2012级化工单元课程设计

化工单元课程设计

--分离苯—甲苯连续精馏筛板塔

专业:应用化工技术专业 姓名：****** 学号：111408124 指导老师： 黄秋颖

序 言

课程设计是“化工单元”的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识来解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它起着培养学生独立工作能力的重要作用。

精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，精馏过程在能量剂驱动下，使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。本设计的题目是苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。分离苯和甲苯，可以利用二者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收和储存。

目 录

一、设计任务书 ............................................................................................................ 1 二、设计计算 ................................................................................................................ 3

1.设计方案的选定标准 3 2.操作条件的确定 3 3.设计方案的选定及基础数据的搜集 ................................................................. 4 4. 精馏塔的物料衡算 ........................................................................................... 8 5. 塔板数的确定 ................................................................................................... 9 6. 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 ................................................. 11 7. 气液负荷计算 ................................................................................................. 15 8. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ......................................................................... 15 9. 塔板主要工艺尺寸的计算 ............................................................................. 17 10. 筛板的流体力学验算 ................................................................................... 20 11. 塔板负荷性能图 ........................................................................................... 23 各接管尺寸的确定 .......................................................................................... 28 三、个人心得体会及改进意见 .................................................................................. 31 四、参考文献 .............................................................................................................. 33 附录（符号说明） ...................................................................................................... 34

2012级化工单元课程设计

一、设计任务书

板式精馏塔设计任务书 （一）设计题目：

设计分离苯―甲苯连续精馏筛板塔 （二）设计任务及操作条件 1、 设计任务：

物料处理量： 50240吨／年

进料组成 ： 22.6％ 苯，苯-甲苯常温混合溶液 （质量分率，下同） 分离要求：

塔顶产品组成苯 ≥97％ 塔底产品组成苯 ≤1% 2、 操作条件

平均操作压力 ： 101.3 kPa 塔顶操作压力PD＝ 93.2 kPa

每层塔板压降 △P＝0.7 kPa

平均操作温度：94℃

回流比： 自 选 单板压降： <=0.7kPa

工时： 年开工时数7200小时

（三）设计方法和步骤： 1、设计方案简介

根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，选定适宜的流程方案和设备类型，初步确定工艺流程。对选定的工艺流程，主要设备的形式进行简要的论述。 2、主要设备工艺尺寸设计计算 （1）收集基础数据 （2）工艺流程的选择 （3）做全塔的物料衡算 （4）确定操作条件 （5）确定回流比 （6）理论板数与实际板数

（7）确定冷凝器与再沸器的热负荷 （8）初估冷凝器与再沸器的传热面积 （9）塔径计算及板间距确定

（10）堰及降液管的设计

（11）塔板布置及筛板塔的主要结构参数 （12）塔的水力学计算 （13）塔板的负荷性能图 （14）塔盘结构 （15）塔高

（16）精馏塔接管尺寸计算 3、典型辅助设备选型与计算（略）

包括典型辅助设备（换热器及流体输送机械）的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。 4、设计结果汇总

5、工艺流程图及精馏塔工艺条件图 6、设计评述

四、参考资料

《化工原理课程设计》天津大学化工原理教研室，柴诚敬 刘国维 李阿娜 编； 《化工原理》（第三版）化学工业出版社，谭天恩 窦梅 周明华 等编； 《化工容器及设备简明设计手册》化学工业出版社，贺匡国编； 《化学工程手册》上卷 化学工业出版社，化工部第六设计院编； 《常用化工单元设备的设计》 华东理工出版社。

二、设计计算

（一）确定设计方案的原则

确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： 1.满足工艺和操作的要求

所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 2.满足经济上的要求

要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 3．保证安全生产

例如苯属有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。

以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。

（二）操作条件的确定

确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。 1.操作压力

蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 2.进料状态

进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 3．加热方式

蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。

（三）.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人精馏塔内。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2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。不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的

料液。

下图是板式塔的简略图

表1 苯和甲苯的物理性质

临界温度tC临界压强PC

项目 分子式 分子量M 沸点（℃）

（℃） （kPa）

苯A C6H6 78.11 80.1 288.5 6833.4 甲苯B C6H5—CH3 92.13 110.6 318.57 4107.7

表2 苯和甲苯的饱和蒸汽压

温度0C 80.1 85 90 95 100 105 110.6 0

PA,kPa 101．33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2

240.0 0

40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0 PB，kPa

表3 纯组分的表面张力

温度 80

苯，mN/m 21.2 甲苯，Mn/m 21.7 温度(℃)

80

90 20 20.6

90

100 18.8 19.5

100

110 17.5 18.4

110

120 16.2 17.3

120

表4 组分的液相密度

苯,kg/m3 甲苯,kg/m3 814 809 805 801 791 791 778 780 763 768

表5 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6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

（四） 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

甲苯的摩尔质量

xF

0.226/78.11

0.256

0.226/78.11 0.774/92.13

78.11

0.974

0.97 78.11

0.012

78.11 xD

xW

（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF 0.256 78.11 0.744 92.13 88.54kgkmol MD 0.974 78.11 0.026 92.13 78.47kgkmol MW 0.012 78.11 0.988 92.13 91.96kgkmol

（3）物料衡算 原料处理量F

50240000

78.8kmolh

84.54*7200

总物料衡算 78.8=D＋W

苯物料衡算 78.8×0.256＝0.974D＋0.012 W 联立解得 D＝58.8 kmol／h W=20.0 kmol／h 式中 F------原料液流量 D------塔顶产品量 W------塔底产品量

（五） 塔板数的确定

（1）理论板层数NT的求取

苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出x ～y图，见下图

图1苯—甲苯平衡曲线图 ②求最小回流比及操作回流比。

采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，自点e（0.256，0.256）作垂线ef即为进料线(q线)，该线与平衡线的交点坐标为

yq＝0.45 , xq＝0.256

故最小回流比为Rmin

xD yqyq xq

0.974 0.450

2.701

0.450 0.256

取操作回流比为R 1.2Rmin 3.241 ③求精馏塔的气、液相负荷

L R D 3.241 20.0 64.82kmolh

V (R 1)D 4.241 20.0 84.82kmolh

V' (R 1)D (1 q)F (4.241 20.0) 20.0 1 1 78.8 84.82kmol/h L' RD qF 3.241 20.0 1 78.8 143.62kmol/h

④求操作线方程 精馏段操作线方程为

yn 1

xR

xn D 0.7642xn 0.2297 R 1R 1

提馏段操作线方程为

L'W

ym 1 'xm 'xw 1.693xm 0.0083

VV

（2）实际板层数的求取 又根据Rmin

1xD (1 xd)

[ ] 可解得 1xF1 xf

=2.378

y1 xD = 0.974 x1

y1

=0.9403

y1 (1 y1)

xR

x1 dy2

x2 0.8852 R 1R 1

y2 (1 y2)

0.7642xn 0.2297 0.9483y2

y3 0.7642xn 0.2297 0.9062 x3

同理可求 y4 0.8430 x4 0.6931

y3

0.8025

y3 (1 y3)

y5 0.7594 x5 0.5703

y6 0.6655 x6 0.4555y7 0.5778 x7 0.3653y8 0.5089 x8 0.3035 y9 0.4616 x9 0.2650y10 0.4322 x10 0.2425

因为x10＜xf n=9

'

x1' x10 0.2425 y2 1.693x'1 0.0083 0.4023

'

y2

x

'2

y2 (1 y2)

''

0.2206

''y3 0.3617 x3 0.1924''y4 0.3174 x4 0.1636''y5 0.2261 x5 0.1094

y6 0.1769 x6 0.0829

''y7 0.1320 x7 0.060''y8 0.0933 x8 xw

''

所以n=7 全塔效率ET

ET =0.17-0.616lgμ均温度TM

m

根据塔顶塔底液相组成查图t-x-y图，求得塔顶温度TD塔底温度TW平

由上图查的该温度下进料液相平均黏度，

μm=XFμ苯+（1+XF）μ

甲苯

精馏段实际板层数提馏段实际板层数进料板在第19块板

9/0.52=17.3 18, 7/0.52=13.5≈14

（六） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

（1）操作压力计算 塔顶操作压力PD＝ 93.2 kPa 塔底操作压力Pw=108.6 kPa 每层塔板压降 △P＝0.7 kPa

进料板压力PF＝93.2＋0.7×18＝105.8kPa

精馏段平均压力 P m ＝（93.2＋105.8）／2＝99.5 kPa 提馏段平均压力P m =（108.6+105.8）/2 =107.2 kPa （2）操作温度计算

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、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。(也可以用t-x-y图图解计算)计算结果如下： 塔顶温度tw＝82.4℃

进料板温度tF＝95.3℃ 塔底温度tw=104.4℃

精馏段平均温度tm=（ 82.4＋95.3）/2 = 88.8℃ 提馏段平均温度tm=（95.3+104.4）/2 =99.8℃ （3）平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算

由xD=y1=0.974,查平衡曲线（见图1），得x1=0.88

MV,Dm 78.47kgkmol

ML,Dm 79.79kgkmol

进料板平均摩尔质量计算

由上面理论板的算法，得yF＝0.45， xF＝0.256

MV,F,m 85.82kgkmol ML,Fm 88.54kgkmol

塔底平均摩尔质量计算

由xw=y2=0.012,查平衡曲线（见图1），得x2=0.01

MV,Wm 91.96kgkmol ML,wm 91.99kgkmol

精馏段平均摩尔质量

MV,m ML,m

78.47 85.82

kgkmol 81.15kgkmol

2

79.79 88.54 kgkmol 84.17kgkmol

291.96 85.82

kgkmol 88.89kgkmol

2

91.99 88.54 kgkmol 90.27kgkmol

2

提馏段平均摩尔质量

MV,m ML,m

（4）平均密度计算 ①气相平均密度计算

由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度即

v,m

PmMv,mRTm

2.68kgm3

提馏段的平均气相密度

'v,m

PmMv,mRTm

3.07kgm3

②液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即