(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)
设计题目：分离苯-甲苯混合液的筛板精馏塔
学院：化学化工学院
专业班级：工艺104
指导老师：葛元元
设计时间：2013年7月12日-16日
前言
不知不觉大三最后一个学期即将结束。经过三年的学习，我们已经系统掌握了关于化工专业各方面的基础知识及专业知识；其中包括有机、无机、分析、物理化学四大化学、CAD机械工程绘图、化工仪表、化工设备基础、化工热力学、化工原理等课程。可以说知识越学越系统，越来越接近实际工程应用。
如今，在老师的指导下，我们进行了关于化工原理的课程设计。本次设计的目的是为了把我们大学里所学过的理论知识连串起来，并将它们运用到实际应用中，加深对知识的理解及应用能力。
本次设计的任务是设计用于分离苯-甲苯混合液的筛板式精馏塔。设计过程中，我们认真分析研究，考虑到实际生产中的经济效益问题及绿色环保问题，经过大量的工艺计算及理论确定，最终选用了筛板式精馏塔，并于常压下用直接蒸汽加热法进行分离操作；设计出了一套比较接近实际的精馏塔装置。
在设计过程中，由于我们所掌握的知识比较有限，且时间比较紧迫，所以设计方案及方法难免有些缺陷，在此我们恳请老师给予理解及指导，以使我们更早更快掌握解决实际工程问题的捷径！
目录
第一章设计任务 .......................................................................................................................................
1.1.2 设计条件 .............................................................................................................................
1.1.3 设计任务 .............................................................................................................................
1.2 设计方案的确定 ............................................................................................................................
1.2.1 选择塔型 .............................................................................................................................
1.2.2 精馏方式 .............................................................................................................................
1.2.3 操作压力 .............................................................................................................................
1.2.4 加热方式 .............................................................................................................................
1.2.5 工艺流程 .............................................................................................................................第二章筛板式精馏塔的工艺设计 .............................................................................................................
2.1 精馏塔的工艺计算 ........................................................................................................................
2.1.1 苯和甲苯的汽液平衡组成 .................................................................................................
2.1.2.精馏塔的物料衡算 ..............................................................................................................
2.2回流比及理论塔板的确定 .............................................................................................................
2.3板效率及实际塔板数的确定 ........................................................................................................
2.4操作方程的确定 ............................................................................................................................
2.5 精馏段物性数据计算 ...................................................................................................................
2.5.1.定性组成 ...........................................................................................................................
2.5.2.平均分子量 .......................................................................................................................
2.5.
3.平均密度 ...........................................................................................................................
2.5.4. 精馏段液体表面张力 .....................................................................................................
2.5.5. 液体平均粘度 .................................................................................................................
2.5.6. 气液体积流率的计算 .....................................................................................................
2.6 提留段物性数据计算 ...................................................................................................................
2.6.1.定性组成 ...........................................................................................................................
2.6.2.平均分子量 .......................................................................................................................
2.6.
3.平均密度 ...........................................................................................................................
2.6.4.提馏段液体表面张力 .......................................................................................................
2.6.5.液体平均粘度 ...................................................................................................................
2.6.6. 气液体积流率的计算 .....................................................................................................第三章塔和塔板主要工艺尺寸计算 .......................................................................................................
3.1 塔板横截面的布置计算 ................................................................................................................
3.1.1精馏段 ................................................................................................................................
3.2 塔板负荷性能图 ............................................................................................................................
3.2.1 过量液沫夹带线 .................................................................................................................
3.2.2溢流液泛线 ........................................................................................................................
3.2.3液相下限线 ........................................................................................................................
3.2.4漏液线（气相负荷下限线） ............................................................................................
3.2.5液相下限线 ........................................................................................................................
3.2.6操作线 ................................................................................................................................
3.3提馏段 ............................................................................................................................................
3.2.1过量液沫夹带线 ..................................................................................................................
3.2.2溢流液泛线 ........................................................................................................................
3.2.3液相上限线 ........................................................................................................................
3.2.4漏液线（气相负荷下限线） ............................................................................................
3.2.5液相下限线 ........................................................................................................................
3.2.6操作线 ................................................................................................................................第四章精馏塔的附属设备及选型 ...........................................................................................................
4.1．辅助设备 ...................................................................................................................................
4.2．辅助设备的选型 .......................................................................................................................
4.2.1塔顶冷凝器的选型 ..............................................................................................................
4.2.2塔底冷却器的选择 ..............................................................................................................
4.2.3再沸器的选型 ......................................................................................................................
4.3管路计算 .........................................................................................................................................
4.3.1塔顶蒸气管路 ....................................................................................................................
4.3.2塔顶冷凝水管路 ................................................................................................................
4.3.3塔顶液相回流管路 ............................................................................................................
4.3.4加料管路 ............................................................................................................................
4.3.5塔釜残液流出管 ................................................................................................................
4.3.6塔顶馏出液管路 ................................................................................................................
4.4输送泵的选取 ................................................................................................................................
4.4.1泵的分类 ............................................................................................................................
4.4.2选泵原则 ............................................................................................................................
第五章塔高的设计计算 .............................................................................................................................
5.1塔高的确定 ....................................................................................................................................
5.2塔顶空间的确定 ............................................................................................................................
5.3塔底空间的确定 ............................................................................................................................
5.4有效塔高的确定 ............................................................................................................................
5.5塔顶封头的确定 ............................................................................................................................
5.6裙座高度的确定 ............................................................................................................................
5.7人孔 ................................................................................................................................................第六章筛板塔的主要设计参数工艺参数汇总 .........................................................................................
6.1全塔工艺设计结果总汇 ................................................................................................................参考文献 .......................................................................................................................................................
第一章设计任务
1.1任务
苯-甲苯精馏塔设计
1.1.2 设计条件
处理量 4000kg/
塔型筛板塔
塔操作压力 4 kPa
年生产天数 300 天
年产量 2800 吨/年
全塔效率 Et=62%
加热类型间接蒸汽加热
精馏类型连续型1.1.3 设计任务
单元设备设计的内容和过程
?过程方案设计
?工艺流程设计
?单元过程模拟计算
?单元设备的工艺设计
?工艺设计的技术文件
?详细设计
课程设计的基本要求
?设计方案简介
?主要设备的工艺设计计算
?主要设备的结构设计和机械设计
?典型辅助设备的选型
?工艺流程图
?主要设备的工艺条件图
?主要设备的总装配图
?编写设计说明书
1.2 设计方案的确定
1.2.1 选择塔型
精馏塔属气—液传质设备。气—液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。该塔设计生产时日要求较大，由板式塔与填料塔比较[1]知：板式塔直径放大时，塔板效率较稳定,且持液量较大，液气比适应范围大，因此本次精馏塔设备选择板式塔。筛板塔是降液管塔板中结构最简单的，它与泡罩塔相比较具有下列优点：生产能力大10-15%，板效率提高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，也便于清洗检修[2]。因此，本设计采用筛板塔比较合适。
1.2.2 精馏方式
根据实际生产情况，本精馏塔采用连续精馏方式。
1.2.3 操作压力
常压操作可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益, 在条件允许下常采用常压操作，因此本精馏设计选择在常压下操作。
1.2.4 加热方式
在本物系中，水不是难挥发液体，选用间接蒸汽加热。
1.2.5 工艺流程
原料经预热器预热达到泡点温度，经管道直接送入下游精馏塔，即我们所设计的塔。精馏塔塔顶蒸汽经全凝器全部冷凝，然后经过分配器（属于冷凝器的部分），一部分馏出液在泡点状态下作为回流液回到精馏塔，一部分作为产品流出。由于塔顶产品仍比较热，所以经过冷却器冷却。在塔釜，釜液经再沸器间接蒸汽加热，为精馏段提供物料。塔釜出来的产品经水泵全部送出。
第二章筛板式精馏塔的工艺设计
2.1 精馏塔的工艺计算
2.1.1 苯和甲苯的汽液平衡组成
表2-1 苯和甲苯的汽液平衡组成
温度t ℃液相中苯的摩尔分率
x
气相中苯的摩尔分率
y
110.56 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
100.0
2.1.2.精馏塔的物料衡算
（1）、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
设苯以A 表示，甲苯以B 表示 苯的摩尔质量： 甲苯的摩尔质量： 由 以为基准，则：
4505.014
.92/)41.01(11.78/41.011
.78/41.0=-+=+=
B A A F n n n x
9659.014.92/)96.01(11.78/96.011
.78/96.0=-+=
D x
0118.014
.92/)01.01(11.78/01.011
.78/01.0=-+=
w x
（2）、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
Kmol
Kg M x M x M B F A F F /82.8514.924505.0111.784505.0)1(=?-+?=?-+?=）（
Kmol
Kg M x M x M B D A D D /59.7814.929659.0111.789659.0)1(=?-+?=-+?=）（
Kmol
Kg M x M x M B w A w w /97.9114.92)0118.01(11.780118.0)1(=?-+?=?-+?=
（3）、物料衡算
由题意可知
总物料守恒 ①
苯物料守恒 W D F 0118.09659.04505.0+= ② 由 ①、② 得：
2.2回流比及理论塔板的确定
相平衡方程为：
n
n
n n n n n x x x x x x y 6439.116439.2)16439.2(16439.2)1(1+=
-+=-+=
αα 求q 线方程 冷夜进料，取q=1.2
则：q 线方程为
2525
.261
2.14505.012.12.111-=---=---=
q q F q q x x q x x q q y 由相平衡方程和q 线方程交点（）求最小回流比
回流比的确定
0856.14956
.07211.07211
.09659.0min =--=--=
e e e D x y y x R
取R=1.7*R min =1.7*1.0856=1.8455
最小理论板数的确定
9933.76439
.2lg )]
0118.00118.0-1)9659.019659.0lg[(lg )]-1)1lg[(min
=-=-=（（αW W D D x x x x N
理论板数的捷算法
2670.018455.10856.18455.11min =+-=+-R R R
由吉利兰关联图读出:
= 0.4407 又 =7.9933代入上试得N=15.0796 所以理论塔板数N T =16块
精馏段理论板数的确定
6435.36439
.2lg )]4505.04505.0-1)9659.019659.0lg[(lg )]-1)1lg[(min
=-=-=（（αF F D D R x x x x N
由吉利兰关联图读出
由吉利兰关联图读出又代入上试得N R =7.0006=8（块） 所以精馏段理论塔板数N R =8（块）
提馏段理论板数的确定
3469.46439
.2lg )]
0118.00118.0-1)4505.014505.0lg[(lg )]-1)1lg[(min
=-=
-=（（αW W F F S x x x x N 由吉利兰关联图读出 又代入上试得N S =8.2188=9块 所以提馏段理论塔板数N S =9（块）
最终以精馏段与提馏段理论板数的总和为全塔总理论板数，即为17块。
2.3板效率及实际塔板数的确定
求实际板数 由 得
精馏段实际板数： N 精 =
11 10.165162.01
- 7.3023≈=（块）
提馏段实际板数： N 提 =
13 12.193562
.0
1-8.5600≈=（块）
即全塔实际板数为24块 2.4
操作方程的确定
精馏段： L h kmol D R L /917.2743.213027.1=?=?= V=(R+1)D=2.3027×21.43=49.3473
提馏段： h kmol qF L L /83.837355.9227.9173=+=+=
h kmol F q V V /667.586.46)2.11(347.49)1(=?--=--=
精馏段操作线方程： 4195.05657.01+=+=+n D n n x x V
D
x V L y 提镏段操作线方程： 00506..0429.11-=-=
+n W n n x x V W
x V L y 2.5 精馏段物性数据计算
00.20.40.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x
y
图2-1 苯-甲苯系的气液相平衡图 由 查表2-1 苯—甲苯的气液相平衡得：
计算塔顶、塔底、进料处相对挥发度：
()()
()()
/10.6740/10.6740 2.5200.4505/10.4505/1y y F F a F x x F F --===-- ()()
()()
/10.986/10.986 2.4860.9659/10.9659/1y y
D
D a D x x D D
--===--
()()
()()
/10.034/10.034 2.950.0118/10.0118/1y y
W
W a W x x W W
--===--
塔内平均相对挥发度为：
3
3
2.52*2.486*2.95 2.6439a a a a F D W
=
==
由苯—甲苯在不同温度下的汽液平衡数据作出组成温度图 由图2-2读出塔顶、塔底、进料温度： t=81.82C
t=93.40C t=110.00C
60
70
80
90
100
110
120
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
组成x（y）
温度t
图2-2 苯和甲苯的组成温度图 操作压强：P=105.325 kpa
平均温度： t ：t=81.82C t=93.4C t=110C t m =（t+ t ）/2=(81.82+93.4)/2=87.61℃ 2.5.1.定性组成
(1)塔顶 y= X= 0.9659查平衡曲线得到 x=0.9221 (2)进料 y=0.682 x=0.4505
2.5.2.平均分子量
查附表[8]知:
(1)塔顶：=0.965978.11+(1-0.9659) 92.14=78.59（）
=0.922178.11+(1-0.9221) 92.14=79.20（）
(2)进料: =0.68278.11+(1-0.682) 92.14=82.57（）=0.450578.11+(1-0.4505) 92.14=85.82
（）
平均分子量 ==（） == ()
2.5.
3.平均密度
由和：1/=a/+a/ ，A为苯 B为甲苯
塔顶：在81.82℃下： =811()=806()
a=(0.9221*78.11)/[0.9221*78.11+(1-0.9221)*92.13]=0.9094
=0.9094/811+（1-0.9094）/806
则=810.77 ()
进料:在进料温度93.4c下： =802， =798
a=（0.4505*78.11）/[0.4505*78.11+(1-0.4505)*92.13]=0.4101
= 则=798.72
即精馏段的平均液相密度： =(810.77+798.72)/2=804.745 ()
平均气相密度： ==(105.325*80.58)/[8.314*(87.61+273)]=2.831 ()
2.5.4. 精馏段液体表面张力
(1)塔顶: 查和求得在81.82℃下：
= 20.8 =21.5
=0.9659×20.8+（1-0.9659）×21.5=20.824()
(2)进料: 在110℃下：
=17.5() =18.4()
=0.9659×17.5+（1-0.9659）×18.4=17.531()
则 =(+)/2=(20.824+17.531)/2=19.178()
2.5.5. 液体平均粘度
液相平均粘度依下式计算：
(1)塔顶:在81.82℃下：A是苯，B是甲苯 X
=0.9659
D
=0.305; =0.308;
(2)lg=0.9659 lg0.305 + 0.0341 lg0.308
则=0.597169()
(3)进料: 在 93.4℃下 X
=0.4505
F
=0.270; =0.278
lg=0.4505 lg0.270 + 0.5495 lg0.278
=（+）/2=0.583713()
2.5.6. 气液体积流率的计算
由已知条件=70.29 =48.86 得
==(70.29*80.58)/(3600*2.831)=0.5557（）
===0.00139()