1、本科毕业论文（20 届）30000 吨/年甲苯-乙苯精馏工艺的设计所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘 要本次设计主要是对甲苯-乙苯蒸馏工艺的设计，包括精馏塔的物料衡算，塔板数的确定，精馏段和提留段计算，塔结构尺寸设计等内容。本次设计的塔主要用来分离甲苯和乙苯。分离甲苯和乙苯，可以利用二者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收和储存。板式精馏塔、浮阀塔都是常用的塔类型，可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。筛板塔是 1932 年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板
2、上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。关键词：精馏塔 甲苯 乙苯 物料衡算 尺寸本科生毕业论文IIAbstractThis project is the distillation process of methylbenzene-ethylbenzene. Include the material calculation of the rectif
3、ication column and confirming the column plates and the calculation of Rectifying section- More-retained section and designing the columns size. This system is aim at the diversion of the methylbenzene and ethylbenzene. According to the different boiling points, we can separate the methylbenzene and
4、 ethylbenzene. Changing the temperature to separate, reclaim and store. Plate column and float column are commonly used. According the different characteristics we can select the column. Plate column was released in 1932，its used to brew at that period. The advantage was simple structure, manufactur
5、ing is also simple and convenient，the low cost and gas pressure. At the same situation, its production capacity is more than the float column. But it also has disadvantage, the range of stable operation is limited. The small apertures can be easily blocked. But the good designing plate column still
6、has enough elasticity of operation. So these years its used in our country increasingly and we use this column in this project.Key words：rectification column methylbenzene ethylbenzene material calculation size本科生毕业论文III目 录摘要 .（III ）Abstract.（III ）1前言 .（1）1.1 设计背景 .（1）1.2 选题的目的和意义 .（2）2设计原始数据及设计方案 .
7、（3）2.1 设计原始数据任务书 .（3）2.2 设计方案的确定 .（4）2.3 工程概算 .（5）2.4 环境保护概况 .（6）3精馏塔的设计 .（7）3.1 精馏塔的物料衡算 .（7）3.2 塔板数的确定 .（7）3.3 塔的操作工艺条件及相关物性数据的计算 .（11）3.4 精馏塔的气液相负荷计算 .（16）3.5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .（17）3.6 塔板主要工艺尺寸的计算 .（18）3.7 筛板的流体力学验算 .（21）3.8 塔板负荷性能图 .（24）3.9 精馏塔的设计计算结果汇总一览表 .（32）4冷凝器的设计 .（33）4.1 确定设计方案 .（33）4.2 确定物性数
8、据 .（33）4.3 计算热负荷 .（33）4.4 逆流平均温差 .（34）4.5 冷却水用量 .（35）4.6 估算传热面积 .（35）4.7 换热器的工艺结构尺寸计算 .（35）4.8 换热器核算 .（36）本科生毕业论文IV4.9 换热器主要结构尺寸和计算结果 .（39）5再沸器的设计 .（40）5.1 有关物性数据的确定 .（40）5.2 估算传热面积、初选换热器型号 .（42）5.3 传热能力核算 .（43）5.4 循环流量的校核 .（49）5.5 再沸器主要结构尺寸和计算结果 .（51）6设备汇总 .（52）6.1 主要设备汇总 .（52）6.2 冷凝器装置简图 .（53）6.3
9、再沸器装置简图 .（54）6.4 精馏过程流程图 .（55）6.5 参数图 .（56）小结 .（59）致谢 .（60）参考文献 .（61）本科生毕业论文- 1 - 1 前 言1.1 设计背景塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备 1。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。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。工业上对塔设备的
10、主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。板式塔大致可分为两类：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板） 、穿流式波纹板等 2。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。我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等 3，更提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。带有中间贮槽的间歇精馏塔，作为一种新型的复合塔器，为
11、我们提出了一种新的操作方式，它合理地利用了间歇精馏的动态特性，为多组元物系的分离提供了更好的选择。近年来还发展了存在多个中闻贮槽的复合塔，实现更为复杂的分离过程。作为一个复杂过程，还有待于深入研究其优化操作问题，不能仅局限于用模仿连续精馏的方法，可以用最小能量消耗为目标参数进行优化。对这种复杂塔设计和优化也应是进一步研究的方向。研究人员提出当代化工产业的发展除了依靠传统化工技术外，还需依靠计算机技术寻求一个基于理论的工艺设计和开发创新的方法。比如计算流体力学的发展和计算机技术的普及应用，使得这一思路有了保证。应用计算流体力学方法能把传统实验所需的人力、物力及财力降低到最低限度，从而带来一场工业
12、设计的突破，这将成为今后工艺设计新的发展方向 4。另外在精馏塔工艺方面近年来还趋于催化精馏的改进，催化精馏的实质是将反应和精馏集于同一设备中进行的化工操作过程。与传统工艺相比，具有显著的优点，所以对这一领域的研究一直颇受重视。进人80年代以后，催化精馏由均相反应转向非均相反应，并被广泛用于醚化、烷基化、酯化、脱水和水合等工艺过程，固体催化剂既加速蒸馏塔内化学反应，同时又作为气液两相传质表面，催化剂表面越太，反应速度越快。若颗粒太小就阻碍蒸气上升，影响精馏操作。另外，受催化剂强度的限制，催化剂尚难以制成随意的形状和尺寸，所以在催化精馏塔内反应段催化剂床层是必须以特殊方式装填，而催化剂装填方式直接
13、决定塔内床层的催化剂效率和汽液传质效率，因此催化剂的装填方式逐渐成为催化精馏技术研究的核心课题之一。在国外，由于已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构，而是主要取决与物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等，关于塔的研究已经逐渐放慢了脚步。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率” ，在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。国外出现了分隔壁精馏塔，是一种完全热耦合的蒸馏塔，具有能耗低、投资少的优点，更大程度地利用了能量，降低了能耗。本科生毕业论文- 2 - 1.2 选题的目的和意义塔设备是现今
14、炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备，精馏塔的工作效率关系到一个石化企业的经济效益。本次设计主要是对甲苯-乙苯蒸馏工艺的设计，包括精馏塔物料衡算，塔板数确定，精馏段和提留段计算，塔结构尺寸设计计算等内容。本次设计的塔主要用来分离甲苯和乙苯。甲苯（methylbenzene）是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ，沸点为 111 。甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为 0.866克厘米，对光有很强的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)
15、，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为 0,6 mPa s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为 40.940 kJ/kg，闪点为 4 ，燃点为 535 。乙苯（ethylbenzene）一种芳烃。分子式 C6H5C2H5 。存在于煤焦油和某些柴油中。易燃，其蒸汽与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。乙苯的熔点为-94.9，沸点为 136.2。它是一种无 色 液 体 ， 有 芳 香 气 味 ，相 对 密 度 (水 =1)： 0.87。 乙 苯 不 溶 于 水 ， 但 可 混 溶
16、于 乙 醇 、 醚 等 多 数 有 机 溶 剂 5。分离甲苯和乙苯，可以利用二者沸点的不同，采用塔式设备改变其温度，使其分离并分别进行回收并储存。板式精馏塔、浮阀塔都是常用的塔类型，可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔 6。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列的。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层。筛板塔是在 1932 年提出的，当时主要用于酿造工业，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液 7。
17、但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。本科生毕业论文- 3 - 2 设计原始数据及设计方案的确定2.1 设计原始数据：2.1.1 设计题目：30000 吨/年甲苯-乙苯精馏工艺的设计 2.1.2 设计任务：完成精馏塔的工艺设计；精馏塔设备设计；有关附 属设备的设计和选用；绘制工艺流程图；塔板结构简图和塔板负荷性能图；编制设计说明书。2.1.3 设计条件：1、处理量： 30000 （吨/年） 。2、进料组成：甲苯、乙苯的混合溶液，含甲苯的质量分数为 40%。3、进料状态： 泡点进料 4、料液初温 ：
18、 35 5、冷却水的温度： 30 6、饱和蒸汽压强：2.5Kgf/cm 2(1Kgf/cm2=98.066)KPa7、精馏塔塔顶压强: 4 KPa(表压)8、单板压降不大于 0.7 kPa9、总塔效率为 0.61 10、分离要求：塔顶的甲苯含量不小于 98%(质量分数),塔底的 甲苯含量不大于 2%(质量分数)。11、年开工时间： 8000 （小时）12、完成日期： 2011 年 4 月 27 日2.1.4 设计内容（1） 、工艺设计1、选择工艺流程和工艺条件（要求画出工艺流程）加料方式；加料状态；塔顶蒸汽冷凝方式；塔釜加热方式；塔顶塔底的出料状态；塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。2、精馏
19、工艺计算物料衡算确定各物料流量和组成；本科生毕业论文- 4 - 经济核算确定适宜的回流比；精馏塔实际塔板数。（2） 、精馏塔设备设计1、选择塔型和板型。采用板式塔，板型为筛板塔，2、塔和塔板主要工艺结构的设计计算3、塔内流体力学性能的设计计算；4、绘制塔板负荷性能图。画出精馏段和提馏段某块的负荷性 能图5、有关具体机械结构和塔体附件的选定。接管规格、筒体与封头、除沫器、裙座、吊柱、人孔、塔 的顶部空间、塔的底部空间。接管规格：（1）进料管（2）回流管（3）塔釜出料管（4）塔顶蒸汽出料管（5）塔釜进气管（6）法兰6、总塔高的计算：包括上、下封头、裙座高度、塔主体的 高度、塔的顶部空间、塔的底部空
20、间（3） 、附属设备的设计与选型1、换热器选型。对原料预热器、塔底再沸器、塔顶产品冷 却器等进行选型。2、塔顶冷凝器设计选型。根据换热量，回流管内流速，冷 凝器高度，对塔顶进行选型设计。（4） 、设计结果汇总（5） 、工艺流程图及精馏塔工艺条件图（6） 、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论2.2 设计方案的确定2.2.1 对塔板的要求（1） 生产能力要大，即单位面积上气体和液体通量大。（2） 板效率高。塔板效率高板数就少，对于板数一定的塔，板效率高可以提高产品质量后者减少回流比（或气液比） ，减少能耗，降低操作费用。（3） 压降小。气体通过单板压降小，能耗低。对于精馏则可以降低釜压力和釜温
21、，这对于处理高沸点和易发生自聚分解的物系尤其重要。（4） 操作范围宽。当塔内操作的气液负荷波动使不至于影响塔的正常操作。（5） 结构简单，制造维修方便，造价低廉。2.2.2 装置流程的确定精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定流程时应考虑余热的利用，注意节能是关键。本科生毕业论文- 5 - 初温为 35的甲苯乙苯（原料液）经预热器加热到泡点温度 123.06后送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体
22、汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续的从再沸器取出部分液体气化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶温度为 110.78，塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶或是自然回流作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品进入贮罐。塔釜温度为 136.98，塔釜内液体一部分进入再沸器，经水蒸汽加热后，回流至塔釜，另一部分与原料换热器换热后排入储罐。2.2.3 流程简图如右图所示：2.2.4 操作条件操作压力：精馏操作可在常压、减压和加压下进行。塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有
23、关。由于甲苯沸点不是很高，所以精馏塔不需要在加压或减压下操作，只需常压操作，以减少能量消耗。进料热状态：进料状态有 4 种，可用进料状态参数 q 值来表示。本次设计中采用泡点进料方式。进料状态直接影响到进料线（q 线） 、操作线和平衡关系的相对位置，对整个塔的热量衡算也有很大的影响。泡点进料最大的优点在于受外界干扰小，塔内精馏段、提馏段上升蒸汽量变化较小，便于设计、制造和操作控制。加热方式：蒸馏一般采用间接蒸汽加热，设置再沸器。回流比的选择：对于一定的生产能力，即馏出量 D 一定时， V 的大小取决于回流比。一般取操作回流比为最小回流比的 1.12 倍，即 。Rmin0.212.3 工程概算2.3.1 基本建设投资估算 基本建设投资费用包括单项工程综合估算、预备费用、工程建设其他费用。初步估算基本建设投资资金为 500 万人民币。2.3.2 原料库存资金估算由公式：原料库存资金=原材料费生产能力 得：9.0365原料库存资金为 6000 =365296,约为 40 万元。24809.3652.3.3 生产资金和成品资金的估算 生产资金和成品资金初步估算总计为 100 万元。2.3.4 化工产品成本估算 劳动力费用：总计约为 100 万每年 公用工程费用：约 20 万元每年 车间维修、折旧和管理费用：每年约为 30 万人民币。
