分离年处理量3.5万吨的苯—甲苯混合液的填料精馏塔计算.doc

1、辽宁石油化工大学职业技术学院毕业设计(论文)毕业设计（论文）手册学 院： 职业技术学院 专业班级： 炼油 0932 姓 名： 蒋明金 指导教师： 刘冬梅 2012 年 6 月 填 写 说 明1.本手册是学院对毕业设计（论文）工作进行质量监控的重要依据，必须认真如实填写，妥善保管。2.凡由指导教师组或外聘（反聘）教师指导学生，各系（部）要派负责教师协助做好毕业设计（论文）手册的填写工作。毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 分离年处理量3.5万吨的苯甲苯混合液的填料精馏塔 设计（论文）时间： 2012 年3 月30 日 至 2012 年 6月20 日 设计（论文）进行地点： 辽宁石油化工大学

2、 1、设计（论文）内容： 1介绍苯、甲苯的相关知识 2介绍精馏塔种类、设备等知识 3记录精馏塔工艺计算过程 2、设计（论文）的主要技术指标:中文名称：苯（30，质量分数）分子式： C6H6分子量：78CAS：108-88-3中文名称：甲苯（70%，质量分数）分 子 式：C7H8分 子 量：86分离要求：塔顶镏出液的组成为0.96，塔底釜液组成为0.01操作压力：101.325kPa 回流比：R=1.2Rmin3、 设计（论文）的基本要求 1毕业设计（论文）应在培养计划规定的时限内完成； 2毕业设计（论文）要具有科学性，要求论述系统完整，不能零碎和片面，应做到首尾一贯而不能前后矛盾，要实事求是而

3、不能主观臆造； 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书3毕业设计（论文）应做到观点明确、论据充分、有必要的相关资料和图表等； 4毕业设计（论文）必须参阅一定量的资料，并在论文（设计）中反映出来； 4、应收集的资料及主要参考文献1柴诚敬等.化工原理课程设计.天津:天津科学技术出版社,1994 2贾绍义,柴诚敬等.化工传质与分离过程.北京:化学工业出版社,2001 3姚玉英等.化工原理,下册.天津:天津大学出版社,1999 4匡国柱,史启才等.化工单元过程及设备课程设计.北京化学行业出版社,2002 5编辑委员会.化学工程手册气液传质设备.北京:化学工业 出版社,1989 6刘乃鸿等.工业塔

4、新型规整填料应用手册.天津:天津大学出版社,1993 5、进度安排及完成情况序号设计（论文）各阶段任务日 期完成情况1收集资料4月5日4月30日完成2整理文献综述4月30日5月25日完成3完成论文并打印5月25日6月20日完成 学生签名： 蒋明金 指导教师签名： 系主任签名： 2012 年 6月 20 日 毕业设计（论文）评阅书毕业设计（论文）评阅书指导教师评语： 评 分 表（导师建议成绩）项目创新摘要内容排版表现合计权重105601015100分数指导教师签字： 年 月 日 毕业答辩情况表评阅教师评语： 评 分 表（评阅教师建议成绩）项目创新摘要内容排版合计权重1057510100分数评阅教

5、师签字： 年 月 日 评阅教师评语： 评分（建议成绩）： 200 年 月 日评 分 表项目论文指导教师建议成绩合计权重4060100分数答辩委员会意见： 答辩委员会主任：200 年 月 日 9 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）附 录Cp比热，kJ/kg&S226;K； D塔径，m；D塔顶产品流量，kmol/h或kg/h； M分子量；F原料流量，kmol/h或kg/h； LS塔内液体流量，m3/s n筛孔总数； NT理论板数；N理论板数； P操作压强，kPa；P0饱和蒸汽压，kPa；V上升气量，kg/hX物料含量分离年处理量3.5万吨的苯甲苯混合液的填料精馏塔计算摘 要填料塔是塔设备的一种。塔内

6、填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在炼油、化工、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个生产质量、生产能力和消耗额定及三废处理和环境保护及各方面都有重大影响。据有关资料报道塔设备的资料费用占整个投资的费用的较大比例。因此，塔设备的设计和研究，受到化工和炼油行业

7、的极大重视。根据设计任务书，此塔设计为填料精馏塔。关键词：苯甲苯、填料精馏塔、混合液AbstractThe tower is a tower equipment. The tower is filled properly high filler, with a two increase in fluid contact between the surface. The structure is simple, maintenance is convenient. Widely used in gas absorption, distillation, extraction and other

8、operations.Separation of distillation is the most commonly used liquid mixture of a unit operation, in oil refining, chemical, petrochemical and other widely used in industry. Distillation process in energy agent drive (sometimes combined with quality agent ), the gas-liquid two-phase multiple direc

9、t contact and separation, using liquid mixture of the components of the volatility, the volatile components from liquid to gas transfer, difficult volatile components from gas to liquid transfer, realize raw material mixture component separation. In chemical or oil refinery, tower equipment performa

10、nce to the quality of production, production capacity and consumption rated and waste treatment and environmental protection and other aspects have great influence. According to concerning data report tower equipment information costs accounted for the larger proportion of investment costs. Therefor

11、e, the tower equipment design and research, by the chemical industry and oil refining industry seriously. According to the design task book, the tower is designed to be packed distillation column.Key words: benzene, toluene, packed column, liquid mixture目 录前 言1第一章 概述21.1 苯21.1.1 苯的来源21.1.2 苯的性质31.2

12、甲苯41.2.1 甲苯的来源41.2.2 甲苯的性质41.3 精馏塔51.4 精馏原理5第二章 流程确定和说明82.1 加料方式82.2 进料状态82.3 冷凝方式82.4 回流方式82.5 加热方式92.6 加热器9第三章 精馏塔的设计计算103.1 操作条件与基本数据103.1.1 操作压力103.1.2气液平衡关系及平衡数据103.1.3 回流比113.2 精馏塔的工艺计算113.2.1 流程图113.2.2 物料衡算123.2.3 热量衡算133.2.4 理论塔板数计算153.2.5 精馏塔主要尺寸的设计计算163.2.6 塔径设计计算173.2.7 附属设备及主要附件的选型计算203

13、.2.8 精馏塔的高度24第四章 总结26谢 辞27参考文献28附 录2910前 言在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大、应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。塔设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的，高负荷填料塔的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小，性能稳定等特点。填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀

14、材料制造等优点。因此，填料塔已被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔德研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。而精馏是分离液体混合物最常用的一种操作，它通过气液两相的直接接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相传递，是气液两相之间的传质过程。板式塔为逐级接触式气、液传质设备，它具有结构简单，安装方便，操作弹性大，持液量小等优点。同是也有操作资费较高，填料易堵塞等缺点。本设计的目的是分离苯甲苯混合液，处理量不大，故选用填料塔。设计填料塔要遵循技术先进、生产可行、经济合理的原则，实现优质、

15、高产、低耗、安全的生产目的。第一章 文献综述1.1 苯1.1.1 苯的来源工业上大量的苯主要由重整汽油及裂解汽油生产，甲苯歧化、烷基苯脱烷基等过程也是苯重要的工业来源，由煤焦化副产提供的苯占的比例已经很小。不同国家和地区的苯供应情况各不相同：美国主要从重整汽油中获得；西欧主要来自裂解汽油；中国则主要由重整汽油及炼焦副产品生产。 由重整汽油及裂解汽油分离苯 在石脑油经催化重整所得的重整汽油中，约含苯6（质量），用液-液萃取法将重整汽油中芳烃分出，再精馏得到苯、甲苯、二甲苯。由烃类裂解得到的裂解汽油中，苯含量最高可达40（质量）,工业上也用液-液萃取的方法从中抽提芳烃,然后精馏得苯等芳烃组分,但萃

16、取前需先用催化加氢方法除去裂解汽油中的烯烃及含硫化合物等杂质。脱烷基制苯 所用烷基苯可以是甲苯、二甲苯或多烷基苯，由芳烃的供需平衡决定。烷基苯脱烷基工艺可分为催化脱烷基法和热脱烷基法。催化脱烷基法反应温度500650，压力3.07.0MPa,用负载于氧化铝上的铬、钴或钼系催化剂，特点是能耗低，但因催化剂易结焦，需有较大的氢烷基苯比，俗称氢油比。此外，还要求原料中非芳烃含量不能太高。热脱烷基法允许原料中非芳烃含量较高,反应温度比催化脱烷基法高约100200，压力为3.010.0MPa，特点是操作比较简单,但能耗大、反应器材料要求高。两种脱烷基法流程十分相似(图2),其主要差异只是在反应器构造上。

17、原料与氢混合加热后进入反应器。反应后，混合物经冷却进入气液分离器，分出氢气等气相物料。液相混合物经稳定塔、白土处理器，最后再经精馏塔得产品苯。脱烷基反应的关键是维持正常温度，温度过高引起苯收率下降和严重结焦，故应及时移出反应热（可用低温氢为冷却剂）。两种脱烷基的甲苯单程转化率都在7085，苯收率9598。 1.1.2 苯的性质最简单的芳烃。分子式C6H6。为有机化学工业的基本原料之一。无色、易燃、有特殊气味的液体 。熔点5.5，沸 点80.1，相对密度0.8765（204） 。在水中的溶解度很小，能与乙醇、乙醚、二硫化碳等有机溶剂混溶。能与水生成恒沸混合物，沸点为69.25，含苯 91.2。因

18、此，在有水生成的反应中常加苯蒸馏，以将水带出。苯在燃烧时产生浓烟。 苯能够起取代反应、加成反应和氧化反应。苯用硝酸和硫酸的混合物硝化，生成硝基苯，硝基苯还原生成重要的染料中间体苯胺；苯用硫酸磺化，生成苯磺酸，可用来合成苯酚；苯在三氯化铁存在下与氯作用，生成氯苯，它是重要的中间体；苯在无水三氯化铝等催化剂存在下与乙烯、丙烯或长链烯烃作用生成乙苯、异丙苯或烷基苯，乙苯是合成苯乙烯的原料，异丙苯是合成苯酚和丙酮的原料，烷基苯是合成去污剂的原料。苯催化加氢生成环己烷，它是合成耐纶的原料；苯在光照下加三分子氯，可得杀虫剂 666，由于对人畜有毒，已禁止生产使用。苯难于氧化，但在 450和氧化钒存在下可氧

19、化成顺丁烯二酸酐，后者是合成不饱和聚酯树脂的原料。苯是橡胶、脂肪和许多树脂的良好溶剂，但由于毒性大，已逐渐被其他溶剂所取代。苯可加在汽油中以提高其抗爆性能。苯在工业上由炼制石油所产生的石脑油馏分经催化重整制得，或从炼焦所得焦炉气中回收。苯蒸气有毒，急性中毒在严重情况下能引起抽筋，甚至失去知觉；慢性中毒能损害造血功能。 1865年，F.A.凯库勒提出了苯的环状结构式(见图1a)，目前仍在采用 。根据量子化学的描述 ，苯分子中的6个电子作为一个整体，分布在环平面的上方和下方，因此，近年来也用图1b式表示苯的结构. 1.2 甲苯1.2.1 甲苯的来源煤焦化副产的粗苯馏分中含甲苯1520(质量)，其数

20、量与原料煤的性质、焦化深度有关。一般生产每吨焦炭可副产甲苯1.11.3kg。 用硫酸洗除粗苯馏分中不饱和烃和杂质，再经碱中和、水洗、精馏，可得到纯度很高的甲苯。催化重整油中含芳烃5060(体积)，其中甲苯含量可达4045。催化重整油采用二甘醇、环丁砜、甲基吡咯烷酮等溶剂进行萃取以回收芳烃(见芳烃抽提)，最后经精馏得到高纯度甲苯。裂解汽油中芳烃含量为70（质量）左右，其中1520是甲苯。裂解汽油经两段加氢脱除二烯烃、单烯烃和微量硫，再经萃取、精馏，可得到纯度99.5以上的甲苯。1.2.2 甲苯的性质一种芳烃，分子式 C6H5CH3。存在于煤焦油和某些石油中。无色易燃液体 。熔点 95 ，沸点 1

21、10.6 ，相对密度0.8669（204 ）。不溶于水，能溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。膨胀系数大，凝固点低，可用来制造低温温度计。甲苯比苯更容易发生取代反应。甲苯硝化时生成邻和对硝基甲苯，继续硝化生成2，4，6-三硝基甲苯（TNT)，是一种重要的炸药。甲苯在加热时氯化 ，生成氯化苄 C6H5CH2Cl，但在三氯化铁存在下，氯化反应在苯环上进行，生成邻和对氯甲苯 。甲苯在催化剂存在下用空气氧化 ，生 成 苯 甲 酸C6H5COOH 。在甲苯过剩的国家中，则利用甲苯的加氢去甲基生产苯。甲苯在工业上从石脑油重整产物中分离，或从蒸馏煤焦油所得的中油馏分中回收 。甲苯加在汽油中可提高其抗爆性能，还可作溶剂

22、。 1.3 精馏塔蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏是一种不稳态操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸，也是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。

23、简单蒸馏和平衡蒸馏一般用于较易分离的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏，用普通精馏不能分离体系则可采用特殊精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分，改变被分离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的。特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。1.4 精馏原理精馏的基本原理是利用溶液中各组分的挥发性的不同。将溶液加热至沸，有一部分溶液汽化，由于各个组分的挥发性不同，液相和气相的组成不一样：挥发性高的组分，即沸点较低的组分在气相中的浓度比在液相中的浓度要大；挥发性较低的组分，即沸点较高的组分在液相中浓度比在气相

24、中浓度要大。同样的道理，物料蒸气被冷却后有一部分蒸汽被冷凝，冷凝液中的重组分浓度比气相中重组分浓度高。多组分溶液经过一次部分汽化和部分冷凝过程，使溶液分离，这种方法，叫做“简单蒸馏”。如果将蒸馏所得的冷凝液再一次进行部分汽化，气相中的轻组分浓度就会更高。如果使溶液多次部分汽化一部分冷凝，最终可以在气相中得到较纯的轻组分，在液相中得到较纯的重组分。多组分溶液经过上述步骤而使溶液分离，这种方法，叫做“精馏”。精馏按原理中所含组分数目可分为双组分和多组分精馏。工业生产中，以多组分精馏较为普遍。但多组分和两组分精馏的基本原理、计算方法均无本质的区别。按操作方式可分为间歇和连续精馏。按操作压强可分为常压

25、、加压和减压精馏。精馏在精馏装置中进行，它由精馏塔、冷凝器和再沸器等构成，由于再沸器供热，塔底存液部分汽化，蒸汽沿塔逐板上升，使全塔处于沸腾状态。蒸汽在塔顶冷凝器中冷凝得到馏出液，部分作为回流液回入塔中，逐渐下流，使塔中各板上保持一定液层。假设料液中仅含有二个组分，于中部适当位置处加入精馏塔，其液相部分也逐板下流进入再沸器，汽相部分上升流经各板至塔顶冷凝器。精馏塔中料液加入板称为加料板，加料板以上部分称为精馏段，加料板以下部分称为提留段。1.5 精馏技术的发展精馏是应用最广的传质分离操作，其广泛应用促使技术已相当成熟，但是技术的成熟并不意味着之后不再需要发展而停滞不前。称说技术的发展往往要花费

26、更大的精力，但由于其应用的广泛，每一个进步，哪怕是微小的，也会带来巨大的经济效率。正因为如此，蒸馏的研究仍受到广泛的重视，不断取得进展。板式塔是目前最主要的精馏塔塔型，对它的研究一直长盛不衰。筛板塔和浮阀塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。板式塔的设计已达到较高水平，设计结果比较可靠。马伦戈尼效应造成的界面湍动现象和汽液两相间的不同接触工况的研究，使认识得到了深化，对传质效率的研究有所促进。具有各种特点的新型塔板开发研究不断取得成果。对于塔板上汽液两相流动和混合状况、雾沫夹带及它们对效率的影响研究不断深入，但离得到一个通用而可靠的效率估算模型尚有较大距离，特别是多元系统的效率。所幸的是，经广泛

27、实验研究发现，利用实验室的奥德肖小筛板塔可以比较可靠地测的工业塔中的点效率，可以弥合一些上述的差距。进一步深入进行塔中汽液两相流动状况的研究，对于预测压降、传质效率和塔板的可操作区域，对于认识至今了解甚少的降液管中状况都十分有意义。提高精馏过程的热力学效率、节省能耗是一贯受到重视的研究领域，分离序列的合成，应用热集成概念和夹点分析方法开发节能的分离流程和优化换热网络，在具体分离过程中合理地应用日泵、多效精馏、中间再沸器和中间冷凝器等实现节能，一直是得到广泛重视的活跃的研究领域。精馏的研究工作一直十分活跃，而且不断取得成果。在各种新分离方法得到不断开发和取得工业应用之际，在石油、天然气、石油化工

28、、医药和农产品化学等工业中所起的重要作用不会改变，作为主要分离方法的地位不会动摇。随着科学技术和工业生产水平的提高，精馏的应用天地十分广阔，重要的是通过不断努力，使其技术水平得到进一步提高，使其日益完善。第二章 流程确定和说明2.1 加料方式加料分两种方式：泵加料和高位槽加料。高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定流量，但要求搭建塔台，增加基础建设费用；泵加料属于强制进料方式，泵加料易受温度影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，影响传质效率。靠重力的流动方式可省去一笔费用。本次加料可选泵加料，泵和自动调节装置配控制进料。2.2 进料状态进料方式一般有冷液进料，、泡点进料、气液混合物进料、露点进

29、料、加热蒸汽进料等。冷液进料对分离有利,但会增加操作费用。泡点进料对塔操作方便，不受季节气温影响。泡点进料基于恒摩尔流，假定精馏段和提馏段上升蒸汽量相等，精馏段和提馏段塔径基本相等。由于泡点进料时塔的制造比较方便，而其它进料方式对设备要求高，设计起来难度相对加大，所以采用泡点进料。2.3 冷凝方式选全凝器，塔顶出来的气体温度不高。冷凝后回流液和产品温度不高，无需再次冷凝，且本次分离是为了分离苯和甲苯，且制造设备较为简单，为节省资金，选全凝器。2.4 回流方式宜采用重力回流，对于小型塔，冷凝液由重力作用回流入塔。优点：回流冷凝器无需支撑结构。缺点：回流控制较难安装，但强制回流需用泵，安装费用、电

30、耗费用大，故不用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷凝回流入塔内。2.5 加热方式采用间接加热，因为对同一种进料组成，热状况及回流比得到相同的馏出液组成及回收率时，利用直接蒸汽加热时，所需理论塔板数比用间接蒸汽时要多一些，若待分离的混合液为水溶液，且水是难挥发组分，釜液近于纯水，这时可采用直接加热方式。由于本次分离的是苯-甲苯混合液，故采用间接加热。2.6 加热器选用管壳式换热器。只有在工艺物料的特征性或工艺特殊时才考虑选用其它型式。第三章 精馏塔的设计计算3.1 操作条件与基本数据3.1.1 操作压力精馏操作按操作压力可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般采用常压精馏，压力对挥发度的影

31、响不大。在常压下不能进行分离或达不到分离要求时，采用加压精馏；对于热敏性物质采用减压精馏。当压力较高时，对塔顶冷凝有利，对塔底加热不利；同时压力升高，相对挥发度降低，管径减小，壁厚增加。本次设计选用常压 101.325kPa 作为操作压力。3.1.2气液平衡关系及平衡数据表31 常压下苯-甲苯的气液平衡与温度关系温度t110.6106.1102.298.695.292.189.486.884.482.381.280.2气相苯021.237.050.061.871.078.985.391.495.797.9100液相苯08.820.030.039.748.959.270.080.390.395.

32、01003.1.3 回流比此设计取 R=1.2Rmin3.2 精馏塔的工艺计算3.2.1 流程图图3.1 精馏塔流程图293.2.2 物料衡算已知：F=6.0万吨300天=60000100030024=8333h苯的摩尔质量 =78.11kgkmol甲苯的摩尔质量 笨的摩尔分率 1=甲苯摩尔分率 2=1-0.3358=0.6642进料液 =78.110.3347+92.130.6653 =87.42kg/kmolF=8333/87.4295.32kg/kmol 根据物料衡算方程 (3-1)又因F=1=0.3358 ,D= w=解得 D=29.98kmol/h W=65.34kmol/h由于泡点

33、进料q=1，由气液平衡数据，用内插法求得进料液温度 ，得tF=97.81在此溫度下，苯的和饱蒸汽压PA0=159.99kPa.甲苯的饱和蒸汽压PB0=73.33kPa =2.18又根据=2.34 R=1.2Rmin=1.22.34=2.81L=RD=2.8129.98=84.24 Kmol h L=L+q F=84.24+95.30=179.54Kmol hV=V=114.22 Kmol h 表3-2 物料衡算表物料 流量（Kmol h） 组分 物料 物流（Kmol h）进料F 95.32 苯0.3347 甲苯0.6653塔顶产品D 29.98 苯0.966 甲苯0.034 塔底残夜W 65.

34、34 苯0.0468 甲苯0.9532精馏段上升 114.32蒸汽量V提馏段上升 114.32 蒸汽量V 精馏段下降 84.24液体量L 提留段下降 179.54液体量L3.2.3 热量衡算 1.热量衡算的物流示意图（能流图）气液平衡数据，用内差法可求塔顶温度塔底温度泡点温度tD =80.83 =108.21 (3-2)注：下标1为苯，下标2为甲苯。温度下:Cp1=107.81Cp2=129.52129.5温度下：Cp1=116.19 Cp2 =141.94 140.48温度下 塔 顶： （1）塔顶以0为基准，0时塔顶上升气体的焓值 （2）回流液的 Cp1=105.63 Cp2 =133.35 0.966105.63+133.350.034=106.5749.0