1、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2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 0.255. 塔顶采用 30的冷回流，冷却水温度 25，回用循环水温度 45；
2、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) ，38) 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：
3、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1、前言.62、设计方案的确定.62.1 处理量确定.62.2 概述.62.3 设计方案.62.3.1 塔设备的工业要求.62.3.2 工艺流程如下.742.3.3 流程的说明.73、精馏塔设计.73.1 工艺条件的确定.73.1.1 苯与甲苯的基础数据.73.1.2 温度的条件.83.1.3 操作压力选定.9.3.2
4、精馏塔物料恒算.93.2.1 摩尔分数.93.2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量.93.2.3 质量物料恒算与负荷计算及其结果表.93.3 塔板数计算.93.3.1.理论塔板数.93.3.2 做 X-Y 曲线.93.3.3 求 Rmin.103.3.4 操作线方程.113.3.5 用图解法算理论板数.113.3.6 求平均塔效率 ET.113.3.7 求实际塔板数.113.4 塔的精馏段操作工艺条件及计算 .123.4.1 平均压强 .12mP3.4.2 进料温度的计算.123.4.3 平均摩尔质量的计算.133.4.4 平均密度计算.143.4.5 液体平均表面张力计算.153.4.
5、6 液体平均粘度计算.163.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .173.5.1 负荷计算 R1=3.93.173.5.1.1 精馏塔的汽、液相负荷：.173.5.1.2 Vs 和 Ls 计算.173.5.2 塔径的计算.183.5.3 精馏塔有效高度的计算.193.5.4 塔顶、塔底空间.203.5.4.1 塔顶空间 .20DH3.5.4.2 塔底空间 .20B3.5.4.3 封头高度 .2013.5.4.4 裙座高度 .20.23.5.5 塔壁厚计算、塔总高度.203.6. F1 型浮阀塔板设计 （以塔顶第二块为例） .203.6.1 溢流装置.223.6.2 塔板布置及浮阀数目与排列.233
6、.6.3 塔板流体力学验算.233.6.3.1 气相通过浮阀塔板的压强降.233.6.3.2 液泛.243.6.3.3 雾沫夹带.2453.6.4 塔板的负荷性能图 .243.6.4.1 雾沫夹带线.243.6.4.2 液泛线.253.6.4.3 液体负荷上限线.253.6.4.4 漏夜线.263.6.4.5 液相负荷下限线.263.6.5 操作弹性计算.264、装置热衡算确定热换器（以一秒计算为例）.274.1 塔顶冷凝器.274.2 塔底再沸器.274.3 塔釜产品冷却器.285、经费估算.295.1 设备费用计算.295.1.1 塔体费用.295.1.2 塔板费用.295.1.3 总换热
7、器费用.295.1.4 总设备费用.295.2 固定资产折旧后年花费用 .295.3 主要操作年费用计算.305.3.1 清水用量费用.305.3.2 柴油用量费用.305.3.3 料液输送费.305.3.4 总操作费用.305.4 年总成本.305.5 年总收益.305.6 年纯收入.306、设计结果一览表.317、个人总结及对本设计的评述 .328、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
8、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。6二、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 + 1150=1650kg/h, 16507920=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
9、，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 F1 型（V1 型） 、V4 型、十字架型、和 A 型，其中 F1 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（JB111881） 。其阀孔直径为 39mm，重阀质
10、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
11、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）72.3.3 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
12、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 95 100 105 110.6POA /Kpa 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0POB /K
13、pa 40 46 54 63.3 74.3 86 101.332.54 2.51 2.46 2.41 2.37x 1.00 0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0y 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 1
14、343.94 219.58表 3-4 苯与甲苯的液相密度温度/ 80 90 100 110 120)(3,mkgL苯810 800.2 792.5 780.3 768.9/,甲 苯815 803.9 790.3 780.3 770.98表 3-5 液体的表面张力温度/ 80 90 100 110 120）（苯 mN21.27 20.06 18.85 17.66 16.49）（甲 苯 /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）苯 （ smpLa.,0.308 0.279 0.255 0.233 0.215）甲 苯
15、 （ .,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) 379.9 373.8 367.6 361.2 354.63.1.2 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： 38.014.
16、92/65.0178/35.0Fx塔顶含苯的摩尔分率： 9D塔底含苯的摩尔分率： ././.Wx查 t-x-y 图可得，t D=80.5,t W=109.6,t F=95.8全塔平均温度 tm=（80.5*109.6） 1/2=93.933.1.3 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：5.2193408.6log8.2013.6log0 tptPBA甲 苯 ：苯 ：POA =15.93Kpa，P OB =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
17、.74+0.1*1000=115.74Kpa3.2 精馏塔物料恒算93.2.1 摩尔分数由以上可知，摩尔分数为 xf=0.388，x D=0.983，x w=0.01183.2.2 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 78.110.388(10.388)92.1486.696kg/kmol塔顶液的平均摩尔质量：MD 78.110.983(1 0.983)92.1478.349kg/kmol塔底液的平均摩尔质量：MW 78.110.0118(1 0.0118)92.1491.974kg/kmol3.2.3 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=16
18、50（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： FwDxWx 即 D0.983+ W0.0118=19.0320.388联立解得： W11.660kmol/hD7.372kmol/h3.3 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5521m苯（x）-甲苯（y）的相平衡数据温度/ 80.1 85 90 95 100 105 110.6POA /Kpa 101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 240.0
19、POB/Kpa 40 46 54 63.3 74.3 86 101.33x 1.00 0.780 0.581 0.412 0.258 0.130 0y 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xy 平衡关系的影响完全可以忽略。将上表中数据作图得 xy 曲线：103.3.3 求 Rmin从而算得 苯-甲苯物系在某些温度 t 下的 a 值（附 x 值）从而推出 46.2m所以平衡线方程 xxy46.12)(1因为 q=0.25 所以 Q 线斜率 且过点3k)(,F因此得 Q 线方程： 57.0xy计算得 Q 线方程与平衡线方程交点 =（0.24,0.43）),(qyx91.24.0398.minqDxyR又因为 5.1in故 R=2.911.35=3.933.3.4 操作线方程精馏段操作线方程为： 193.80.311 nDnn xRxy9.07.t( ) 85 90 95 100 105 2.54 2.51 2.46 2.41 2.37图 1 苯甲苯混合液的 y-x 图
