年产24万吨的苯-甲苯混合液筛板(2)

年产24万吨的苯-甲苯混合液筛板精馏塔的设计

1．文献综述

1.1概述

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。

工业生产中应用最广泛的是精馏。它是连续进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，是可以让混合液体得到较为充分分离的连续操作。精馏也可按照不同方法分类，例如按操作压力可分为常压、加压和减压精馏，按分离混合液体中组分的数目可分为双组分和多组分精馏。

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，主要分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。

精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。

筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状。这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳刚的比率较少。实际操作表明，筛板塔在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下降其操作的负荷范围较袍罩塔窄，但良好的塔，其操作弹性仍可达到3-4。

在常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液，已知原料液的处理量为30.4t/h，组成为55.4%（苯的质量分率），要求塔顶馏出液的组成为99%（苯的质量分率）塔底釜的组成为2%。

设计条件如下：

操作压力 4kPa (塔顶表压) 进料热状况 泡点进料 1.2方案的确定及基础数据

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塔内。塔顶上升的蒸汽采用全凝器冷凝，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冷却后送至贮罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比是最小回流比的2倍，塔釜采用间接蒸汽加热塔顶产品经冷却后送入贮罐。

表1 苯和甲苯的物理性质

项目 苯A 甲苯B

分子式 C6H6 C6H5—CH3

分子量M 78.11 92.13

沸点（℃）

80.1 110.6

临界温度tC（℃）

288.5 318.57

临界压强PC

（kPa） 6833.4 4107.7

表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压

温度

00

0C

80.1 101.33 40.0

85 116.9 46.0

90 135.5 54.0

95 155.7 63.3

100 179.2 74.3

105 204.2 86.0

110.6 240.0

PA,kPa PB，kPa

表3 常温下苯—甲苯气液平衡数据

温度

0C

80.1 1.000 1.000

85 0.780 0.900

90 0.581 0.777

95 0.412 0.630

100 0.258 0.456

105 0.130 0.262

110.6 0 0

液相中苯的摩尔分率汽相中苯的摩尔分率

表4 纯组分的表面张力

温度 苯，mN/m 甲苯，Mn/m

21.2 21.7

80

20 20.6

90 100 18.8 19.5

110 17.5 18.4

120 16.2 17.3

表5 组分的液相密度

温度(℃) 苯,kg/m3 甲苯,kg/m

380 814 809

805 801

90

791 791

100

778 780

110

763 768

120

表6 液体粘度μL

温度(℃) 苯（mPa.s） 甲苯（mPa.s）

80 0.308 0.311

90 0.279 0.286

100 0.255 0.264

110 0.233 0.254

120 0.215 0.228

表7 常压下苯——甲苯的气液平衡数据

温度t/℃ 110.56 109.91 108.79 107.61 105.05 102.79 100.75 98.84 97.13 95.58 94.09 92.69 91.40 90.11 80.80 87.63 86.52 85.44 84.40 83.33 82.25 81.11 80.66 80.21 80.01

液相中苯的摩尔分率/X

0.00 1.00 3.00 5.00 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 97.0 99.0 100.0

气相中苯的摩尔分率/y

0.00 2.50 7.11 11.2 20.8 29.4 37.2 44.2 50.7 56.6 61.9 66.7 71.3 75.5 79.1 82.5 85.7 88.5 91.2 93.6 95.9 98.0 98.8 99.61 100.0

2 塔物料衡算

2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

苯的摩尔质量MA?78.11kg/kmol 甲苯的摩尔质量 MB?92.13kg/kmol

0.554xF?0.55478.1178.11?0.446?0.59492.13

0.99xD?0.9978.1178.11?0.01?0.992

92.130.02xW?0.0278.1178.11?0.98?0.024

92.132.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF?0.594?78.11??1?0.594??92.13?83.80kg/kmol MD?0.992?78.11??1?0.992??92.13?78.22kg/kmol MW?0.024?78.11??1?0.024??92.13?91.79kg/kmol

2.3物料衡算

原料处理量

F?30.4?1000?362.77kmol/h

83.80总物料衡算 D?W?362.77

苯物料衡算 0.594F?0.992D?0.024W 联立解得

D?213.61kmol/h W?149.16kmol/h 式中 F------原料液流量 D------塔顶产品量 W------塔底产品量

3 塔板数的确定

3.1理论板层数NT的求取

苯-甲苯属于理想物系，采用逐板计算法求理论层数

由表10-2[1]苯-甲苯物质在总压101.3kpa下的t-x关系

x?0.594

t?920.594?0.504?

88?920.651?0.504tF?89.55

00由表10-1[1]苯-甲苯在某温度t下蒸汽压PA 、PB

PA0?144.189.55?920? PA?134.5kpa

128.4?144.188?92PB0?57.889.55?920? PB?53.5kpa

50.8?57.888?92理想物系

PA0α?0?2.51

PB平衡线方程

Y?αx2.51x?

1??α?1?x1?1.51x泡点进料

q?1 xe?xF?0.594 Rmin?xD?ye2.51?0.594?0.786 ye?1?1.51?0.594ye?xe0.992?0.786?1.07

0.786?0.594Rmin?取操作回流比 R?2Rmin?2?1.07?2.14

3.2求精馏塔气液相负荷

L?R?D?2.14?213.61?457.1kmol/h

V??R?1?D??2.14?1??213.61?670.7kmol/h

V??V?670.7kmol/h