用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计.doc
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钦州学院
化工原理课程设计
设计题目：
用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计
设计者：
罗书艺
学号：
0911401227
专业：
化学工程与工艺
班级：
化工本112班
指导教师：
郝媛媛
设计时间：
2014年5月25日～2014年6月15日
课程设计任务书
一、设计题目
用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计
二、设计任务
1.原料名称:
苯-甲苯二元均相混合物；
2.原料组成：
含苯35%（质量百分比）；
3.产品要求：
塔顶产品中苯含量不低于97%，塔釜中苯含量小于0.9%；
4.生产能力：
年处理量2.8万吨/年；
5.设备形式：
浮阀塔；
6.生产时间：
300天/年，每天24h运行；
7.进料状况：
泡点进料；
8.操作压力：
常压，泡点进料，塔顶全凝器，单板压降不大于0.7kPa；
9.加热蒸汽压力：
270.18kPa；
10.公用工程水温度：
热源为低压饱和水蒸气（120℃），冷源为当地水（钦州地区25℃）。
三、设计内容
1.设计方案的选定及流程说明；
2.用Aspen Plus模拟计算，给出物料流程图和物流表，计算总物料平衡和能量平衡；
3.用Aspen Plus模拟精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；
4.塔板数的确定；
5.精馏塔塔体工艺尺寸的计算；
6.塔板主要工艺尺寸的计算；
7.塔板的流体力学验算；
8.用Aspen Plus对换热器进行模拟设计；
9.绘制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）；
10.绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件，A1图纸）；
四、设计要求
1.工艺设计说明书一份
2.工艺流程图一张，主要设备总装配图一张（采用AutoCAD绘制）
五、设计完成时间
2014年5月25日～2014年6月15日
概述
本文采用aspen对苯-甲苯分离浮阀板精馏塔进行辅助设计，对于该二元均相混合物的分离，应采用连续精馏过程。
设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点温度后送入精馏塔内。
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1.2～2倍，本设计规定回流比取最小回流比的1.7倍。
塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
此外，并对塔和换热器的类型进行了选取，并进行相关工艺参数的确定。
工艺流程确定及说明
1.塔板类型
1）精馏塔的塔板类型有三种：
泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。
浮阀塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点，且开孔率大，生产能力大，操作弹性大，汽液接触时间长，因此塔板效率高。
2）本设计采用板式浮阀塔
3）加料方式
本精馏塔加料选择泵接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。
2.进料状况
本精馏塔选择泡点进料，常温原料经换热后进料。
3.塔顶冷凝方式
苯与甲苯不反应，且容易冷凝，故本精馏塔塔顶选择全凝器，可用水冷凝。
4.回流方式
本设计处理量大，所需塔板数多，塔较高，回流冷凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。
5.操作压力
苯-甲苯在常压下相对挥发度较大，因此在常压下也比较容易分离，故本设计采用常压精馏。
目录
第一章塔板的工艺设计 1
第一节精馏塔全塔物料衡算 1
1.1.1设计要求及条件 1
1.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率 1
1.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 1
1.1.4物料衡算 1
第二节利用aspen模拟进行塔工艺计算过程 2
1.2.1确定进料温度 2
1.2.2设计条件 2
1.2.3绘制工艺流程草图 2
1.2.4 苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的简捷计算 3
1.2.5苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的严格计算 5
第三节塔径的初步计算 11
1.3.1塔板基本参数的计算 11
第二章塔换热器设计 14
2.1原料预热器设计 14
2.1.1进料换热器简洁模块的模拟：
14
2.2冷凝器的选择 16
2.3再沸器的选择 17
第三章塔总体高度计算 18
3.1塔顶封头 18
3.2塔顶空间 18
3.3塔底空间 18
3.4人孔 18
3.5进料板处板间距 18
3.6裙座 19
第四章苯—甲苯浮阀塔的工艺设计计算结果汇总 20
4.1苯—甲苯浮阀塔的工艺设计计算结果汇总 20
附表1：
带控制点的总流程图 21
参考文献 22
化工学院化工原理设计
第一章塔板的工艺设计
第一节精馏塔全塔物料衡算
1.1.1设计要求及条件：
表1.1设计要求及条件：
处理量（万吨/年）
XD（质量分数，%）
XF（质量分数，%）
XW（质量分数，%）
R/Rmin
2.8
97
35
0.9
1.7
1.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率
已知苯的摩尔质量，甲苯的摩尔质量
原料液组成XF（摩尔分数，下同）
塔顶组成
塔底组成
1.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
1.1.4物料衡算
一年以300天，一天以24小时计，计算可得进料流率：
全塔物料衡算：
且
解得D＝17.178kmol/hW＝27.687kmol/h
第二节利用aspen模拟进行塔工艺计算过程
1.2.1确定进料温度
利用aspen绘制的苯-甲苯体系的T-x-y相图，依据苯的进料质量分数，求得苯的泡点进料温度为90.3°C。
图1-1利用aspen绘制的苯-甲苯体系的T-x-y相图
1.2.2设计条件
已知：
有混合馏分，流率为3888.9kg/h，温度25℃，压力103kPa，经过换热器后温度变为90.3℃,进入精馏塔。
物性方法选择NRTL方程。
要求将苯-甲苯混合物中每个馏分中主要成分的塔顶产品苯的质量分数不低于0.97，塔顶甲苯的含量不得高于0.009。
表1-1，原料组成和基本物性
处理量（万吨/年）
XD（质量分数，%）
XF（质量分数，%）
XW（质量分数，%）
R/Rmin
2.8
97
35
0.9
1.7
1.2.3绘制工艺流程草图
根据题目要求，绘制出工艺流程草图如图1-2
图1-2全塔物料流程图
1.2.4 苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的简捷计算
DSTWU简捷塔模块的任务是从反应混合物中从塔顶分苯。
首先用简捷计算方法求出完成指定分离任务需要的最小回流比、最小理论塔板数和进料位置，为严格计算提供初值。
图1-3苯-甲苯分离浮阀板精馏塔DSTWU简捷塔模块
点击Model Library 横条上的“Columns”。
选择“DSTWU”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线与反应器连接，并用物流线连接精馏塔的两出口。
为便于阅读，对精馏塔的两出口物流更改名称。
点击“Next”按钮，进行化学组分的定义。
点击“Find”，在弹出的对话框的“Component name or”栏中填入组分名称“benze-01”然后点击“Find now”然后点击“Add”。
以此类推，定义苯、甲苯组分。
点击“Next”按钮，选择热力学方法。
在Global 页的“Property method”下拉框中选上“NRTL”。
点击“Next”按钮，点击“OK”，进行流股信息的设置，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。
点击“Next”按钮，出现精馏塔的简捷计算设置窗口。
填入R/Rmin比值为1.7，塔顶、底压力分别是1bar和1.08bar；苯和甲苯为轻、重关键组分，塔顶苯和甲苯的回收率分别为0.97和0.009。
至此“DSTWU”B2 模块设置结束，点击“Next”按钮，运行计算程序，显示计算收敛。
在“Blocks-Results” 子目录窗口的“Summary”页面，可看到完成指定分离任务，精馏塔简捷计算的结果。
可见最小回流比1.71，最小理论塔板数9.278，回流比2时的实际塔板数19.8，对应的进料位置11.95；精馏塔的顶、底温度分别为79.98℃和112.078℃。
在“Blocks-Stream Results” 子目录窗口的“Material”页面，可看到精馏塔进、出口物流各组分的流率、组成和多种物性。
塔顶苯的流率16.902kg/h，质量分数为0.985，塔底甲苯的流率为27.187kg/h，纯度达0.992，满足分离要求。
1.2.5苯-甲苯分离浮阀板精馏塔的严格计算
点击Model Library 横条上的“Columns”。
选择“Radfrac”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接精馏塔的进、出口。
为便于阅读，对精馏塔的进、出口物流更改名称。
图1-4严格塔模型
双击“Radfrac”模块，出现精馏塔严格计算的子目录设置窗口。
在 “Configuration”页面，把简捷计算结果填入相应的空格内，如下图所示。
在“Streams”页面，填入进料位置为12
在“Pressure”页面，填入塔顶压力和板压降
至此，精馏塔严格计算需要的信息已经全部设置完毕。
点击“Next”按钮，软件询问是否运行计算，点击“确定”。
在“Material”可以查看物料计算结果，塔顶苯的质量分数达到97.3%，塔底甲苯的质量分数为99%，达到题目的设计要求。
在“Blocks-Results Summary” 子目录窗口的“Summary”页面，可看到精馏塔严格计算部分结果。
在“View”栏中选择 “Condenser/Top stage”，可看到塔顶的计算结果，塔顶温度为80.15°C，冷凝器负荷为-471.28KW。
在“View”栏中选择“Reboiler/Bottom stage”，可看到塔底的计算结果。
塔釜再沸器的温度为106.14°C，再沸器热负荷为482.18KW。
在“Blocks-Profiles” 子目录窗口的“TPFQ”页面，可看到精馏塔内各板上的温度分布和两相流率分布。
在hydraulic选项可以查看各个塔板上
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