【正文】 化工原料課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 發(fā)給學(xué)生： 班級(jí) ： 一、題目 設(shè)計(jì)一連續(xù)精餾塔裝置，用以分離： 苯 甲苯混合物 混合物 二、原始數(shù)據(jù) 原料：處理量： 17 噸 /小時(shí) 進(jìn)料狀態(tài)： 飽和液體 組成： xF=（質(zhì)量） 產(chǎn)品要求： xD=（摩爾）， xW=（摩爾） 冷凝器形式： 全凝器 冷卻劑溫度： 30℃ 三、計(jì)算說(shuō)明書(shū)內(nèi)容 流程簡(jiǎn)圖 工藝計(jì)算（包括物料衡算及熱量衡算總表） 塔板計(jì)算 塔體初步設(shè)計(jì) 輔助設(shè)別的選用 計(jì)算結(jié)果匯總表 分析與討論 四、繪圖要求 塔體總圖 塔板總圖 一、工藝流程簡(jiǎn)圖 如圖 1，塔頂設(shè)全凝器，輕組分經(jīng)全凝器冷凝后，部分作為回流返回塔內(nèi)；塔底設(shè)有再沸器。 二、工藝計(jì)算 全塔物料衡算 原料組成： 39。 ? （質(zhì)量） 塔頂組成： ? （摩爾） 塔底組成： ? （摩爾） 摩爾衡算 原料摩爾組成： 0 .4 3 / 7 8 .1 1 0 .4 7 10 .4 3 / 7 8 .1 1 (1 0 .4 3 ) / 9 2 .1 3Fx ???? 進(jìn)料量： 317 / 17 10 [ 3 / 78. 11 (1 3 ) / 92. 13 ] 198 .76 /F t h Kmo l h? ? ? ? ? ? 摩爾衡算方程： F D W?? ， F D WFx Dx Wx?? 聯(lián)立求得： /D Kmol h? ， /W Kmol h? 質(zhì)量衡算 由摩爾衡算結(jié)果，可得塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流率 39。 93 .2 2 [ 0. 97 78 .1 1 (1 0. 97 ) 92 .1 3 ] 73 20 .3 1 /D K g h? ? ? ? ? ? 塔底產(chǎn)品質(zhì)量流率 39。 [ (1 ) ] /W K g h? ? ? ? ? ? 由塔頂、塔底產(chǎn)品組成，也可分別求得苯、甲苯的摩爾流量和質(zhì)量流量。物料衡算結(jié)果如表 1. 表 1 全塔物料衡算結(jié)果（ Kmol/h 或 Kg/h） 質(zhì)量流量 摩爾流量 組成 總流量 摩爾 質(zhì)量 摩爾流量 質(zhì)量流量 進(jìn)料 苯 7310 17000 甲苯 9690 塔頂產(chǎn)品 苯 甲苯 塔底產(chǎn)品 苯 甲苯 確定冷凝罐、塔頂及塔底的操作壓力和溫度 （ 1）冷凝罐的壓力和溫度 冷卻劑的溫度為 30℃ ，為保證一定的傳熱溫差，通常產(chǎn)品冷卻后的溫度比冷卻劑高1020℃ ，取 △ t=15℃ ，則冷凝罐的溫度為 45℃。假定凝液罐的壓力為 1atm，則查圖 [1]得 KA=,KB=，此時(shí)，有 0 .3 2 0 .9 7 0 .1 3 0 .0 3 0 .3 1 4i i A A B BK x K x K x? ? ? ? ? ? ?? 壓力選高了。觀察圖表可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力取為 時(shí)，仍不能滿(mǎn)足| 1| ??? 的要求，圖中低于 的相平衡數(shù)據(jù)難以獲得，此時(shí)，不宜采用泡點(diǎn)方程?？紤]到低壓時(shí)，安托因方程 0 1 2 0 6 .3 5 0lg 6 .8 9 7 4 0 2 2 0 .2 3 7Ap t?? ? 0 1 3 4 3 .9 4 3lg 6 .9 5 3 3 4 2 1 9 .3 7 7Bp t?? ? 由低壓下的泡點(diǎn)方程 00A A B Bp x p x p?? 將 t=45℃ 代入安托因方程，得 0 Kpa? ， 0 Kpa? ，得 Kpa? 。查飽和蒸汽壓圖 [2]，可得 45℃ 時(shí)， 0 30Ap Kpa? ， 0 10Bp Kpa? ，得 Kpa? ，與安托因方程的計(jì)算結(jié)果一致。 從冷凝罐的壓力出發(fā)，對(duì)本蒸餾體系有兩種方案： ①采取常壓蒸餾，冷凝罐中的液體為過(guò)冷液體，回流為過(guò)冷回流；②采取減壓蒸餾。常壓蒸餾會(huì)引起塔內(nèi)各處溫度相應(yīng)提高，而塔底溫度的提高可能 會(huì)引起塔內(nèi)物料的結(jié)焦、聚合、變質(zhì)或腐蝕設(shè)備。本體系為苯、甲苯，相對(duì)較輕，溫度升高不是很大時(shí)不會(huì)引起結(jié)焦問(wèn)題；減壓蒸餾不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費(fèi)用，而且由于真空下氣體體積的增加，將增大蒸餾塔的塔徑。綜合考慮，采用常壓蒸餾，此時(shí)，冷凝罐的壓力為 1atm，溫度為 45℃。 （ 2）塔頂操作壓力和溫度的確定 冷凝罐內(nèi)壓力為 1atm，塔頂蒸汽通過(guò)塔頂餾出管線(xiàn)及冷凝器的阻力一般為，取阻力為 ，則塔頂壓力為 +10=。假定塔頂溫度為 80℃，查圖 [3]，得 KA=， KB=，由露點(diǎn)方程，得0 .9 7 0 .0 3 1 .0 9 60 .9 5 0 .4 0i ABi A By yyK K K? ? ? ? ?? ，不滿(mǎn)足誤差小于 的要求。另取塔頂溫度為 84℃，則 KA=， KB=，此時(shí)， 0 .9 7 0 .0 3 0 .0 9 51 .0 5 0 .4 2iiyK ? ? ??，| 1 | 0 .0 0 5 0 .0 1iiyK ? ? ?? ，滿(mǎn) 足誤差要求，故塔頂壓力為 ，塔頂溫度為 84℃ 。 （ 3）塔底操作壓力和溫度的確定 塔頂壓力加上全塔壓降即為塔底操作壓力。由經(jīng)驗(yàn)知，塔的實(shí)際板數(shù)一般為 2030，分離度高時(shí)，取的大些；每層板的壓降一般為 36mmHg。取 N=25，每層板的壓降為 5mmHg，則塔底壓力為 11 1. 32 5 25 5 13 3. 3 0. 00 1 12 7. 98 8 12 8p K pa K pa? ? ? ? ? ? ? 假設(shè)塔底溫度為 110℃，查圖，得 KA=， KB=，此時(shí)，由泡點(diǎn)方程，1 .7 3 0 .0 3 0 .8 0 0 .9 7 0 .8 2 8i i A A B BK x K x K x? ? ? ? ? ? ?? ，不滿(mǎn)足誤差要求。另假定塔底溫度為 120℃ ，則 KA=， KB=，此時(shí) 2. 20 0. 03 0. 96 0. 97 0. 99 72iiKx ? ? ? ? ?? ，| 1 | 0. 00 72 0. 01iiKx ? ? ?? ，滿(mǎn)足誤差要求。故塔底溫度為 120℃，塔底壓力為 128Kpa。 確定進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料為飽和液體進(jìn)料，故 q=1；由常壓下 Txy相圖，可讀得進(jìn)料溫度約為 93℃ . 圖 2 常壓下苯 甲苯體系 Txy 相圖 做出 yx 想平衡曲線(xiàn) 塔頂、塔底的平均壓力為 ( ) / 2 120 K pa??，與常壓相差不大，可近似用常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，得相平衡 曲線(xiàn)如圖 3. 圖 3 苯 甲苯體系的 yx 相圖 確定最小回流比及最小理論板數(shù) ① 最小回流比 在圖 3中由 ? 做垂線(xiàn)，交相平衡曲線(xiàn)于（ ,），即 ? ， ? ，可得最小回流比為 m in 0 .9 7 0 .6 9 0 1 .2 70 .6 9 0 0 .4 7 1DeeexxR yx? ?? ? ??? ② 最小理論板數(shù) 塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度為 5= 0 2ABKK? ??頂，塔底的相對(duì)揮發(fā)度為 ? ??底，可得全塔的平均相對(duì)揮發(fā)度為 2 .5 0 2 .2 9 2 .3 9m? ? ?? ? ? ? ?頂 底 。由芬斯克公式，得m i n l g [ ( ) ( ) ] l g [ ( 0 . 9 7 / 0 . 0 3 ) ( 0 . 9 7 / 0 . 0 3 ) ] 7 . 9 7l g l g 2 . 3 9A B D B A Wmx x x xN ?? ? ?。 確定適宜回流比 取不同的 min/RR ，由捷算法分別求出 N 、 ( 1)RN? ，可得 min/~R R N 圖和m in/ ~ ( 1)R R R N?圖，如圖 4 和圖 5。 下面以 min/ ? 為例進(jìn)行計(jì)算。 m in1 .1 1 .1 1 .2 7 8 1 .4 0RR? ? ? ?，故 m in 1 .4 0 1 .2 7 0 .0 5 3 01 1 .4 0 1RRX R? ?? ? ???，采用吉利蘭關(guān)聯(lián)式 5 4 .4 11 e x p [( )( )]1 1 1 1 7 .2XXY XX???? ?，可得 m in 01NNY N???? ，據(jù)此，可得? ， ( 1) ?? 。 計(jì)算結(jié)果如表 2。 表 2 不同的 R/Rmin 與 N、（ R+1） N R/Rmin R (RRmin)/(R+1) (NNmin)/(N+1) N (R+1)N 2 3 利用表 2 中的數(shù)據(jù)，可得下圖。 圖 4 min/~R R N 圖 5 min/ ~ ( 1)R R R N? 由上述分析可取 m ? ? ? ?。 理論板數(shù) 由 yx 相圖做梯級(jí)，可得精餾段和提餾段的理論板數(shù)及進(jìn)料板位置。 精餾段操作線(xiàn)方程 1 1 . 9 1 1 0 . 9 7 0 . 6 6 0 . 3 41 1 1 . 9 1 1 1 . 9 1 1DRy x x x xRR? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 提餾段操作線(xiàn)方程 WL F Wy x xL F W L F W???? ? ? ? 2 . 0 8 9 3 . 2 2 1 9 8 . 7 6 1 0 5 . 5 5 0 . 0 32 . 0 8 9 3 . 2 2 1 9 8 . 7 6 1 0 5 . 5 5 2 . 0 8 9 3 . 2 2 1 9 8 . 7 6 1 0 5 . 55x??? ? ?? ? ? ? ? ? ?? q 線(xiàn)方程 ? 。 圖 6 McabeThiele 圖解理論板數(shù) 由圖 6，可得精餾段的板數(shù)為 7，提餾段的板數(shù)為 ，進(jìn)料板為從塔頂往下數(shù)的第 8 塊塔板。 全塔效率及實(shí)際板數(shù) （ 1）粘度 塔頂溫度為 84℃ ，查液體粘度共線(xiàn)圖 [6]，可得 .A mPa s? ? ， .B mPa s? ? ，得塔頂平均粘度為 0 .9 7 0 .2 9 0 .0 3 0 .3 2 0 .3 1? ? ? ? ? ?頂 。進(jìn)料為飽和液體進(jìn)料，進(jìn)入塔內(nèi)后，將達(dá)到氣液兩相平衡。由相平衡數(shù)據(jù) y 可采用內(nèi)插法，得塔內(nèi)進(jìn)料板上液相組成為 0 .5 1 3 0 .4 4 6 0 .5 1 3 0 .4 7 10 .7 2 5 0 .6 6 8 0 .7 2 5 y??? 得 ? 。查 Txy 圖，可得進(jìn)料板溫度為 93℃ 。查圖得 .A mPa s? ? ， .B mPa s? ? ，故 71 7 29 8 8? ? ? ? ? ?進(jìn) 。 塔底溫度為 120℃，查圖得 .A mPa s? ? ， .B mPa s? ? ，故 0 .0 3 0 .2 0 0 .9 7 0 .2 3 0 .2 3? ? ? ? ? ?底 。 精餾段液相平均粘度 1 ( ) / 2 ( 0 .3 1 0 .2 8 ) / 2 0 .2 9 3? ? ?? ? ? ? ?頂 進(jìn) ； 提餾段液相平均粘度 2 ( ) / 2 ( 0 .2 3 0 .2 8 ) / 2 0 .2 5 5? ? ?? ? ? ? ?進(jìn)底 。 （ 2）效率 由之前的計(jì)算得，塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度，可得 ? ?頂 ， ? ?底 。由進(jìn)料板溫度，查相平衡常數(shù)圖可得， ? ， ? ，得