苯――甲苯筛板精馏塔的设计

1、滨州学院课程设计任务书专业 ： 化学工程与工艺 班级 ： 2009级化工1班 学生姓名 吴国玲 发题时间： 2011 年 12 月 10 日一、设计题目 分离苯甲苯混合液的筛板式精馏塔工艺设计二、设计参数1.设计规模：苯甲苯混合液处理量6万t/a2.生产制度：年开工300天，每天三班8小时连续生产3.原料组成：苯含量为33（质量百分率，下同）4.进料状况：含苯33%的苯-甲苯常温混合溶液5.分离要求：塔顶苯含量不低于96%，塔底苯含量不大于0.56.建厂地区：大气压为760mmHg、自来水年平均温度为208.厂址：滨州地区三、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

2、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课程设计任务书课程设计成绩评定表中英文摘要目录设计计算与说明设计结果汇总小结参考文献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

3、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

4、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。五、设 计 要 求 ： 1. 完成该精馏塔的工艺设计（包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计算）。2. 画出带控制点的工艺流程图、塔板负荷性能图、精馏塔工艺条件图。3. 写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。目 录一、设计题目 分离苯甲苯混合液的筛板式精馏塔工艺设计1二、设计参数1三、设计内容（包括设计、计算、实验、应绘图纸等根据目录列出大标题即可）1四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）2五、设 计 要 求 ：3符号说明3摘 要4第一章 综述51.1精馏原理及其在

5、工业生产中的应用51.2精馏操作对设备的要求51.3常用板式塔类型及本设计的选型及其特性5第二章 工艺条件的确定和说明52.1确定操作压力52.2确定进料状态62.3确定加热剂和加热方式62.4确定冷却剂及其进出、口温度6第三章 流程的说明及设计63.1流程的说明63.2设计内容6第四章 塔板的工艺设计74.1 基础物性数据74.2 物料衡算74.3 平衡线方程的确定84.4 q线的确定94.5 R的确定94.6 求精馏塔的气液相负荷104.7操作线方程104.8用逐板法算理论板数114.9实际板数的求取114.10 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算124.10.1 进料温度的计算124.

6、10.2 操作压强134.10.3 平均摩尔质量的计算144.10.4 平均密度计算144.10.5 液体平均表面张力计算154.10.6 液体平均粘度计算164.11 精馏塔工艺尺寸的计算164.11.1 塔径的计算164.11.2精馏塔有效高度的计算174.12 塔板主要工艺尺寸的计算184.12.1溢流装置计算184.12.2筛孔数目、筛板排列及塔板布置194.13塔板流体力学验算204.13.1计算气相通过筛板塔板的静压头降相当的液柱高度hp204.13.2雾沫夹带量的eV验算214.13.3漏液验算224.13.4液泛验算224.14塔板负荷性能图234.14.1精馏段234.15小

7、结27第五章 辅助设备275.1冷凝器的选型275.2塔底再沸器的选型295.3泵的计算及选型29第六章 塔附件设计306.1接管306.1.1进料管306.1.2回流管306.1.3塔底出料管306.1.4塔顶蒸气出料管316.1.5塔底进气管316.2人孔316.3.筒体与封头316.4高度的设计32第七章 设计结果汇总33第八章 结束语34第九章 致谢34参考文献35摘 要本设计是以苯甲苯物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离苯和甲苯。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系苯甲苯的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等，是较完整的精馏设计过程。通过计算得出理论板数为

8、19块，回流比为2.69,算出塔效率为0.545，实际板数为31块，进料位置为第13块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.4米，有效塔高12.6米，筛孔数（提馏段每块3064）。通过筛板塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。关键词：苯、甲苯、二元精馏、筛板、精馏塔第一章 综述1.1精馏原理及其在工业生产中的应用精馏的基本原理是多次部分气化，多次部分冷凝。工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。1.2精馏操作对设备的要求1. 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的

9、现象。2. 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。3. 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。4. 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。5. 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。6. 塔内的滞留量要小。 1.3常用板式塔类型及本设计的选型及其特性 常用的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。根据此次设计任务本设计选用的是筛板塔。筛板塔

10、结构简单，易于加工，处理能力大， 塔板效率高，压降较低。第二章 工艺条件的确定和说明2.1确定操作压力 由于苯甲苯体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压其中塔顶压力为 塔底压力2.2确定进料状态本次设计是苯和甲苯筛板精馏塔的设计，采冷液体进料2.3确定加热剂和加热方式 精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于苯甲苯体系中，苯是轻组分，甲苯由塔底排出，且甲苯的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。2.4确定冷却剂及其进出、口温度冷却剂选用冷凝水，费用较

11、低，其进出口温度分别为20和30。 第三章 流程的说明及设计3.1流程的说明 原料液由原料泵送入精馏塔内，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）再沸器中的液体部分汽化，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，并用回流泵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。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表，以测量物流的各项系数。3.2设计内容设计方案的确定：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热方式：塔底间接加热，塔顶全凝；。工艺计算：（1

12、）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确定；（4）理论塔板数的确定。3. 塔板及其塔的主要尺寸的设计：（1）塔板间距的确定；（2）塔径的确定； （3） 塔板的布置及其板上流流程的确4. 流体力学的计算及其有关水力性质的校核。板式精馏塔辅助设备的选型。绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。第四章 塔板的工艺设计4.1 基础物性数据 表1-1 苯、甲苯的粘度温度020406080100120苯0.6380.4850.3810.3080.2550.215甲苯0.7580.580.4590.3730.3110.2640.228表1-2 苯、甲苯的密度温度020406080100120苯-8

13、77.4857.3836.6815.0792.5767.9甲苯885.6867.0848.2829.3810.0790.3770.0表1-3 苯、甲苯的表面张力温度020406080100120苯 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.49甲苯30.8928.5426.2223.9421.6919.4917.34表1-4 苯、甲苯的摩尔定比热容温度050100150苯 72.789.7104.8118.1甲苯93.3113.3131.0146.6表1-5 苯、甲苯的汽化潜热温度20406080100120苯 431.1420.0407.7394.1379.3363.

14、2甲苯 412.7402.1391.0379.4367.1354.24.2 物料衡算 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量为：78kg/kmol 甲苯的摩尔质量为： 92kg/kmol 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量MF=0.367578(1-0.3675)92=86.86kg/kmolMD=0.965978(10.9659)92=78.48kg/kmolMW=0.78(10.)92=91.92kg/kmol则可知：原料的处理量：F=/(3002486.86)=95.941kmol/h 物料衡算 由总物料衡算： F= D+W易挥发组分物料衡算: 解得： W=36.1382km

15、ol/h D=59.8018kmol/hA的回收率B的回收率 4.3 平衡线方程的确定平均相对挥发度的求算：参考化工原理(下)例1-1附表1（2） 平衡线方程 4.4 q线的确定q的求算查t-x-y图得：时泡点温度为79.2，则由课本附录十七查得：57.5时，苯和甲苯的比热容为泡点进料下汽化潜热 苯： 甲苯：q线方程:4.5 R的确定的确定平衡线方程：q方程：由得，的确定4.6 求精馏塔的气液相负荷精馏段：提留段：4.7操作线方程精馏段操作线方程为：即：提馏段操作线方程为：即：4.8用逐板法算理论板数同理可算出如下值：所以总理论板数为16块（包括再沸器），精馏段理论塔数为6块，第7块板上进料提

16、留段理论塔板数为10块。4.9实际板数的求取由苯与甲苯不同温度下的平衡组成作出其二元液相图。由图可知对应的温度为塔底温度，查得为。对应的温度为塔顶温度，查得为这样，平均塔温为。由经验式式中，m加料液体的平均粘度,为塔顶及塔底平均温度时的数值。在苯的粘度：厘泊； 甲苯的粘度：厘泊加料液体的平均粘度：厘泊。精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 4.10 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算物性数据数据的查取和估算对于工艺设计计算非常重要，精馏塔设计中主要的物性数据包括啊：密度、粘度、比热容、汽化潜热、和表面张力。4.10.1 进料温度的计算利用表3-1中数据由拉格朗日插值可求得、。进料口： , =9

17、5.47塔顶：，=80.81塔釜：，=110.33精馏段平均温度提馏段平均温度 4.10.2 操作压强取塔顶表压为0Kpa。塔顶操作压力 每层塔板压降 ，一般0.4-0.7kPa，浮阀塔板的压降为0.2650.53kPa，筛板的小于浮阀塔板，泡罩的大于浮阀塔板。进料板压力 塔底操作压力精馏段平均压力 提馏段平均压力 4.10.3 平均摩尔质量的计算精馏段平均温度=88.14液相组成：，=0.63气相组成 ：，=0.809所以 kg/kmol kg/kmol 4.10.4 平均密度计算精馏段平均温度=88.14提留段平均温度精馏段液相密度气相密度提留段液相密度气相密度4.10.5 液体平均表面张

18、力计算依公式=，得由 查手册,用内插法求得 由 查手册,用内插法求得： 由查手册得： 精馏段平均表面张力： 提馏段平均表面张力： 4.10.6 液体平均粘度计算塔顶液相平均的黏度：由 查表得： 进料板液相平均黏度：由 查表得： 同理可得塔釜液相平均黏度：由 查表得：同理可得4.11 精馏塔工艺尺寸的计算4.11.1 塔径的计算精馏段塔径计算 选板间距，取板上液层高度 .，故以为横坐标查史密斯关联图得到取安全系数为，则空塔速度为塔径： 按标准塔径圆整为 ，则空塔气速为提馏段塔径计算取板间距 板上液层高度，故 以为横坐标查史密斯关联图得到取安全系数为，则空塔速度为塔径： 按标准塔径圆整为 ，则空塔

19、气速为 4.11.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为全塔共设2个人孔，为,进料板处塔间距为，故精馏塔的有效高度为4.12 塔板主要工艺尺寸的计算4.12.1溢流装置计算精馏段：因塔径D=1.4m可采用单溢流、弓形降液管、凹形受液盘及平直堰，不设进口堰。各项计算如下：（1）溢流堰长取堰长为0.65D，即（2）溢流堰堰高hw查手册得，取E=1.0，则取板上清液层高度 故 同理提留段的为：；（3）降液管的宽度Wd和降液管的面积由，查图得故 液体在降液管中停留时间 同理提留段的为：故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速为0.15m/s依式156计算降液

20、管底隙高度h0，即：，则规整为：同理提留段的为：；故降液管底隙高度设计合理4.12.2筛孔数目、筛板排列及塔板布置（1）精馏段塔板的分块本设计塔径为，因，故塔板采用分块式。由文献（一）查表5-3得，塔板分为4块。（2）边缘区宽度确定 取 （3）开孔区面积计算 其中： 故 同理提留段的为：（4）筛孔数计算及其排列取,一般碳钢板厚度为，故取精馏段：气体通过筛孔的气速：同理提馏段的为：此开孔率在5%-15%范围内，符合要求。所以这样开孔是合理的。4.13塔板流体力学验算4.13.1计算气相通过筛板塔板的静压头降相当的液柱高度hp精馏段：按式计算。(1) 干板静压头降相当的液柱高度依查手册，得同理提留

21、段的为：(2) 塔板上含气液层静压头降相当的液柱高度同理提留段的为：查图4-16充气系数和动能因子间关系，得，则同理提留段的为：(3)液体表面张力所造成的静压头降相当的液柱高度 同理提留段的为：换算成单板压降(设计允许值)同理可得提馏段：换算成单板压降(设计允许值)4.13.2雾沫夹带量的eV验算精馏段：故设计符合下不会发生过量雾沫夹带同理提馏段：故设计符合下不会发生过量雾沫夹带4.13.3漏液验算筛板稳定性系数同理提馏段：筛板稳定性系数4.13.4液泛验算为了防止液泛，按式：，取校正系数，选定板间距,故从而可知，符合防止液泛的要求。同理提馏段：从而可知，符合防止液泛的要求。根据以上塔板的各项

22、流体力学验算，可以认为提馏段精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的4.14塔板负荷性能图4.14.1精馏段a. 雾沫夹带线（l）ev =0.1kg液/kg气为限，求VsLs关系：同理提留段的为：其中，则同理提留段的为：，同理提留段的为：；则整理得：同理提留段的为：在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表Ls m3/s0.00010.00050.0010.0015Vs m3/s2.762.692.632.58Vs2 m3/s2.772.72.642.59b 液泛线 则整理得：同理提留段的为：在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs的值，计算结果如下表Ls m3/s0.000

23、10.00010.0010.0015Vs m3/s3.753.73.653.6Vs2 m3/s3.653.63.563.52c 液相负荷上限线 以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限d漏液线据式其中：，则整理得：同理提留段的为：在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表Ls m3/s0.00010.00050.0010.0015Vs m3/s0.780.800.810.83Vs2 m3/s0.770.780.800.81e 液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，由式得: 同理

24、提留段的为：据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线精馏段负荷性能图在负荷性能图上，做出操作线，有图可看出，该晒版的操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。有图查得则操作弹性为提留段负荷性能图在负荷性能图上，作出操作线。由上图可看出，该筛板的操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。由图查得；则操作弹性为4.15小结1. 从精馏段提馏段的塔板负荷性能图中可看出，按生产任务规定的气相和液相流量所得到的操作点P在适宜操作区的适中位置，说明塔板设计合理。2. 因为液泛线在雾沫夹带线的上方，所以塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液线控制。3. 塔板的操作弹性在合理的范围(35)之内，由此

25、也可表明塔板设计是合理的。第五章 辅助设备5.1冷凝器的选型表21苯甲苯的蒸发潜热与临界温度物质沸点0C蒸发潜热KJ/Kg临界温度TC/K苯80.1393.9288.5甲苯110.63363318.57取进口（冷却水）温度为t1=20(当地)冷却水出口温度一般不超过40，否则易结垢，取出口温度t2=30。泡点回流温度：塔顶热量衡算：依式，其中：塔顶回流液为饱和回流液且由气态变为液态，则，所以 ,取,则:取安全系数为0.8，实际面积选浮头式换热器，其具体参数见表3-2：名称公称直径Dg/mm管程数中心排管数管子尺寸规格50021119mm2mm名称管长l/mm管程流通面积/m2计算换热面积/m2

26、管子总数规格45000.021554.12065.2塔底再沸器的选型塔釜产品由温度110的液体加热到温度110的蒸汽，发生相变采用饱和水蒸气由160的蒸汽到160的液体，发生相变由塔底再沸器的热负荷取安全系数为0.8，实际面积 选浮头式换热器，其具体参数见表3-2：名称公称直径Dg/mm中心排管数管程数N管子尺寸规格60011225mm2mm名称管长l/mm管程流通面积/m2计算换热面积/m2管子总数规格45000.031168.21985.3泵的计算及选型1. 进料泵原料液流量进料液在时苯的密度为体积流量，由此查表选择型号为的单机单吸离心泵。2.回流泵同理回流液流量由此选用型号的单机单吸离心

27、泵。第6章 塔附件设计6.1接管6.1.1进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、T型进料管、弯管进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下：时的进料 取， 故查图管子规格为热轧钢管6.1.2回流管采用直管回流管，取。故管子规格为热轧钢管6.1.3塔底出料管,取，直管出料则： 故管子规格为热轧钢管6.1.4塔顶蒸气出料管直管出气，取出口气速。故管子规格为热轧钢管6.1.5塔底进气管采用直管取气速，则故管子规格为热轧钢管6.2人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于人进出任何一层塔板。由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔1020

28、块板才设一个孔，本塔中共31块板，需设置2个人孔，每个人孔直径为700mm，板间距为400mm,人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形状及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。6.3.筒体与封头（1）筒体壁厚选6mm,采用材质为A3（2）封头封头分为椭圆形.蝶形等几种，由公称直径D=1800mm,可查得曲面高h=450mm 6.4高度的设计塔顶空间：；塔底空间：；塔座为2.5m；塔顶封头为;进料板处板间距为；人孔数为2，每个人孔直径为700mm，板间距为400mm,在塔顶部有一个，则塔总高为 第七章 设计结果汇总序号 项目精馏段提馏段1平均温度 tm

29、88.14102.92平均压力 Pm kPa105.5113.23气相流量 Vs m3/s1.0551.2944液相流量 Ls m3/s0.002790.007235实际塔板数12196有效段高度 Z m4.47.27精馏塔塔径 m1.41.48板间距 m0.40.49溢流形式单溢流单溢流10降液管形式弓形弓形11堰长 m0.910.9112堰高 m0.03590.0334513板上液层高度0.050.0514堰上液层高度 m0.01410.0265515降液管底隙高度 m0.02040.024716安定区宽度 m0.10.117边缘区宽度 m0.060.0618开孔区面积 m21.5241.52419筛孔直径 m0.00