吉林化工学院化工原理课程设计
第三章 设计计算
3.1 设计方案的选定及基础数据的搜集
本设计任务为分离苯一甲苯混合物。由于对物料没有特殊的要求，可以在常
压下操作。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冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.91388倍。塔底设置再沸器采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。其中由于蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，热效率比较低，但塔顶冷凝器放出的热量很多，但其能量品位较低，不能直接用于塔釜的热源，在本次设计中设计把其热量作为低温热源产生低压蒸汽作为原料预热器的热源之一，充分利用了能量。
塔板的类型为筛板塔精馏，筛板塔塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
(１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。
(２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
(４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。 筛板塔的缺点是：
(１) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 (２) 操作弹性较小(约2～3)。
(３) 小孔筛板容易堵塞。 下图是板式塔的简略图：
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图3-1 板式塔的简略图
表3-1 苯和甲苯的物理性质 项目 苯A 甲苯B 温度C 0分子式 C6H6 C6H5—CH3 80.1 101.33 40.0 0分子量M 78.11 92.13 85 116.9 46.0 80.1 1.000 1.000 沸点（℃） 80.1 110.6 90 135.5 54.0 95 155.7 63.3 90 0.581 0.777 - 7 -
临界温度tC（℃） 288.5 318.57 100 179.2 74.3 95 0.412 0.630 临界压强PC（kPa） 6833.4 4107.7 表3-2 苯和甲苯的饱和蒸汽压 105 204.2 86.0 100 0.258 0.456 110.6 240.0 PA,kPa PB，kPa 00表3-3 常温下苯—甲苯气液平衡数据 温度C 液相中苯的摩尔分率 汽相中苯的摩尔分率
85 0.780 0.900 105 0.130 0.262 吉林化工学院化工原理课程设计
表3-4 纯组分的表面张力 温度 苯，mN/m 甲苯，Mn/m 温度(℃) 苯,kg/m3 甲苯,kg/m3 温度(℃) 苯（mPa.s） 80 0.308 80 21.2 21.7 80 814 809 90 0.279 0.286 90 20 20.6 90 805 801 100 18.8 19.5 100 791 791 100 0.255 0.264 110 17.5 18.4 110 778 780 110 0.233 0.254 120 16.2 17.3 120 763 768 120 0.215 0.228 表3-5 组分的液相密度 表3-6 液体粘度μL
甲苯（mPa.s） 0.311 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 表3-7常压下苯——甲苯的气液平衡数据 液相中苯的摩尔分率 气相中苯的摩尔分率 x y 0.00 0.00 1.00 2.50 3.00 7.11 5.00 11.2 10.0 20.8 15.0 29.4 20.0 37.2 25.0 44.2 30.0 50.7 35.0 56.6 40.0 61.9 45.0 66.7 50.0 71.3 55.0 75.5 60.0 79.1 65.0 82.5 70.0 75.0 88.5 80.0 91.2 85.0 93.6 90.0 95.9 95.0 98.0 97.0 98.8 99.0 99.61 100.0 100.0
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3.2精馏塔的物料衡算
3.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 物料衡算式:
?D?W?FDxD?WxW?FxF
苯的摩尔质量
甲苯的摩尔质量 MB?92.13kg/kmol
xF?0.45?0.001?(11?20)?0.441 xD?0.92?0.001?(11?20)?0.911
xW?0.02?0.001?(11?20)?0.011
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF?0.441?78.11?(1?0.911)?92.13?85.95
MD?0.911?78.11??1?0.911??92.13?79.36kg/kmol
MW?0.011?78.11??1?0.011??92.13?91.98kg/kmol
3.2.3物料衡算 原料处理量 F?100kmol/h
总物料衡算 D?W?100
苯物料衡算 0.441F?0.911D?0.011W 联立解得
?D?47.78 ??W?52.22kmol/hkmol/h
式中 F------原料液流量 D------塔顶产品量 W------塔底产品量 3.3 塔板数的确定 3.3.1理论塔板数的确定
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(1)相对挥发度的计算
苯的沸点:80.1℃ 甲苯的沸点:110.6℃
B由安托因方程 lgP??A?
t?C
① T=80.1℃时
1206.35?2.0067
80.1?220.241343.94?甲苯：lgPB?6.078??1.5934
80.1?219.58苯：lgPA?6.0233??解得：PA?101.55 PB?39.21② T=110.6℃时
??KPa KPa
1206.35?2.377
110.6?220.241343.94?甲苯：lgPB?6.078??2.0077
110.6?219.58苯：lgPA?6.0233??解得：PA?238.22 PB?101.78???KPa KPa
P101.55?2.5899 则80.1℃时 ?1?A??39.21PBP238.22?2.3405 110.6℃时 ?2?A??101.78PB????1?2?2.5899?2.3405?2.462
?（2）最小回流比的求取
由于泡点进料即饱和液体进料，所以取q=1，q线为一条垂直线
?xq?xF?0.441
?xp2.462?0.441yq???0.66
1???-1?xp1??2.462-1??0.441Rmin?xD?yqyq?xP?1.15
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