年产25万吨苯乙烯工艺设计.doc

毕业设计（论文）

题目
年产25万吨苯乙烯工艺设计

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单 位

完成日期
2011
年
06
月
10
日

摘要
本文设计主要以年产25万吨苯乙烯为生产目标，针对苯乙烯和乙苯的混合物的分离。进料组成：60%；塔底产品组成＞98%；塔顶产品组成＜2%；常压，泡点进料，筛板塔，冷却剂与蒸汽自选合适条件。
操作条件：年工作300天，每天24小时，总工作时间为24×300=7200小时；设计的基本内容和要求：（1） 完成塔设备主体部分的物料衡算、热量衡算与主要设备设计计算；（2）画出塔设备装配图；（3） 画出带控制点的下艺流程图。
关键词：乙苯，苯乙烯，物料衡算，热量衡算，工艺设计。
Abstract
This paper introduces the design mainly with annual capacity of 250000 tons of styrene as production goals, styrene and the mixture of ethyl benzene in separation. Incoming material composition: 60%; > 98% of the bottom and the products; Top product component < 2%; Atmospheric pressure and bubble point feeding, sieve plate tower, the coolant and steam customize suitable conditions.
Operating conditions: years work 300 days, 24 hours a day, total working time for 24×300 = 7200 hours; The basic design content and requirements: (1) complete tower of material balance in the main part of the equipment is, heat balance calculations and major equipment design calculation; (2) draw tower assembly equipment; (3) draw with the control points under the flow chart of art.
Keywords: ethyl benzene, styrene, material calculation, heat balance calculations, process design.
目录
1 绪论 1
1.1 乙苯的性质与用途 1
1.2 苯乙烯精馏操作条件 2
1.3 各种苯乙烯的生产工艺及比较 2
1.4 世界苯乙烯的生产与发展 4
1.4.1 生产情况 4
1.4.2 发展前景 5
1.5 我国苯乙烯的发展前景与现状 5
1.5.1 生产现状 5
1.5.2 发展前景 6
2 苯乙烯主要生产工艺说明 7
2.1 产品及原料性能 7
2.1.1 苯乙烯 7
2.1.2 乙苯 8
2.1.3 二乙苯 9
2.1.4 三乙苯 9
2.1.5 烃化液 9
2.1.6 辅料 10
2.2 苯乙烯生产原理 11
2.2.1 烷基化反应（烃化） 11
2.2.2 乙苯脱氢反应 11
2.3 苯乙烯生产流程评述 12
2.3.1 烃化工段 12
2.3.2 乙苯精馏工段 12
2.3.3 乙苯脱氢 13
2.3.4 苯乙烯精馏工段 13
3 工艺计算 14
3.1 物料衡算 14
3.1.1 原始数据 14
3.1.2 精馏塔的物料衡算 14
3.2 理论塔板数求解 15
3.2.1 进料泡点温度由试差法确定 15
3.2.2 最小回流比及操作回流比计算 16
3.2.3 求精馏塔的气液相负荷 16
3.2.4 求操作线方程 16
3.2.5 图解法求理论板数 17
3.2.6 全塔效率求解 17
3.2.7 实际塔板数求取 18
3.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据计算 18
3.3.1 以精馏段为例进行操作压力的计算 18
3.3.2 平均摩尔质量的计算 18
3.3.3 平均密度的计算 19
3.3.4 液相平均表面张力计算 20
3.3.5 液体平均粘度计算 21
3.4 精馏塔塔体工艺尺寸的计算 21
3.4.1 塔径的计算 22
3.4.2 精馏塔有效高度的计算 24
3.5 塔板主要工艺尺寸的计算 24
3.5.1 溢流装置的计算 24
3.5.2 塔板布置 26
3.6 筛板的流体学验算 27
3.6.1 塔板压降 28
3.6.2 液面落差 29
3.6.3 液沫夹带 30
3.6.4 漏液 30
3.6.5 液泛 30
3.7 塔板负荷性能图 31
3.7.1 漏液线 31
3.7.2 液沫夹带线 31
3.7.3 液相负荷下限 32
3.7.4 液相负荷上限 33
3.7.5 液泛线 33
3.8 提馏段工艺条件及有关物性数据的计算 36
3.8.1 漏液线 37
3.8.2 液沫夹带线 37
3.8.3 液相负荷下限 37
3.8.4 液相负荷上限 38
3.8.5 液泛线 38
3.9 辅助设备 39
3.9.1 原料管 41
3.9.2 进料泵 41
4 结论 43
致 谢 44
参考文献 45
附 录 46

1 绪论
苯乙烯(SM)是一种重要的基本有机化工原料，主要用于生产聚苯乙烯(PS)树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂、苯乙烯-丙烯腈共聚物树脂(SAN)、丁苯橡胶(SBR)和丁苯胶SL(SBR胶乳)、离子交换树脂、不饱和聚酯以及苯乙烯系热塑性弹性体(如SBS)等。此外，还可用于制药、染料、农药以及选矿等行业，用途十分广泛[1,2]。
1.1 乙苯的性质与用途
（1）乙苯的主要性质
乙苯是无色液体，具有芳香气味，可溶于乙醇、苯、四氯化碳和乙醚，几乎不溶于水，易燃易爆，对皮肤、眼睛、粘膜有刺激性，在空气中最大允许浓度为100PPM。乙苯侧链易被氧化，氧化产物随氧化剂的强弱及反应条件的不同而异。在强氧化剂（如高锰酸钾）或催化剂作用下，用空气或氧气氧化，生成苯甲酸；若用缓和氧化剂或温和的反应条件氧化，则生成苯乙酮[3,5]。
乙苯的其它性质如下表1-1所示：
表1-1 乙苯的基本性质
序号
常数名称
计量单位
常数值
备注
1
分子量

106.167

2
液体比重

0.882
0℃
3
沸点
℃
136.2
101325Pa
4
熔点
℃
-94.4
101325Pa
5
液体热容量
kJ/（kg K）
1.754
298.15K
6
蒸汽热容量
Kcal/（kg K）
0.285
27℃
7
蒸发热
kJ /mol
35.59
正常沸点下
8
液体粘度
104kgSee/M2
0.679
20℃
9
生成热
Kcal/mol
2.98
20℃
10
燃烧热
Kcal/mol
1101.1
气体
11
闪点
℃
15

12
自然点
℃
553.0

13
爆炸范围
%(体积)
2.3～7.4

（2）乙苯的主要用途
乙苯是一个重要的中间体，主要用来生产苯乙烯，其次用作溶剂、稀释剂以及用于生产二乙苯、苯乙酮、乙基蒽醌等；同时它又是制药工业的主要原料。
1.2 苯乙烯精馏操作条件
(1)操作压力
本精馏设计的操作压力为常压，在工业上苯乙烯一乙苯物系的精馏，需采用减压精馏，但是在我们设计操作中可以用常压精馏，常压精馏简单而方便。
(2)进料方式
本设计采用泡点进料，这是为了精馏塔本身的操作方便，可以不受外界干扰，便于操作，进料状态在设计中是一个很重要的参数。它直接影响了进料方程，而且也影响全塔的热量衡算，所以对它的确定十分重要。
(3) 塔釜加热方式选择
采用列管式换热器作为再沸器进行间接加热，加热介质多采用水蒸气，因为真空安全并且易于调节。
(4)塔顶冷凝方式选择
采用列管式换热器作为全凝器进行冷凝，冷却介质为冷却水，但是在操作条件及流程安排中，从经济上的合理性来考虑，本设计流程中原料温度较低，塔顶蒸汽温度较高，则可以考虑用塔顶蒸汽加热原料，因而可以省去水蒸汽和冷却水。
1.3 各种苯乙烯的生产工艺及比较
目前苯乙烯主要由乙苯转化而成，可通过如下四条工艺路线进行。
(1)苯乙酮法
较早采用苯乙酮法生产苯乙烯，其步骤主要分为氧化、还原和脱水三步，方程式如下：

该法苯乙烯产率为75～80%，略低于乙苯脱氢法的产率，但中间副产物苯乙酮产值较高，苯乙烯的精制分离较容易。故此法在国外仍有采用。
(2)乙苯和丙烯共氧化法
本法首先在碱性催化剂作用下，使乙苯液相氧化成过氧化氢乙苯，然后与丙烯进行环氧化反应生成环氧丙烷，乙苯过氧化物则变为－苯乙醇，再经脱水得到苯乙烯，即：

本过程以乙苯计的苯乙烯产率约为65%，低于乙苯脱氢法的产率。但它还能生产重要的有机化工原料环氧丙烷，综合平衡仍有工业化的价值，故目前国外也有采用此法生产的。
(3)乙苯氧化脱氢法
乙苯氧化脱氢法是目前尚处于研究阶段生产苯乙烯的方法。在催化剂和过热蒸汽的存在下进行氧化脱氢反应的，即：

此方法可以从乙苯直接生成苯乙烯，还可以利用氧化反应放出的热量产生蒸汽，反应温度也较催化脱氢为低。研究的催化剂种类较多，如氧化镉，氧化锗，钨、铬、铌、钾、锂等混合氧化物，钼酸铵、硫化钼及载在氧化镁上的钴、钼等。但这些催化剂在多处于研究阶段，尚不具备工业化条件，有待进一步研究开发。
(4)乙苯催化脱氢法
这是目前生产苯乙烯的主要方法，目前世界上大约90%的苯乙烯采用该方法生产。它以乙苯为原料，在催化剂的作用下脱氢生成苯乙烯和氢气。反应方程式如下：

同时还有副反应发生，如裂解反应和加氢裂解反应：

高温裂解生碳：

在水蒸汽存在下，发生水蒸汽的转化反应：

此外还有高分子化合物的聚合反应，如聚苯乙烯、对称二苯乙烯的衍生物等。
1.4 世界苯乙烯的生产与发展
1.4.1 生产情况
由于聚苯乙烯和ABS树脂等苯乙烯下游产品消费的强劲增长，近年来世界苯乙烯的生产发展很快[4]。1999年世界苯乙烯的生产能力为2169.8万t，2001年达到2359.8万t，2002年进一步增力到2388.3万t，2003年全球苯乙烯的总生产能力约为2463.1万t，产量约为2300.0万t，其中北美／南美地区的生产能力为742.7万t／a，约占世界苯乙烯总生产能力的30.2％；欧洲地区的生产能力为640.1万t／a，约占世界总生产能力的26.0％；中东地区的生产能力为119.5万t／a，约占世界总生产能力的4.9％；亚洲地区的生产能力为960.8万t，约占世界总生产能力的39.0％。今后几年，随着中国和沙特阿拉伯等一大批新苯乙烯生产装置的建成投产，预计到2006年世界苯乙烯的总生产能力将达到约3000万t／a。2003年国外苯乙烯主要生产厂家情况见表1-2。
表1-2 2003年国外苯乙烯主要生产厂家情况
生产厂家
生产能力／(万吨／年)
美国BP公司
美国雪佛龙．菲利普斯公司
美国Cos．Mar公司
美国陶氏化学公司
美国Lynden化学公司
美国Nova化学公司
美国Sterling化学公司
美国Westlake苯乙烯公司
加拿大Nova化学公司
加拿大壳牌公司
墨西哥Premix公司
巴西In nova公司
比利时巴斯夫公司
45.4
86.3
90.8
68.1
127.1
59.9
77.2
18.2
43.0
43.0
15.0
25.0
50.0
1.4.2 发展前景
世界苯乙烯主要用于生产聚苯乙烯、ABS／SAN树脂、SBR／SBR胶乳、不饱和聚酯5树脂以及热塑性弹性体等，2003年的消费结构为：54％用于生产聚苯乙烯、12％用于生产发泡聚苯乙烯、16％用于生产ABS／SAN树脂、9％用于生产SBR橡胶及胶乳、5％用于生产不饱和聚酯，4％用于生产其它产品。近年来世界苯乙烯消费现状及需求预测情况见表1-3。
表1-3 近年来世界苯乙烯消费现状及需求预测情况
地区名称
消费量/万t
2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年
北美/南美
欧洲
中东
亚洲
582.4 540.2 569.6 600.1 620.1 635.7 654.1
561.2 530.3 556.3 564.2 583.1 605.2 623.7
34.8 35.1 36.8 37.4 38.3 39.4 40.3
920.8 955.3 1028.2 1064.2 1109.1 1160.6 1218.7
1.5 我国苯乙烯的发展前景与现状
1.5.1 生产现状
我国苯乙烯的工业生产始于20世纪50年代中期，自兰州石油化工公司合成橡胶厂采用传统的三氯化铝液相烷基化工艺，建成一套5000t／a苯乙烯生产装置以来，我国苯乙烯的生产得到了飞速发展[6～9]。2003年我国苯乙烯的生产厂家有12家，总生产能力达到105万t，其中有8套为引进生产装置，生产能力合计为72．9万t／a，约占国内苯乙烯总生产能力的69．4％。扬子巴斯夫苯乙烯系列有限公司的14．5万t／a装置是目前国内最大的苯乙烯生产装置，生产能力约占国内苯乙烯总生产能力的13．8％；其次是吉林石化公司，生产能力为14.0万t，约占国内总生产能力的13．3％。
随着我国苯乙烯生产能力的不断增加，产量也不断增加。1995年我国苯乙烯的产量只有2558万t，1998年增加到56.30万t，2000年增加到76．38万t，1995～2000年产量的年均增长率达到24.5％。2002年我国苯乙烯的产量进一步增加到89.56万t，比2001年增长13.8％，1997～2002年产量的年均增长率为18.5％。2003年我国苯乙烯产量达到94.82万t，比2002年增长5.87％，其中中国石化集团公司的产量为45.20万t，约占总产量的47.67％；中国石油天然气集团公司的产量为37.89万t，约占总产量的39．96％。中国石油吉林石化公司的产量最大，达到15.98万t，约占我国苯乙烯总产量的16.85％，位居全国第一；其次是扬予巴斯夫苯乙烯系列有限公司，产量达到12.34万t，约占国内总产量的13.01％；再次是中石化茂名石化公司，产量到10.40万t，约占国内总产量的10．97％。
1.5.2 发展前景
我国苯乙烯主要用于生产聚苯乙烯、ABS树脂、AS树脂、不饱和聚酯树脂、丁苯橡胶、丁苯胶乳以及苯乙烯系热塑性弹性体等。2003年我国苯乙烯的消费结构为：54.1％用于生产聚苯乙烯；16.4％用于生产ABS／SAN树脂；3.1％用于生产丁苯橡胶／丁苯胶乳；6.9％用于生产不饱和聚酯树脂；2.8％用于生产苯乙烯系热塑性弹性体；16.7％用于生产农药、医药和离子交换树脂等其它产品[11]。
2 苯乙烯主要生产工艺说明
2.1 产品及原料性能
2.1.1 苯乙烯
(1)生产规模
本装置以苯和乙烯为原料，通过液相烷基化反应生产乙苯，然后，乙苯直接催化脱氢生产苯乙烯
生产规模：年产苯乙烯25万吨
(2)苯乙烯产品
化学名称：苯乙烯
别名：乙烯基苯
分子式：C6H5C2H3
分子量：104.15
(3)物理，化学性质
a．物理性质
外观：无色透明芳香性液体
沸点：145.15℃(0.1013MPa)
凝固点：-30-63℃(0.103MPa)
闪点：31℃
自燃点(ASTM法)：在空气中490℃，在氧气中450℃
临界温度：374℃
临界压力：3.94MPa
液体比重：0.9060
黏度：0.73 (25℃)
热容：0.1695KJ／mol℃
比热：0.00174KJ／g.℃(25℃)
燃烧热：42.1595KJ／g
折光指数：1.5469
与空气混合的爆炸极限：1.1-6.190(v))
聚合热：6972.2KJ／mol(25℃)
熔解热：0.1062KJ／g
汽化潜热：37．03MJ／mol
溶于乙醇和乙醛，不溶与水
b．化学性质：
还原反应：

部分还原：

完全还原：

氧化反应：

加成反应：

(4)用途
苯乙烯是重要的有机化工原料．苯乙烯聚合生产通用级聚苯乙烯(GPPS)，经处理能生成高抗冲聚苯乙烯(HIPS)与丁二烯，丙烯睛三聚生成ABS；与丙烯睛共聚声称SAN，与丁二烯共聚生成丁苯橡胶(SBR)。其次在纺织，印染，涂料，农药和医药等方面也有广泛的用途[13]。
苯乙烯系列树脂的产量在世界三大合成材料的产量中排名第三，仅次于聚乙烯，聚氯乙烯树脂。因此随着对苯乙烯系列树脂需求量的日益增加，苯乙烯应用将会更加广泛[10]。
2.1.2 乙苯
分子量：106.17
分子式：C6H5C2H5
(1)物理性质：
比重：0.882(℃)
闪点：15℃(蒸汽)
临界温度：364.1℃
液体热容量：0.395kcal／kg℃
蒸发潜热：8．57kcal／kg℃
液体黏度：1041mPa.S
燃烧热：101kcal/克分子
爆炸范围：(体积％)1.0-6.7
沸点：136.21mPa.S／760mrnHg
凝固点：-94.41 4C／760mmHg
临界压力：38.1atm(绝压)
蒸汽热容量：0.285kcal／kg℃
蒸汽压力：7.5mmhg(20℃)
在水中的溶解度：0.01%(1 5℃)
自燃点：553℃
厂房允许浓度：<0．05mg／l
(2) 化学性质
1)脱氢：
2)烃化：
3)用途：作为苯乙烯的原料(含水<900ppm)
外观：透明 介质酸碱性：中型
比重：0.875-0．88(20℃) 挥发度：无残渣
沸程：79-80.6℃ 凝固点：5.4℃
2.1.3 二乙苯
外观：无色透明液体，无机械染质
初沸点：>=175℃ 终沸点：<=185℃
分子量：134.282
馏出物体积：>=95％ 低沸物含量：<=3％
高沸物含量：<=2％ 二乙苯含量：<=99％
2.1.4 三乙苯
含二乙苯：<=13.73，含三乙苯：>=86.17，焦油：痕量
其中苯含量：29.3％，甲苯：78.3％，乙苯：0.4％
2.1.5 烃化液
外观：浅褐色液体 含苯：55-60％
含乙苯：>=40％；含二乙苯：<=10％(wt％)；含多乙苯：<=2％
2.1.6 辅料
(1)无水氯化铝：
外观：白色或浅黄色粉末；氯化铝>=98．5％
氧化铁：<=0.1％；水中石容物：<一O．1％；颗粒度：<5mm
(2)对叔丁基邻苯二酚(TBC)
外观：白色或浅褐色粉末；凝点：50℃；灰粉：0．25％(wt)
Ca和：<=5ppm
组成：对-TBC：>=95％；邻-TBC：<=2％；3.5-TBC：<=3％
对叔丁基苯酚：<=0.7％；其他：<=0.5％(wt)
(3)T-315触媒(兰化企业标准)
直径：3.5mm；长度：20mm；主要成分：氧化铁：
堆密度：1.03-1.1kg／l；分解收率：>88％
转化率：>46％；苯乙烯收率：>49％
(4)苛性钠
含量：20％； NaC03含量：<1％(wt)
含量：2％(wt)；FeC03含量：<0.03％(wt)
(5)消泡剂：NaC071-D5
颜色：暗稻草色；嗅味：微芳香味；比重：862.56kg／cm3
黏度：13.8厘泊(26.67℃)；闪点：126．68℃
固化点：7.2℃，对金属腐蚀．但应避免与天然橡胶接触，有毒，贮藏温度21℃为宜。
(6)阻聚剂：D剂
含量：>=95％；：<=0.5；H20：<0．3％
熔点：109-111℃
(7)GS-01催化剂
形状：圆柱型：颗粒度：直径3.0-3.8mm；长度6-10mm；
堆密度：1.3±O.05kg／dm3；反应温度：500-600℃
水：乙苯=1.5：1(wt)；乙苯液态空速：0.6—1.0h-1(v)
乙苯转化率：40-47％
苯乙烯选择性：94-96％
(8)M剂：
外观：棕褐色，粒状；纯度：>=90％(wt)
含水：<=1％(wt)；灰粉<=1％(wt)；熔点：>=l 80℃
热敏性物质，低于50℃存放；使用温度：<=120℃
分子量：137
烷基化(催化剂为氯化铝)
乙苯脱氢：(催化剂为XH-D2或GS-01)
2.2 苯乙烯生产原理
本装置采用液相烷基化(烃化)法制取乙苯，然后乙苯催化脱氢生产苯乙烯。液相烷基化法，制取乙苯，是以苯和乙烯为原料，并以无水三氯化铝和二乙苯或三乙苯配置成的络合物(复合体)为催化剂，在烃化反应器内进行液相烷基化反应，其产物⋯烃化液(粗乙苯)，采用精馏的方法，从烃化液中分离出来乙苯[14,15]。乙苯脱氢生产苯乙烯是裂解吸热，体积增加的反应，此反应采用水蒸气为稀释剂，降低乙苯分压使反应向生成苯乙烯的方向进行，乙苯与水蒸气混合加热，在脱氢催化剂作用下，乙苯高温脱氢制取乙烯，并减压精馏精制产品苯乙烯。
2.2.1 烷基化反应（烃化）
主反应：

副反应：

烷基化反应：

水解反应：

中和反应：

2.2.2 乙苯脱氢反应
主反应：

副反应：

2.3 苯乙烯生产流程评述
2.3.1 烃化工段
来自中间仓库的干苯和来自乙烯车间的乙烯和苯以0.4-0.5：1的配比，从塔底送入反应器。同时，将配好的催化剂溶液经复合体加料泵加入反应器，在此反应器内进行烷基化反应。反应产物自烃化反应器上部各自流至冷却器，冷却65℃后进行烃化液沉降槽沉降分离，分离出的A1Cl3络合物自槽底部返回烃化反应器底部，上层烃化液自流至水解塔。没反应的乙烯气体和苯蒸汽等从烃化反应器顶部出来经冷却器用循环水使大部分蒸汽冷凝后进入尾气吸收塔，用二乙苯吸收未凝蒸汽和HCI气后，未凝气放空，二乙苯吸收液反烃化，烃化液自上部直接流至中间仓库烃化液罐中[16,17]。
2.3.2 乙苯精馏工段
(1) 干燥苯塔
来自中间仓库原料苯罐经原料泵送来的含水900ppm的原料苯，进入回流罐油相区；来自循环苯塔的含水量2500ppm的循环苯，与苯干燥塔顶蒸出的经过冷凝的苯冷却后进入回流罐分相区．塔顶气相温度81℃经预热器与进料换热器后，进入冷凝器用循环水冷凝，冷凝后循环苯塔回流泵送来的循环苯一起进入冷却器用循环水冷却器用循环水冷却后进入回流罐分层区，上层脱水苯溢流至油相区，下层水相从集水包间断排入11号管线塔釜为干燥苯，采出送至中间仓库干燥苯罐[18,19]。
(2) 循环苯塔
来自中间仓库的烃化液进入循环苯塔加料区，塔顶气相馏分冷凝回流后冷却进入苯干燥塔回流罐分层区。塔釜液(主要是乙苯和二乙苯)用釜液泵送至乙苯塔。
(3) 精乙苯塔
由循环苯塔釜液泵送出的釜液，进入精乙苯塔加料层，塔顶气相馏分乙苯经冷凝回流采出至精乙苯塔，塔釜液送至二乙苯塔。
(4) 二乙苯塔
来自精乙苯塔釜液的料液根据不同组成进入二乙苯塔不同进料板．塔顶得N-乙苯，塔釜得到多乙苯。
2.3.3 乙苯脱氢
来自中间仓库乙苯泵送来的乙苯与管网来的蒸汽进入乙苯蒸发器，乙苯与蒸汽量比为1：1.4，经过过热器壳程与脱氢反应器出来的650℃烟气过热至580℃后，配料气进入脱氢反应器进行脱氢反应．反应产物经空冷，水冷，盐冷后进入沉降槽，分离后加入阻聚剂阻止聚合，然后进入粗苯乙烯塔[20,21]。
2.3.4 苯乙烯精馏工段
(1) 粗苯乙烯塔
炉油自中间仓库送来，进入粗苯乙烯塔由再沸器加热精馏，塔顶产物苯，甲苯，乙苯轻组分进入循环乙苯塔的底部产物苯乙烯和苯乙烯焦油。
(2) 精苯乙烯塔
精苯乙烯塔加料为粗苯乙烯塔经过冷却后的釜液，由再沸器加热进行精馏。塔顶产品苯乙烯，纯度99.6(重量)，塔釜苯乙烯焦油(三废之一)。
(3) 循环乙苯塔
粗笨乙烯塔塔顶馏分由回流泵送出，经循环乙苯塔进料预热器，用循环乙苯塔釜液进行预热后，进入循环乙苯塔，由再沸器用1.6MPa蒸汽加热精馏，塔顶苯，甲苯馏分，送至中间仓库苯，甲苯罐。塔釜即循环乙苯，进入循环乙苯塔冷却器，送到中间仓库循环乙苯罐[22]。
3 工艺计算
3.1 物料衡算
3.1.1 原始数据
各种物质基本原始数据见表3-1[23]。
表3-1 原始数据表
基本量
分子量 常压沸点 K(xi)wt％ A B C
苯
甲苯
乙苯
二乙苯
三乙苯
焦油
乙烯
78.11 53.3 61.33 l5.9008 2788.51 -52.36
92.14 383.8 0.21 16.0137 3096.52 -53.67
106.17 409.3 29.99 16.0193 3279.47 -59.95
134.26 456.9 7.15 16.114 3657.22 -71.18
162.26 0.97
189.33 0.35
28.17
方程式：

操作条件：设年工作300天，每天24小时，总工作时间为24×300=7200小时，生产能力为：25万吨每年；进料组成：60%；塔底产品组成＞98%；塔顶产品组成＜2%。常压、泡点进料，筛板塔、冷却剂与蒸汽自选合适条件。
3.1.2 精馏塔的物料衡算
乙苯的摩尔质量MA=106.17kg/kmol
苯乙烯的摩尔质量MA=104.15kg/kmol
（1） 原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分率XF、XD、XW分别计算结果如下。

（2） 原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量MF、MD、MW分别计算结果如下。

（3） 物料衡算
根据无量守恒可知：F=D+W。
式中，F为进料质量（）；D为塔顶出料量（）；W为塔釜出料量（）。
又已知，则当产量，开工时间为。通过计算得：

3.2 理论塔板数求解
3.2.1 进料泡点温度由试差法确定
利用安托尼公式
式中，Ps为饱和蒸汽压（Pa）；A、B、C为安托尼常数；T为温度，0C。假设T=414K=1410C，代入公式 得PA=888.1mmHg；PB=679.88mmHg；由，得；把代入公式，符合要求，所以进点泡料温度T=414K=1410C。
同理，得塔顶温度T=408.5K；PA=763.9mmHg；PB=600.28mmHg。
同理，得塔釜温度T=418K；PA=981.92mmHg；PB=774.95mmHg。
3.2.2 最小回流比及操作回流比计算
把乙苯-苯乙烯视为理想溶液。原料液、塔顶及塔底产品的挥发度 分别计算结果如下。

平均相对挥发度
因泡点进料，故进料方程q=1。

最小回流比
实际回流比
3.2.3 求精馏塔的气液相负荷

上述式中分别为精馏段、提溜段上升蒸汽流量；分别为精馏段、提溜段下降液体的量。
3.2.4 求操作线方程
精馏段：
提溜段：
3.2.5 图解法求理论板数
采用图解法求理论板数，如图3-1所示求解结果为：N=52；进料板位置NF=31。

图3-1 理论塔板层数图
3.2.6 全塔效率求解
根据公式，式中A、B、C、D、E均为系数，求得在塔顶、塔底温度下的粘度如下表3-2。
表3-2 塔底温度下的产品粘度
产品名称
粘度/cp
塔顶/408.5K
塔顶/418K
乙苯
0.24
0.2
苯乙烯
0.242
0.227

式中，分别为混合液体在塔顶、塔底粘度及平均粘度。由此得全塔效率。
3.2.7 实际塔板数求取
精馏段得实际塔板层数N精=块；提溜段实际探班层数块。
3.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据计算
3.3.1 以精馏段为例进行操作压力的计算
由塔顶操作压力PD=101.3kpa，取每层塔板压降，得进料板压力；精馏段平均压力。
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中乙苯-苯乙烯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算的塔顶温度；进料板温度 ；精馏段平均温度。
3.3.2 平均摩尔质量的计算
（1）塔顶平均摩尔质量计算
由得以下结果。

（2）进料板平均摩尔计算
由图解理论版得，查平衡曲线得。

（3）精馏段的平均摩尔质量

3.3.3 平均密度的计算
（1）气相平均密度计算
由理想气态方程计算，即；

（2）液态平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即；

由，查手册得：；，计算塔顶液相平均密度，结果如下：

由，查手册得；。计算进料板液相的质量分率，结果如下。

则进料板得平均密度计算如下。

由以上计算结果，得精馏段液相平均密度为。
3.3.4 液相平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算。即：
。
由，查手册得：；，得塔顶液相平均表面张力。
由，查手册得；。得进料板液相平均表面张力：
，
由以上计算结果得精馏段液相平均表面张力：
。
3.3.5 液体平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算，即：

由，得；，解出塔顶液相平均粘度。
由，得；，解出进料板液相平均粘度。
以由上结果得精馏段液相平均粘度。
3.4 精馏塔塔体工艺尺寸的计算
3.4.1 塔径的计算
精馏段的气液相体积流率如下。

由
式中C由下式计算，其中C20由下图3-2 《史密斯关联图》查取，图的横坐标为：

取板间距HT=0.5m，板上液层高度，则
查《史密斯关联图》得：C20=0.085

图3-2 《史密斯关联图》
得
取安全系数为0.7，则空塔系数为：

塔径
按标准塔径元整后，塔径
塔截面积
实际空塔气速。
3.4.2 精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度
提馏段有效高度
在进料板上开一人孔，其高度为0.8m
进料板有效高度
第一块板上空间高度1.3m，最后一块高度为1.5m，塔座高度h=2.5m。，。
由以上计算结果，可得精馏塔的有效高度：

3.5 塔板主要工艺尺寸的计算
3.5.1 溢流装置的计算
（1）堰长
取
（2）溢流液高度

选用平直堰，堰上液层高度由式费兰西斯公式计算，即：

近似取E=1，则
取板上清液层高度，得。
（3）弓形降液管宽度Wd和截面积。
由
查下图3-3弓形降液管的参数图，得
，，故：

依下式验算液体在降液管中停留时间：

故降液管设计合理。
图3-3 弓形降液管参数图
（4） 降液管底隙高度

取

特殊情况，则应取，选用凹形受液盘。
3.5.2 塔板布置
因D=6300mm，塔板采用分块式，查塔板溢流类型表得塔板分12为块。
塔径/mm
800~1200
1400~1600
1800~2000
2200~2400
塔板分块数
3
4
5
6
边缘区宽度取。
（1） 开孔区面积计算

（2） 筛孔计算及其排列
本例所处理的物系有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角行排列，取孔中心距，则筛孔数目个。
开孔率
开孔面积
气体通过阀孔的气速。
3.6 筛板的流体学验算
3.6.1 塔板压降
（1）干板阻力计算
由，查图3-4《干筛孔的流量系数图》得，得

图3-4 干筛孔的流量系数
（2）气体通过液层得阻力计算

查图3-5充气系数关联图得
故液柱。

图3-5 充气系数关联图
（3）液体表面张力所产生的阻力计算

气体通过每层塔板的液柱高度

气体通过每层塔板压降

3.6.2 液面落差
对于筛板塔液面落差很小。且本例的塔径液流量均不大，故可不考虑液面落差的影响。
3.6.3 液沫夹带

液沫夹带量计算如下。

故本设计中液沫夹带量在允许范围内。
3.6.4 漏液
对筛板塔漏液点气速
实际孔速
稳定系数
故在本设计负荷下不会产生过量漏液。
3.6.5 液泛
为防止塔内降液管发生液乏，降液管内液层高应服从下式的关系，即：

乙苯-苯乙烯物系属一般物系，取，则。
板上不设进口堰，则
液柱。

由上述计算可知：，因此本设计不会发生液乏现象。
3.7 塔板负荷性能图
3.7.1 漏液线
依式

通过整理数据，可知

在操作范围内，任取几个值，以上式计算值，见表3-3。
表3-3 精馏段漏液线数据表

0.02 0.04 0.06 0.08

12.09 12.78 13.33 13.81
由上表数据即可作出漏液线1。
3.7.2 液沫夹带线
以为限。求关系如下：
依式：

在操作范围内，任取几个值以上式计算值，结果见表3-4。
表3-4 精馏段液沫夹带线数据表

0.02 0.04 0.06 0.08

59.92 54.82 50.54 46.72
由上表数据即可作出液沫夹带线2。
3.7.3 液相负荷下限
对于平直堰，取堰上层高度最为最小液体负荷标准由式得：

根据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线了。
3.7.4 液相负荷上限
以作为液体在降液管中停留时间的下限。由式得：

根据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。
3.7.5 液泛线
依式：

通过整理数据可知：

在操作范围内，任取几个值以上式计算值，结果见表3-5。
表3-5 精馏段液泛线数据表

0.02 0.04 0.06 0.08

44.14 41.48 38.98 36.46
由以上数据表可作出液泛线5。
综合以上数据，可作出塔板的年负荷性能图见下图3-6。

图3-6 精馏段塔板的年负荷性能图
在负荷性能图上，作出操作点A，