精馏的全塔物料衡算

甲苯-四氯化碳混合液的浮阀精馏塔设计系部：化学工程系专业班级：普08应用化工（1）班姓名：指导老师：时间：2010年5月8日新疆轻工职业技术学院目录摘要 (2)关键词 (2)前言 (2)1精馏 (2)2工艺条件 (3)3精馏塔的物料衡算 (4)4板数的确定 (5)5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (7)6精馏塔的塔体工艺尺寸计 (9)7塔板主要工艺尺寸的计算 (10)8筛板的流体力学验算 (11)9塔板负荷性能图 (13)小结 (16)参考文献 (18)致谢 (19)摘要：精馏在化工生产过程中起着非常重要的作用。

精馏是研究化工及其它相关过程中物质的分离和提纯方法的一门技术。

在许多重要化工工业中，例如化工、石油化工、炼油、等，必须对物料和产物进行分离和提纯，才能使加工过程进行，并得到符合使用要求的产品。

本设计将通过给定的生产操作工艺条件自行设计苯-四氯化碳物系的分离和精馏。

关键词：甲苯四氯化碳塔板数精馏提馏前言化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。

生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。

精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。

精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。

实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。

本次设计任务为设计一定处理量的甲苯和四氯化碳混合物精馏塔。

化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；本课程设计的主要内容是精馏过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。

1 精馏1.1 精馏的原理利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。

1 精馏塔的物料衡算1.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 A M =32.04kg/kmol 水的摩尔质量 B M =18.02kg/kmol315.002.18/55.004.32/45.004.32/45.0=+=F xxD=(0.98/32.04)/(0.98/32.04+0.02/18.02)=0.898 1.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量F M =0.315⨯32.04+(1-0.315) ⨯18.02=22.44kg/kmol D M =0.898⨯32.04+(1-0.898) ⨯18.02=30.61kg/kmol1.3 物料衡算原料处理量 F=17500000/(330⨯24⨯22.4)=98.467kmol/h 总物料衡算 98.467=D+W甲醇物料衡算 ωX +=⨯W D 898.0315.0467.98联立解得 D=48.462kmol/h W=93.136kmol/h Xw=0.001W M =0.001⨯32.04+(1-0.001) ⨯18.02=18.03kg/kmol2 塔板数的确定2.1 理论板层数N T 的求取2.1.1 相对挥发度的求取将表1中x-y 分别代入)1()1(A A AA y x y x --=α得表2所以==∑1212...21a a a m α 4.22.1.2进料热状态参数q 值的确定根据t-x-y 图查得x F =0.315的温度t 泡=77.6℃ 冷液进料：60℃t m =26.7760+=68.8℃查得该温度下甲醇和水的比热容和汽化热如下：则Cp=2.84×0.315+4.186×0.685=3.7579 kJ/kg K r 汽=1091.25×0.315+2334.39×0.685=1942.8 kJ/kgq=汽汽进泡r r )t -(+t Cp =8.19428.19428.686.77×7579.3+）—（=1.017>1 2.1.3求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比，在x-y 图中、自点（0.315,0.315）作进料线方程： y=1-q Xf 1--x q q =59.8x －18.53 (1) 操作线方程： y=x )1-α(1αx+= 3.2x14.2x + (2)联立（1）（2）得到的交点(0.321,0.668)即为（Xq,Yq ）所以最小回流比R min =－Xq －Yq Xd Yq =321.06658.06658.0898.0--=0.6734取操作回流比为R=2R min =1.34682.1.4求精馏塔的气、液相负荷/h 46.473kmol =34.5061.3468=RD =L ⨯/h80.979kmol =34.506 2.3468=1)D +(R =V ⨯/h 144.94kmol =98.467+46.473=F +L = L' /h 80.979kmol =V =V'2.1.5求操作线方程精馏段操作线方程为1n y +=1R R +n x +1D x R +=3468.23468.1n x +3468.2898.0=0.574n x +0.383 （a ）提馏段操作线方程0004.079.10005.0979.80961.63979.8094.144'''1'-=⨯-=-=+m m W m m x x x VW x V L y （b ）2.1.5采用逐板法求理论板层数由 1(1)q q qx y x αα=+- 得y yx )1(--=αα将 α=4.2 代入得相平衡方程yyyyx 2.32.4)1(-=--=αα （c ）联立（a ）、（b ）、（c ）式，可自上而下逐板计算所需理论板数。

(1)精馏塔全塔物料衡算 1确定塔顶、塔底物料量及组成有全塔物料衡算式WD F Wx Dx Fx WD F ⎩⎨⎧+=+=联立得:D=81.08h kmol ，W=29.92h kmol 汇总列表如下:2.确定塔板数查表得,常压下甲醇的沸点b T =64。

6℃,乙醇的沸点b T =78.3℃，在65～78℃之间甲醇和乙醇的平衡数据如下图示:不同温度下甲醇的气、液相组成：（图）t-x —y （图）进料状态方程：11---=q x x q qy F 在x -y 图上画出q 线,764.0=q x ，851.0=q y2529.1764.0851.0851.096.0min =--=--=qq q D x y y x R取5.225.122min =⨯==R R 精馏段操作线方程：2743.07143.011+=+++=x R xx R R y D 提溜段操作线方程:0048.01195.1-=-+--++=x x WqF L Wx W qF L qF L y W利用t -x —y 图查得： 塔顶温度：65=D t ℃ 塔底温度：3.77=W t ℃ 进料温度：6.67=F t ℃7123.778.642=+=+=底顶平t t t ℃ 在71℃下查《化工数据手册》并利用内差法求取：s mPa cp LA ⋅==303.00303.0μ，s mPa cp LB ⋅==519.0519.0μ 。

查y x t --图，71=t ℃时:51.0,375.0==A A y x)375.01(519.0375.0303.0)1(-⨯+⨯=-+=A LB A LA L x x μμμ s mPa cp •==438.0438.0根据公式：BA p p =α求顶α，底α在65℃时： 1.7646446.115787.215===顶顶顶B A p p α 在3.77℃时： 1.686738.53361245.332===底底底B A p p α1.71251.6861.7646=⨯=⨯=底顶ααα全塔效率：)0.5(529.0)438.073.1(49.0)(49.0245.0245.0==⨯⨯==--T L T E E 取αμ 在y x -组成图上绘制的理论塔板数18=T N 块（不包括再沸器），则实际塔板数为： 365.018===T T p E N N 块（不包括再沸器) （图）两个一、塔径计算1。

第一章：塔板的工艺设计一、精馏塔全塔物料衡算F:进料量（kmol/s ） F x :原料组成（摩尔分数，同下） D:塔顶产品流量（kmol/s ） D x :塔顶组成 W:塔底残液流量（kmol/s ） ：W x 塔底组成原料乙醇组成：%91.8%10018/8046/2046/20x =⨯+=F塔顶组成：%98.85%10018/646/9446/94=⨯+=D x塔底组成：%12.0%10018/7.9946/3.046/3.0=⨯+=W x进料量：F=25万吨/年=4706.036002430010182.01462.0102543=⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯⨯（kmol/s ） 物料衡算式为：F=D+W Fx F =Dx D +W W x 联立带入求解：D=0.0482 kmol/s W=0.4424 kmol/s二、常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系1. 温度利用表中数据由差值法可求得t F 、t D 、t W①t F :21.791.80.89t 66.921.77.860.89F --=--, t F =87.41 ℃②t D :72.7498.8541.78t 72.7443.8941.7815.78--=--D ， t D =78.21 ℃③t W ：12.0100t 90.105.95100W --=--， t W =99.72 ℃ ④精馏段的平均温度：81.82221.7841.872t t t 1=+=+=F D ℃ ⑤提馏段的平均温度：57.93272.9941.872t t t 2=+=+=F W ℃ 2. 密度已知：混合液密度：B B A A Lραραρ+=1(α为质量分数，M 为平均相对分子质量) 混合气密度：004.22TP MP T V =ρ塔顶温度：t D =78.21 ℃ 气相组成43.8910015.7821.7843.8915.7815.7841.78y --=--D D y ：， %88.86=D y进料温度：t F =87.41℃ 气相组成FF y 10091.3841.870.8975.4391.387.860.89y --=--：， %26.42y =F塔底温度：t W =99.72℃气相组成WW y 100072.991000.1705.95100y --=--：， W y =1.06%⑴ 精馏段液相组成1x ：1x =2x x FD +, %445.47x 1= 气相组成2y y y y 11FD +=：, %545.64y 1= 所以 286.31)4745.01(184745.0461=-⨯+⨯=L M kg/mol 074.36)6455.01(186455.0462=-⨯+⨯=L M kg/mol三、理论塔板的计算理论板：指离开此板的气液两相平衡，而且上液相组成均匀。

一、精馏塔全塔物料衡算)(:)(:)(:skmol W skmol D skmol F 塔底残液流量塔顶产品流量进料量：塔底组成：塔顶组成、下同）：原料组成（摩尔分数xx x wD Fat F 4102.1⨯= 00F 46=x 00D 93=x 00W 1=xkmolkg04.32=M甲醇kmolkg02.18=M水原料甲醇组成：00F 4.3202.18/5404.32/4604.32/46=+=x塔顶组成：00D 2.8802.18/704.32/9304.32/93=+=x塔底组成：00W 6.002.18/9904.32/104.32/1=+=x进料量：s kmol a t F 234410205.2360024300]02.18/)324.01(04.32/324.0[10102.1102.1-⨯=⨯⨯-+⨯⨯=⨯= 物料衡算式为：x x x WD F W D WD F F +=+=联立代入求解：3108-⨯=D 210405.1-⨯=W二、常压下甲醇—水气液平衡组成（摩尔）与温度关系1、温度C C C o o o t t t t t t t t t 2.99..........................06.010031.509.9210076.66......................1002.887.6441.871009.667.6452.68....................67.74.323.9026.967.79.883.90WW W D D D F F F =--=--=--=--=--=--：：： 精馏段平均温度：C o t t t64.67276.6652.682DF1=+=+=提馏段平均温度：C o t t t 86.83276.6652.682W F2=+=+=2、密度已知：pTaaooBB A A LTp a 4.22M)M (1V=+=ρρρρ混合气密度：为相对分子质量为质量分数，混合液密度：塔顶温度：C o t76.66D=气相组成：00DDD 5.92 (1001007).6476.6610096.917.649.66=--=--y yy ： 进料温度：C ot52.68F= 气相组成：00FFF4.88 (100)92.8452.687062.8992.846870=--=--y yy ：塔底温度：C ot 2.99W= 气相组成：00WWW 19.3.........................10002.9910034.2809.92100=--=--y yy： 1>精馏段： 液相组成：001F D 13.60 (2))(=+=x x x x气相组成：001FD145.90 (2))(=+=y y y y所以：kmolkg7.309045.0102.189045.004.32Vkmol kg 474.26603.0102.18603.004.32LM M 11=-+⨯==-+⨯=）（）（2>提馏段： 液相组成：002F W 25.16 (2))(=+=x x x x气相组成：002FW215.46 (2))(=+=y y y y所以：kmolkg49.244615.0102.184615.004.32Vkmol kg33.20165.0102.18165.004.32LM M 22=-+⨯==-+⨯=）（）（由不同温度下甲醇和水的密度：求得在tD、tF、tD下的甲醇和水的密度（单位：3-⋅m kg ）51.962 (852).96501.01716.720.011852.965...................3.9652.991003.9654.9589010072.716 (7162).99100725716901002.99204.759 (55).97993.01564.74693.0155.979..................8.97776.66702.9838.9776070564.746 (74376).6670751743607076.66015.855 (599).97846.01628.74446.01599.978................8.97752.68702.9838.9776070628.744 (74352).6870751743607052.68W WwW wWcW cWWD DcD wDcD cDDF FwF wFcF cFF=-+==--=--=--=--==-+==--=--=--=--==-+==--=--=--=--=ρρρρρρρρρρρρρρρρρρCC C o oott t所以：11.8072204.759015.8552L D F 1=+=+=）（）（ρρρ 76.9082015.85551.9622L F W 2=+=+=）（）（ρρρ845.02V 0985.12V 605.015.2734.2215.273112.115.2734.2215.273085.115.2734.2215.273kmolkg 4385.242V kmolkg 699.302V kmol kg 467.181kmol kg 41.301kmol kg 9885.301kmolkg 33.22L kmol kg 474.262L kmolkg 10.181kmol kg56.221kmolkg 39.301VW VF VD VF W VWVWD VDVDF VFVFVF VW VF VD W W VW F F VF D D VD LF LW LF LD W W LW F FLF D D LD 212121MMMM M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M MM M M M =+==+==+⨯==+⨯==+⨯==+==+==-+==-+==-+==+==+==⨯-+⨯==⨯-+⨯==⨯-+⨯=）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（水甲醇水甲醇水甲醇水甲醇水甲醇水甲醇ρρρρρρρρρt t t y y y y y y x x x x x x3、混合液体表面张力：二元有机物—水溶液表面张力可用下列公式计算：414141OsOwsW mσϕσϕσ+= 注：VV VOOWWWWWx x x +=σVV V OOOOOOOx x x +=σVV SWsW sWx =ϕVVSososox =ϕQB A ]3232)[(441.0)lg(VWW+=-⨯==σσϕϕqT q Q B V oo owq 12lg A soswsosw=+=ϕϕϕϕ）（式中，下脚标w 、o 、s 分别代表水、有机物及表面部分；xw、x o指主体部分的分子数；Vw、Vo指主体部分的分子体积；σW、σo为纯水、有机物的表面张力；对甲醇q=1。