大学毕设论文--13068吨每年苯一甲苯连续精馏装置工艺设计课程设计.doc

广东石油化工学院

化工原理课程设计
设计说明书

设计题目:1.3068万吨/年 苯—甲苯连续精馏装置工艺设计

化工原理课程设计任务书
(应化10级各班适用)

一、 任务名称：
1.3068万吨/年 苯-甲苯连续常压精馏装置工艺设计说明书
二、 任务给定条件
1. 处理量为：2班(1500 + 学号×150)kg/h；(每年生产时间按7920小时计);
2. 原料组成： ；2班含苯0.35(质量分率)
3. 产品组成：塔顶产品，含苯0.98(质量分率，下同) ；塔底产品，含苯0.01；
4. 进料热状况参数条件：2班为0.25
5. 塔顶采用30℃的冷回流，冷却水温度25℃，回用循环水温度45℃；塔底重沸器加热介质为比密度0.86的柴油，进口温度290℃，出口温度160℃。
三、 说明书目录主要内容规定
1. 说明书标准封面；
2. 目录页，任务书页
3. 说明书主要内容规定
1) 装置流程概述，
2) 装置物料平衡，
3) 精馏塔操作条件确定，
4) (适宜回流比/最小回流比)为1.35时理论塔板数及进料位置，
5) 精馏塔实际主要工艺尺寸，
6) 精馏塔塔顶第二板、进料口上等三板和进料口下等二板塔板结构参数
7) 精馏塔结构参数汇总表和精馏塔结构简图(A3图) ，
8) 装置热衡算
9) 装置经济效益和工艺设计评价

四、经济指标
其它用于经济评价参数：加工纯利润600元/吨原料油，操作费用计量：料液输送3元/吨，冷却水16元/吨，热载体(柴油)160元/吨；固定资产计量：传热面积4000元/平方米, 泵1200元/(立方米/小时) ；5000元/(立方米塔体)；3000元/(平方米F1型浮阀(重阀) 塔板) 。装置使用年限15年。

目录
一、 前言....................................................................................................................................6
二、 设计方案的确定.............................................................................................................6
2.1处理量确定.....................................................................................................................6
2.2概述..................................................................................................................................6
2.3设计方案..........................................................................................................................6
2.3.1塔设备的工业要求..................................................................................................6
2.3.2工艺流程如下..........................................................................................................7
2.3.3流程的说明..............................................................................................................7
三、 精馏塔设计.......................................................................................................................7
3.1工艺条件的确定...............................................................................................................7
3.1.1苯与甲苯的基础数据...............................................................................................7
3.1.2温度的条件...............................................................................................................8
3.1.3操作压力选定...........................................................................................................9.
3.2精馏塔物料恒算................................................................................................................9
3.2.1摩尔分数....................................................................................................................9
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量................................................................9
3.2.3质量物料恒算与负荷计算及其结果表....................................................................9
3.3塔板数计算........................................................................................................................9
3.3.1.理论塔板数...............................................................................................................9
3.3.2做X-Y曲线................................................................................................................9
3.3.3求Rmin........................................................................................................................10
3.3.4操作线方程..............................................................................................................11
3.3.5用图解法算理论板数..............................................................................................11
3.3.6求平均塔效率ET......................................................................................................11
3.3.7求实际塔板数..........................................................................................................11
3.4 塔的精馏段操作工艺条件及计算.................................................................................12
3.4.1平均压强............................................................................................................12
3.4.2进料温度的计算......................................................................................................12
3.4.3平均摩尔质量的计算..............................................................................................13
3.4.4平均密度计算..........................................................................................................14
3.4.5液体平均表面张力计算..........................................................................................15
3.4.6液体平均粘度计算..................................................................................................16
3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算.........................................................................................17
3.5.1负荷计算 R1=3.93.................................................................................................17
3.5.1.1精馏塔的汽、液相负荷：..............................................................................17
3.5.1.2 Vs和Ls计算................................................................................................17
3.5.2塔径的计算..............................................................................................................18
3.5.3精馏塔有效高度的计算..........................................................................................19
3.5.4塔顶、塔底空间......................................................................................................20
3.5.4.1塔顶空间.....................................................................................................20
3.5.4.2塔底空间....................................................................................................20
3.5.4.3封头高度...................................................................................................20
3.5.4.4裙座高度 .............................................................................................20.
3.5.5塔壁厚计算、塔总高度...................................................................................................20
3.6. F1型浮阀塔板设计 （以塔顶第二块为例） ......................................................20
3.6.1溢流装置.................................................................................................................22
3.6.2塔板布置及浮阀数目与排列..................................................................................23
3.6.3塔板流体力学验算..................................................................................................23
3.6.3.1气相通过浮阀塔板的压强降..........................................................................23
3.6.3.2液泛..................................................................................................................24
3.6.3.3雾沫夹带..........................................................................................................24
3.6.4塔板的负荷性能图 ..............................................................................................24
3.6.4.1雾沫夹带线......................................................................................................24
3.6.4.2液泛线..............................................................................................................25
3.6.4.3液体负荷上限线..............................................................................................25
3.6.4.4漏夜线..............................................................................................................26
3.6.4.5 液相负荷下限线.............................................................................................26
3.6.5操作弹性计算..........................................................................................................26
四、 装置热衡算确定热换器（以一秒计算为例）.......................................................27
4.1 塔顶冷凝器......................................................................................................................27
4.2 塔底再沸器......................................................................................................................27
4.3塔釜产品冷却器...............................................................................................................28

五、 经费估算............................................................................................................................29
5.1设备费用计算...................................................................................................................29
5.1.1塔体费用...................................................................................................................29
5.1.2塔板费用...................................................................................................................29
5.1.3总换热器费用...........................................................................................................29
5.1.4总设备费用...............................................................................................................29
5.2固定资产折旧后年花费用...............................................................................................29
5.3主要操作年费用计算.......................................................................................................30
5.3.1清水用量费用...........................................................................................................30
5.3.2柴油用量费用...........................................................................................................30
5.3.3料液输送费...............................................................................................................30
5.3.4总操作费用...............................................................................................................30
5.4年总成本............................................................................................................................30
5.5年总收益............................................................................................................................30
5.6年纯收入............................................................................................................................30
六、 设计结果一览表...............................................................................................................31
七、 个人总结及对本设计的评述 .................................................................................32
八、 附图......................................................................................................................................33

一、前言
化工原理课程设计是理论系实际的桥梁，是让学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求我们能够综合运用化工原理上下册的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到以化工单元操作为主的化工设计的初步训练。通过课程设计，我们了解到工程设计的基本内容，掌握典型单元操作设计的主要程序和方法，培养了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。

二、设计方案的确定
2.1 处理量确定
依设计任务书可知，处理量为:1500 + 1×150=1650kg/h,
1650×7920=1.3068万吨/年
2.2概述
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔大致可分为两类：有降液管的塔板和无降液管的塔板。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。
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。浮阀塔的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，塔板效率高，气体压强降及液面落差较小，塔的造价低，塔板结构较泡罩塔简单.
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。
2.3 设计方案
2.3.1塔设备的工业要求
总的要求是在符合生产工艺条件下，尽可能多的使用新技术，节约能源和成本，少量的污染。精馏塔对塔设备的要求大致如下：
一：生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。二：效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 三：流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 四：有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等.
2.3.2工艺流程如下：
苯与甲苯混合液（原料储罐）→原料预热器→浮阀精馏塔（塔顶：→全凝器→分配器→部分回流，部分进入冷却器→产品储罐）(塔釜：再沸器→冷却器→产品进入储罐）
2.3.3流程的说明
本方案主要是采用浮阀塔，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到103.5度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。
三、精馏塔设计
3.1工艺条件的确定
3.1.1苯与甲苯的基础数据
表3-1 相平衡数据
温度/℃
80.1
85
90
95
100
105
110.6
POA /Kpa
101.33
116.9
135.5
155.7
179.2
204.2
240.0
POB /Kpa
40
46
54
63.3
74.3
86
101.33

2.54
2.51
2.46
2.41
2.37

x
1.00
0.780
0.581
0.412
0.258
0.130
0
y
1.00
0.897
0.773
0.633
0.461
0.269
0

表3-2 苯与甲苯的物理性质
项目
分子式
相对分子量
沸点/℃
临界温度/℃
临界压力/Pa
苯
C6H6
78.11
80.1
288.5
6833.4
甲苯
C6H5-----CH3
92.13
110.6
318.57
4107.7

表3-3 Antoine常数值
组分
A
B
C
苯
6.023
1206.35
220.24
甲苯
6.078
1343.94
219.58

表3-4 苯与甲苯的液相密度
温度/℃
80
90
100
110
120

810
800.2
792.5
780.3
768.9

815
803.9
790.3
780.3
770.9

表3-5 液体的表面张力
温度/℃
80
90
100
110
120

21.27
20.06
18.85
17.66
16.49

21.69
20.59
19.94
18.41
17.31

表3-6 液体的黏度
温度/℃
80
90
100
110
120

0.308
0.279
0.255
0.233
0.215

0.311
0.286
0.264
0.254
0.228

表3.7 液体的汽化热
温度/℃
80
90
100
110
120
苯/(KJ/Kg)
384.1
386.9
379.3
371.5
363.2
甲苯/(KJ/Kg)
379.9
373.8
367.6
361.2
354.6
3.1.2温度的条件：
假定常压，作出苯—甲苯混合液的t-x-y图，如后附图所示。依任务书，苯和甲苯的相对摩尔质量分别为78.11 kg/kmol和92.14kg/kmol，原料含苯0.35，塔顶苯含量不低于0.98，塔底苯含量不大于0.01，则：可算出：
原料液含苯的摩尔分率：
塔顶含苯的摩尔分率：
塔底含苯的摩尔分率：
查t-x-y图可得，tD=80.5℃,tW=109.6℃,tF=95.8℃
全塔平均温度tm=（80.5*109.6）1/2=93.93℃

3.1.3操作压力选定
最低操作压力：取回流罐物料的温度为30℃，由它们的安托因方程 计算得：

POA =15.93Kpa，POB =4.93Kpa.
由泡点方程XD=(Pmin-POB)/(POA -POB)=0.992,可得Pmin=15.74Kpa.
取塔顶操作压力 P=15.74+0.1*1000=115.74Kpa
3.2精馏塔物料恒算
3.2.1摩尔分数
由以上可知，摩尔分数为xf=0.388，xD=0.983，xw=0.0118
3.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量
原料液的平均摩尔质量：
MF ＝78.11×0.388＋(1－0.388)×92.14＝86.696kg/kmol
塔顶液的平均摩尔质量：
MD ＝78.11×0.983＋(1－0.983)×92.14＝78.349kg/kmol
塔底液的平均摩尔质量：
MW ＝78.11×0.0118＋(1－0.0118)×92.14＝91.974kg/kmol
3.2.3质量物料恒算与负荷计算及其结果表
全塔物料衡算：
进料液： F=1650（kg/h）/86.696（kg/kmol）=19.032kmol/h
总物料恒算： F=D+W
即 D+W=19.032
苯物料恒算：
即 D×0.983+ W×0.0118=19.032×0.388
联立解得： W＝11.660kmol/h
D＝7.372kmol/h
3.3塔板数计算
3.3.1.理论塔板数
3.3.2做X-Y曲线
由文献[1]中苯与甲苯的汽-液平衡组成可以找出算出。如
苯（x）-甲苯（y）的相平衡数据
温度/℃
80.1
85
90
95
100
105
110.6
POA /Kpa
101.33
116.9
135.5
155.7
179.2
204.2
240.0
POB/Kpa
40
46
54
63.3
74.3
86
101.33
x
1.00
0.780
0.581
0.412
0.258
0.130
0
y
1.00
0.897
0.773
0.633
0.461
0.269
0
本方案中，塔内压力接近常压（实际上略高于常压），因操作压力偏离常压很小，所以其对x~y平衡关系的影响完全可以忽略。将上表中数据作图得x~y曲线：
图1 苯—甲苯混合液的y-x图

3.3.3求Rmin
从而算得 苯--甲苯物系在某些温度t下的a值（附x值）
t( ℃)
85
90
95
100
105
α
2.54
2.51
2.46
2.41
2.37

从而推出
所以平衡线方程
因为q=0.25 所以Q线斜率且过点
因此得Q线方程：
计算得 Q线方程与平衡线方程交点 =（0.24,0.43）

又因为 故R=2.91×1.35=3.93

3.3.4操作线方程
精馏段操作线方程为：

提馏段操作线方程为：
3.3.5用图解法算理论板数
用图解法得出理论塔板数 作图如后面附图所示
=15（包括再沸器）,进料板为第8层
其中=7，=7(