#苯与甲苯连续精馏塔设计青海大学.docx
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#苯与甲苯连续精馏塔设计青海大学
化
工
过
程
设
备
设
计
设计题目：
设计一座处理苯——甲苯混合液的连续筛板式精馏塔
设计人：
旷天亮
班级：
11级化工（3）班
学号：
1120204009
设计时间：
2013年12月
课程设计任务书………………………………………………2
第一章．设计概述………………………………………………5
第二章．设计方案的确定及流程说明…………………………………………9
第三章.塔的工艺计算………………………………………………12
第四章．塔和塔板主要工艺尺寸的设计…………………………………………24
（1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定……………………………….24
（2）塔板的流体力学验算……………………………………………………..27
（3）塔板的负荷性能图…………………………………………………………29
（4）设计结果概要或设计结果一览表……………………………………….33
第五章.对本设计的评述和有关问题的分析讨论…………………………….34
《化工原理课程设计二》任务书
（1）
（一）设计题目：
试设计一座苯—甲苯连续精馏塔，要求进料量5吨/小时，塔顶馏出液中苯含量不低于99%，塔底馏出液中苯含量不高于2%，原料液中含苯41%（以上均为质量%）。
（二）操作条件
（1）塔顶压强4kPa（表压）
（2）进料热状况气液混合进料（液：
气=1：
2）
（3）回流比自选
（4）单板压降不大于0.7kPa
（三）设备型式：
筛板塔
（四）设备工作日：
每年330天，每天24小时连续运行
（五）厂址：
西宁地区
（六）设计要求：
1、概述
2、设计方案的确定及流程说明
3、塔的工艺计算
4、塔和塔板主要工艺尺寸的设计
（1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定；
（2）塔板的流体力学验算
（3）塔板的负荷性能图
5、设计结果概要或设计结果一览表
6、对本设计的评述和有关问题的分析讨论
（七）1、苯和甲苯的物理性质
分子量
沸点,℃
临界温度tc,℃
临界压强Pc,kPa
苯
78.11
80.1
288.5
6833.4
甲苯
92.13
110.6
318.57
4107.7
（二）2、常压下苯—甲苯的气液平衡数据
温度t,℃
液相中笨的摩尔分率x
气相中笨的摩尔分率x
110.56
0.00
0.00
109.91
1.00
2.50
108.79
3.00
7.11
107.61
5.00
11.2
105.05
10.0
20.8
102.79
15.0
29.4
100.75
20.0
37.2
98.84
25.0
44.2
97.13
30.0
50.7
95.58
35.0
56.6
94.09
40.0
61.9
92.69
45.0
66.7
91.40
50.0
71.3
90.11
55.0
75.5
88.80
60.0
79.1
87.63
65.0
82.5
86.52
70.0
85.7
85.44
75.0
88.5
84.40
80.0
91.2
83.33
85.0
93.6
82.25
90.0
95.9
81.11
95.0
98.0
80.66
97.0
98.8
80.21
99.0
99.61
80.01
100
100.0
（三）3、饱和蒸汽压P0用Antoine方程计算
（四）logP0=A-
（五）式中t——物系温度，℃P0——饱和蒸汽压，kPaA、B、C——Antoine常数
组分
A
B
C
苯
6.023
1206.35
220.24
甲苯
6.078
1343.94
219.58
（六）4、组分液相密度ρ
温度，℃
80
90
100
110
120
ρ，kg/m3
苯
815
803.9
792.5
780.3
768.9
甲苯
810
800.2
790.3
780.3
770.0
（七）5、组分的表面张力σ
温度，℃
80
90
100
110
120
σ，m
苯
21.27
20.06
18.85
17.66
16.49
甲苯
21.69
20.59
19.94
18.41
17.31
（八）6、液体粘度μl
温度，℃
80
90
100
110
120
μl,mPas
苯
0.308
0.279
0.255
0.233
0.215
甲苯
0.311
0.286
0.264
0.254
0.228
（九）7、液体汽化潜热γ
温度，℃
80
90
100
110
120
γ（KJ/kg），
苯
394.1
386.9
379.3
371.5
363.2
甲苯
379.9
373.8
367.6
361.2
354.6
（一十）8、其它物性数据：
查相关手册得到
第一章．设计概述
一．塔设备的类型。
塔设备是化工、炼油生产中重要的设备之一。
塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。
在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。
精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。
即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。
因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。
板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。
在正常操作下，气相分为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。
填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（有时也采用并流向下）流动。
气液两相密切接触进行传质与传热。
在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。
本设计方案连续板式精馏塔。
二．塔板类型。
板式塔的塔板大致可分为两类：
（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；
（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。
工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。
筛板塔是扎板塔的一种，内装若干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。
操作时，液体由塔顶进入，经溢流管（一部分经筛孔）逐板下降，并在板上积存液层。
气体（或蒸气）由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充分接触，并相互作用。
泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。
为克服筛板安装水平要求过高的困难，发展了环流筛板；克服筛板在低负荷下出现漏液现象，设计了板下带盘的筛板；减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距，制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰，塔板上开设气体导向缝的林德筛板。
筛板塔普遍用作H2S-H2O双温交换过程的冷、热塔。
应用于蒸馏、吸收和除尘等。
浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片，阀孔的排列方式，应使绝大部分液体内有气泡透过，并使相邻两阀容易吹开，鼓泡均匀。
为此常采用对液流方向成错排的三角形的排列方式。
蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫，浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定的操作。
但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。
随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。
泡罩塔板是工业上应用早的塔板，它主要由升气管及泡罩构成。
泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。
泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。
泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。
泡罩在塔板上为正三角形排列。
操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。
升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。
上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。
泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。
浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。
浮阀的类型很多，国内常用的有F1型、V-4型及T型等。
浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。
其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。
本设计中采用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。
下图是板式塔的简略图：
第二章．设计方案的确定及流程说明
一．设计方案遵循的原则。
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
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