精馏塔设计任务书陈晨.doc

温州大学瓯江学院
WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE

化工原理课程设计

题 目：分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计
专 业： 应用化学
班 级： 08瓯应化
姓 名： 陈 晨
学 号：
指导教师： 张 伟 禄
完毕日期： 2023-6-15

精馏塔设计任务书
专业： 应用化学
班级 08瓯应化
姓名：陈晨
学号：
指导教师： 张伟禄
设计日期： 2023-6-8
一、设计题目： 分离苯-甲苯筛板式精馏塔的设计

二、设计任务及操作条件

2.1设计任务

     生产能力（进料量）  10万  吨／年
     操作周期           300×24 = 7200   小时／年
     进料组成           50%  （质量分率，下同）
     塔顶产品组成       >99%
     塔底产品组成       <2%

2.1操作条件
     操作压力         常压    （表压）
     进料热状态       泡点进料      
    冷却水 20℃
加热蒸汽 0.2MPa
三、设计内容
3.1概述
3.2设计方案的选择及流程说明

3.3塔板数的计算（板式塔）或填料层高度计算（填料塔）
3.4重要设备工艺尺寸设计
板式塔：（1）塔径及提馏段塔板结构尺寸的拟定
     （2）塔板的流体力学校核(难)
    （3）塔板的负荷性能图(难)
     （4）总塔高、总压降
填料塔： 填料塔流体力学计算
压力降计算
喷淋密度计算
3.5设计结果汇总
3.6工艺流程图及精馏塔装配图
3.7设计评述(自己评价自己的设计)
四、图纸规定
1工艺流程图（在说明书上花草图）
2精馏塔装配图
五、参考资料
1.石油化学工业规划设计院.塔的工艺计算.北京：石油化学工业出版社，1997
2.化工设备技术全书编辑委员会.化工设备全书—塔设备设计.上海：上海科学技
术出版社，1988
3.时钧，汪家鼎等.化学工程手册，.北京：化学工业出版社，1986
4.上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986
5.陈敏恒，丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京：化学工业出版社，2023
6.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版
社，1994
7.柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995

目录

1 概述 5
1.1 精馏塔 5
1.2 再沸器 5
1.3 冷凝器 （设计从略） 5
2 精馏设计方案的制定及说明 5
3 工艺计算 6
3.1 生产规定: 6
4 塔板数的拟定 7
4.1 理论板层数NT的求取 7
4.2 实际板层数的求取 8
5 塔的工艺条件及物性数据计算 8
5.1 操作压强的计算 Pm 8
5.2 操作温度 9
5.3 平均摩尔质量计算 9
5.4 平均密度计算 9
5.4.1 气相平均密度计算 9
5.4.2 液相平均密度计算 10
5.5 液体平均表面张力的计算σm 10
5.6 液体粘度计算 10
5.7 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 11
5.7.1 塔径的计算 11
5.7.2 精馏塔有效高度的计算 12
5.8 塔板重要工艺尺寸的计算 12
5.8.1 溢流装置计算 12
5.8.2 溢流堰高度hw 13
5.8.3 弓形降液管宽度Wd 和截面积Af 13
5.8.4 降液管底隙高度ho 13
5.9 塔板布置 14
5.9.1 塔板的分块 14
5.9.2 边沿区宽度拟定 14
5.9.3 开孔区面积计算 14
5.9.4 筛孔计算及排列 14
5.10 筛板的流体力学验算 15
5.10.1 塔板压降 15
5.10.2 液沫夹带 16
5.10.3 漏液 16
5.10.4 液泛 16
5.10.5 塔板负荷性能图 17
6 工艺计算汇总表： 20
7 总结 21
8 附录 21

1 概述
精馏是分离过程中的重要单元操作之一，所用设备重要涉及精馏塔及再沸器和冷凝器。
1.1 精馏塔
精馏塔是一圆形筒体，塔内装有多层塔板或填料，塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板上互相接触时，液相被加热，液相中易挥发组分向气相中转移；气相被部分冷凝，气相中难挥发组分向液相中转移，从而使混合物中的组分得到高限度的分离。
简朴精馏中，只有一股进料，进料位置将塔分为精馏段和提馏段，而在塔顶和塔底分别引出一股产品。精馏塔内，气、液两相的温度和压力自上而下逐渐增长，塔顶最低，塔底最高。
本设计为筛板塔，筛板的突出优点是结构简朴、造价低、塔板阻力小且效率高。但易漏液，易堵塞。然而经长期研究发现其尚能满足生产规定，目前应用较为广泛。
1.2 再沸器
作用：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传质得以进行。
本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。
立式热虹吸特点：
▲循环推动力：釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。
▲结构紧凑、占地面积小、传热系数高。
▲壳程不能机械清洗，不适宜高粘度、或脏的传热介质。
▲塔釜提供气液分离空间和缓冲区。
1.3 冷凝器 （设计从略）
用以将塔顶蒸气冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器。
2 精馏设计方案的制定及说明
精馏塔的类型
筛板塔
汽液两相流动方式
汽液两相在每层板上成错流流动，对于整个塔来说汽液两相成逆流流动

汽液两相流动方式
单流程
附层设备
换热器，全凝器，预热器，再沸器
操作条件
泵：原料泵，回流泵及其他
操作压力：常压
进料状态：泡点进料
回流方式：冷回流，强制回流
冷却介质：20。C普通水
加热介质：水

为了节约能源考虑经济性及合理性，可以用高温釜液来预热原料以回收部分热能，节约加热介质，可以用较低温度的原料液冷却塔顶蒸汽，同时可节省部分冷却剂。
废液解决及环境保护：
本实验设计为苯－甲苯物系，均有毒，故塔顶馏出液及塔釜残液应妥善解决。冷却剂为水，无毒气味，可排入地沟中。
3 工艺计算
3.1 生产规定:
原料液组成：苯50%（wt%）。产品中：苯含量>99% 残夜中：苯含量<2% 生产能力10万吨/年 按300天开工/年
3.2 塔的物料衡算
料液及塔顶.塔底产品含苯摩尔分数

平均摩尔质量
MF=0.578.11+(1-0.5) 92.13=85.12kg/mol
MD=0.9978.11+(1-0.99) 92.13=78.25kg/mol
MW=0.023578.11+(1-0.0235) 92.13=91.85kg/mol
物料衡算
总物料衡算 D+W=F
易挥发组分物料衡算 DxD+WxW=FxF

4 塔板数的拟定
4.1 理论板层数NT的求取
苯－甲苯属于抱负物系，可采用图解法求理论层数
采用作图法求最小回流比，在图中对角线上，自e（0.5，0.5）作垂线ef即为进料线，该线于平衡线的交点坐标为yq＝0.728，xq＝0.5

本设计取R=1.5Rmin=1.74
<1>求精馏塔的气液相负荷
L=RD=1.74*87.08=151.52kmol/h
V=（R+1）D＝（1.74+1）*87.08＝238.6 kmol/h
485.5+522.1=1007.6 kmol/h
=V=764.5 kmol/h
<2>.操作线方程
精馏段操作线方程：
=0.635x+0.362
提馏段操作方程： =0.805x+0.0075

<3>作图

<4>图解法求理论板层数
由图得NT＝18（涉及再沸器）。
其中精馏段理论板数为7层，，第8层为加料板。
4.2 实际板层数的求取
精馏段实际板数 N精＝7/0.5＝14
提馏段实际板数 N提＝11/0.5＝22
实际总板数 N=N精+N提=36
5 塔的工艺条件及物性数据计算
5.1 操作压强的计算 Pm
取每层塔板压强△P=0.7kpa
塔顶压强 PD=101.3-14*0.7=91.5kpa
进料板压强PF101.3=kpa
精镏段平均操作压强Pm=
5.2 操作温度
塔顶温度 tD＝80.2oC 进料温度tF＝90.1oC
精馏段平均温度 tm=(80.2+90.1)/2=85.2oC
5.3 平均摩尔质量计算
由 查平衡曲线得

进料段 查平衡曲线得

则精馏段平均分子量

5.4 平均密度计算
5.4.1 气相平均密度计算
由抱负气体状态方程计算 即

塔顶液相平均密度计算
由tD＝80.2oC 查手册得＝814.5 ＝809.7
＝1/（0.992/814.5+0.008/809.7）=814.5
5.4.2 液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即
()
=815.2kg/m3
进料板液相平均密度的计算
tF＝90.1℃，查手册得
＝806.7 kg/m3 ＝794.1 kg/m3
进料板液相的质量分率

精馏段平均液相密度为

5.5 液体平均表面张力的计算σm
由tD=80.2℃ 查手册，得
σA=21.2 σB=21.3

由 tF＝90.1℃ 查手册，得
σA=20.36 σB=20.76

5.6 液体粘度计算
液相平均粘度依下式计算，即

塔顶液相平均粘度的计算
由 tD＝80.2℃，查手册得

解得
进料板液相平均粘度的计算
由tF＝90.1℃

精馏段液相平均粘度的计算

5.7 精馏塔的塔体工艺尺寸计算
5.7.1 塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为

由
式中C由式，其中的C20由史密斯关联图查得，图的横坐标为

取板间距HT＝0.40m 板上液层高度hL＝0.06m

     查图得 C20＝0.072

取安全系数为0.7，则空塔气速为

根据标准塔径圆整后为 D＝2.0m
塔截面积为

实际空塔气速为

5.7.2 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

在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m。
故精馏塔的有效高度为

5.8 塔板重要工艺尺寸的计算
5.8.1 溢流装置计算
因塔径 D＝1.72，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：
⑴堰长′
取
5.8.2 溢流堰高度hw
由
选用平直堰，堰上液层高度由

近似取E＝1，则

取板上清液层高度 hL＝0.06m
故
5.8.3 弓形降液管宽度Wd 和截面积Af
由弓形降液管的参数图，得

故

验算液体在降液管中的停留时间，即
故降液管设计合理。
5.8.4 降液管底隙高度ho

取 则
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘，深度
5.9 塔板布置
5.9.1 塔板的分块
因D<2200，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为5块。
5.9.2 边沿区宽度拟定
取
5.9.3 开孔区面积计算
开孔区面积Aa 按式 计 算
其中

故
5.9.4 筛孔计算及排列
本例所解决的物系无腐蚀性，可选用δ＝3mm碳钢板，取筛孔直径do＝5mm。
筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为
筛孔数目n为 个
开孔率为
气体通过阀孔的气速为
5.10 筛板的流体力学验算
5.10.1 塔板压降
5.10.1.1 干板阻力hc的计算
由， 查图得，
故 液柱
5.10.1.2 气体通过液层的阻力hl计算

查图，得
液柱
5.10.1.3 液体表面张力的阻力的计算
液体表面张力所产生的阻力由下式计算，即
液柱
气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即
液柱
气体通过每层塔板的压降为
（设计允许值）
5.10.2 液沫夹带

在允许范围内。
5.10.3 漏液
漏液点气速的计算，得

实际孔速
稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。
5.10.4 液泛
防止发生液泛，降液管内液层高度应服从 关系，取
则
而

故不会发生液泛现象。
5.10.5 塔板负荷性能图
5.10.5.1 液漏线
根据气速式

Ls，
0.0015
0.003
0.0045
0.01

1.88
1.892
1.943
2.03
5.10.5.2 液沫夹带线
认为限，

在操作范围内，任取几个数据计算值，列表得
Ls，
0.0015
0.003
0.0045
0.01

8.2
7.9
7.8
7.0
5.10.5.3 液相负荷下限线
液相负荷下限线
取平堰.堰液层高度=0.006作为液相下限条件
取E=1.0
=E（）
得
=0.0126 =0.00141
8.4液相负荷上限线
以作液体在降液管中的停留时间下限，由

5.10.5.4 液泛线
令 由

联立得
忽略，将与的关系代入上式，并整理得
式中

故 或
Ls，
0.0015
0.003
0.0045
0.01

8.7
8.4
7.9
6.8

在负荷性能图上，作操作点A，连接OA，即为操作线，由图可知，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制。 操作弹性为

6 工艺计算汇总表：

序  号
项  目
结  果
1
平均温度
85.15℃
2
最小回流比
1.16
3
适宜回流比
1.74
4
理论板数
18(含釜)
5
理论进料位置
第8层
6
总板效率
50％
7
实际板数
36
8
实际进料位置
第16层
9
平均压力
96.4kPa
10
降液管形式
弓形
11
堰长
1.14
12
堰高
0.0438m
13
板上液层高度
0.06m
14
堰上液层高度
0.0162m
15
降液管底隙高度
0.0476m
16
开孔区面积
1.68
17
筛孔直径
0.005m
18
筛孔数目
5134
19
开孔率
10.1％
20
塔径
1.72m
21
板间距
0.5m
22
有效塔高度
14.4m
23
稳定系数
7.8
24
每层塔板压降
755.8Pa
25
负荷上限
液泛控制
26
负荷下限
液漏控制
27
液沫夹带
0.001
28
气相负荷上限

29
气相负荷下限

30
操作弹性
3.67

7 总结
本设计装置应用于分离苯和甲苯的混合物，用板式精馏塔进行分离择作，在已经设计好的数据为基础进行设备的设计和数据验算，使本设计能安全应用于实际生产中.
由于精馏所进行的是气一液两相之间的传质，而作为气一液两相传质所用的设备，一方面必须用能使气液两相得到充足的接触，以达成较高的传质效率.为满足工业生产的规定，塔设备还得具有下列基奉规定
1.气液解决量大，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，即当设备的气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，从而减少操作费用.
4.结构简朴，材料耗用量小，制造和安装容易.
5.耐腐恤和不易堵塞，方便操作、调节和检修~.

2023-6-21

8 附录

图 81精馏塔工艺流程图

图 82精馏塔简图