 80％左右。 (２ ) 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 10～ 15％。 (３ ) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 (４ ) 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30％左右。 篩板塔的缺點是： (１ ) 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 (２ ) 操作彈性較小 (約 2～ 3)。 (３ ) 小孔篩板容易堵塞。 下圖是板式塔的簡略圖： 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 7 表 1 苯和甲苯的物理性質 項目 分子式 分子量 M 沸點（℃） 臨界溫度 tC（℃） 臨界壓強 PC（ kPa） 苯 A C6H6 甲苯 B C6H5— CH3 表 2 苯和甲苯的飽和 蒸汽壓 溫度 C0 85 90 95 100 105 0AP ,kPa 0BP ， kPa 表 3 常溫下苯 — 甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)（ [2]： 8P 例 1— 1 附表 2） 溫度 C0 85 90 95 100 105 液相中苯的摩爾分率 汽相中苯的摩爾分率 表 4 純組分的表面張力 ([1]： 378P 附錄圖 7) 溫度 80 90 100 110 120 苯， mN/m 甲苯， Mn/m 20 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 8 表 5 組分的液相密度 ([1]： 382P 附錄圖 8) 溫度 (℃ ) 80 90 100 110 120 苯 ,kg/ 3m 814 805 791 778 763 甲苯 ,kg/ 3m 809 801 791 780 768 表 6 液體粘度 181。L （ [1]： 365P ） 溫度 (℃ ) 80 90 100 110 120 苯（ mPa .s） 甲苯（ mPa .s） 表 7 常壓下苯 —— 甲苯的氣液平衡數(shù)據(jù) 溫度 t ℃ 液相中苯的摩爾分率 x 氣相中苯的摩爾分率 y 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 9 精餾塔的物料衡算 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 物料衡算式 : ? FWD FxWxDx FWD ?? ?? 苯的摩爾質量 甲苯的摩爾質量 km olkgM B /? ???Fx ???Dx ???Wx 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質量 ? ? m o lkgM F k/ 4 4 ?????? ? ? m o lkgM D k/ 5 5 ?????? ? ? m o lkgM W k/ ?????? 物料衡算 原料處理量 hF /km 40000000 ???? 總物料衡算 ??WD 苯物料衡算 WDF ?? 聯(lián)立解得 ??? ?? hkm olW hkm olD / / 式中 F原料液流量 D塔頂產(chǎn)品量 W塔底產(chǎn)品量 塔板數(shù)的確定 (1)相對揮發(fā)度的計算 苯的沸點 :℃ 甲苯的沸點 :℃ 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 10 由安托因方程 CBAP ??? tlg ? 及網(wǎng)絡上關于苯和甲苯的安托因系數(shù) 圖 2：苯和甲苯的安托因系數(shù)（來自百度網(wǎng)絡） ① T=℃時 苯： ?????AP 甲苯： ?????BP 解得： 0 1 KPPA ?? KPPB ?? ② T=℃時 苯： ?????AP 甲苯： ?????BP 解得： KPPA ?? 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 11 0 1 KPPB ?? 則 ℃時 ??? ??BAPP? ℃時 ??? ??BAPP? ????? ??? （ 2）最小回流比的求取 由于泡點進料即飽和液體進料，所以取 q=1， q線為一條垂直線 ??? Fxx ? ? ? ? qqq ??? ???? xx?? ? ? ? ? 11 111m i n ??????? ? ?????????? ????FDFD x xxxR ?? 通常操作回流比可取最小回流比的 ~2 倍，即 ? ? m in2~ RR? ，則取29 1 3 8 m in?? RR （ 3） 求精餾塔的氣液相負荷 hm o lRDL / ???? ? ? ? ? hk m o lDRV / 0 ??????? hk m o lqFRDL /, ??????? （泡點進料 q=1） ? ? ? ? ? ? hk m o lFqDRV /)11(, ??????????? （ 4） 求操作線方程 精餾段操作線方程： 211y nnDn1n ??????????? xxR xxR R 提餾段操作線方程： 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 12 WxWqFL WxWFL FL ????? ??? m1m q qy ?????? ?? mx ?? mx （ 5） 逐板法求理論板數(shù) 相平衡方程 ? ?xxy 11 ??? ?? 即 xxy ?? 變形得： yyx ?? 用精餾段操作線和相平衡方程進行逐板計算： ?? Dxy ? ? 1111 ???? yy yx ? 9 2 1 12 ??? xy 222 ??? yyx 8 7 1 23 ??? xy 333 ??? yyx 8 1 1 34 ??? xy 444 ??? yyx 7 4 1 45 ??? xy 555 ??? yyx ??? Fxx? 故精餾段理論板數(shù) n=4 用提餾段操作線和相平衡方程繼續(xù)逐板計算： 56 ??? xy 566 ??? yyx 67 ??? xy 777 ??? yyx 78 ??? xy 888 ??? yyx 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 13 89 ??? xy 999 ??? yyx 910 ??? xy 101010 ??? yyx 1011 ??? xy 111111 ??? yyx ??? Wxx? 故提餾段理論板數(shù) n=6（不包括塔釜） 理論板數(shù)一共 10塊，進料板為第 5塊 由于塔頂壓強為常壓 DP = ，單板壓降為 ，理論板為 10塊，故塔釜壓強 WP = ??? 。 經(jīng) chemCAD 擬合計算的塔頂溫度 DT =℃， 塔釜溫度 WT =℃。 所以全塔平均溫度 mT =℃。 查 液體黏度共線圖 圖 3：液體粘度共線圖 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 14 分別查得苯、甲苯在平均溫度下的粘度 ? ?SmP aA ?? ? ， ? ?SmP aB ?? ? 平均粘度由公式，得 ? ?Sm P aL ?????? ? 根據(jù)奧康奈爾（ O`connell）公式計算全塔效率 TE ? ? ? ? 5 4 7 2 ????? ??LTE ?? 精餾段實際板層數(shù) （塊）精 4 ???N 提餾段實際板層數(shù) （塊）提 6 ???N 全塔共有塔板 19塊，進料板在第 9塊板。 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算 塔頂操作壓力 P＝ kPa 每層塔板壓降 △ P＝ kPa 進料板壓力 FP ＝ + 8＝ kPa 塔底操作壓力 wP =+ 19＝ kPa 精餾段平均壓力 1mP ＝（ +）／ 2＝ kPa 提餾段平均壓力 2mP =（ +） /2 = kPa 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 15 根據(jù)上式計算出的壓力，經(jīng)過 chemCAD 擬合計算得 塔頂溫度 ?Dt ℃ 圖 4： chemCAD 擬合計算得塔頂溫度 進料板 溫度 ?Ft ℃ 圖 5： chemCAD 擬合計算得進料板溫度 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 16 塔底溫度 ?Wt ℃ 圖 6： chemCAD 擬合計算得塔釜溫度 精餾段平均溫度 1mt =（ +） /2 = ℃ 提餾段平均溫度 2mt =（ +） /2 =℃ 塔頂平均摩爾質量計算 由 xD=y1=,代入相平衡方程得 x1= ? ? ? ?k m o lkgM mDL /, ?????? ? ? ? ?k m o lkgM mDV /, ?????? 進料板平均摩爾質量計算 由上面理論板的算法，得 Fy ＝ ， Fx ＝ ? ? ? ?k m o lkgM mFV /, ?????? ? ? ? ?k m o lkgM mFL /, ?????? 苯 甲苯連續(xù)精餾篩板塔的設計 17 塔底平均摩爾質量計算 由 Wx =,由相平衡方程，得 Wy = )/()(, k m o lkgM mWV ?????? )/()(, k m o lkgM m