精馏塔课程设计

目录

前言 (4)

设计思路 (5)

一. 概述 (7)

1.1精馏操作对塔设备的要求 (7)

1.2 精馏塔分类 (7)

1.2.1泡罩塔 (7)

1.2.2浮阀塔 (8)

1.2.3筛板塔 (8)

二．设计方案 (10)

2.1 装置流程的确定 (10)

2.2操作条件 (10)

三．设计任务 (11)

四简捷塔设计 (12)

4.1设计目的 (12)

4.2设计基本思路 (12)

4.3 物性分析 (12)

4.3.1组分性质 (12)

4.3.2 物性方法 (13)

4.4模型建立 (15)

4.4.1模块的选取 (15)

4.4.2 DSTWU的设定 (16)

4.4.3 运行结果 (18)

4.4.4 确定轻、重关键组分的收率 (18)

4.4.5 核算 (21)

4.5 本章小结 (25)

五．严格塔核算 (26)

5.1 设计目的 (26)

5.2 设计基本思路 (26)

5.3模型建立 (26)

5.3.1模块的选取 (26)

5.3.2 RADFRAC的设定 (26)

5.4 小结 (34)

六、塔水力学校核 (35)

6．1 计算思路 (35)

6．2 ASPEN水力学计算 (35)

6．3 塔的负荷性能图 (37)

6.3.1塔板负荷性能图介绍 (37)

6.3.2塔板负荷性能图绘制 (37)

6.4 本章小结 (44)

六设计结果一览表 (45)

七．总结 (47)

参考文献： (48)

附录（其它塔规格的符合性能图） (49)

前言

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精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。

塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。

本次设计就是针对苯和甲苯混合物体系，利用Aspen Plus模拟软件而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。

设计思路

首先要知道工艺计算要算什么？要得到那些结果？如何算？然后再进行下面的计算步骤。（参考）

其次要知道你用的软件（或软件模块）能做什么，不能做什么？你如何借助它完成给定的设计任务。

板式塔工艺计算步骤

1.物料衡算（手算）

目的：求解aspen 简捷设计模拟的输入条件。

内容：(1) 组份分割，确定是否为清晰分割；

(2)估计塔顶与塔底的组成。

得出结果：塔顶馏出液的中关键轻组份与关键重组份的回收率

参考：《化工原理》有关精馏多组份物料平衡的内容。

2.用简捷模块（DSTWU）进行设计计算

目的：结合后面的灵敏度分析，确定合适的回流比和塔板数。

方法：选择设计计算，确定一个最小回流比倍数。

得出结果：理论塔板数、实际板数、加料板位置、回流比，蒸发率等等RadFarce 所需要的所有数据。

3.灵敏度分析

目的：1.研究回流比与塔板数的关系（NT-R），确定合适的回流比与塔板数。

2.研究加料板位置对产品的影响，确定合适的加料板位置。

方法：可以作回流比与塔板数的关系曲线（NT-R），从曲线上找到你所期望的回流比及塔板数。

得到结果：实际回流比、实际板数、加料板位置。

4. 用DSTWU再次计算

目的：求解aspen塔详细计算所需要的输入参数。

方法：依据步骤3得到的结果，进行简捷计算。

得出结果：加料板位置、回流比，蒸发率等等RadFarce 所需要的所有数据。

5. 用详细计算模块（RadFrace）进行初步设计计算

目的：得出结构初步设计数据。

方法：用RadFrace 模块的Tray Sizing（填料塔用PAking Sizing），利用第4步（DSTWU）得出的数据进行精确设计计算。

主要结果：塔径。

6. 核算

目的：确定工艺计算的最后结果。

方法：对第5 步的计算结果（如：塔径等）按设计规范要求进行必要的圆整，用RateFrace 模块的Tray Rating（填料塔用PAking Sizing），对塔进行设计核算。

结果：塔工艺设计的所有需要的结果。

一. 概述

1.1精馏操作对塔设备的要求

精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

(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。

(５) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

(４) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

(６) 塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

1.2 精馏塔分类

根据塔内气、液接触构件的结构形式，塔设备可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔大致可分为两类：一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、舌形、S型、多降液管塔板等；另一类是无降液管的塔板，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，如筛板、浮阀、泡罩塔板等。

1.2.1泡罩塔

泡罩塔是应用最早的板式塔，是Celler于1813年提出的，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。泡罩的种类很多，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩塔的主要优点是：因升气管高出液层，不易发生漏液现象，操作弹性较大，液气比范

围大，适用多种介质，操作稳定可靠，塔板不易堵塞，适于处理各种物料；但其结构复杂，造价高、安装维修不便，且因雾沫夹带现象较严重，限制了起诉的提高，现虽已为其他新型塔板代替，但鉴于其某些优点，仍有沿用。

图1-1 泡罩塔

1.2.2浮阀塔

浮阀塔广泛用于精馏、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。

浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F－1型（V－1型）、V－4型、十字架型、和A型，其中F－1型浮阀结构较简单、节省材料，制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普遍应用，已列入部颁标准（JB －1118－81）。其阀孔直径为39mm，重阀质量为33g，轻阀为25g。一般多采用重阀，因其操作稳定性好。

F-1型 V-4型 A型

十字架型方形浮阀

图1-2浮阀塔板

1.2.3筛板塔

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，在本设计中设计该种塔型。

垂直筛板

图1-3筛板塔板

二．设计方案

2.1 装置流程的确定

精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

苯—氯苯混合液（原料）经预热器加热到指定温度后送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续的从再沸器取出部分液体气化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶或是自然回流作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品。塔釜采用间接蒸汽和再沸器共热。塔底产品经冷却后送入贮槽。

2.2操作条件

1.操作压力：精馏操作可在常压、减压和加压下进行。塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，根据本设计任务制定为塔顶压力为4kPa。

2.进料热状态：进料状态有5种，可用进料状态参数q值来表示。根据本设计任务制定为饱和液体进料，即q=1。

3.加热方式：蒸馏一般采用间接蒸汽加热，设置再沸器，但也可采用直接蒸汽加热。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提留段增加塔板以达到生产要求。

4.回流比的选择：对于一定的生产能力，即馏出量D一定时，V的大小取决于回流比。一般取操作回流比为最小回流比的1.1～2倍，即R＝()min

1.1R。

~

0.2

三．设计任务

常压操作连续筛板精馏塔设计，设计参数如下：

1、进料组份：苯41%、氯苯59%（质量分率）；

2、处理量：苯和氯苯混合液6000㎏/h；

3、进料热状态：饱和液相进料；

4、操作压力：4 kPa（塔顶表压）；

5、单板压降：≤0.7 kPa；

6、塔顶馏出液：苯量大于98%（质量分率）；

7、塔底釜液：苯量小于2%（质量分率）；

8、回流比：自选；建厂地址：内地；

9、全塔效率：E

=52% 。

T

四简捷塔设计

4.1设计目的

确定合适的回流比、理论板数。

4.2设计基本思路

根据设计任务中要求设计满足：塔顶馏出液苯含量大于98%（质量分率），塔底釜液苯量小于2%（质量分率）。这是一个分离范围，在Aspen Plus中要输入具体的某个值，所以两个指标很难同时达到。在建立简捷塔后，利用Aspen Plus 的进行以轻重关键组分的回收率为自变量，以X D、X W为因变量的灵敏度分析，选出一个可以同时达到塔顶馏出液苯量大于98%，塔底釜液苯量小于2%这2个指标的合适的操作点。

4.3 物性分析

4.3.1组分性质

1、苯，英文名称为Benzene，分子式C6H6，分子量78.11，相对密度（0.8794(20℃)）比水轻，且不溶于水，因此可以漂浮在水面上。苯的熔点是5.51℃，沸点为80.1℃，燃点为562.22℃，在常温常压下是无色透明的液体，并具强烈的特殊芳香气味。因此，苯遇热、明火易燃烧、爆炸，苯蒸气与空气混合物的爆炸限是1.4～8.0%。常态下，苯的蒸气密度为2.77，蒸气压

13.33kPa(26.1 ℃)。

苯是常用的有机溶剂，不溶于水，能与乙醇、氯仿、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、冰醋酸、丙酮、油等混溶，因此常用作合成化学制品和制药的中间体及溶剂。苯能与氧化剂发生剧烈反应，如五氟化溴、氯气、三氧化铬、高氯酸、硝酰、氧气、臭氧、过氯酸盐、(三氯化铝+过氯酸氟)、(硫酸+高锰酸盐)、过氧化钾、(高氯酸铝+乙酸)、过氧化钠等。

2、氯苯，英文名为Chlorobenzene，分子式C6H5Cl，分子量112.56，无色澄清液体。有苦杏仁气味。易折射。易挥发。遇日光即分解。略有麻醉性。易溶于乙醇、乙醚、苯和氯仿，不溶于水。相对密度(d204)1.107。熔点-45℃。沸点131～132℃。折光率(n20D )1.5248。闪点28℃。易燃、有毒。

4.3.2 物性方法

在Aspen Plus中选择适当的物性方法是比较重要的，物性方法的适当与否关系到模型的准确性。物系方法和模型的参数以及热力学数据基本来源于Aspen plus的数据库，某些参数则需要根据工业数据来进行调整。

物性方法的选择是有一定的准则的.根据不同的物性体系，体系中是否极性物质为主，以及电解质，压力的大小，是否存在气体等不同的条件来选取不同的物性方法。苯-氯苯可认为是理想系，故本文采用的物性方法是IDEAL模型。

图4-1苯-氯苯气液平衡数据

Aspen 中采用ideal热力学方法的数据

数据得出方法（Tools——>analysis——>property——>binary）

表1-1 aspen数据库提供的苯-氯苯气液平衡数据

序号温度X Y 序号温度X Y

1 405.111094 0 0 14 369.541594 0.5

2 0.8363041

2 401.015394 0.04 0.1422201 15 367.819404 0.56 0.8584389

3 397.24609

4 0.08 0.2606501 16 366.182334 0.6 0.8783141

4 393.767294 0.12 0.3600577 17 364.623504 0.64 0.8962239

5 390.546694 0.1

6 0.4441591 18 363.136754 0.68 0.9124162

6 387.556294 0.2 0.515836

7 19 361.716584 0.72 0.9271015

7 384.771594 0.24 0.57735 20 360.358034 0.76 0.9404592

8 382.171294 0.28 0.6304841 21 359.056664 0.8 0.9526428

9 379.736694 0.32 0.6766599 22 357.808424 0.84 0.9637845

10 377.451294 0.36 0.7170168 23 356.609684 0.88 0.9739983

11 375.300994 0.4 0.7524756 24 355.457124 0.92 0.9833832

12 373.273194 0.44 0.7837852 25 354.347734 0.96 0.9920254

13 371.356614 0.48 0.8115595 26 353.278524 1 1

通过上述数据，能得到如下图象：

图4-2 苯-氯苯体系的Txy图（实验值和计算值比较）

图4-3 苯-氯苯体系的xy图（实验值与计算值）

4.4模型建立

4.4.1模块的选取

Aspen Plus 精馏塔的模拟类型可以分为设计式和操作式模拟计算. 可以通过定义模型的回流比进行设计型计算，又可以定义塔板数进行操作型计。

Aspen Plus中有各种各样的塔模型来模拟精馏塔，其中最为常用的是DSTWU和RADFRAC两种模型。DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland简捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。

首先选取DSTWU模块确定精馏塔基本操作参数（回流比、塔板数）。

4.4.2 DSTWU的设定

图4-4 DSTWU模型图

1、进料参数FEED

图4-5 FEED参数

2、塔参数设置

DSTWU模型有四组模型设定参数:

（1）塔设定(Column specifications)

塔板数(Number of stages)；

回流比(Reflux ratio)>0，实际回流比，<-1，绝对值=实际回流比/最小回流比。

（2）关健组分回收率(Key component recoverie)

轻关健组分在馏出物中的回收率：馏出物中的轻关健组分/进料中的轻关健组分；

重关健组分在馏出物中的回收率：馏出物中的重关健组分/进料中的重关健组分。

（3）压力(Pressure)

冷凝器(Condenser)；

再沸器( Reboiler)。

（4）冷凝器设定(Condenser specifications)

全凝器(Total condenser)；

带汽相馏出物的部分冷凝器(Partial condenser with vapor distillate)；

带汽、液相馏出物的部分冷凝器(Partial condenser with vapor and liquid distillate)。

由于任务书中规定操作压力为4 kPa（塔顶表压），单板压降：≤0.7 kPa，故设再沸器压力为110kPa。取最小回流比的2倍故输入-2。定义轻重关键组分的回收率来确定分离要求，经过计算可得轻关键组分的回收率大概为0.9859重关键组分的回收率大概为0.0285。

图4-6 塔操作参数

4.4.3 运行结果

图4-7 运行结果表

由运行结果图可以看出，按上述塔的操作参数并不能达到分离任务，因此我们要重新设定塔的操作参数。而能改变的塔的参数只有轻、重关键组分的收率，因此我们要将轻、重关键组分的收率确定下来，以达到塔的分离任务。

4.4.4 确定轻、重关键组分的收率

利用Aspen Plus以轻、重关键组分的收率为自变量，以X

D 、X

W

为因变量的灵

敏度分析，选出一个可以同时达到塔顶馏出液苯量大于98%，塔底釜液苯量小于2%这2个指标的合适的操作点。

选择菜单树中的 Model Analysis—>Sensitivity点击New，新建敏感度分析s-1。

（1）、因变量的输入

在Define菜单下Flowsheet variable输入XD、XW。

图4-8 因变量XD的参数

的参数

图4-9 因变量X

W （2）、自变量的输入

点击vary，按截图输入参数。

图4-10 自变量重关键组分参数

图4-11 自变量轻关键组分参数（3）、运行结果的输出