苯甲苯筛板精馏塔课程设计报告书.docx
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苯甲苯筛板精馏塔课程设计报告书
河西学院
HexiUniversity
化工原理课程设计
题目:
苯-甲苯筛板式精馏塔设计
学院:
化学化工学院
专业:
化学工程与工艺
学号:
姓名:
指导教师:
2014年12月6日
化工原理课程设计任务书
7.2.塔板布置………………………………………………………………………….18
化工原理课程设计任务书
一、设计题目
苯-甲苯板式精馏塔设计
二、设计任务与操作条件
1.设计任务
生产能力（进料量）100000吨/年
操作周期7000小时/年
进料组成56%（苯质量分率，下同）
塔顶产品组成≥98.5%
塔底产品组成≤1.5%
2.操作条件
操作压力4kPa
进料热状态泡点进料
加热蒸汽低压蒸汽
3.设备型式筛板塔
4.厂址
、设计容
.设计方案的选择与流程说明
2.塔的工艺计算
3.主要设备工艺尺寸设计
.塔径塔高与板结构尺寸的确定
.塔板的流体力学校核
.塔板的负荷性能图
.总塔高总压降与接管尺寸的确定
4.辅助设备选型与计算
5.设计结果汇总
6.工艺流程图与精馏工艺条件图
7.设计评述
1.概述
1.1序言
化工原理课程设计是综合运用《化工原理》课程和有关先修课程（《物理化学》，《化工制图》等）所学知识，完成一个单元设备设计为主的一次性实践教学，是理论联系实践的桥梁，在整个教学中起着培养学生能力的重要作用。
通过课程设计，要求更加熟悉工程设计的基本容，掌握化工单元操作设计的主要程序与方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力，问题分析能力，思考问题能力，设计能力等。
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，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。
精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），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通，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以采用恒沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。
本设计得题目是苯-甲苯连续精馏板式塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离一会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。
1.2再沸器
作用：
用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔气液两相间的接触传
得以进行。
本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。
液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程的载热体供热。
1.3冷凝器
用以将塔顶蒸气冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器。
2.方案的选择与流程说明
精馏是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，使混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高纯度的产品。
流程如下：
原料（丙稀和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔。
气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。
将塔顶蒸气凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。
另一部分凝液作为回流返回塔顶。
回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。
当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。
多为分离苯—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。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔，其余部分经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，取操作回流比为最小回流比的2倍。
塔釜采用间接蒸汽加热塔底产品经冷却后送至储罐。
图1筛板精馏塔操作流程图
3.精馏塔的工艺计算
3.1原料与塔顶塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量：
甲苯的摩尔质量：
3.2原料液与塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
3.3物料衡算
原料液处理：
总物料衡算：
苯物料衡算：
联立解得：
4精馏塔塔板数的确定
4.1理论塔板数
苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论塔板数。
绘制苯-甲苯物系的气液平衡数据
绘制图，如下：
表1苯-甲苯物系的气液平衡数据表
苯（x）
0
0.058
0.155
0.256
0.376
0.508
0.659
0.923
1
甲苯（y）
0
0.128
0.304
0.453
0.596
0.720
0.830
0.922
1
图2苯-甲苯物系的气液平衡图
4.2最小回流比与操作回流比
采用作图法求最小回流比。
在图4-2中对角线上，自点e（0.6，0.6）作垂线ed即为进料线（q线），该线于平衡线的交点坐标为
故最小回流比为
操作回流比为
4.3精馏塔的气、液相负荷
精馏段：
液相负荷：
气相负荷：
提馏段：
液相负荷：
气相负荷：
4.4操作线方程
精馏段操作线为
提馏段操作线方程为
4.5图解法求理论塔板数
采用图解法求理论板数，如图1所示。
求解结果为：
总理论板层数：
14.2（包括再沸器）
进料板位置：
7
4.6实际板层数
精馏段实际板层数：
提馏段实际板层数：
所以实际板层数：
块
5.精馏塔的工艺条件与有关物性数据
5.1操作压力
塔顶压力：
每层塔板压降
塔底压力：
进料板压力
精馏段平均压力：
提馏段平均压力：
5.2操作温度
由插法求
塔顶温度：
进料板温度：
塔底温度：
所以精馏段平均温度：
提馏段平均温度：
5.3平均摩尔质量
5.3.1塔顶平均摩尔质量
由，查平衡曲线，得
塔顶气相平均摩尔质量为
塔顶液相平均摩尔质量为
进料板气相平均摩尔质量为由图知
进料板液相平均摩尔质量为
同理得：
5.3.2平均摩尔质量
精馏段;
气相平均摩尔质量为
液相平均摩尔质量为
提馏段：
5.4平均密度
5.4.1气相平均密度
由理想气体状态方程计算，即
5.4.2液相平均密度
液相平均密度依下式计算，即
塔顶液相密度的计算
由,插法得
进料板液相平均密度计算
由,得
进料板液相的质量分率
精馏段液相平均密度为
同理提馏段液相平均密度为
5.5液体平均表面力
液体平均表面力依下式计算，即
5.5.1塔顶液相平均表面力
由,得
5.5.2进料板液相平均表面力
由，得
精馏段液相平均表面力为
同理得：
提馏段液相平均表面力为
5.6液体平均黏度
液体平均黏度依下式计算，即
5.6.1塔顶液相平均黏度
由，得
3.6.
进料板液相平均黏度
由,得
精馏段液相平均黏度为
6.精馏塔的塔体工艺尺寸
6.1塔径
6.1.1精馏塔的气、液相体积流速分别为
同理得提馏段
6.2空塔气速
空塔气速是指在没有塔板和液体的空塔中的流动速度，可定性反映气流在穿越塔板数与液层时的速度。
在流量一定的条件下，空塔气速越大，则气流穿越塔板的速度越快，塔径越小，气液两相的接触时间越短，板效率越低，所需的塔板数越多，同时易发生过量液沫夹带等不正常操作现象；反之亦然。
因此，操作空塔气速必须合理确定。
由
C—蒸汽负荷因子，--液相密度，kg
--气相密度，kg
式中C由上式计算，其中的由史密斯关联查图可知
取板间距，板上液层高度，则
6.2.1精馏塔塔径
查史密斯关联图得，精馏段
取安全系数为0.75，则空塔气速为
所以精馏塔的塔径为
按标准塔径圆整为
6.3实际空塔气速
塔的截面积为
实际空塔气速为
同理得：
6.4精馏塔有效高度
6.4.1精馏段有效高度
6.4.2提馏段有效高度
在进料板上方开一入口，其高度为0.7m
故精馏塔的有效高度为：
7.塔板主要工艺尺寸的设计
7.1溢流装置
为提高传热和传质的效果，降低液面落差，减少倾向性的可能行，液体在塔
板上常采用不同的溢流方式。
主要有单溢流，双溢流，阶梯溢流，u型流等几种
形式。
确切的选择方式见下表：
表2液体负荷与溢流类型表
塔径
液体流量（）
U型流
单溢流
双溢流
阶梯溢流
1000
7
45
1400
9
70
2000
11
90
90~160
3000
11
110
110~200
200~300
4000
11
110
110~230
230~350
5000
11
110
110~250
250~400
6000
11
110
110~250
250~450
因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。
各项设
计如下：
7.1.1堰长
是维持板上液位，保证两相接触时间的装置，一般有平堰与齿堰两种，多采平堰
取：
7.1.2溢流装置高度
由：
选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即
近似取,则
同理得：
取板上清液层高度：
故：
同理得：
7.1.3弓形降液管宽度和截面积
由：
故：
依下式计算液体在降液管中的停留时间，即
故降液管设计合理。
若不满足，则需通过加大板间距与他竟的方法解决。
7.1.4降液管底隙高度
取：
则：
同理得：
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受溢盘，深度：
。
7.2塔板布置
7.2.1塔板的分块
因，故塔板采用分块式。
查表7-4得，塔板分为4块。
分块式塔板即降液管区以外的部分是由若干块钢板组装而成，装焊与塔体壁的塔板支撑上，塔身为焊制整体圆筒，不分节。
表3踏板分块参考表
塔径/mm
塔板分块数
3
4
5
6
7.2.2边缘区的宽度
开孔区面积，
7.2.3开孔区面积
开孔区面积按下式计算，即
其中：
故：
7.2.4筛孔计算与排列
苯-甲苯物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。
筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为
筛孔数目为
开孔率为
气体通过筛孔的气速为
8.筛板的流体力学验算
8.1塔板压降
8.1.1干板阻力
干板阻力由下式计算，即
由，查手册可知，
故：
液柱
8.1.2液体通过液层的阻力
气体通过液层的阻力由下式计算，即
查手册，得。
故：
液柱
同理得：
（液柱）
8.1.3液体表面力的阻力
液体表面力所产生的阻力按下式计算，即
液柱
气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即
液柱
气体通过每层塔板的压降为
（设计允许值）
液柱液柱
（设计允许）
8.2液面落差
对于本筛板精馏塔，液面落差小，且本塔的塔径和液流量不大，所以可忽略液面落差的影响。
8.3液沫夹带
液沫夹带量由下式计算，即
故：
故在本设计中液沫夹带量在允许围。
同理得：
8.4漏液
对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即
实际孔速：
稳定系数为
故在本设计中无明显漏液。
8.5液泛
为防止塔发生液泛，降液管液层高度应服从下述关系
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