年产量万吨苯的精馏装置工艺装置设计.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕 业 论 文

2023 级 应用化工技术 专业

题 目： 年产6万吨苯的精馏工艺设计
专 业： 应用化工技术
毕业时间： 2023年6月
学生姓名： 关召强
学 号：
指导教师： 朱淑艳
班 级： 2023应化（1）班

六月二十
酒泉职业技术学院 2023 届各专业
毕业论文（设计）成绩评估表
姓名
关召强
班级
2023级应化（1）班
专业
应用化工技术
指导教师第一次指导意见
没有拟定思绪，应列出提纲，要有一个清楚的条理，运用收集的资料文献完毕设计，并且注意相关的格式规定。

2023年 5 月 3 日
指导教师第二次指导意见
设计结构不完整，继续查阅资料，理清设计思绪；有些资料反复运用，使设计显的反复烦琐，不清楚，删减不必要的内容。

2023年 5 月 17 日
指导教师第三次指导意见
内容编排混乱；出现一些语句和文字上的错误；部分内容格式没有符合规定，需要反复修改。

2023年 5 月 28 日
指导教师评语及评分

成绩： 及格 签字（盖章） 年 月 日
答辩小组评价意见及评分

成绩： 签字（盖章） 年 月 日
教学系毕业实践环节指导小组意见

签字（盖章） 年 月 日
学院毕业实践环节指导委员会审核意见

签字（盖章） 年 月 日
说明：1、以上各栏必须按规定逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计)封面之后。

年产6万吨苯的精馏工艺设计
摘 要:本次设计是用于分离苯-甲苯的精馏工艺。精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。精馏装置涉及精馏塔、原料预热器、蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。精馏是热量自塔釜输入，物料在塔内经冷凝器和冷却器多次冷凝并由冷却介质将余热带走的过程。
筛板塔是在泡罩塔的基础上发展起来的。它具有解决能力大，操作弹性大，塔板效率高，压强小，使用周期长等特点。拟定理论塔板数有图解法和逐板计算法，图解法计算简朴，但是准确度不高；逐板计算法虽然计算过程较为繁琐，但计算精度较高。所以本设计采用逐板计算法。
最后是塔板负荷性能图中液沫夹带上限线、液泛线、漏液线、液相负荷下限线的计算以及拟定塔体结构。
关键词：精馏塔，筛板，泡点进料，逐板计算法

一、概述
由于近年来国内纯苯无法满足需求量，进口愈来愈大，2023年我国纯苯进口量达30万吨，2023年纯苯进口量为24.9万吨，预计2023年，国内纯苯供应量达成703万吨，因而国际金融危机对国内石油化工行业的影响开始显现，从全行业处在上升的周期初次开始进入下行轨道，产量，产值也增速减缓，部分产品出现负增长，对于纯苯而言，油价一场大幅涨跌，导致亚洲地区涉及中国市场整体开工率不高。虽然开工率不高，但国内的纯苯产量仍然保持着稳定增长。2023年国内甲苯产量已从2023年195.2万吨提高到414.7万吨，自给率高达90.2%，这些数据表白在过去的几年，国内甲苯生产能提高发展异常迅速，可以说2023年国内甲苯生产能力又有大幅度的增长、从宏观环境来看，在当前金融和危机的局势掌握方向，相信无论是对中国的甲苯行业的长远发展，还是对甲苯行业有具体工作的突破都具有积极的指导作用。
(一)苯、甲苯的性质
1.苯的性质
(1)物理性质
苯是最简朴的芳香烃，分子式为C6H6，无色、易燃、有芳香气味的透明液体，沸点为80.1度，熔点为5.5度，易挥发。苯的密度为0.88g/ml，比水密度小,但其分子质量比水重。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7 g苯。苯是一种良好有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性分子的能力很强。
（2）化学性质
苯能发生三种化学反映:其基团和苯环上的氢原子之间发生取代反映；是发生在苯环上的加成反映；是普遍的燃绕反映。
2.甲苯的性质
（1）物理性质
甲苯是有机化合物，属芳香烃，结构简式C6H5CH3在常温下呈液体状、无色、易燃。它的沸点为110.8度，密度为0.668/ml。甲苯不溶于水（0.52g/l),但可以和二氧化碳，酒精，乙醚以任意比混溶，在氯仿，丙酮和大多数其它常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯温度计正是运用了它的凝固点比水很低，可以在高寒地区使用，而它的沸点比水高，可以测118.8度以下的温度。从测量范围来比较，它由于水银温度计，并且其比较便宜。
（2）化学性质
甲苯容易发生氧化，生成苯-一氯甲烷或三氯甲烷；易硝化，生成对硝基甲苯邻硝基甲苯； 还易磺化，生成对甲苯磺酸或邻甲苯磺酸。
(二）发展前景
为加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都在加大塔的研究力度。如今我国常用的板式塔中的重要为泡罩塔、浮阀塔和蛇型塔等。填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规模填料也常采用。近年来我国加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射等新塔形，同时还进口了一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研，设计工作，加速了我国塔技术的开发。
国外关于塔的研究如今已放慢了脚步，由于其已经研究出塔盘的效率不是取决于塔盘的结构，而重要取决于物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“ 在提高解决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研究发展有助于汽液分布均匀、高效和制造方便的填料。
（三）精馏的工艺流程
精馏塔以进料板为界，上部为精馏段，下部为提馏段。一定温度和压力的进料进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐离开塔顶后所有冷凝进入回流罐，一部分作为塔顶产品，另一部分被送入回流罐，回流的目的是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，保证精馏操作连续稳定进行。而重组分在提馏段则经再沸器加热后送回塔顶，为精馏操作提供一定量连续上升的蒸汽气流。
蒸汽再由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发组分，不断地向蒸汽中转移，蒸汽中难挥发的组分不断的向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液中愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达成组分分离的目的，由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出，塔底流出的液体其中一部分进入再沸器，热蒸发后蒸汽返回塔中，另一部分液体作为塔釜残液取出。

附图3 苯--甲苯工艺流程图

（四）精馏过程中的重要设备
塔设备是化工、石油化工、炼油化工等生产中重要的设备之一，它可以使汽-汽或液-液相紧密接触，达成相际传热及传质的目的。塔设备中常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。作为重要传质过程的塔设备，一方面必须使汽（气）液两相能充足接触，以获得高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还必须满足以下规定：生产能力大；操作稳定，弹性大；流体流动阻力小；结构简朴，材料耗用少，制造和安装容易；耐腐蚀和不易阻塞，操作方便，调节和检修容易。
由于板式塔解决量大，效率高，清洗检修方便且造价低，故工业上多采用板式塔。
1.再沸器
优点：结构简朴、坚固。取材范围广，解决能力大，适应性强，操作弹性较大，特别在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。
作用：将塔内最下面的一块塔板流下的液体进行加热，使其中一部分液体发生汽化变成蒸汽而重新回流入塔内以提供塔内上升的气流，从而保证塔板上气液两相的稳定传质。
2.冷凝器
作用：将塔顶上升的蒸汽进行冷凝使其成为液体之后，将一部分冷凝液从塔顶回流进入塔内以提供塔内下降的液流，使其与上升气流进行逆流传质接触。
二、工艺计算
（一）原始数据
表2-1原始数据
物料名称
进料组分（质量分数）
塔顶组分（质量分数）
塔釜组分（质量分数）
苯
72%
98%
4%
甲苯
28%
2%
96%

（二）塔的物料衡算
1．原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
表2-2各组分的相对分子质量
物料名称
分子式
摩尔质量
苯

78.11
甲苯

92.13

（2-1）
物料液 Error! No bookmark name given.
塔顶
塔釡
2．原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
（2-2）

3．物料衡算
由物料衡算方程式得
（2-3）
（2-4）
即

由式解得
（三）塔板数的拟定
1．理论板层数NT的求取
(1) 温度
由内差法计算出进料、塔顶、塔底的温度
表2-3 苯与甲苯的Antoine参数

A
B
C
苯
15.9008
2788.51
-52.36
甲苯
16.0173
3096.51
-53.67
用安托尼方程 （2-5）
苯 即
甲苯 即
将取七段，则

表2-4 不同温度下苯与甲苯的物性参数计算结果
T
80.1
85
90
95
100
105
110.6

101.33
116.9
135.5
155.7
179.2
204.2
240.0

40.0
46.0
54.0
63.3
74.3
86.0
101.33

2.5333
2.5413
2.5093
2.4597
2.4118
2.3744
2.3685

1.000
0.780
0.581
0.411
0.258
0.1300
0

1.000
0.900
0.777
0.632
0.456
0.262
0
塔顶温度拟定 又由于
列内差法 得
塔釡温度 又由于
列内差法 得 ℃
又由于
列内差法 得
结果如下 ℃
用安托尼方程 计算，
得
故 进料

同理得 塔顶
塔釡

(2) 计算进料、塔顶、塔底的相对挥发度
（2-6）

所以全塔相对挥发度
（2-7）2．相平衡线方程
（1）相平衡线方程的拟定
由于是泡点进料 即
由相平衡方程式得
由式 （2-8）
取回流比
（2-9）
（2）求精馏塔的汽液相负荷
（2-10）
（2-11） （2-12）
（2-13）
故 精馏段方程为
（2-14）
提馏段
（2-15）
即
精馏塔属连续精馏，可采用逐板计算法求取理论塔板层数。
逐板法求理论板层数
精馏段
相平衡方程式 （2-17）
即
与精馏段操作线方程计算
计算过程略，结果如下：

由于,所以第7层理论板为进料板,则此精馏段理论板层数为6层
提馏段
用相平衡方程
与提馏段方程计算过程略，结果如下：

由于,所以提馏段理论板层数为8层
故总理论板层数（不涉及再沸器）
（3） 实际板层数的求取
取
故实际板层 （2-18） （2-19）

（四）热量衡算
1.塔顶、塔底汽化潜热的计算
表2-5苯-甲苯汽化潜热表
温度℃
20
40
60
80
100
120
苯KJ/kg
431.1
420.0
407.7
394.1
379.3
363.2
甲苯KJ/kg
412.7
402.1
391.0
379.4
367.1
354.2
（内差法）
苯甲苯的塔顶、塔底温度分别为

由内差法得

则 （2-20）
=
=30826.4003KJ/kmol
（2-21）
=
=1828802.257KJ/kmol （热量损失忽略）

2.对精馏段（塔顶冷凝器）
（2-22）
冷却水的消耗量为
（2-23）

3. 对提馏段（再沸器）

（2-24）
（2-25）
热损失量为0.05
（2-26）

4. 热蒸汽消耗量

（五）塔的工艺条件及有关物性数据的计算
1．操作压力P的计算
操作压力：常压 101.33kpa
单板压降：

进料板压力： （2-27）
塔釜压力： （2-28）
故精馏段平均操作压力为：

提留段平均操作压力为：

2.操作温度计算
前面已用泡点温度通过内插法计算出泡点温度
进料板温度
塔顶温度
塔底温度
故 精馏段平均温度：
提馏段平均温度：
3.平均摩尔质量计算
（1）塔顶摩尔质量计算
由逐板计算理论塔板数得
则

（2）进料板平均摩尔质量的计算
由
则

（3）塔底平均摩尔质量计算
由

提馏段进料板平均摩尔质量与精馏段进料板平均摩尔质量相同，故精馏段平均摩尔质量

提馏段平均摩尔质量

4.塔体工艺尺寸计算
（1）精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为
（2-40）
提馏段有效高度为

在进料板上下方各开设两个人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为：
（2-41）

（2）塔高的计算

(第一块板上空间高度)

（最后一块板下至液面之间高度）

（2-42）
5．塔板重要工艺尺寸的计算
（1）溢流装置的计算
因塔径精馏段,提馏段,可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘,各项计算如下：
（1） 堰
馏段取 （2-43）
提馏段取
（2） 溢流堰高度
由 （2-44）
选用平直堰，堰上液层高度由式
计算 （2-45）
近似取E=1，则
精馏段
取板上清液层高度
故
提馏段
取板上清液层高度
故
（3） 弓形降液管宽度和截面积
由，查相关资料得 ,
故精馏段

依式验算液体降液管中停留的时间，即 （2-46）

故降液管设计合理。
提馏段

依式验算液体降液管中停留的时间，即

故降液管设计合理。
（4） 降液管底隙高度
由式 计算 （2-47）
故精馏段 取
则

故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘，深度
故提馏段 取
则

故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘，深度

（2）塔板布置
（1） 塔板的分块
因D≥800，故塔板采用整块式。查表得，精馏段与提馏段的塔板都分为3块。
（2） 边沿区宽度拟定
取
（3） 开孔区面积计算
开孔区面积按式计算 （2-48）
（2-49）
（2-50）
故精馏段

则
提馏段

则
（4） 筛孔计算及其排列
本例所解决的物系有腐蚀性，可选用碳钢板，
取筛孔直径，筛孔按正三角形排列，取孔中心距为

故精馏段筛孔数目为
（2-51）
开孔率为
（2-52）
每层板上的开孔面积由式 （2-53）

气体通过阀孔的气速为
（2-54）
提馏段筛孔数目为

开孔率为

每层板上的开孔面积由式

气体通过阀孔的气速为

6．筛板的流体力学验算
（1）塔板压降
（1） 干板阻力的计算
（2-55）
由
故精馏段

提馏段

（2） 气体通过液层的阻力的计算
气体通过液层的阻力由式计算，即 （2-55）
故精馏段
（2-56）
（2-57）
查冲气系数图得，
故
提馏段

查冲气系数图得，
故
（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式计算 （2-58）
故精馏段

气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即
（2-59）
气体通过每层塔板的压降为
（设计允许值）提馏段

气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即

气体通过每层塔板的压降为
（设计允许值）

（2）液沫夹带
液沫夹带量由式计算，即 （2-60）
精馏段
=
故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。
提馏段

故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。

（3）漏液
对筛板塔，漏液点气速可由
计算，即 （2-61）
精馏段

实际孔速
稳定系数为
故在本设计中无明显漏液。
提馏段

实际孔速
稳定系数为

故在本设计中无明显漏液。

（4）液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从关系式 （2-63）
苯—甲苯物系属一般物系，取，则
故精馏段

（2-64）
板上不设进口堰，可由式计算，即

故本设计中不会发生液泛现象。

板上不设进口堰，可由式计算，即

故本设计中不会发生液泛现象。

7．计筛板的重要结果总汇表
表2-15设计筛板的重要结果总汇表
项目
精馏段数据
提馏段数据
单位
平均温度tm
83.0911
97.1438
℃
平均压力Pm
105.88
111.13

气相流量Vs
1.5523
1.5398
m3/s
液相流量Ls
0.003
0.007
m3/s
实际塔板数
12
16

有效高度z
5.5
7.5
m
塔径
1.6
1.6
m
板间距
0.5
0.5
m
溢流形式
单溢流
单溢流

降液管形式
弓形
弓形

堰长
1.12
1.12
m
堰高
0.0571
0.0474
m
板上液层高度
0.07
0.07
m
堰上液层高度
0.0129
0.0226
m
降液管底隙高度
0.0269
0.0313
m
安定区高度
0.07
0.07
m
边沿区宽度
0.05
0.05
m
开孔区面积
1.3574
1.3574
m2
筛孔直径
0.005
0.005
m
筛孔数目
6968
6968

孔中心距
0.015
0.015
m
开孔率
10.08
10.08
%
空塔气速
0.7721
0.7658
m/s
筛孔气速
11.3472
11.2558
m/s
稳定系数
1.7626
1.8377

每层塔板压降
664.1814
678.0882
Pa
荷上线
液泛控制
液泛控制

负荷下线
漏液控制
漏液控制

液沫夹带
0.0059
0.0061
Kg/液/ kg气
气相负荷上限
0.0226
0.0226
M3/s
气相负荷下限
0.00096
0.00096
M3/s
操作弹性
3.0769
2.3

六、辅助设备
（一）管道规格
1.原料管
（3-1）
（3-2）
查表 选
2.塔出料管
查资料得在取

查表 选
3.塔釜蒸汽管
查资料得在取

查表 选
4.塔顶回流管
用泵输送 取

查表选
5.塔釜出料管
取

查表选
（二）储槽（原料罐）

（3-3）
—装料系数 取（）
（）
（3-4）

设， （3-5）
解得

七、结论与讨论
（一）结论
在本次设计中，我的题目是年产量6万吨苯的精馏装置工艺设计，任务分离苯甲苯。由于第一次写毕业设计经验局限性，设计过程中碰到许多问题，假如设计中出现不妥之处，请老师加以指正。
在这次设计中我学到了许多东西，使我的思想与知识得到提高。在此我非常感谢老师和同学对我的帮助。
（二）方案讨论
1.关于节能型方案的选择
本流程中，加热原料液需水蒸汽作为加热介质，而从塔顶出来的蒸汽需冷却水作为介质进行冷凝。若采用节能方案，用塔顶蒸汽来加热，原料至一定的温度，同时塔顶蒸汽也被部分冷凝，这样既节能了加热介质水蒸气又节省了冷却水。
2．关于操作条件优化节能
精馏塔的重要操作条件涉及操作压力、操作温度、塔板压降、进料位置及温度、理论板数、回流比以及回流温度、塔顶塔底采出量、关键组分的清楚分割限度，塔顶塔底热负荷等等，除塔的操作压力一般是给定的，其它的都可以作为操作变量，通过灵敏度的分析、设计规定或者优化技术来拟定满足分离任务的最佳值，以获得最小的冷凝负荷和再沸器负荷，从而是精馏塔能耗最少。
3．关于强制回流的讨论
本方案控制回流中采用了强制回流，这样更便于控制回流比，但此时真正的回流为冷凝回流而非泡点回流，由于在管道输出过程中有能量损失，我们只是将它近似泡点回流，但实际这种冷凝回流相称于增大了回流比，可以增大产品的纯度。
4．关于负荷性图的讨论
对于精馏段的负荷性能图，其操作点位于区域中间，不易发生漏夜，也不易发生雾沫夹带、其设计后果交好，但对于提溜段的负荷性能图，其操作点偏正，虽不易发生漏夜，但较为发生雾沫夹带。

附 录

附图1 精馏段塔板负荷性能

附图2 提精馏段塔板负荷性能

附图IV苯--甲苯装备图

参考文献
[1] 杨祖荣. 化工原理.下册.北京：化学工业出版社，2023．
[2] 化工设备设计.北京：清华大学出版社，1996．
[3] 张桂军，薛雪. 化工计算. 北京：化学工业出版社，2023．
[4] 夏清，陈常贵. 化工原理. 天津：天津大学出版，2023．
[5] 汤金石. 化工原理课程设计. 北京：化学工业出版社，1990．
[6] 张新战. 化工单元过程及操作. 化学工业出版社，2023．
[7] 顾飞燕. 化工热力学．第二版:北京化工工业出版社，2023．
[8] 黄璐，王保国 . 化工设计. 北京：化学工业出版社，2023．
[9] 刘力. 机械制图. 高等教育出版社，2023．
[10] 侯文顺. 化工设计概论. 化学工业出版社，2023．

致 谢：一方面，感谢酒泉职业技术院全体老师，在校的这几年给予了我很大帮助，让我的学习生活丰富多彩，在欢声笑语中度过，同时也学到很多的知识，给我以后步入社会，走向岗位有很重要的帮助。
在本次毕业设计过程中我也非常感谢化学工程系的全体老师，给我们传授学了许多关于化工方面的知识，实验技能，操作技能等专业知识。
本文是在朱淑艳老师精心指导和大力支持下完毕的。朱老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、一丝不苟的作风和大胆的进取精神对我产生重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和不拘一格的思绪给了我深深的启迪。在本次毕业设计过程中我们也学到了许多关于精馏塔方面的知识，实验技能有了大的提高。
在学习生活中的这几年中，肖彩琴老师为我班的班主任，这几年里在学习方面和生活方面给予了我很大的帮助，组织同学参与有趣的活动，丰富了大学生活。在这向肖老师说声“老师，您辛劳了，谢谢您！”
此外，我还要特别感谢同学们对我的帮助和鼓励，没有他们的帮助和提供资料，就不会再这么短的时间做出设计，非常感谢他们的帮助。
最后，再次对关心、帮助我们的老师和同学表达衷心地感谢！