苯-乙苯精馏课程设计—

1、课 程 设 计 说 明 书 武 汉 工 程 大 学化工与制药学院课程设计说明书课题名称 苯-乙苯精馏装置工艺设计 专业班级 化学工程与工艺 学生学号 1206210427 学生姓名 张 章 学生成绩 指导教师 孙 炜 课题工作时间 2014-12-22至1月5日 化工与制药学院课程设计任务书专业： 化学工程与工艺 班级： 01班 学生姓名： 张章 发题时间： 2014 年 12 月 20 日一、 课题名称苯-乙苯精馏装置工艺设计二、 课题条件（文献资料、仪器设备、指导力量）文献资料：1 陈敏恒. 化工原理M. 北京：化学工业出版社，2002.2 王志魁. 化工原理第三版M. 北京：化学工业出版

2、社，2005.3 王国胜. 化工原理课程设计M. 大连：大连理工大学出版社，2005.4 路秀林. 塔设备设计M. 北京：化学工业出版社，2004.5 汪镇安. 化工工艺设计手册M. 北京：化学工业出版社，2003.6 王松汉. 石油化工设计手册(第3卷) M. 北京：化学工业出版社，2002.7 周大军. 化工工艺制图M. 北京：化学工业出版社，2005.8 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京：化学工业出版社，2002.9 汤善甫，朱思明. 化工设备机械基础M. 上海：华东理工大学出版社，2004.10 朱有庭, 曲文海, 于浦义. 化工设备设计手册上下卷M. 北京：化学

3、工业出版社, 2004.11. 贾绍义, 柴诚敬.化工原理课程设计M. 大连：天津大学出版社，2005.三、 设计任务某厂以苯和乙烯为原料，通过液相烷基化反应生成含苯和乙苯的混合物。经水解、水洗等工序获得烃化液。烃化液经过精馏分离出的苯循环使用，而从脱除苯的烃化液中分离出乙苯用作生成苯乙烯的原料。现要求设计一采用常规精馏方法从烃化液分离出苯的精馏装置。1. 确定设计方案 根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有生产的现场调查或对现有资料的分析对比，选定适宜的流程方案和设备类型，确定工艺流程。对选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。2. 主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、模

4、拟设计计算、设备的工艺尺寸计算及结构工艺设计。3. 典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。4. 绘制带控制点的工艺流程图 A2号图纸，以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量和主要化工参数测量点。5. 绘制主体设备工艺条件图 A1号图纸，图面上应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和管口表。四、 设计所需技术参数进料量9200kg/h的物料由20预热至压力为0.14Mpa下泡点状态下进料，进料组成（质量分数）：苯0.516、乙苯0.484。要求塔顶馏出苯液中，苯含量不低于98.5%（质量分数，下同），釜液中苯含量低于1.5%。塔顶馏

5、出液和釜液要求降至40。塔顶全凝器压力为常压0.1013MPa。全班以花名册序号顺序两人一组。第一组进料组成（质量分数）：苯0.596、乙苯0.404，组数增加1则苯的质量分数增加0.002、乙苯的质量分数减小0.002。第一组进料量为9250kg/h，组数增加1则流量增加50kg/h，以此类推，其它条件不变。五、 设计说明书内容1. 封面2. 任务书3. 成绩评定表4. 目录5. 概述（精馏操作对塔设备的要求、设计原则与步骤、精馏过程模拟计算方法）6. 工艺流程方案的说明和论证7. 精馏塔模拟设计计算及操作条件的选择（塔板数、进料位置、操作压力、回流比）8. 精馏塔主体工艺尺寸的计算及结构设

6、计（塔高、塔径、降液管及溢流堰尺寸、浮阀数或筛孔数及排列方式、塔板流动性能的校核及负荷性能图）9. 辅助设备的选型及计算(管路设计及泵、贮罐、再沸器、冷凝器选型)10. 设计结果概要(主要设备的特性数据，设计时规定的主要操作参数，各种物料的量和状态，能耗指标以及附属设备的规格、型号及数量)11. 对设计过程的评述和有关问题的讨论12. 主要符号说明13. 参考文献六、 进度计划1. 查阅文献资料，初步确定设计方案及设计内容，3天2. 根据设计要求进行设计，确定设计说明书初稿，2-3天3. 撰写设计说明书，2天4. 绘制工艺流程图及总装图、答辩，2-3天指导教师： 孙炜 20143 年 12 月

7、 20 日 学科部（教研室）主任： 杜治平 2014 年 12 月 20 日 化工与制药学院课程设计综合成绩评定表学生姓名学生班级设计题目张章化工01班苯-乙苯精馏装置工艺设计指导教师评语指导教师：孙炜 2014年12月20 日答辩记录答辩组成员签字： 记录人：年 月 日成绩综合评定栏设计情况答辩情况项 目权重分值项 目权重分值1、计算和绘图能力351、回答问题能力202、综合运用专业知识能力102、表述能力（逻辑性、条理性）103、运用计算机能力和外语能力104、查阅资料、运用工具书的能力55、独立完成设计能力56、书写情况（文字能力、整洁度）5综合成绩指导教师：孙炜 学科部主任：杜治平 2

8、014年12月20日 2014年12 月20日摘要：本设计对苯-乙苯分离过程筛板精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产工艺流程和方案进行了选择和确定。2、对生产的主要设备筛板塔进行了工艺计算设计,其中包括：精馏塔的物料衡算；塔板数的确定；精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；精馏塔的塔体工艺尺寸计算；精馏塔塔板的主要工艺尺寸的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理，能满足初步生产工艺的需要，有一定的实践指导作用。关键词：苯-乙苯；分离过程；精馏塔；回流比Abstract:the design of ben

9、zene toluene separation process of sieve plate distillation device is designed, mainly for the following work: 1, the main production process and scheme are analyzed and determined. 2, the main equipment for production of sieve plate tower process calculation and design, including material balance o

10、f distillation column count; determine the plate number of the distillation tower; process condition and calculation of relevant physical data; calculation of dimension of tower body process of the distillation tower; calculation of the main process dimension of tower plate the distillation tower. 3

11、, draw the production process flow chart and the distillation tower design conditions. 4, the questions of the design process are discussed and reviewed. The design simple, reasonable, can meet the need of preliminary production process, have a certain role in guiding practice. Keywords: benzene tol

12、uene separation; distillation column;目录一、概述- 7 -1.1精馏操求作对塔设备的要求- 7 -1.1.1塔设备的简介- 7 -1.1.2工业上对塔设备的要求- 7 -1.1.3 板式塔的分类- 7 -1.2苯和乙苯的主要物性数据- 7 -1.2.1苯、乙苯的物理性质- 8 -1.2.2苯、乙苯在某些温度下的表面张力- 8 -1.2.3苯、乙苯在某些温度下的粘度- 8 -1.2.4苯、乙苯的液相密度- 8 -1.3 设计原则与步骤- 8 -1.3.1设计原则- 9 -1.3.2设计步骤- 9 -二、工艺流程方案的说明和论证- 10 -2.1工艺流程方案的

13、说明- 10 -2.1.1设计方案简介- 10 -2.1.2塔型的选择- 10 -2.2设计的依据与技术来源- 11 -三、精馏塔模拟设计计算及操作条件的选择- 11 -3.1精馏塔的物料衡算与操作线方程- 11 -3.1.1精馏塔的物料衡算- 11 -3.1.2最小回流比- 12 -3.1.3操作线方程- 14 -3.2塔板效率和实际塔板数- 15 -3.2.1塔顶、进料、塔釜温度的计算- 15 -3.2.2相对挥发度的计算- 16 -3.2.3塔顶、塔釜温度下的粘度- 17 -3.2.4实际塔板数- 17 -3.3精馏塔的操作条件- 18 -3.3.1操作压力- 18 -3.3.2操作温度

14、- 18 -3.3.3平均摩尔质量- 18 -3.3.4平均密度- 19 -3.3.5液体平均表面张力- 20 -四、精馏塔主体工艺尺寸的计算及结构设计- 21 -4.1精馏塔塔径- 21 -4.1.1精馏段塔径- 21 -4.1.2提馏段塔径- 22 -4.2精馏塔塔高- 22 -4.3降液管及溢流堰尺寸- 23 -4.3.1降液管及溢流堰尺寸- 23 -4.3.2筛孔数及排列方式- 24 -4.4塔板流动性能的校核- 25 -4.4.1板压降的校核- 25 -4.4.2液沫夹带的校核- 26 -4.4.3溢流液泛条件的校核- 26 -4.5塔板的负荷性能图- 27 -4.5.1漏液线- 2

15、7 -4.5.2液沫夹带线- 28 -4.5.3液相负荷下限线- 29 -4.5.4液相负荷上限线- 29 -4.5.5液泛线- 29 -五、辅助设备的选型及计算- 31 -5.1管路设计- 31 -5.1.1进料管- 31 -5.1.2回流管- 32 -5.1.3塔顶蒸汽接管- 32 -5.1.4塔釜进气管- 32 -5.1.5釜液排出管- 33 -5.1.6塔顶产品出口管径- 33 -5.2板式塔的结构- 33 -5.2.1简体- 33 -5.2.2封头- 34 -5.2.3塔顶空间HD- 34 -5.2.4进料空间高度HF- 34 -5.2.5塔釜高度HB- 34 -5.2.6人孔- 3

16、4 -5.2.7支座- 35 -5.2.8塔高- 35 -5.3辅助设备的选型- 35 -5.3.1冷凝器- 35 -5.3.2进料处预热- 36 -5.3.3再沸器- 36 -5.3.4泵的计算及选型- 37 -六、设计结果汇总- 38 -七、设计小结与体会- 39 -八、主要符号说明- 40 -九、参考文献- 41 -一、概述1.1精馏操求作对塔设备的要求 1.1.1塔设备的简介塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量踏板，气体以鼓泡活喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，

17、属逐级接触逆流操作过程。填料塔内有定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上（也有并流向下者）与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。1.1.2工业上对塔设备的要求（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（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，材料消耗少；（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。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔

18、型。在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。1.1.3 板式塔的分类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。1.2苯和乙苯的主要物性数据1.2.1苯、乙苯的物理性质项目分子式分子量沸点临界温度临界压强Pa苯AC6H678.1180.1288.56833.4乙苯BC8H10106

19、.16136.2348.574307.71.2.2苯、乙苯在某些温度下的表面张力t/2040608010012014028.826.2523.7421.2718.8516.4914.1729.327.1425.0122.9220.8518.8116.821.2.3苯、乙苯在某些温度下的粘度t/0204060801001201400.7420.6380.4850.3810.3080.2550.2150.1840.8740.6660.5250.4260.3540.3000.2590.2261.2.4苯、乙苯的液相密度t/20406080100120140877.4857.3836.6815.079

20、2.5768.9744.1867.7849.8831.8813.6795.2776.2756.71.3 设计原则与步骤1.3.1设计原则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

21、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

22、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。1.3.2设计步骤 确定设计方案； 平衡级计算和理论塔板的确定； 塔板的选择； 实际板数的确定； 塔体流体力学计算； 管路及附属设备的计算与选型； 撰写设计说明书和绘图。二、工艺流程方案的说明和论证2.1工艺流程方案的说明2.1.1设计方案简介本项目是设计苯-乙苯体系生产工艺的设计。分为精馏塔的设计，换

23、热器的设计，阀门等带控制点的设备的设计。设计的主要内容为精馏塔的设计，换热器的选型以及带控制点的流程图的绘制。精馏塔的设计流程为原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各

24、项参数。换热器的选型主要为换热器的热量衡算以及其选型。原料预热器的热量主要通过再沸器中的蒸汽经过冷却下来的水，通过控制温度到达原料预热器的所需温度，用以加热，出去的水用来作为塔顶冷却器的冷却水，通过这样的循环，可以减少工厂运行的成本。设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，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1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。加料方式采用直接流入塔内，采用泡点进料，即热状态参数q=1.0。2.1.2塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是结构比浮阀

25、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。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。塔板效率高，比泡罩塔高15左右。压降较低。缺点是塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。2.2设计的依据与技术来源本设计依据于精馏的原理（即利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离），并在满足工艺和操作的要求，满足经济上的要求，保证生产安全的基础上， 对设计任务进行分析并做出理论计算。三、精馏塔模拟设计计算及操作条件的选择3.1精馏塔的物料衡算与操作线方程3.1.1精馏塔的物料衡算通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间

26、的体系。物料衡算主要解决以下问题：（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量；（2）在加料热状态 q 和回流比R选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量；（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程， 通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。通常，原料量和产量都以 kg/h 或吨/年来表示，但在理想板计算时均须转换为kmol/h。在设计时，汽液流量又须用m3/s来表示。因此，要注意不同的场合应使用不同的流量单位。总物料： F =

27、D + W 3-1易挥发组分：FxF=DxD+WxW 3-2已知原料处理量F=9650kg/h=108.435kmol/h，进料组成（质量分数）：苯 0.612、乙苯 0.388。要求塔顶流出液中，苯含量不低于98.5%（质量分数，下同），釜液中苯含量低于1.5%。苯的摩尔质量：78.11g/mol，乙苯的摩尔质量：106.16g/mol。则有： XF=0.612/78.110.612/78.11+0.388/106.16=0.6819 XD=0.985/78.110.985/78.11+0.015/106.16=0.9889 XW=0.015/780.015/78.11+0.985/106.

28、16=0.0203式中 F、D、W分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；XF、XD、XW 分别为原料液、 馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。由（3-1）、（3-2）式得：D=FXF-XWXD-XW=0.6819-0.02030.9889-0.0203=74.066kmol/h；W=FXD-XFXD-XW=0.9889-0.68190.9889-0.0203=34.369kmol/h。3.1.2最小回流比由化工手册查得苯和乙苯的t-x-y关系，并由Excel作图得：T/xy 80.111 840.860.974880.740.939920.6350.906960.5410.8641

29、000.4850.8161040.40.81080.3180.7110.60.2780.6541150.2170.5711200.1560.4631250.1030.3441300.0550.2051350.010.042136.200 由Excel作图有：图3.1 苯-甲苯气液平衡曲线图3.2苯-甲苯泡点露点曲线采用作图法法确定最小回流比，在图3.1中作垂线x=0.6819，与平衡线的交点为： xq=0.6819 yq=0.9183故最小回流比Rmin=xD-yqyq-xq=0.9889-0.91830.9183-0.6819=0.2986操作回流比取最小回流比的1.5倍,有R=1.5Rmi

30、n=0.44793.1.3操作线方程（1）精馏段上升蒸汽量：V=R+1D=0.4479+174.066=107.240kmol/h下降蒸汽量：L=RD=0.447974.066=33.174kmol/h操作线方程：yn+1=LVxn+DVxD=33.174107.240xn+74.066107.2400.9889 =0.309xn+0.683 xn精馏段内第 n 层板下降液体中易挥发组分的摩尔分率； yn+1精馏段内第 n+1 层板上升蒸汽中易挥发组分的摩尔分率。（2）提馏段 上升蒸汽量：V，=R+1D-1-qF=0.4479+174.066=107.240kmol/h 下降蒸汽量：L，=RD

31、+qF=0.447974.066+1108.435=141.609kmol/h 操作线方程：yn+1=L+qFL+qF-Wxn-WL+qF-WxW =33.174+1108.43533.174+1108.435-34.369xn-34.36933.174+1108.435-34.3690.0203 =1.320xn-0.00650作图得： 由拟合趋势线方程得如下数据：ynxn10.98890.93742320.9729390.86807830.9514830.78480640.9257190.69823650.8989340.62172360.8144230.44881370.5861120.

32、23099880.298510.08165590.1013170.031552100.0351620.012597表3.1由数据可知：x5=0.621723xF=0.6819，x10=0.0125975s提馏段液体在降液管的停留时间，=AfHTLS2=0.0960.40.00493=7.79s5s故降液管设计合理。（3） 降液管底隙高度ho=LSlwu0，取u0，=0.08m/s则精馏段ho=0.0010.840.08=0.015mhw-ho=0.0625-0.015=0.052m0.006m取u0，=0.12m/s提馏段ho，=0.004930.840.12=0.0489mhw-ho=0.0625-0.0489=0.0135m0.006m故设计合理。选用凹形受液盘，深度hw，=50mm4.3.2筛孔数及排列方式取出口安定区宽度Ws=Ws，=0.06m，Wc=0.04m又有效传质区面积 Aa=2(xr2-x2+r2