苯-甲苯的混合物.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流苯-甲苯的混合物.精品文档.1设计任务及操作条件1.1工艺条件及数据(1)原料液含苯42(质量分率,下同);(2)馏出液含苯98,残液含甲苯97;(3)泡点进料;(4)料液可视为理想溶液;(5)生产能力:13000t/year 年开工7200小时。(6)塔板类型:浮阀塔板1.2操作条件(1)常压操作;(2)回流液温度为塔顶蒸汽的露点;(3)塔顶压力 4kPa(表压);(4)单板压降 0.7kPa;(5)间接蒸汽加热,加热蒸汽压力为5kgf/cm2(绝压);(6)冷却水进口温度300C,出口温度450C;(7)设备热损失为加热蒸汽供热量的5。2
2、厂址厂址为长沙地区。3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,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器后送至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸气加热,塔底产品经冷却后送至储罐。 表1 苯-甲苯汽液平衡苯,%(重量)温度液体中气体中0.00.0110.68.821.2106.120.037.0102.230.050.098.639.761.895.248.971.092.159.278.989.47
3、0.085.386.880.391.484.490.395.782.395.097.981.2100.0100.080.24主要工艺计算 4.1精馏塔的物料衡算(1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 苯的摩尔质量 Ma=78.11kg/kmol 甲苯的摩尔质量 Mb=92.13kg/kmol XF=0.461XD= =0.983XW= =0.035 图1精馏塔工艺流程图(2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.46178.11+(1-0.461)92.13=85.67kg/kmolMD=0.98378.11+(1-0.983)92.13=78.35kg/kmolMW=0.03578.
4、11+(1-0.035)92.13=91.64kg/kmol(3)物料衡算原料处理量 F=21.08kmol/h总物料衡算 21.08=D+W苯物料衡算21.080.461=0.983D+0.035W联立解得:D=9.47kmol/h W=11.61kmol/h 表2物料衡算表进料出料项目数量(kmol/h)项目数量(kmol/h)进料F合计21.0821.08产品D塔底出量W合计9.4711.6121.084.2塔板数的确定(1)理论板层数NT的求取 苯-甲苯属理想物系,可采用图解法求理论板层数由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据,绘出x-y图 见图2求最小回流比及操作回流比 图2图解法求理
5、论塔数示意图采用作图法求最小回流比。在图二的对角线上,自点e(0.461,0.461)处作垂线ef即为进料线(q线),该线与平衡线的交点坐标为yq=0.682 xq=0.461故最小回流比为 Rmin=1.36取操作回流比为 R=2Rmin=2.72求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=2.729.47=25.76kmol/h V=(R+1)D=(2.72+1)9.47=35.23kmol/h L=L+F=25.76+21.06=46.84kmol/h V=V=35.23kmol/h求操作线方程 精馏段操作线方程为 y=+xD=+=0.731x+0.264 提馏段操作线方程为y=-=1.33x-0
6、.0115图解法求理论塔板数 采用图解法求理论板层数,如图2所示,求解结果为总理论板层数 NT=12.5进料板位置 NF=7(2)实际板层数的求取 操作压力的计算塔顶操作压力:PD=101.325+4=105.325KPa每层塔板压降:PF=0.7KPa进料板压力:PF=105.3+0.712=113.7KPa精馏段平均压力:Pm=0.5(105.3+113.7)=109.5KPa操作温度计算由泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中苯、甲苯的饱和蒸汽压由Antoine方程计算,计算所得数据列入表3 表3试差法求塔顶温度和进料板温度数据表t()Pa(kPa)Pb(kPa)xt()Pa(kPa)P
7、a(kPa)x80100.896438.823071.07094291139.932855.999240.58737881104.043940.182241.01966992143.991757.82130.55098681.7106.292541.156280.98476293148.141259.690410.51564981.75106.454641.226570.98229994152.382861.607440.48132681.73106.389841.198440.98328494.60154.972662.781020.46120381.8106.616941.296960.9
8、798494.61155.01662.800720.4608782107.267841.57950.97004394.62155.059562.820440.46053883110.569443.015620.92199794.7155.407562.978330.45788284113.9544.491390.87546695156.717963.573250.44797885117.410846.00760.83038996161.147765.588730.41556886120.953147.565030.78670897165.673767.654760.38406187124.57
9、8249.164510.74436898170.297269.772230.35342288128.287450.806840.70331499175.019671.942060.3236289132.08252.492850.663497100179.842374.165140.29462290135.963454.223370.624867塔顶温度: 平衡数据可查得:XD=0.983时,tD=81.73进料板温度:从平衡数据可查得:XF=0.461时, tF=94.6精馏段平均温度:tm=(81.73+94.6)/2=88.16平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 xD=y1=0.983
10、,查平衡曲线得到: x1=0.9398气相 MVDM=0.98378.11+(1-0.983)92.13=78.35/kmol液相 MLDM=0.94078.11+(1-0.940)92.13=78.95/kmol 进料板平均摩尔质量计算由气液平衡相图可知:yF=0.633时,xF=0.416 气相 MVFM=0.63378.11+(1-0.633)92.13=83.26/kmol液相 MLFM=0.41678.11+(1-0.416)92.13=86.30/kmol精馏段平均摩尔质量气相 MVM= (78.35+83.26)/2=80.81/kmol液相 MLM= (78.95+86.30)
11、/2=82.63/kmol平均密度的计算气相平均密度V=2.95kg/m3液相平均密度LM=塔顶:因为 T塔顶=81.73,查表A=813.2/m3, B=808.3/m3代入上式LDM=813.1/m3进料板: 因为x进料板=0.416,由手册查得:T进料板=94.6时 A=798.5/m3,B=801.8/m3 进料板液相的质量分率 aA=0.377LFm=800.6/m3精馏段液相平均密度:L= (LDM+LFM)/2= (813.1+800.6)/2=806.85/m3表面张力的计算由公式m=分别进行计算塔顶由Td=81.73查手册得:A =21.4mNm-1 B=21.7mNm-1
12、m顶=0.98321.4+0.0721.7=21.41mN/m进料板由TF=94.6 ,查手册得:A =19.7 mNm-1 B=20.9 mNm-1m进=0.41619.7+0.58420.9=20.40 mN/m精馏段液相平均表面张力为:m精=20.91mN/m液体平均粘度的计算液体平均粘度的计算公式lgLm塔顶由tp=81.73,查手册得A=0.310mPas ; B=0.315mPaslgLDm0.983lg(0.310)+(10.983)lg(0.315)得 LDm0.310 mPas进料板T进料板=94.6,查手册得A=0.264mPas ; B=0.289mPas得 LFm0.2
13、78 mPas精馏段液体平均粘度LDM =0.5(0.3100.278)0.294 mPas已知平均温度和黏度,对于理想物系在tm=88.16时,=2.47,且LDM0.294 mPas全塔效率可用Oconnell法算出:ET=0.49(2.470.294)-0.245=52.9%实际板NP=25块精馏段NP=12块 提馏段NP=13块4.3精馏塔的塔体工艺尺寸计算VS=0.293m3/sLS=0.000733 m3/s可得:Lh=Ls3600=2.6388m3/hVh=Vs3600=1054.8 m3/h(1)塔径的计算()1/2= ()1/2=0.0414取HT=0.35m,取板上清液hL
14、=0.06m,则HT-hL=0.29m查史密斯关联图得:C20=0.063C=C20()0.2=0.063()0.2=0.0636umax=C=0.0636=1.05m/s取安全系数为0.7u=0.7umax=0.735m/sD=0.671m取D=0.7mAT=D2=0.7850.490.3847m2实际空塔气速u=0.761m/s(2)精馏塔高度的计算式中 H塔高, mn实际塔板数25块nF进料板数,3块HF进料孔处板间距,0.8mnP手孔数,5HB塔底空间高1.4mHP开设手孔处板间距,0.4mHD塔顶空间高,取1.3mHT板间距0.35mH1封头高度和塔顶蒸汽出口管高度,0.45mH2裙
15、座高度,4.4m求得:H=17.55m4.4塔板的主要工艺尺寸计算(1)溢流装置的计算因塔径D0.7m,可选用单溢流弓形降液管,釆用凹形受液盘。各项计算如下: 堰长lW取lW0.66DlW0.66D0.660.70.462m 溢流堰高度hW由hWhL-hOW选用平直堰,堰上液层高度hOW由式计算,即how=E()2/3取E=1how=()2/3=0.00907m取板上清液高度hL=0.06mhW=hL-how=0.06-0.00907=0.051m弓形降液管宽度Wd与降液管面积Af由lW/D=0.66,查弓形降液管的宽度与面积图得:Wd/D=0.124 Af/AT=0.0722Wd=0.124
16、D=0.1240.7=0.0868mAf=0.0722D2=0.0722AT=0.0278液体在降液管中的停留时间t=13.27s5s经检验,降液管设计符合要求。降液管底隙高度h0取降液管底的流速为 =0.08m/s,根据h0=LS/(lw)计算得:h0=0.0198mhw-h0=0.051-0.0198=0.03121m0.006m故降液管底隙高度设计合理,符合要求。4.5热量衡算4.5.1塔顶冷凝器的热量衡算对塔顶冷凝器进行热量衡算以确定冷却水的用量。4.5.1.1热量衡算式如图所示,根据热量衡算式,有: QVQWQLQD 图3塔顶冷凝器热量衡算示意图式中 QV塔顶蒸气带入系统的热量; Q
17、L回流液带出系统的热量; QD馏出液带出系统的热量; QW冷凝水带出系统的热量。4.5.1.2各股物流的温度与压力由塔顶蒸气组成 xD=0.983,通过气液平衡数据表,经插值可知塔顶蒸气温度为81.730C,改温度也为回流液和馏出液的温度。由给定条件知:塔顶的操作压强为 P101.34105.3kPa4.5.1.3基准态的选择以105.3kPa、81.730C的液态苯和甲苯为热量衡算的基准态,则:QLQD04.5.1.4 各股物流热量的计算查的苯与甲苯在正常沸点下的汽化焓分别为:VHm苯(Tb)=30.75J/mol VHm甲苯(Tb)=33.47J/mol正常沸点分别为: Tb苯353.3K
18、 Tb甲苯383.8K使用Watson公式计算苯和甲苯在81.730C的汽化焓:式中 对比温度; TC临界温度。查的苯和甲苯的临界温度分别为:TC苯562.1K TC甲苯593.9K对于苯: 对于甲苯: 由此可计算进入塔顶冷凝器蒸气的热量为:代入到热量衡算式中,可求得塔顶冷凝器带走的热量为:QW1084.9kJ/h4.5.1.5 冷却水的用量设冷却水的流量为qm,则:QWqmCp(t2t1)已知:t1300C t2450C以进出口水温的平均值为定性温度:查得水在37.50C时的比热容为: Cpm4.175kJ/(kg. 0C)4.5.2 全塔的热量衡算确定再沸器的蒸汽用量。如图3所示,对精馏塔
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