题 目 苯•甲苯连续精僧塔（筛板塔）的工艺及设备设计 速，因而受到国际化学工程界的重视我国自8()年代以来，对该塔的性能和结构 进行了研究，并在其结构、传质原理、技术特性等方面进行了诸多改进与创新(2) 塔设备的作用和地位塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产中广泛应用的气液传质设 备塔设备广泛应用于蒸僧、吸收、介吸(气提)、萃取、气体的洗涤、增湿及冷 却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置的生产，产品产量、质量、成 本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响因此对塔设备的研究一直是工 程界关注的热点随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型及设计越来越 受到关注和重视同1.2板式塔结构及分类板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体 及其中按一定间距水平设置若干块塔板所组成叫其作用方式是气体以鼓泡或喷射 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⑸板式塔按结构大致可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、舌形塔等13筛孔塔板的构造以及特点1.3.1筛孔塔板的构造(1) 塔板上的气体通道一一筛孔，为使气液两相在塔板上可以充分接触并在 总体上实现两相逆流，塔板上均匀地开有一定数量的可以使气体从上往下的通道。
2) 溢流堰一一为保证气液两相在塔板上有足够的接触表面，塔板上必须贮 有一定量的液体为此，在塔板的出口端设有溢流堰塔板上的液层高度或滞液 量在很大程度上有堰高决定3) 降液管一一作为液体自上层塔板流至下层塔板的通道，每块塔板通常附 有一个降液管1.3.2筛孔塔板的特点筛板塔是所有板式塔中造价最便宜的一种塔型，它的制造较简单，操作稳定， 可以适用于较污浊和有悬浮颗粒的物料板上的孔径为3〜13 mm,开孔面积6〜10% 也有采用较大孔径(1()〜25 mm)的情况，因为，大孔径不易堵塞、通量大、压降低, 当设计合理时同样可以得到满意的效果国内也做过研究，但是由于漏液点的气速 要求较高，所以，板的操作范围就较狭窄，不易掌握，只有在较稳定的生产情况才 可采用从效率和容量上来看，当在筛板塔的设计范围操作时，其效率优于泡罩塔, 效率提高15%,其生产能力增加10〜15%,然而在某些装置其容量可以是泡罩塔的 1.5~3倍⑹1.4选择筛孔塔板的原因工业中通常要从粗笨中提取纯笨，故要用塔设备来对粗笨进行精馋，通常我们 选取筛板塔，其原因由笨和甲苯的物理化学性质、操作要求所决定苯的沸点为 80. 1°C,熔点为5.5°Co甲苯的熔点为-95°C,沸点为分离苯和甲苯，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同收和储存。
由于笨和甲苯都不易使筛孔堵塞，不易结焦，粘度不大所以选取筛板塔既符合了 生产工艺的原则，又充分使用的筛板塔的优点，从而分离出优质的笨和甲苯1.5苯•甲苯连续精饲筛板塔的工艺流程如图1-1,苯■甲苯混合液从塔的中部附近的进料板连续进入塔内，沿塔向下流 到蒸儒釜釜中混合液被加热而部分汽化，蒸汽中易挥发组分笨的组成大于液相 中易挥发组分笨的组成蒸汽沿塔向上流动，与下降液体逆流接触，因汽相温度 高于液相温度，汽相进行部分冷凝，同时把热量传递给液相，使液相部分汽化 因此，难挥发组分甲苯从液相向汽相传递结果，上升汽相的易挥发组分笨逐渐 增多，难挥发组分甲苯逐渐减少；而下降液相中易挥发组分笨逐渐减少，难挥发 组分甲苯逐渐增多提儒段的上升汽相到达塔顶的冷凝器冷凝为液体冷凝液的 一部分回流入塔顶，称为回流液，其余作为产品排出塔内下降的回流液与上升 汽相逆流接触，气相进行部分冷凝，同时液相进行部分汽化难挥发组分甲苯从 汽相向液相传递，易挥发组分笨从液相向汽相传递结果上升汽相中笨易挥发组 分逐渐增多，而下降液相组分中难挥发组分甲苯逐渐增多⑺图1.1连续精馅装置工艺流程图⑸1.6设计要求1.6.1设计参数在常压连续精儒筛板塔中精御分离含苯41%的苯、甲苯混合液，要求塔顶做 出液中含甲苯量不大于4%,塔底釜液中含甲苯不低于96% （以上均为质量分率）。
甲苯、苯混合液处理量，4t/h,进料热状态，自选；回流比自选；塔顶压强，4kpa （表压）；热源，低压饱和蒸汽；单板压降，不大于0.7kpa o1.6.2设计内容首先进行全塔物料衡算，确定最小回流比，计算理论与实际板数，然后对塔 内物性数据，塔体工艺尺寸进行计算，对筛板进行流体力学验算最后画出塔板负 荷性能图，精儒塔装配图2设计方案的确定2.1操作条件的确定设计方案具体是指整个精饲装置的流程、各种设备的结构形式以及某些操作 指标的确定例如选择操作压力、进料热状态的选择、加热方式的选择、回流比 的选择等2.1.1进料状态塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都会影响进料状态实际的生产中进料 状态有多种，但一般将物料预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要因为此时 塔的操作比较容易控制此外，在泡点进料时，精僧段与提馄段的塔径相同，对 于设计和制造比较方便故本设计选取泡点进料2.1.2操作压力蒸馅过程按操作压力不同，分为常压蒸馅、减压蒸馄、和加压蒸馅操作压 力的确定，必须根据料的性质，以及技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑 例如，采用减压操作有利于分离混合物泡点过高及热敏性的物料；对于在常压下 呈气态的物料，蒸馅则应在加压下进行；当物料无特殊要求时，通常是在稍高于 大气压下操作。
故根据设计要求设计塔设备在常压下操作2.1.3加热方式蒸儒釜的加热大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器有时也可采用直接蒸汽 加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽来节省操作费用，并可以省掉间接 加热设备但由于直接蒸汽的加入，对釜底溶液起到稀释作用，在进料条件和产 品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需要在提馅段增加塔 板以达到生产要求故本设计采取间接蒸汽加热2.1.4回流比的选择回流比是精僧操作的重要工艺条件，其选择的原则是使塔设备和操作费用之 和最低设计时应根据实际需要选定回流比2.2确定设计方案的原则确定设计方案的原则是，尽可能地采用科技上的最新成果，得到最先进的生 产技术、最合理的经济要求，尽量达到优质、高产、安全、低消耗的原则为此, 必须具体考虑如下儿点：2.2.1满足工艺和操作的要求设计的塔设备，首先，保证成产出的产品必须达到任务规定的要求，这就要 求入塔料液的温度和状态稳定，各流体流量和压头稳定其次，设计的方案需要 有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节再次，要考虑必需装 置的仪表（如温度计、压强计，流量计等）及其装置的位置，以便能通过这些仪表来 观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。
2.2.2保证安全生产苯属有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间，而且塔是指定在常压下操作的，塔 内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置2.2.3满足经济上的要求要减少能源的消耗，节省设备费用如果在蒸僧过程中能适当地利用塔顶、 塔底的废热，则既能节约很多生蒸汽和冷却水，又能减少电能消耗类似，回流 比的大小对设备费和操作费也有很大的影响以上三项原则在生产中都是同样重要的但在毕业设计中，对第一个原则应 作较多的考虑，对第二个原则只要求作一般的考虑，而对第三个原则只作定性的 考虑3塔体计算本设计任务是分离苯甲苯混合物，对于二元混合物的分离，通常采取连续精 馋装置设计采取饱和液体进料塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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于易分 离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍塔釜采用饱和 蒸汽间接加热，塔底产品经冷却后送至储罐3.1精僧塔的物料衡算3.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量=78.11%/河/甲苯的摩尔质量MB=92.13Kg/molX 0.41/78.11 _Q45卜 0.41/78.11 + 0.59/92.13X 0.96/78.11 _° 0.96/78.11 + 0.04/92.13 'v 0.04/78.11 八成心X.., = = 0.04680.04/78.11 + 0.96/92.133.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量Mf =0.45 x 78.11+(1 —0.45)x92.13 = 85.82Kg/〃W= 0.966 x 78.11 + (1 - 0.966) x 92.13 = 78.59 % /，澎/Mw = 0.0468 x 78.11+(1-0.0468)x92.13 = 91.47^/mol3.1.3物料衡算原料处理量‘gw总物料衡算46.609 = O + W苯物料衡算46.609 x 0.45 = 0.966 • D + 0.0468- W联立解得0 = 20.445如切〃W = 26.1 (Akmol/ h4塔板计算4.1塔板数的确定4.1.1理论板数NT的求取(1) 相对挥发度的求取苯的沸点为80. 1°C,甲苯的沸点为110.6°C① 当温度为80. 1 °C时lg Pa = 6.0233——12。
6.35 = 2 006780.1 + 220.241343 94 lg Pb = 6.078 —— =1.59380.1 + 219.58解得 Pa = 101.55KP〉, Pb= 39.21 KPa② 当温度为110.63°C时i d me 1206.35lg Pa = 6.0233 = 2.377110.6 + 220.241343 94lg Pb = 6.078 = 2.0077110.63 + 219.58解得 Pa=238.22KPq, P” = 101 .78KPi则有% =金=1 () 1.55/39.21 = 2.5899=芬=238.22/101.78 = 2.3405相对挥发度：a = yja\ai = V2.5899 x 2.3405 = 2.462(2) 最小回流比的求取由于是饱和液体进料，有q=l, q线为一垂直线，故心=心=0.491,根据相axP平衡方程有: » =―一 =二心竺_ = ° 咬•, 1 + (一1)心 1 + (2.462-1)x0.45最小回流比为回流比为最小回流比的2倍，即0.966-0.6680.668 — 0.45= 1.367/? = 2% =2x1.376 = 2.734(3)精饲塔的气、液相负荷L = RD= 2.734x 20.445 = 55.9Kmol/hV = (l + R)D = (1 + 2.734) x 20.445 = 76.342的刃〃/?L =L + ^F = 55.9 + lx46.609 = 102.509V=V = 06.3A2Kmol/h(4)操作线方程精馄段操作线方程卫 * =卫』+冬_R + l ” R + 1 2.734+1 " 2.734 + 1=0.732"0.259提馅段操作线方程L + qF tL-^qF-W，n L + qF-W=1.337 x,„-0.01604两操作线交点横坐标为x _(R + g+(0_l& (2.734 + 1)x0.45 _()必2.734 +1理论板计算过程如下：采用逐板计算法求理论塔板层数，精儒段塔板数：操作线方程：扁=0.732? + 0。