齐齐哈尔大学 化工设计期末作业

1、第1章 设计任务书专业： 化学工程与工艺 班级： 化工 班 姓名： 学号： 2 指导教师： 设计日期： 2014年6月9日 设计题目：分离苯-甲苯 精馏塔设计1.1 设计任务生产能力（进料量） 2万 吨/年 操作周期 7200 小时/年进料组成 50% （质量分率，下同）塔顶产品组成 98% 塔底产品组成 98% 1.2 操作条件 操作压力 常压 塔顶为全凝气，中间泡点进料，连续精馏进料温度 323.15K 全塔压降 0.0 11MPa；精馏段塔板Murphree 效率 0.45 精馏段塔板Murphree 效率 0.45 设备形式： 筛板式 1.3 给出下列设计结果（1） 进料、塔顶产物、塔

2、底产物；（2） 全塔总塔板数 N；（3） 最佳加料板位置 NF；（4） 回流比 R；（5） 冷凝器和再沸器温度；（6） 冷凝器和再沸器热负荷；(7) 再沸器供热所需的饱和水蒸气量（压强8 bar）；1.4 图纸要求 精馏塔装配图（3号图）第2章 研究方法2.1 采用DSTWU初步确定理论塔板数、理论回流比、理论进料板位置。2.2 采用RadFrace模型通过“设计规定”确定达到苯纯度时所需的实际回流比、实际塔板数和实际进料板位置。2.3 采用Tray Siziing模型塔板设计。2.4 采用Tray Rating模型塔板核算。2.5 通过手算进行相关设备及管件选型第一部分 Aspen模拟第3章

3、 DSTWU模块、RADFRAC模块设计3.1 DSTWU模块3.1.1 连接流股建立模块，在窗口的下方流程图窗口中选择Colunms按钮，点击DSTWU模块，选择第一种模式，在窗口空白处点击画出模型位置。然后，单击Material STREAM并拖入流程图中，链接精馏塔的进料、塔顶采出、塔底产品物流。其中红色物流线为必须连接的物流线，蓝色可以不连接（见图3-1）。图3-1建立DSTWU模块3.1.2 输入标题信息单击按钮，进入Steup下的Specifications界面，在Globai界面输入题目，在Accounting界面输入信息（见图3-2）。图3-2 信息输入3.1.3 组分输入单击

4、按钮，输入组分，（见图3-3）。图3-3 输入组分3.1.4 物性方法选择单击按钮，进入物性方法的输入。在Base method中选择NRTL，（见图3-4）。图3-4 物性方法的选择3.1.5 输入流股信息单击按钮，进入规定物流的输入。在Specifications规定栏中规定三个State Variables状态变量中的任意两个就可以设置物流的热状态。根据已知条件输入数据如下(见图3-5)。图3-5 物流的输入3.1.6输入模型信息 单击按钮，进入Blocks操作单元模型的输入。输入回流比、压力等信息(见图3-6）。图3-6 操作单元的输入3.1.7 查看结果单击按钮，运行，无误，查看结果

5、（图3-7）。图3-7 运行结果从结果可看出塔的最小理论回流比、实际回流比、最小理论板数、实际理论板数、进料板以及冷凝器的热负荷等数据。查看结果中的Reflux Ratio Profile模块，查看理论板与回流比的关系（见图3-8）。图3-8 图3-11 理论板与回流比关系3.1.8运用Plot工具作图以理论板为横坐标，回流比为纵坐标作图，运用Plot工具作图，得到二者的关系图（见图3-9）。图 3-9 理论板与回流比关系图由图可以看出，当理论板为19时，回流比线较平稳。因此选择（19,1.31）这一点作为参考点。3.1.9 输入理论板数进入Blocks操作单元模型的输入由上图得到的理论塔板数

6、(见图3-10）。3-10 输入信息3.1.10 查看结果 击按钮，运行，无误，查看结果（图3-11）。图3-11 运行结果3.2 RADFRAC模块3.2.1连接流股建立模块，单击Columns按钮选择RadFace模块，选择第一种样式，单击,连接流股（见图3-12）。图3-12 建立RadFace模块 3.2.2输入流股信息单击图标，输入相关信息，查找组分，组分为苯、甲苯，物性方法选择NRTL，压力 。流量和各组分的质量分数等数据同DSTWU模块（见图3-13）。 图3-13 物流的输入3.2.3 输入板数、馏出物与进料物比率和回流比等信息单击进入Blocks操作单元模型的输入，输入由DS

7、TWU模块得出的板数、馏出物与进料物比率和回流比，流量为甲苯的生产能力：20000吨/年（见图 3-14）。图 3-143.2.4 Steams模型参数输入再在Stream界面输入进料板位置为第11块板，塔顶为第一块板，状态为液态（见图3-15）。图 3-153.2.5 Pressure模型信息输入点击压力界面，输入塔顶压力和全塔压降（见图3-16）。图 3-163.2.6 查看结果运行程序，没有错误，查看结果（见图3-17）。图 3-17从结果中可以看出苯、甲苯的质量分数还未达到要求，所以分别对回流比和苯的质量分数之间、馏出物与进料物比率和甲苯的质量分数之间做Design。3.3 塔顶Des

8、ign Specs模型设计3.3.1建立Design Specs模型单击Design Specs点击New，确定系统给予此次Design的命名，在出现的界面中再点击New,选择设计Design Specification的名称为质量回收率、设定目标值（见图3-18）。图 3-183.3.2 选择流股选择组分为苯，选择产品所在流股（见图3-19）。图 3-193.3.3 Vary模块设定击按钮后出现Vary界面，输入相关信息，变量选择回流比，选择合适的上下限（见图3-20）。图 3-203.3.4 查看结果运行程序，没有错误，查看结果（见图3-21）。图 3-213.4 塔底Design Spe

9、cs模型设计3.4.1 建立Design Specs模型再次单击Design Specs点击New，确定系统给予此次Design的命名，在出现的界面中再点击New,选择设计Design Specification的名称为质量回收率、设定目标值（见图3-22）。图 3-223.4.2 选择流股选择组分为甲苯，选择产品所在流股（见图3-23）。图 2-233.4.3 Vary模块设定点击按钮后出现Vary界面，输入相关信息，变量选择馏出物与进料物比率，选择合适的上下限（见图3-24）。图 3-243.4.4 查看结果运行程序，没有错误，查看结果（见图3-25）。图 3-25由结果可以看出苯、甲苯的

10、含量均达到了设计要求。第4章 塔板效率4.1 塔板效率的设定4.1.1精馏段和提馏段板效率设定进入Efficiencies模块进行塔板效率设定（见图4-1）。图 4-14.1.2 实际塔板数的求取根据塔板效率求出实际塔板数（见图4-2）。图 4-24.1.3最佳进料板位置选取根据塔板效率和质量分率剖形结果选取最佳进料板位置（见图4-3）。图 4-34.1.4 查看结果见图（4-4）图4-4有结果可以看出苯、甲苯已满足设计要求。第5章 塔板设计及塔板核算5.1 塔板设计5.1.1 进入Tray Sizing模块进行塔板设计单击Tray Sizing点击New，确定系统给予此次塔板设计的名称（见图

11、5-1）。图 5-15.1.2 塔板信息输入及结果查看输入相关的塔板信息，点击运行程序，没有错误，查看结果（见图5-2）。图 5-2根据以上结果可以选定塔直径为0.6m。5.2 塔板核算5.2.1 进入Tray Rating模块进行塔板设计单击Tray Rating点击New，确定系统给予此次塔板核算的名称，借助Tray Sizing中得出的塔内径，输入相关的塔板信息（见图5-3）。图 5-35.2.2 运行查看结果点击运行程序，没有错误，查看结果（见图5-4）。图 5-4第6章 再沸器6.1 建立再沸器的模型6.1.1 连接流股选择Heat Exchangers 的第一种类型，在连接物料（见

12、图6-1）。图 6-16.1.2 选择流股组成只有水，（见图6-2）。图 6-26.1.3 输入流股信息进料组分的数据输入（见图6-3），水蒸气分率为1，此处的总流量是一个需要多次验证的数值。图 6-36.1.4 塔底所需的热负荷（见图6-4）图 6-46.1.5 进入模块，输入压力和热量（见图6-5）图 6-56.1.6 运行，查看结果（见图6-6）图 6-6第7章 结果汇总表7.1 筛板塔的工艺设计结果汇总表项目符号单位计算结果精馏段提馏段实际塔板数Np块2313板间距HTm0.360.36塔段的有效高度Zm8.284.68塔径Dm0.60.6塔板液流型式单流型单流型塔板压降hfkPa0.

13、083bar0.027bar降液管堰长0.426m加料板位置29最大液泛因子0.76全塔压降0.18bar总塔板数38回流比1.18冷凝器温度80.46再沸器温度113.7冷凝器热负荷-246839.12watt再沸器热负荷322536.05watt再沸器供热所需的饱和水蒸气量（压强8 bar）；17000kg/h质量流量（塔顶）1014.19kg/h质量流量（加料版）2069.78kg/h质量流量（塔底）1014.193kg/h第二部分 手算过程第8章 物料衡算8.1 精馏塔的物料衡算8.1.1 塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量： 甲苯的摩尔质量： 8.1.2 塔顶、塔底产品的平均摩尔质

14、量原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量：=0.541278+(1-0.5412)92=84.4232kg/kmol=0.983078+(1-0.9830)92=78.238kg/kmol=78+(1-)92=91.671kg/kmol8.1.3 物料衡算原料液的处理量F总物料衡算苯物料衡算联立得 苯的沸点为80.10 甲苯的沸点为110.63当温度为80.10时： lg6.023 lg6.078解得PA=101.5201kPa PB=39.2118kPa则有当温度为110.63时：lg=6.023- lg=6.078解得 则有 气液相平衡公式则当=81.11时,用内插法求得下列数据 L=RD=

15、1.18=20.9484kmol/h V=(1+R)D=38.7013kmol/hL= =20.9484+=53.8514kmol/h V=V=38.7013kmol/h8.1.4 平均摩尔质量计算塔顶： =0.9592进料板：=0.5412 =0.7437精馏段: 液相体积流量 m3/s精馏段的气、相体积流量为： 第9章 溢流选型9.1 溢流装置 溢流装置主要包括溢流堰、降液管及受液盘。根据塔径和液体流量，结合参考资料，此次设计中采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且因为塔径较小而不设进口内堰。9.1.1 溢流堰的堰长与出口堰高 依据溢流型式及液体负荷决定堰长。对于本设计中

16、涉及的单流型塔板堰长一般根据以下公式确定。 取0.7 倍的塔径，则 堰上溢流强度100130m3/(mh)满足筛板塔的堰上溢流强度要求。 精馏段和提馏段的塔径相同，所以堰长可以取为相同值。9.1.2 溢流堰的堰高堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系如下： 式中 板上液层高度，m；堰高，m；堰上液层高度，m。对于平直堰，设计时一般大于0.006 m，但也不应大于0.06-0.07 m。平直堰的按下式计算： 式中 塔内液体流量，；液流收缩系数，可借用博尔斯（Bolles.W.L.）对泡罩塔提出的液流收缩系数计算图求取，见图3-8（化工原理下册163页）。因为，。由图3-8查得，。则：可见，0.0

17、065s 10.1.3 降液管底隙高度h0底隙高度一般取为也可以通过下式求得 式中液体通过降液管底隙的流速，m/s。一般。此设计中，取，则：0.0200.25m故降液管底隙高度设计合理。第11章 塔板设计11.1 受液盘及进口堰 此次设计采用平行受液盘，液流在降液管具有较好的液封并均布进入塔板，因此，可以省去进口堰。11.2 边缘区与安定区 边缘区又称为无效区，指的是在靠近塔壁的塔板部分留出的一圈边缘区域，用来支撑塔板的边梁。其宽度适需要选定。本设计中选定为。安定区指的是开孔区与溢流区之间的不开孔区域，其作用是使自降液管流出的液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。其宽度指堰与它最近

18、一排孔中心线之间的距离，根据经验值，选定为。 11.2.1 开孔区面积利用下式计算开孔面积 其中： 故 11.2.2 开孔数和开孔率筛孔的孔径的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质及加工费用有关。一般认为，表面张力为正系统的物系易起泡沫，可采用的小孔径筛板，署鼓泡型操作；表面张力为负系统的物系易堵物 系，可采用的大孔径筛板，署喷射型操作。本设计中采用孔径为。= 11.2.3 筛板厚度及孔心距（1）筛板厚度d表1 筛板材质与厚度的关系材质一般碳钢不锈钢筛板厚度，mm3-42-2.5本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板， = （2）孔心距t 筛孔在筛板上一般按三角形排列，如下图所示

19、，其孔心距满足下面的经验值， 取，故孔心距11.2.4 开孔率、开孔数与筛孔气速 （1）开孔率j 筛板上筛孔总面积与开孔面积之比称为开孔率。筛孔按三角形排列， 则： j 符合开孔率的经验值范围（5 15 %）。 （2）开孔数n 开孔数按下式计算： （3）筛孔气速筛孔气速利用下式求得。 对于精馏段 11.2.5 塔的有效高度的计算（1）精馏段塔高 精馏段的塔高计算可以利用下式： = - =（2）提馏段塔高 同理， = - = （3）塔的有效高度 11.2.6 塔高计算 选择塔顶空间，塔底空间。全塔共有38 块塔板，考虑清理和维修的需要，选择全塔的人孔数为7个。人孔处板间距选择。进料板处板间距需大

20、于精馏段和提馏段的板间距，选为。=根据塔高的计算公式式中 H 塔高着不包括封头、裙坐），m ；n 实际塔板数； 进料板数； 人孔数； 进料板处板间距，m ； 设人孔处的板间距，m ； 塔顶空间（不包括头该部分），m ； 塔底空间（不包括底盖部分），m ；因此，塔高为第12章 精馏塔的附属设备12.1 筒体强度的计算圆筒筒体厚度的计算可采用下式式中 d 计算厚度，mm； 圆筒内直径，mm；f 焊接接头系数，1.0，据钢制压力容器GB150-1998 （内压圆筒和内压球壳）可取=1.0； 计算压力，MPa。 其值为设计压力与液柱高度之和； 设计温度下材料的许用应力，MPa。12.2 再沸器的选型1

21、2.2.1 确定流体通入的空间利用水蒸汽作为热源，根据换热器流体流经管程或壳程的选择原则，水蒸汽走壳程，便于排出，甲苯走管程。 12.2.2 流体基本物性数据甲苯的温度为 = 357.64kJ / kg。水蒸汽的绝压为P =202.6kPa，温度为t=120.56 ，=2204kJ / kg。平均温度差为 - =12.2.3 热负荷及加热剂用量热负荷为 水蒸汽的用量 12.2.4 换热器的面积及设备选型 根据表4-7 及参考资料表2-5，可知， ，在这 里，选择。所以= = D 选择浮头式换热器，其规格如下： 表2 再沸器规格公称直径（mm）公称面积（）管长（m）管程数管束601256.012

22、6912.3 塔的主要接管尺寸12.3.1 塔顶蒸汽出口管径塔顶蒸汽走管程，根据表 4-9，设蒸汽的流速为。则 = = =所以，选用无缝钢管，根据 GB8163-87可知，管子规格为。实际流速为 12.3.2 回流液的管径据表 4-9，设回流液的流速为则 所以，选用无缝钢管，根据 GB8163-87可知，管子规格为为。实际流速为 12.3.3 加料管管径根据表 4-9，设回流液的流速为，则 所以，选用无缝钢管，根据 GB8163-87可知，管子规格为。实际流速为 12.3.4 料液排出管径（1）苯的排出管径已知，D=17.7529kmol / h，塔顶液相平均密度为，塔顶液相平均相对分子量为则

23、塔顶液体体积流量为 取管内蒸汽流速为则 所以，选用无缝钢管，根据 GB8163-87可知，管子规格为。实际流速为 = = （2）甲苯排出管 已知塔底液相平均密度为，液相平均相对分子质量为，则塔底液体体积流量为 取管内物料流速为，则= 所以，选用无缝钢管，根据 GB8163-87可知，管子规格为。实际流速为 12.3.5 封头 封头分为椭圆形封头、蝶形封头等几种，本样封设计采用椭圆形封头，由公称直径D=600mm，可查得曲面高,直边高度，内表面积，容积。选用封头，JB1154-73。12.3.6 裙座 塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了

24、制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径,故裙座壁厚取16mm。基础环内径： 基础环外径： 经圆整后裙座取，；基础环厚度考虑到腐蚀余量去1.2m；考虑到再沸器，裙座高度取2.2m，地脚螺栓直径取M22。第13章 结果汇总表13.1 筛板塔的工艺设计结果汇总表项目符号单位计算结果精馏段提馏段塔段的有效高度Zm8.284.68人孔数N个43塔顶空间HDm1.2塔底空间HDm1.6人孔处塔板间距Hpm0.8加料板处板间距HFm0.5塔高Hm19.34再沸器公称直径mm60塔顶蒸汽出口管径dmm21920回流液的管径dmm572.5加料管dmm602.5苯的排出管径dmm324甲苯排出管dmm574.5

25、封头曲面高Hmm450封头直边高度Hmm40裙座基础环内径Dmm600裙座基础环外径Dmm1400塔板液流型式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长Lwm0.420.42堰高hwm0.04640.0464堰上液层高度m0.0136液流收缩系数E1.025孔径d0mm55孔数n个428428开孔面积A0m20.0830.083筛孔气速u0m/s12.7412.56液体在降液管中得停留时间s7.825参考文献1夏青,陈常贵 姚玉英等 化工原理（上、下册第二版）.2谭蔚，陈旭，许莉，安钢，化工设备设计基础天津大学出版社2007.3化工工艺设计手册.化学工艺出版社1987版4方书起化工设备课程设计

26、指导. 北京：化学工业出版社，2010.5王彩虹，林熊超，董敏.Aspen Plus在化工实验教学和科研中的应用.6.化学时刊，2009.23（6）；72-75.7宋海华，精馏模拟M天津大学出版社，2005.8张晶莹，李洪涛.精馏分离技术研究新进展J.现代化工，2008.6（28）；121.张少珍.精馏分离序列综合优化J.北京化工，2007,12（3）；4-15.9吴俊生，邵惠鹤精馏设计、操作和控制中国石油出版社1997.心得体会本次精馏塔设计，是学习化工设计以来第一次独立的工业设计。化工设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各

27、种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短暂的时间里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理

28、解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。 在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。

29、 通过本次精馏塔设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还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，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。感谢我的任课老师 对我们的指导与帮助。附 录表1 苯和甲苯的基本物性数据项目分子式分子量M沸点临界温度tc，临界压强Pc，kPa苯 AC6H678.1180.1288.56833.4甲苯BC6H6- CH392.13110.6318.574107.7表2 常压下苯和