化工原理课程设计(苯-甲苯精馏塔设计)

课程设计任务书

一、课题名称

苯——甲苯分离过程板式精馏塔设计 二、课题条件（原始数据）

一、设计方案的选定 原料：苯、甲苯 年处理量： 55000t

原料组成（甲苯的质量分率）：、0.65 料液初温： 30℃

操作压力、回流比、单板压降：自选 进料状态：饱和液体进料 塔顶产品浓度： 98.5%

塔底釜液含甲苯量不低于97%（质量分率） 塔顶采用全凝器，泡点回流 塔釜：饱和蒸汽间接/直接加热 塔板形式：筛板

生产时间：330天/年，每天24h运行 冷却水温度：20℃～35℃ 设备形式：筛板塔 厂址：武汉地区

三、设计内容（包括设计、计算、论述、实验、应绘图纸等根据目录列出大标题即可）

1设计方案的选定 2精馏塔的物料衡算 3塔板数的确定

4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度、比热、导热系数） 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塔板负荷性能图（精馏段） 9换热器设计 10馏塔接管尺寸计算

11制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）

12绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件）（手绘，A1图纸） 13撰写课程设计说明书一份 设计说明书的基本内容 ⑴课程设计任务书 ⑵课程设计成绩评定表 ⑶中英文摘要 ⑷目录

⑸设计计算与说明 ⑹设计结果汇总 ⑺小结 ⑻参考文献

14 有关物性数据可查相关手册 15 注意事项

写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源 每项设计结束后列出计算结果明细表 设计最终需装订成册上交

四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）

1.设计动员，下达设计任务书 0.5天 2.收集资料，阅读教材，拟定设计进度 1-2天 3.初步确定设计方案及设计计算内容 5-6天 4.绘制总装置图 2-3天 5.整理设计资料，撰写设计说明书 2天 6.设计小结及答辩 1天

指导教师（签名）： 年 月 日 学科部（教研室）主任（签名）： 年 月 日 说明：

1．学生进行课程设计前，指导教师应事先填好此任务书，并正式打印、签名，经学科部（教研室）主任审核签字后，正式发给学生。设计装订时应将此任务书订在设计说明书首页。

2．如果设计技术参数量大，可在任务书后另设附表列出。 3．所有签名均要求手签,以示负责。

目 录

摘 要 ............................................................... I Abstract ........................................................... II 第一章 文献综述 ..................................................... 1 第二章 设计方案的确定 ............................................... 3 2.1 操作条件的确定 ................................................ 3 2.2 确定设计方案的原则 ............................................ 4 第三章 塔体计算 ..................................................... 5 3.1 设计方案的确定 ................................................ 5 3.2 精馏塔的物料衡算 ............................................. 5 第四章 塔板计算 ..................................................... 7 4.1 塔板数的确定 .................................................. 7 4.2 精馏段的计算 ................................................. 10 4.3提留段的计算 ................................................. 23 第五章 塔附件设计 .................................................. 37 5.1附件的计算 ................................................... 37 5.2 附属设备设计 ................................................. 40 设计小结 ........................................................... 43 附录 ............................................................... 44

摘 要

精馏是分离液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的应用。本设计的题目是苯—甲苯二元物系板式精馏塔的设计。在确定的工艺要求下，确定设计方案，设计内容包括精馏塔工艺设计计算，塔辅助设备设计计算，精馏工艺过程流程图，精馏塔设备结构图，设计说明书。 关键词：板式塔；苯--甲苯；工艺计算；结构图

Abstract

Distillation separation is the most commonly used liquid mixture of a unit operation in chemical, petrochemical and other industries refining, widely applied. This design is the subject of benzene morpholine-toluene binary system -a type of distillation process of design, in determining the request, design scheme. Design content includes distillation, distillation process flowcharts , distillation equipment structure and design specification.

Keyword:Series-platetower; Benzene-methylbenzene; Distillation process；distillation equipment structure

第一章 文献综述

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，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（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。

工业上对塔设备的主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。

板式塔大致可分为两类：（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。

苯的沸点为80.1℃，熔点为5.5℃，在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水重。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。

甲苯是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃

烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ℃，沸点为111 ℃。甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为0．866克／厘米3，对光有很强的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0,6 mPa s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg，闪点为4 ℃，燃点为535 ℃。

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。板式精馏塔、浮法塔都是常用的塔类型，可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。

筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。 筛板塔是1932年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。

第二章 设计方案的确定

2.1 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。

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。对于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表压）。

2.2 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：

2.2.1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。

2.2.2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。

2.2.3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。

第三章 塔体计算

3.1 设计方案的确定

本设计采用连续精馏流程，饱和液体进料。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。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用饱和蒸汽间接加热，塔底产品冷却后送至储罐。

3.2 精馏塔的物料衡算

3.2.1原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率

苯的摩尔质量 MA 78.11Kg/mol 甲苯的摩尔质量 MB 92.13Kg/mol

XF XD XW

0.35/78.11

0.35/78.11 0.65/92.13

0.985/78.11

0.985/78.11 0.015/92.13

0.03/78.11

0.03/78.11 0.97/92.13

0.417 0.987

0.035

3.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF 0.417 78.11 (1 0.417) 92.13 86.28Kg/mol

M

D

0.987 78.11 (1 0.987) 92.13 78.29Kg/mol

MW 0.035 78.11 (1 0.035) 92.13 91.64Kg/mol

3.2.3物料衡算

原料处理量 F

694586.28

80.49kmo/lh

总物料衡算 80.49 D W

苯物料衡算 80.49 0.417 0.987 D 0.035 W

D 332.26kmo/lhW 48.226kmo/lh

联立解得

第四章 塔板计算

4.1 塔板数的确定

4.1.1理论板数N的求取

T

(1)相对挥发度的求取

苯的沸点为80.1℃，甲苯额沸点为110.63℃ ① 当温度为80.1℃时

lgPA 6.0355

lgPB

1211.033

80.1 220.791344.8

6.07954 1.591

80.1 219.482

2.006

解得PA 101.34KPa，PB 38.96KPa ② 当温度为110.63℃时

lgPA 6.0355 lgPB

1211.033

110.63 220.79

1344.8

6.07954 2.006

110.63 219.482

2.376

解得PA 237.95KPa，PB 101.34KPa 则有

1 101.31.96 2.600 2 237.95.34 2.348

1 2

2.600 2.348 2.47

(2)最小回流比的求取

由于是饱和液体进料，有q=1，q线为一垂直线，故xP xF 0.417，根据相平衡方程有

yP

xP

1 ( 1)xP

2.47 0.4171 (2.47 1) 0.417

0.639

最小回流比为

Rmin

xD yPyP xP

0.987 0.6390.639 0.417

1.57

回流比为最小回流比的2倍，即

R 2Rmin 2 1.57 3.14

(3)精馏塔的气、液相负荷

L RD 3.14 32.26 101.29.Kmol/h

V (1 R)D (1 3.14) 34.26 133.56Kmol/hL L qF 101.29 80.49 181.79Kmol/h

'

V' V 131.56Kmol/h (4)操作线方程

精馏段操作线方程 yn 1

RR 1

xn

xDR 1

3.14.014 1

xm

xn

Wx

0.9873.14 1

0.76x 0.238

提馏段操作线方程 ym 1

L qFL qF W

w

L qF W

1.36xm 0.013

两操作线交点横坐标为 xf 理论板计算过程如下

(R 1)xF (q 1)xD

R q

(3.14 1) 0.417

3.14 1

0.417

y1 xD 0.987 x1 0.968

相平衡

相平衡

y2 0.974 x2 0.936

相平衡

y3 0.949 x3 0.886

相平衡

y4 0.903 x4 0.79

相平衡

y5 0.838 x5 0.675

相平衡

y6 0.751 x6 0.548

相平衡

y7 0.654 x7 0.433y8 0.567 x8 0.346 xf

相平衡相平衡

y9 0.457 x9 0.254

相平衡

y10 0.332 x10 0.168

相平衡

y11 0.215 x11 0.1

相平衡

y12 0.123 x12 0.054

相平衡

y13 0.06 x13 0.035 xW

总理论板数为13（包括蒸馏釜），精馏段理论板数为7，第8块板为进料板。

4.1.2实际板数的求取

取全塔效率为0.52，则有

N精 7/0.52 13.46 14

N提 5/0.52 9.61 10

4.2 精馏段的计算

4.2.1精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

(1)操作压力的计算

塔顶的操作压力 PD 101.3 4 105.3KPa 每层塔板的压降 P 0.7KPa

.1KPa 进料板压力 PF 105.3 0.7 14 115

.3 11。51)/2 110.2KPa 精馏段平均压力 Pm (105

(2)操作温度的计算

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、甲苯的饱和蒸汽有安托尼方程计算，计算结果如下： 塔顶温度 tD 80.49 C 进料板温度 tF 94.72 C

精馏段平均温度 tm (80.49 94.72)/2 87.6 C (3)平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量的计算

由理论板的计算过程可知，y1 xD 0.987，x1 0.968

MVDm 0.987 78.11 (1 0.987) 92.13 78.29Kg/molM

0.968 78.11 (1 0.968) 92.13 78.56Kg/mol

LDm

进料板平均摩尔质量的计算

由理论板的计算过程可知，yF 0.697，xF 0.417

MVFm 0.697 78.11 (1 0.697) 92.13 82.36Kg/molM

0.417 78.11 (1 0.417) 92.13 86.28Kg/mol

LFm

精馏段的平均摩尔质量为

M

Vm

(78.29 82.36)/2 80.33Kg/mol

M

(79.56 86.28)/2 82.42Kg/mol

Lm

(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式计算，即

Vm

pmMVmRTm

110.2 80.338.314 (89.86 273.15)

2.93Kg/m

3

② 液相平均密度计算

液相平均密度计算依下式计算，即：

1

aA

aB

Lm LA LB

塔顶液相平均密度的计算。

由tD 80.49 C，查液体在不同温度下的密度表得：

33

A 813.5Kg/m B 808.9Kg/m

1

LDm

0.985813.5

0.015808.9

LDm 813.44Kg/m3

进料板液相平均密度的计算。

由tF 94.72 C，查液体在不同温度下的密度表得：

A 794.5Kg/m B 791.5Kg/m

3

3

aA

1

0.417 78.11

0.417 78.11 (1 0.417) 92.13

0.377794.5

0.623791.5

0.377

LFm

LDm 792.6Kg/m3

精馏段的平均密度为：

Lm (813.44 792.6)/2 803.03Kg/m

3

(5)液体平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算，即：

n

Lm

x

i

i

i 1

塔顶液相平均表面张力的计算。

由tD 80.49 C，查液体表面张力共线图得：

A 21.32mN/m B 21.52mN/m

LDm 0.987 21.32 (1 0.987) 21.52 21.32mN/m

进料板液相平均表面张力的计算。

由tF 94.72 C，查液体表面张力共线图得：

A

19.20mN/m B 21.12mN/m

LFm 0.417 19.2 (1 0.417) 21.12 20.32mN/m

精馏段平均表面张力为：

Lm (21.32 20.32)/2 20.82mN/m

(6)液体平均黏度计算

液相平均黏度依下式计算，即：

lg Lm

x

i

lg i

塔顶液相平均黏度的计算：

由tD 82.49 C，查气体黏度共线图得：

A 0.301mPa s B 0.315mPa s

lg LDm 0.987 lg0.301 0.013lg0.315

LDm 0.301mPa s

精馏段液相平均黏度的计算：

由tF 94.72 C，查气体黏度共线图得：

A 0.261Pa s B 0.271mPa s

lg LFm 0.417 lg0.261 0.583lg0.271

LFm 0.266mPa s

精馏段液相平均黏度为：

Lm (0.301 0.266)/2 0.284mPa s

4.2.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算

(1)塔径的计算

精馏段的气、液相体积流率为：

VS

VM

Vm

3600 VmLM

Lm

80.33 133.563600 2.93101.29 82.423600 803.03

1.017m/s

3

LS

3600 Lm

0.0029m/s

3

由umax C

L V

V

，式中C由C C20(

L20

)

0.2

求取，其中C20由筛板塔汽液负

荷因子曲线图查取，图横坐标为

LhVh

(

L V

)

2

(

0.0029 36001.017 3600

) (

803.032.93

)

2

0.0472

取板间距HT 0.4m，，板上液层高度hL 0.06m，则

HT hL 0.4 0.06 0.34m

查筛板塔汽液负荷因子曲线图得C20 0.070

C 0.070 (

L

20

)

0.2

0.070 (

20.8220

)

0.2

0.071

umax C

L V

V

0.0777

808.2 2.87

2.87

1.302m/s

取安全系数为0.7，则空塔气速为：

u 0.7 umax 0.7 1.173 0.821m/s

D

4VS

u

4 1.0173.14 0.821

1.256m

按标准塔径圆整后为D 1.4m。 塔截面积为：

AT 0.785D

2

0.785 1.4

2

1.593m

2

u

vSAT

1.0171.593

0.661m/s

(2)精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为：

Z精 （N精-1）HT （14-1） 0.4 5.2m

提馏段有效高度为：

Z提 （N提-1）HT （10-1） 0.4 3.6m

在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为：

Z Z精 Z提 0.8 5.2 3.6 0.8 9.6m

4.2.3.塔板主要工艺尺寸的计算

(1)溢流装置计算

因塔径D 1.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下： ① 堰长lw

m 取 lw 0.66D 0.66 1.4 0.924

② 溢流堰高度hw

由how hL how，选用平直堰，堰上液层高度how由下式计算，即：

how

2.841000

2.841000

E (

Lhlw)

)

2

2

3

近似取E=1，则how

1 (

0.0029 3600

0.924

0.014m

取板上清液层高度hL 60mm 故hw hL how 0.06 0.014 0.046m ③ 弓形降液管宽度Wd和截面积Af： 由

lw

D

0.66，查弓形降液管参数图得：

Af

AT

0.0722

Wd

D

0.124

则：Af 0.0722 1.539 0.111m2，Wd 0.124 1.4 0.1736m 验算液体在降液管中停留时间，即：

3600AfHT

Lh

3600 0.111 0.40.0029 3600

15.3s 5s

故降液管设计合理。

④ 降液管底隙的流速u'0 0.08m/s，则：

h0

Lh

3600lwu'0

0.0029 36003600 0.924 0.08

0.039m

hw h0 0.046 0.039 0.007m 0.006m

故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度h'w 50mm。 (2)塔板布置

① 塔板的分块。因D 800mm，故塔板采用分块式。查塔板块数表得塔板分为4块。

② 边缘区宽度确定：

取Ws W's 0.065m，Wc 0.035m

③ 开孔区面积计算。开孔区面积Aa计算为：

Aa 2(xr x

2

2

180

rsin

2 1

xr

)

) 0.511m 其中 x D2 (Wd Ws) 0.7 (0.124 0.065

r D2 Wc 0.7 0.035 0.665m 故 Aa 2 (0.511 0.6652 0.5112

3.14180

0.665

2

sin

1

0.5110.665

) 1.210m

2

④ 筛孔计算及其排列。由于苯和甲苯没有腐蚀性，可选用 3mm碳钢板，取筛孔直径d0 5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为：

t 3d0 3 5 15mm

筛孔数目n为：

n

1.155Aa

t2

1.155 0.210

0.015

2

6211个

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