苯与甲苯精馏塔课程设计

《化工原理课程设计》报告年处理5.4万吨苯-甲苯精馏装置设计学院：化学化工学院班级：应用化学101班姓名：董煌杰学号：10114308（14）指导教师：陈建辉完成日期：2013年1月17日序言化工原理课程设计是化学工程与工艺类相关专业学生学习化工原理课程必修的三大环节之一，起着培养学生运用综合基础知识解决工程问题和独立工作能力的重要作用。

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。

目录一、化工原理课程设计任书 (1)二、设计计算 (3)1）设计方案的选定及基础数据的搜集 (3)2) 精馏塔的物料衡算 (7)3) 塔板数的确定 (9)4) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (15)5) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (21)6) 塔板主要工艺尺寸的计算 (23)7) 塔板负荷性能图 (27)三、个人总结 (36)四、参考书目 (37)一、化工原理课程设计任务书1）板式精馏塔设计任务书1、设计题目：设计分离苯―甲苯连续精馏筛板塔2）设计任务及操作条件2、设计任务：物料处理量：5.4万吨／年进料组成：35％苯，苯-甲苯常温混合溶液（质量分率，下同）分离要求：塔顶产品组成苯≥95％塔底产品组成苯≤6%3、操作条件平均操作压力：101.3 kPa平均操作温度：93.7℃回流比：3.141单板压降：0.9kPa4、工时：300天/年24小时运行3）设计方法和步骤1、设计方案简介根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。

2、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）塔径计算及板间距确定（8）堰及降液管的设计（9）塔板布置及筛板塔的主要结构参数（10）塔板的负荷性能图（12）塔盘结构（13）塔高3、设计结果汇总4、设计评述4）参考资料⑴《化工原理课程设计》，贾绍义，柴诚敬主编，天津大学出版社，2002.8⑵《化工原理》下册，天津大学华工学院柴诚敬主编，高等教育出版社，2006.1⑶《化工原理课程设计》，大连理工大学化工原理教研室编，大连理工大学出版社，1994.7⑷《化工原理》第二版下册，天津大学化工学院柴诚敬主编，高等教育出版社，2010.6⑸《化工单元过程及设备课程设计》，匡国柱，史启才主编，化学工业出版社，2001.10⑹《传递过程与单元操作》下册，陈维杻主编，浙江大学出版社，1994.8⑺《化工原理课程设计指导》，任晓光主编，化学工业出版社，2009.1二、设计计算1）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。

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，易于加工，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。

下图是板式塔的简略图2-1：项目 分子式 分子量M 沸点（℃） 临界温度t C（℃） 临界压强P C （kPa ） 苯A 甲苯BC 6H 6 C 6H 5—CH 378.11 92.1380.1 110.6288.5 318.576833.4 4107.7温度C 080.1 85 90 95 100 105 110.6 0A P ,kPa 0B P ，kPa101.33 40.0116.9 46.0135.5 54.0155.7 63.3179.2 74.3204.2 86.0240.0温度C 080.1 85 90 95 100 105 110.6 液相中苯的摩尔分率 汽相中苯的摩尔分率1.000 1.0000.780 0.9000.581 0.7770.412 0.6300.258 0.4560.130 0.2620 0温度 80 90 100 110 120 苯，mN/m 甲苯，Mn/m21.2 21.720 20.618.8 19.517.5 18.416.2 17.3温度(℃) 80 90 100 110 120 苯,kg/3m 甲苯,kg/3m814 809805 801791 791778 780763 768表2-6 液体粘度µ温度(℃) 80 90 100 110 120 苯（mP a .s ）甲苯（mP a .s ） 0.3080.3110.279 0.2860.255 0.2640.233 0.2540.215 0.228温度t ℃液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率y110.56 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 80.80 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 80.01 100.0 100.02) 精馏塔的物料衡算（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率进料液苯的质量分数 =35%F ω 塔顶液苯的质量分数 =95%D ω 塔底液苯的质量分数 =6%W ω 苯的摩尔质量 =78.11/M kg mol 苯 甲苯的摩尔质量 =92.13/M kg mol 甲苯()()F F F //1-/F M x M M ωωω=+苯苯甲苯 ()()0.35/78.110.3880.35/78.111-0.35/92.13F x ==+()()//1-/D D D D M x M M ωωω=+苯苯甲苯 ()()0.95/78.110.9570.95/78.111-0.95/92.13D x ==+()()//1-/W W W W M x M M ωωω=+苯苯甲苯 ()()0.06/78.110.0700.06/78.111-0.06/92.13W x ==+（2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量(1)F F F M x M x M =⨯+-⨯苯甲苯0.38878.11(10.388)92.1386.68F M kg kmol =⨯+-⨯= (1)D D D M x M x M =⨯+-⨯苯甲苯0.95778.11(10.957)92.1378.71D M kg kmol =⨯+-⨯= (1)W W W M x M x M =⨯+-⨯苯甲苯0.07078.11(10.070)92.1391.15W M kg kmol =⨯+-⨯=（3）物料衡算年处理量：5.4万吨原料处理量,5400000086.5286.687200n F q kmol h ==⨯ 总物料衡算 ,,,n F n D n W q q q =+苯物料衡算,,,n F F n D D n W W q x q x q x ⨯=⨯+⨯联立（即采出率,,/()/()n D n F F W D W q q x x x x =--）解得： ,31.05/n D q kmol h = ,55.47/n W q kmol h =式中 ,n F q ------原料液流量,n D q ------塔顶产品量,n W q ------塔底产品量3) 塔板数的确定（1） 理论板层数T N 的求取苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

①由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出-x y 图，见下图 01020304050607080901000102030405060708090100图2-2苯一甲苯物系的气液平衡图②求最小回流比及操作回流比。

采用作图法求最小回流比。

液体为泡点进料，所以1q =。

在上图中对角线上，自点0.388,0.388（）作垂线，即为进料线(q 线)，该线与平衡线的交点坐标为0.388q x = 0.608q y =故最小回流比为min 0.9570.608 1.5880.6080.388qq D q x y R y x --===-- 取操作回流比为min 22 1.588=3.175R R ==⨯③求精馏塔的气、液相负荷,, 3.17531.0598.59n L n D q R q =⨯=⨯=kmol h,,(1)(3.1751)31.05129.64n V n D q R q kmol h =+⨯=+⨯=,',129.64/n V n V q q kmol h == （由于泡点进料）,',, 3.17531.05186.52185.11/n L n D n F q R q q q kmol h =⨯+⨯=⨯+⨯=④求操作线方程精馏段操作线方程为1 3.1750.9570.7600.22911 3.1751 3.1751D n n n n x R y x x x R R +=+=+=⨯+++++ 提馏段操作线方程为 ,',1,',185.1155.470.070 1.4280.030'129.64129.64n L n W m m w m m n V n q q y x x x x q q v +=-=-⨯=-根据两操作线方程可以做如下图： 01020304050607080901000102030405060708090100图2-3作图法求理论塔板数由上图可知精馏段为6块板，提馏段为4块板。