苯—甲苯板式精馏塔的工艺设计方案

化工原理课程设计说明书
学院：化学化工学院
专业：应用化学专业
设计者：杨钱生
班级：2007级07班
学号：************
2018年7月1日
（一）设计题目
设计一座苯-甲苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.1%的甲
苯1.9×104t，塔顶馏出液中含甲苯不得高于2%，原料液
中含甲苯38%<以上均为质量分数）
（二）操作条件
1.塔顶压力4kPa<表压）。

2.进料热状态自选。

3.回流比自选。

4.塔底加热蒸汽压力0.5MPa<表压）。

5.单板压降≤0.7kPa。

（三）塔板类型
筛板
（四）工作日
每年300天，每天24小时连续运行。

（五）厂址
天津地区
（六）设计类容
1.精馏塔的物料衡算；
2.塔板数的确定；
3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算。

4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算；
5.塔板主要工艺尺寸的计算；
6.塔板的流体力学验算；
7.塔板负荷性能图；
8.精馏塔接管尺寸计算；
9.绘制生产工艺流程图；
10.绘制精馏塔设计条件图；
11.绘制塔板施工图<选作）；
12.对设计过程的评述和有关问题的讨论。

（七）设计基础数据
表1-1 苯(A>-甲苯(B>饱和蒸气压<总压1.013×
105Pa）
温度/℃85 90 95 100 105
p A*/105Pa 1.169 1.335 1.557 1.792 2.042
P B*/105Pa 0.460 0.540 0.633 0.743 0.860
苯-甲苯物系的气液平衡数据
表1-2 x 0 0.058 0.155 0.256 0.376 0.508 0.659 0.830 1
y 0 0.128 0.304 0.453 0.596 0.720 0.830 0.943 1
表1-3 苯-甲苯部分温度下的密度温度/℃81.0 91.4
815.9 803.5
808.88 798.6
设计计算
设计方案的确定
本设计任务为分离苯-甲苯混合物。

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入精馏塔内。

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，故操作回流比去最小回流比的２倍。

塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

1.精馏塔的物料衡算
a)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量M A=78.11kg/kmol
甲苯的摩尔质量M B=92.13kg/kmol
b)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
M F=0.658×78.11+(1-0.658>92.13=82.90kg/kmol
M F=0.983×78.11+(1-0.983>92.13=78.59kg/kmol
M F=0.012×78.11+(1-0.012>92.13=91.96kg/kmol
c)物料衡算
原料处理量
总物料衡算31.83=D+W
苯物料衡算31.83×0.658=0.983D+0.011W
联立解得D=21.19kmol/h
W=10.64kmol/h
2.塔板数的确定
a> 理论板层数N T的求取
苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。

i.由手册查得苯-甲苯物系的气液平衡数据表1-2，绘出x-y
图，如图1-1。

ii.求最小回流比及操作回流比。

采用作图法求最小回流比。

在图1-1中对角线上，自
e(0.658,0.658>作垂线ef即为进料线(q线>，该线与平衡线的
交点坐标为
x q=0.658 y q=0.828
故最小回流比为
取操作回流比为
R=2R min=2×0.91=1.82
iii.求精馏塔的气、液相负荷
L=RD=1.82×21.19=38.57kmol/h
V=(R+1>D=(1.82+1>21.19=59.76kmol/h
L’=L+F=38.57+31.83=70.40kmol/h
V’=V=59.76kmol/h
iv.求操作线方程
精馏段操作线方程为
提馏段操作线方程为
v.图解法求理论板层数
采用图解法求理论塔板层数，如图1-1所示。

求解结果为
总理论板层数N T=14(包括再沸器>
进料板位置N F=6
b)实际塔板数的求取
精馏段实际板层数N精=5/0.52=9.6≈10
提馏段实际板层数N提=9/0.52=17.3≈18
3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
以径流段为例进行计算
a)操作压力计算
塔顶操作压力P D=101.3+4=105.3kPa
每层塔板压降△P =0.7kPa
进料板压力P F=105.3+0.7×10=112.3kPa
精馏段平均压力P m=(105.3+112.3>/2=108.8kPa
b)操作温度计算
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其
中苯甲苯的饱和蒸气压由安东尼方程计算，计算过程略。

计
算结果如下：
塔顶温度t D=81.0℃
进料板温度t F=91.4℃
精馏段平均温度t m=(81.0+91.4>/2=86.2℃
c)平均摩尔质量
塔顶平均摩尔质量计算
由x D=y1=0.983,查平衡曲线<见图1-1），得
x1=0.955
M VDm=0.983×78.11+(1-0.983>92.13=78.34kg/kmol
M LDm=0.955×78.11+(1-0.955>92.13=78.74kg/kmol
进料平均摩尔质量计算
由图解理论板<见图1-1），得
y F=0.808
查平衡曲线<见图1-1），得
x F=0.630
M VFm=0.808×78.11+(1-0.808>92.13=80.80kg/kmol
M LFm=0.630×78.11+(1-0.630>92.13=83.30kg/kmol
精馏段平均摩尔质量
M Vm=<78.34+80.80）/2=79.57kg/kmol
M Lm=<78.74+83.30）/2=81.02kg/kmol
d)平均密度计算
i.气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
ii.液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即
塔顶液相平均密度的计算
由t D=81.0℃,查“化学化工物性数据手册有机卷1”P305得
进料板液相平均密度的计算
由t F=91.4℃,查手册得
进料板液相的质量分率
精馏段液相平均密度为
e)液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即
塔顶液相平均表面张力的计算
由t D=81.0℃,查手册得
进料板液相平均表面张力的计算
由t F=91.4℃,查手册得
精馏段液相平均表面张力为
f)液体平均粘度计算
液相平均粘度依下式计算，即
塔顶液相平均粘度的计算
由t D=81.0℃,查“化学化工物性数据手册有机卷1”P303得
进料板液相平均粘度的计算
由t F=91.4℃,查“化学化工物性数据手册有机卷1”P303得
精馏段液相平均粘度为
4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算
a)塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为
由
式中计算，其中的C20由“史密斯关联图”查取，图的横坐标为
取板间距H T=0.40m,板上液层高度h L=0.04m,则
H T-h L=0.40-0.04=0.36m
查“史密斯关联图”得C20=0.073
取安全系数为0. 6，则空塔气速为
u=0.6u max=0.6×1.235=0.887m/s
按标准塔径圆整后为D=1.0m
塔截面积为
实际空塔气速为
b)精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
Z精=(N精-1>H T=(10-1>×0.40=3.6m
提馏段有效高度为
Z提=(N提-1>H T=(18-1>×0.40=6.8m
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
Z=Z精+Z提+0.8=11.2m
5.塔板主要工艺尺寸的计算
a)溢流装置计算
因塔径D=1m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液
盘。

各项计算如下：
i.堰长l W
取l W=0.66D=0.66×1.0=0.66m
ii.溢流堰高度h W
由h W=h L-h OW
选用平直堰，堰上液层高度
近似取E=1,则
取板上清液层高度h L=40mm
故h W=0.04-0.0094=0.031m
iii.弓形降液管宽度W d和截面积A f
由
查“弓形降液管的参数图”，得
故A f=0.0722A T=0.0722×0.503=0.0363m2
W d=0.124D=0.124×1.0=0.124m
依式验算液体在降液管中停留时间，即
故降液管设计合理。

iv.降液管底隙高度h0
取u’0=0.08m/s
则
h w-h0=0.051-0.031=0.0097m>0.006m
故降液管底隙高度设计合理。

选用凹形受液盘，深度h’w=50mm。

b)塔板布置
i.塔板的分块
因D≥800mm，故塔板采用分块式。

查“塔板分块数表”得，
塔板分为3块。

ii.边缘区宽度的确定
取W s=W’s=0.065m，W c=0.035m。

iii.开孔区面积计算
开孔区面积
其中
故
iv.筛孔计算及其排列
本题所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔
直径d0=5mm。

筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为
t=3d0=3×5=15mm
筛孔数目n为
开孔率为
6.塔板的流体力学验算
a)塔板压降
i.干板阻力h c计算
干板阻力h c由式计算，
由，查“干筛孔的流量系数图”得，c0=0.772 故
ii.气体通过液层的阻力h l计算
气体通过液层的阻力h1由式计算
查“充气系数关联图”，得0.57
故
iii.液体表面张力的阻力计算
表面张力所产生的阻力由式计算
气体通过每层塔板的液柱高度h p可按下式计算
气体通过每层塔板的压降为
b)液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。

c)液沫夹带
液沫夹带量由式计算
故
故在本设计中液沫夹带量e V在允许范围内。

d)漏液
对筛板塔，漏液点气速u0,min可如下计算
实际孔速u0=8.52m/s>u0,min
稳定系数为
故在本设计中无明显漏液。

e)液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应有
苯-甲苯物系属一般物系，取，则
而
板上不设进口堰，h d可由式计算，即
H d=0.047+0.40+0.001=0.088m液柱
故在本设计中不会发生液泛现象。

7.塔板负荷性能图
a)漏液线
由
得
整理得
在操作范围内，任取几个L s值，依上式计算出V s值，计算结果
列于下表。

L s，m3/s 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 V s，m3/s 0.280 0.291 0.305 0.317 由上表数据即可作出漏液线1。

b)液沫夹带线
以e v=0.1kg液/kg气为限，求V s-L s关系如下:
由
故
整理得
在操作范围内，任取几个L s值，依上式计算出V s值，计算结果
列于下表。

L s，m3/s 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 V s，m3/s 1.446 1.384 1.304 1.236 由上表数据即可作出液沫夹带线2
c)液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度h OW=0.006m作为最小液体负荷标准，则=0.006
取E=1，则
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。

d)液相负荷上限线
以作为液体在降液管中停留时间的下限，则
故
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线线4
e)液泛线
令
由
联立得
忽略，将与L S，与L S，与V S的关系式带入上式，并整理得
式中
将有关数据代入，得
故
或
在操作范围内，任取几个L S值，依上式计算出V S值，计算结果
列于下表。

L s，m3/s 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 V s，m3/s 1.226 1.187 1.120 1.040 由上表数据即可作出液泛线5。

根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下。

在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。

由
图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。

并可查得
V s,max=1.163m3/s V s,min=0.282m3/s
故操作弹性为
所设计筛板的主要结果汇总于下表。

序号工程数值
1 平均温度t m,℃86.2
2 平均压力P m,kPa 108.8
3 气相流量V s,(m3/s> 2.85
4 液相流量L s,(m3/s> 808.6
5 实际塔板数28
6 有效段高度Z,m 11.2
7 塔径D，m 1.0
8 板间距H T，m 0.4
9 溢流形式单溢流
10 降液管形式弓形
11 堰长l W，m 0.66
12 堰高h W，m 0.031
13 板上液层高度h L，m 0.04
14 堰上液层高度h OW，m 0.0094
15 降液管底隙高度h0，m 0.021
16 安定区宽度W S，m 0.065
17 边缘区宽度W C，m 0.035
18 开孔区面积A a，m2 0.532
19 筛孔直径d0，m 0.005
20 筛孔数目n 2731
21 孔中心距t，m 0.015
22 开孔率φ，% 10.1
23 空塔气速u，m/s 0.583
24 筛孔气速u0，m/s 8.52
25 稳定系数K 1.60
26 每层塔板压降⊿P p，Pa 371
27 负荷上限液泛控制
8.精馏塔接管尺寸计算
1.塔顶蒸汽出口管径
依据流速选取，但塔顶蒸汽出口流速与塔内操作压力有关，常压可取12~20m/s。

2.回流液管径
回流量前已算出，回流液的流速范围为0.2~0.5m/s；若用泵输送回流液，流速可取1~2.5 m/s。

3.加料管径
料液由高位槽自流，流速可取0.4~0.8 m/s；泵送时流速可取1.5~2.5m/s。

4.料液排出管径
塔釜液出塔的流速可取0.5~1.0m/s。

5.饱和蒸汽管径
蒸汽流速：<295kPa：20~40 m/s；<785kPa：40~60 m/s；>2950 kPa：80 m/s。

9.绘制生产工艺流程图
10.绘制精馏塔设计条件图
11.绘制塔板施工图<选作）
12.对设计过程的评述和有关问题的讨论
这是我们人生中第一次做课设，也是第一次比较系统的将理论与实际相联系<虽然很大一定程度上仍然是比较理论化的）。

在这次设计过程中，我学到了不少东西。

我认识到实际中，操作条件下，会要求的设计有多苛刻。

有一些前面的演算完全没有错，结果在验算是才发现错了，又必须重新修改。

还
有塔径、塔高等重要数据都是可以计算出来的，虽然计算结果难免与实际有一定冲突，但是，还是有一定指导意义的，尤其是在考虑了一些实际情况后，便几乎不会有什么冲突。

更重要的是，我还学会了自主学习，这次老师几乎没直接教我们什么东西，而是要求我们自己查找资料，这在以后的学习和生活中都是很有实际意义的，因为我们已经学会了自己找需要的东西。