化工原理课程设计

第一章绪论。

本次化工原理课程设计我们的任务是设计筛板塔分离苯和甲苯的混合物。分离苯和甲苯对现实有着很重要的意义。

苯是染料、塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物和农药等的重要原料，也是涂料、橡胶、胶水等的溶剂，也可以作为燃料。苯的沸点为80.1℃，熔点为5.

5℃，在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水重。

苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。

甲苯大量用作溶剂和高辛烷值汽油添加剂，也是有机化工的重要原料，但与同时从煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的产量相对过剩，因此相当数量的甲苯用于脱烷基制苯或岐化制二甲苯。甲苯衍生的一系列中间体，广泛用于染料、医药、农药、火炸药、助剂、香料等精细化学品的生产，也用于合成材料工业。甲苯进行侧链氯化得到的一氯苄、二氯苄和三氯苄，包括它们的衍生物苯甲醇、苯甲醛和苯甲酰氯（一般也从苯甲酸光气化得到），在医药、农药、染料，特别是香料合成中应用广泛。

甲苯的环氯化产物是农药、医药、染料的中间体。甲苯氧化得到苯甲酸，是重要的食品防腐剂（主要使用其钠盐），也用作有机合成的中间体。甲苯及苯衍生物经磺化制得的中间体，包括对甲苯磺酸及其钠盐、clt酸、甲苯-2,4-二磺酸、苯甲醛-2,4-二磺酸、甲苯磺酰氯等，用于洗涤剂添加剂，化肥防结块添加剂、有机颜料、医药、染料的生产。

甲苯硝化制得大量的中间体。可衍生得到很多最终产品，其中在聚氨酯制品、染料和有机颜料、橡胶助剂、医药、炸药等方面最为重要。

甲苯是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ℃，沸点为111 ℃。

甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为0．866克／厘米3，对光有很强的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。

甲苯的粘性为0,6 mpa s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kj/kg，闪点为4 ℃，燃点为535 ℃。

本次分离设计，我采用的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。

筛板塔也有它的缺点，比如：

(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。

虽然筛板塔也有它的缺点，但是设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。

第二章设计方案的确定及工艺流程的说明。

1 . 生产工艺流程示意图。

图1-1 生产工艺流程示意图。

2. 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，将原原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。

塔顶上升采用全凝器，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余问部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

第三章全塔物料衡算。

1. 原料液与塔顶、塔底产品的平均摩尔质量。

1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数。

苯的摩尔质量 =78.11kg/mol

甲苯的摩尔质量 =92.13kg/mol

2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量。

=0.44078.11+(1-0.440) 92.13=85.96kg/mol

=0.98378.11+(1-0.983) 92.13=78.35kg/mol

=0.01278.11+(1-0.012) 92.13=91.96kg/mo

2. 物料衡算。

物料衡算原料处理量。

56.55kmol/h

总物料衡算 56.55=d+w

苯物料衡算 56.550.440=0.983d+0.012w

联立解得 d=24. 93kg/mol，w=31.62kg/mol

第四章塔板数的确定。

1. 理论塔板数的求取。

苯-甲苯属理论物系，可采用**法求理论板层数。

(1)由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见图1-2

表1-1常压下苯-甲苯的气液平衡数据。

（2）回流比的计算

采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e（0.44，,0.44）做垂线，ef 即为进料线（q）线，该线与平衡线的交点坐标为：

故最小回流比为： =

取操作回流比为：

3）精馏塔的气、液相负荷。

kmol/h

4）求操作线方程。

精馏段操作线方程

提馏段操作线方程

5）**法求理论板层数。

采用**法求理论板层数，求解结果为：

总理论板层数，进料板位置。

2. 实际塔板数的确定。

精馏段实际板层数：

提馏段实际板层数：

第五章精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计。

1.操作压力计算。

塔顶操作压力 kpa

每层塔板压降 kpa

进料板压力 kpa

精馏段平均压力kpa

塔底操作压力 kpa

提镏段平均压力kpa

2.操作温度的计算。

依据操作压力，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安托尼方程计算，安托尼方程。

注：po是物质的饱和蒸气压，kpa

a、b、c是安托尼常数。

t是物质的温度，℃。

表1-2 苯与甲苯的安托尼常数。

计算结果如下：

塔顶温度： td=81.6℃ 进料板温度： tf=97.8℃

精馏段平均温度：tm℃

塔底温度：117℃

提馏段平均温度：t℃

3.平均摩尔质量的计算。

1）塔顶摩尔质量计算：由。

（2）进料板平均摩尔质量计算。

由**理论板，得。

查平衡曲线，得。

3）精馏段平均摩尔质量。

4）塔底摩尔质量计算。

由。5）提馏段平均摩尔质量。

4.平均密度的计算。

1）气相平均密度计算。

由理想气体状态方程计算，即。

2）液相平均密度计算。

液相平均密度依下式计算：

①塔顶液相平均密度计算：

由，查手册得。

②进料板液相平均密度计算。

由，查手册得

进料板液相的质量分数计算。

③精馏段液相平均密度为

3）提馏段气相平均密度计算。

4）提馏段液相平均密度计算。

由，查手册得。

提馏段液相平均密度为

5.液体平均表面张力计算。

液相平均表面张力依下式计算，即。

1）塔顶液相平均表面张力计算。

由，查手册得

2）进料板液相平均表面张力计算。

由，查手册得

精馏段液相平均表面张力为：

3）塔底液相平均表面张力计算。

由，查手册得

提馏段液相平均表面张力为：

6.液体平均粘度计算。

液相平均粘度依下式计算：

1）顶液相平均粘度计算。

由，查手册得

解得 2）进料板液相平均粘度计算。

由，查手册得

解得精馏段液相平均粘度为

3）塔底液相平均粘度的计算。

由，查手册得

解得提馏段液相平均粘度为

第六章精馏塔的塔体工艺尺寸计算。

1.塔径的计算。

精馏段的气、液相体积流率为：

由，式中由式（5-5）计算，其中的由图5-1查取，图的横坐标为：

取板间距，则。

查图5-1得=0.073

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