第三部分 设备设计计算与选型
3.1苯∕甲苯精馏塔的设计计算
通过计算D=1.435kmol/h，
DxD??，设??98%可知原料液的处理量为FxFF=7.325kmol/h，由于每小时处理量很小，所以先储存在储罐里，等20小时后再精馏。故D=28.7komlh,F=146.5kmol/h ,组分为xF?0.18,要求塔顶馏出液的组成为xD?0.90,塔底釜液的组成为xW?0.01。 设计条件如下：
操作压力:4kPa（塔顶表压）； 进料热状况:自选； 回流比:自选； 单板压降:≤0.7kPa； 全塔压降:ET?52%。 3.1.1精馏塔的物料衡算
(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
xF?0.18 xD?0.90 xW?0.01
(2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF?0.18×78.11+(1-0.18)×92.13=89.606kg/kmol MD?0.9×78.11+(1-0.9)×92.13=79.512kg/kmol MW?0.01×78.11+(1-0.01)×92.13=91.9898kg/kmol
(3) 物料衡算
原料处理量 F=146.5kmol/h 总物料衡算 146.5=D+W
苯物料衡算 146.5×0.18=0.9×D+0.01×W 联立解得 D=27.89kmol/h W=118.52kmol/h
3.1.2 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。
①由物性手册查得苯—甲苯物系的气液平衡数据，绘出x—y图，见下图3.1
图3.1图解法求理论板层数
②求最小回流比及操作回流比。
采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e（0.45，0.45）作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为 yq?0.667 故最小回流比为 Rmin?xq?0.450
xD?yqyq?xq?0.9?0.6670.233??1.1
0.667?0.450.217取操作回流比为 R=2Rmin?2?1.1?2.2 ③求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=2.2×27.89=61.358kmol/h
V=(R+1)D=(2.2+1)×27.89=89.248kmol/h
L1?L?F?61.358?146.5?207.858kmol/h V1?V?89.248kmol/h
④求操作线方程 精馏段操作线方程为
y?LD61.35827.89x?xD?x??0.9?0.6875x?0.3215 VV89.24889.248提馏段操作线方程为
L11W207.8581118.52y?1x—1xW?x??0.01?2.329x1?0.0132
89.24889.248VV1⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，如图5.1。求解结果为 总理论板层数NT=12.5（包括再沸器） 进料板位置 NF?6 (2)实际板层数的求取
精馏段实际板层数 N精?50.52?9.6取10 提馏段实际板层数
NF?7.50.52?14.42取15
3.1.3精馏塔的工艺尺寸及有关物性数据的计算 以精馏段为例计算。 (1) 操作压力计算
.3?4?105.3kPa 塔顶操作压力 PD?101每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 (2) 操作温度计算
?P?0.7kPa
PF?101.3?0.7?10?112.3kPa Pm?（105.3?112.3）/2?108.8kPa
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，甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：
塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 (3) 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算:
tD?82.1℃ tF?99.5℃
tm?（82.1?99.5）/2?90.8℃
由xD?y1?0.9,查平衡曲线得x1=0.916
MVDm?0.9×78.11+（1-0.9）×92.13=79.512kg∕kmol
MLDm?0.916×78.11+（1-0.916）×92.13=79.288kg∕kmol
进料板平均摩尔质量计算: 由图解理论板得yF?0.604 查平衡曲线得xF?0.388
MVFm?0.604×78.11+（1-0.604）×92.13=83.66kg∕kmol
MLFm?0.388×78.11+（1-0.388）×92.13=86.69kg∕kmol
精馏段平均摩尔质量:
MVm?（79.512+83.66）/2=81.586 kg∕kmol
MLm?（79.299+86.69）/2=82.99 kg∕kmol
(4) 平均密度的计算 (1)气相平均密度计算
?Vm?PmMvm108.8?81.586??2.93kg/m3 RTm8.314?（90.8?273.15）(2)液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即1?Lm??ai塔顶液相平均密度的计算: 由tD=82.1℃,查手册得
?i
?A=812.7kg∕m3
?B?807.9kg/m3
?LDm??812.5kg/m3
（0.96?0.04）812.7807.91进料板液相平均密度的计算: 由tF?99.5℃,查手册得
?A=793.1kg/m3 进料板液相的质量分率
?B?790.8kg/m3
aA??LFm0.388?78.11?0.350
0.388?78.11?0.612?92.131??791.6kg/m3 （0.35?0.65）793.1790.8精馏段液相平均密度为
?Lm?(812.5+791.6)/2=802.1kg/m3 (5) 液体平均表面张力计算 液体平均表面张力依下式计算，即
?Lm??xi?i
塔顶液相平均表面张力的计算 由tD=82.1℃,查手册得
?A?21.24mN∕m ?B?21.42mN∕m
?LDm?0.9×21.24+0.1×21.42=21.25mN∕m 进料板液相平均表面张力的计算: 由tF?99.5℃,查手册得
?A?18.90mN∕m ?B?20.0mN∕m
?LFm=0.388×18.90+0.612×20.0=19.57mN∕m 精馏段液相平均表面张力为
?Lm=（21.25+19.57）/2=20.41mN∕m (6) 液体平均粘度计算
设备设计计算与选型
