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化工设计

化工设计之课程设计

------------苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计

院校：

闽南师范大学化学与环境院

班级：

10应用化学

（1）班

姓名：

……

学号：

100604131

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，是理论联系实际的桥梁，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内容，掌握化工单元操作设计的主要程

序及方法，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，计算能力等。

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。

序言................................................................................................................................1板式精馏塔任务计划书................................................................................................3设计计算........................................................................................................................4

塔的物料衡算................................................................................................................7塔板的计算....................................................................................................................9

精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算..............................................................11

精馏塔的塔体工艺尺寸的计算..................................................................................17塔板主要工艺尺寸的计算..........................................................................................19

筛板的流体力学验算..................................................................................................22

塔板负荷性能图..........................................................................................................26各接管尺寸的确定.......................................................................................................32

设计一览表..................................................................................................................34

课程设计心得体会.......................................................................................................34

参考文献......................................................................................................................34

1板式精馏塔设计任务书

1.1设计题目

苯-甲苯连续精馏筛板塔的设计

1.2.1设计任务

物料处理量：

51200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：

≥97%；

塔底产品组成：

≤1%；

1.2.2操作条件

平均操作压力：

101.3kPa；

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；

1.3设计方案简介

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。

1.4设计内容及要求

（1）设计方案的确定及流程说明；

（2）塔的工艺计算；

（3）塔和塔板主要工艺尺寸的设计：

塔高、塔径以及塔板结构尺寸的确定；塔板

的流体力学验算；塔板的负荷性能图；

（4）编制设计结果概要或设计一览表；

（5）辅助设备选型与计算；

（6）绘制塔设备结构图：

采用CAD绘图软件绘制。

1.5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；

2设计计算

2.1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。

2.2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。

2.3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。

下图是板式塔的简图，如2-1所示：

图2-1板式精馏塔

3塔的物料衡算

3.1原料液（XF）、釜残液（XW）和馏出液（XD）中易挥发组分的摩尔分数

苯的摩尔质量：

M苯=78.11kg/kmol；

甲苯的摩尔质量：

M甲苯=92.13kg/kmol；

原料液中易挥发组分的质量分数：

WF=22.6%；

塔釜釜残液中易挥发组分的质量分数：

WW=1%；

塔顶馏出液中易挥发组分的质量分数：

WD=97%；

原料液中易挥发组分的摩尔分数：

XF=（WF/M苯）/[WF/M苯+（1-WF）/M甲苯]

=（0.226/78.11）/[0.226/78.11+（1-0.226）/92.13]=0.2562

塔釜釜残液中易挥发组分的质量分数：

XW=（WW/M苯）/[WW/M苯+（1-WW）/M甲苯]

=（0.01/78.11）/[0.01/78.11+（1-0.01）/92.13]=0.0118

塔顶馏出液中易挥发组分的质量分数：

XD=（WD/M苯）/[WD/M苯+（1-WD）/M甲苯]

=（0.97/78.11）/[0.97/78.11+（1-0.97）/92.13]=0.9744

原料液摩尔质量：

MF=XFM苯+（1-XF）M甲苯

=0.2562×78.11+（1-0.2561）×92.13=88.54kg/kmol；

釜残液摩尔质量：

MW=XWM苯+（1-XW）M甲苯

=0.0118×78.11+（1-0.0118）×92.13=91.96kg/kmol；

馏出液摩尔质量：

MD=XDM苯+（1-XD）M甲苯

=0.9744×78.11+（1-0.9744）×92.13=78.47kg/kmol；

3.2物料衡算

物料处理量51200吨/年：

qn,F=51200×1000/（MF×7200）=46800×1000/（MF×7200）=80.31kmol/h

馏出液采出率qn,D/qn,F=（XF-XW）/（XD-XW）

=（0.2562-0.0118）/（0.9744-0.0118）=0.2539kmol/h

则可得qn,D=0.2539×80.31=20.39kmol/h

由qn,F=qn,D+qn,W，可得qn,W=80.31-20.39=59.92kmol/h

4塔板的计算

4.1理论塔板数NT的求取

根据苯-甲苯汽液平衡数据表，可画出常压下苯-甲苯溶液的x-y图

苯-甲苯汽液平衡数据表

X

0

0.058

0.155

0.256

0.376

0.508

0.659

0.823

1

Y

0

0.128

0.304

0.453

0.596

0.720

0.830

0.922

1

常压下苯-甲苯溶液的x-y图如下图所示：

b

a

4.1.1最小回流比及操作回流比

因为是泡点进料，所以Xa=Xb=0.2562，过点a（0.2562,0.2562）做直线X=0.2562交平衡线于b点，则b（0.2562,0.4560）；

根据Rmin=（XD-yq）/（yq-Xq）=（0.9744-0.4560）/（0.4560-0.2562）=2.59

由实际工艺生产条件可知实际回流比R=1.8Rmin=1.8×2.59=4.66

故实际回流比R为4.66.

4.1.2精馏塔的气液相负荷

qn,L=R×qn,D=4.66×20.39=95.02kmol/h

qn,V=（R+1）×qn,D=5.66×20.39=115.40kmol/h

由于q=1，所以q’n,V=qn,V=115.40kmol/h

q’n,L=qn,L+q×qn,F=95.02+73.41=168.43kmol/h

4.1.3操作线方程

精馏段操作线方程：

yn+1=[R/（R+1）]×Xn+XD/（R+1）=（4.66/5.66）×Xn+（0.9744/5.66）=0.8233Xn+0.1722

提馏段操作线方程：

ym+1=[q’n,L/qn,V]×Xm－[qn,W/q’n,V]×Xw

=（168.43/115.40）×Xm－（54.77/115.40）×0.0118=1.4595Xm－0.005600

根据两操作线方程和相平衡曲线，画出理论塔板，如图4-2所示：

图4-2操作线法求理论塔板数

由上图可知，精馏段理论塔板n=6，提馏段理论塔板m=7，第6块塔板为进料板。

4.2实际塔板数NP的求取

4.2.1全塔效率的计算

查表得：

90℃时，μ苯=0.279，μ甲苯=0.286

100℃时，μ苯=0.255，μ甲苯=0.264

平均温度Tm=94℃，用内插法求得：

94℃时，μ苯=0.279×4×（0.279－0.255）/10=0.2694

μ甲苯=0.286×4×（0.286－0.264）/10=0.2772

μF=XFμ苯+（1-XF）μ甲苯=0.2562×0.2694+（1－0.2561）×0.2772=0.2752

利用奥康奈尔经验公式：

ET=0.49×（αμF）-0.245

所以ET=0.49×（2.47×0.2752）-0.245=53.86%

4.2.2实际塔板的计算

根据ET=NT/NP

则NP=NT/ET=13/53.86%=24.14≈25

精馏段实际塔板数：

N精=6/53.86%=11.14≈12

提馏段实际塔板数：

N提=7/53.86%=11.14≈13

因此进料板在第13块。

5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

5.1操作压力的计算

平均操作压力：

Pm=101.3kPa；

每层塔板压降：

ΔP=0.7kPa；

PD=91.15kPa

进料板操作压力：

PF=PD+12ΔP=91.15+13×0.7=99.55kPa；

塔釜操作压力：

PW=PF+13ΔP=99.55+13×0.7=108.65kPa；

精馏段平均操作压力：

P精=（PF+PD）/2=（91.15+99.55）/2=95.35kPa

提馏段平均操作压力：

P提=（PF+PW）/2=（108.65+99.55）/2=104.1kPa

5.2操作温度的计算

根据常压下苯-甲苯的气液平衡数据，画出常压下苯-甲苯溶液的T-x-y图：

常压下苯-甲苯的气液平衡数据

温度T（℃）

液相中苯的摩尔分率x

气相中苯的摩尔分率y

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

XD

XF

Xw

图5-1常压下苯-甲苯溶液的T-x-y图

由塔釜、塔顶、进料的组成，根据T-x-y图可求出塔釜、塔顶、进料的温度：

TW=109.8℃；TF=98.7℃；TD=80.8℃

精馏段平均温度：

T精=（TD+TF）/2=（80.8+98.7）/2=89.8℃

提馏段平均温度：

T提=（Tw+TF）/2=（109.8+98.7）/2=104.3℃

5.3平均摩尔质量的计算

由y1=XD=0.9744，查苯-甲苯溶液平衡曲线，得X1=0.88

ML,D=0.88×78.11+（1-0.88）×92.13=79.79kg/kmol

MV,D=0.9744×78.11+（1-0.9744）×92.13=78.47kg/kmol

进料板平均摩尔质量计算：

由上面理论板的算法，得

＝0.459，

＝0.2562

ML,F=0.2562×78.11+（1-0.2562）×92.13=88.54kg/kmol

MV,F=0.4590×78.11+（1-0.4590）×92.13=85.69kg/kmol

塔釜平均摩尔质量计算：

由y2=XW=0.0118，查苯-甲苯溶液平衡曲线，得X2=0.0118

ML,W=0.0118×78.11+（1-0.0118）×92.13=91.96kg/kmol

MV,W=0.0118×78.11+（1-0.0118）×92.13=91.96kg/kmol

精馏段平均摩尔质量：

ML=（ML,D+ML,F）/2=（79.79+88.54）/2=84.17kg/kmol

MV=（MV,D+MV,F）/2=（78.47+85.69）/2=82.08kg/kmol

提馏段平均摩尔质量：

M’L=（ML,W+ML,F）/2=（91.96+88.54）/2=90.25kg/kmol

M’V=（MV,W+MV,F）/2=（91.96+85.69）/2=88.83kg/kmol

5.4平均密度的计算

5.4.1气相平均密度的计算

由理想气体状态方程计算，精馏段的平均气相密度：

则ρV=95.35×82.08/（8.314×362.95）=2.59kg/m3

提馏段的平均气相密度：

则ρ’V=104.1×88.83/（8.314×377.45）=2.95kg/m3

5.4.2液相平均密度的计算

根据内插法求得：

TD=80.8℃，ρ苯=813.55kg/m3，ρ甲苯=808.6kg/m3；

TF=98.7℃，ρ苯=792.82kg/m3，ρ甲苯=792.3kg/m3；

TW=109.8℃，ρ苯=778.26kg/m3，ρ甲苯=780.22kg/m3；

塔顶液相的质量分率：

αA=0.9744×78.11/[0.9744×78.11+（1-0.9744）×92.13]=0.9700

1/ρL,D=0.9700/813.55+（1-0.9700）/808.6=0.001229

则ρL,D=813.67kg/m3；

同理，进料板液相质量分率：

αA=0.2562×78.11/[0.2562×78.11+（1-0.2562）×92.13]=0.2260

1/ρL,F=0.2260/792.82+（1-0.2260）/792.3=0.001262

则ρL,F=792.39kg/m3

塔釜液相质量分率：

αA=0.0118×78.11/[0.0118×78.11+（1-0.0118）×92.13]=0.01002

1/ρL,W=0.0118/778.26+（1-0.0118）/780.22=0.001282

则ρL,W=780.03kg/m3

精馏段液相平均密度为：

ρL=（813.67+792.39）/2=803.03kg/m3

提馏段液相平均密度为