化工原理课程设计分离苯——甲苯混合物的筛板式精馏塔。
一。前言。化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。
生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料，树脂，农药，合成药物，合成橡胶，合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以用来制造三硝基甲苯，苯甲酸，对苯二甲酸，防腐剂，染料，泡沫塑料，合成纤维等。
精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使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。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。
本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯——甲苯的分离。苯——甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁。因此用筛板塔。
筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。
本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核。
二。流程的设计及说明。
进料时采用泡点进料，这种进料状况不受季节气温的影响，且精馏段与提馏段的气体流量相等，塔径也相等。原料液在25 ℃时从贮罐（r-101）用离心泵输送到塔前预热器(h-101)中预热至泡点温度93.5 ℃，由精馏塔进料口进入塔内在进料板上液体一部分与自塔上部下降的回流液体混合后逐板溢流，最后流到塔底。
料液的一部分与自塔底上升的蒸汽相互接触进行热和质的传递过程，上升的蒸汽由塔釜再沸器（h-104为了检修的方便，同时产品量也很大可采用塔外再沸器即立式虹吸式再沸器，用饱和水蒸气加热）经饱和蒸汽换成108.6℃蒸汽由塔最下面一块板上进入塔内，逐层上升与溢流液体进行传质，最后经塔顶冷凝器(h-102)循环水（进口温度28 ℃）冷凝成82.4℃下的饱和液体进入回流罐(r-104)，一部分重力回流，一部分经塔顶冷却器(h-103)用进口温度15 ℃的井水冷却至25 ℃，输入苯贮罐。
塔底产品甲苯经塔底冷却器冷却至25 ℃输入甲苯贮罐，为了节省能耗，可考虑将冷却器与塔前物料预热进行热交换，换热后原料还未达到泡点，可考虑再加个换热器。再沸器内水蒸气换热后变成同温度水可用于工人取暖和淋浴。
三。设计计算
一)原料规格及分离要求。
年产4万吨即gf=4×107kg／8000hr=5000kg／hr。饱和液进料。塔顶苯含量不低于95%（质量分率）。塔底苯含量不高于5%（质量分率）
二)生产条件。
操作条件：101.3kpa
操作温度：原料和产品均为常温(25℃)
塔顶冷凝器：用循环水冷却(进口温度28℃)
塔底再沸器：用饱和水蒸汽加热。
回流比：取最小回流比的1.6倍。
1.物料衡算。
苯的摩尔质量ma=78.11kg／kmol 甲苯的摩尔质量mb=92.13kg／kmol
xf=(0.40／78.11)／(0.40／78.11)+(0.60／92.13)=0.440
xd=（0.95/78.11）/（0.95/78.11）+（0.05/92.13）=0.957
xw=（0.05/78.11）/（0.05/78.11）+（0.95/92.13）=0.055
f=（5000×0.4）/78.11+（5000×0.6）/92.13=54.76kmol/h
f=d+w fxf=dxd+wxw
d=24.68kmol/h w=30.08kmol/h
2. 定塔内操作温度确。
苯 % 温度 ℃
画图得 td=82.4℃ tf=93.5℃ tw=108.6℃
3.确定回流比。
饱和蒸汽进料 q=1
y=qx/(q-1)-xf/(q-1) y=αx/(1+(α1)x)
用内差法求得 ￣α平均=（αdαw）1/2=（2.59×2.37）1/2=2.47
xe=0.44 ye=0.67
rmin/(rmin+1)=(xd-ye)/(xd-xe) rmin=(xd-ye)/(ye-xe)=1.25
r=1.6rmin=1.6×1.25=2
4.理论塔板数计算。
吉利兰关联。
最小理论塔板数 nmin= lg[（xa/xb）d（xb/xa）w]/ lgα平均=6.5
理论塔板数n-nmin/n+1=0.75-0.75[(r-rmin)/(r+1)]0.567
x=（r-rmin）/(r+1)=(2-1.25)/(2+1)=0.25
y=0.75(1-0.250.567)=0.41
n=(nmin+y)/(1-y)=(6.5+0.41)/(1-0.41)=11.71
精馏最少理论塔板数。
1平均=（αd+αf）1/2=（2.59×2.47）1/2=2.53
nmin,1=㏒10[(xa/xb)d(xb/xa)f]/㏒10α1 平均。
精馏段理论塔板数。
n1/n=nmin.1/nmin n1=3.6×11.71/6.5=6.49
5.实际塔板数计算。
查表得 μd=0.297 μw=0.318 μ平均=0.308
αμ平均=2.47×0.308=0.76
e=0.49（αμ平均）-0.245=0.49×0.76-0.245=0.524
e0≈0.524×1.1=0.576
ne=n/e0=11.71/0.576=20.3
精馏段实际塔板数ne1=n1/0.576=6.49/0.576=12
提馏段理论塔板数ne2=(11.71-6.49)/0.576=9
四。塔设计计算。
（一）.精馏段计算。
1.塔板工艺尺寸计算。
1).操作温度。
塔顶温度 td=82.4℃ 以塔顶第一块板的温度为精馏段温度82
2）.平均摩尔质量计算。
xd=y1=0.957 αd=2.58
x=y/[y+α（y+1）] x1=0.896
mvd=0.957×78.11+（1-0.957）×92.13=78.71kg/kmol
mld=0.896×78.11+（1-0.896）×92.13=79.57kg/kmol
3).平均密度计算。
a.气相平均密度计算。
理想气体方程 ρvd=pmmv/rtm=（101.3×78.71）/8.314×（82.1+273.15）=2.7kg/m3
b.液相平均密度。
由td=82.4℃ 查表得 ρa=812kg/m3 ρb=807kg/m3
ρld=1/[(0.95/812)+(0.05/807)]=811.7kg/m3
c.液体表面张力。
塔顶液相平均表面张力由td=82.4℃ 查手册得。
σa=21.1mn/m σb=21.3mn/m
σld=0.957×21.1+0.043×21.3=21.11mn/m
d.液体平均粘度。
塔顶液相平均粘度 td=82.4℃ 查手册得。
a=0.297 μb=0.318
10μld=0.957㏒100.297+0.043㏒100.318=
4).精馏段气，液相负荷及气，液相体积流率。
l=r+d=2×24.68=49.36kmol/h
v=（r+1）d=（2+1）×24.68=74.04kmol/h
vg=vmvd/3600ρvd=74.04×78.71/3600×2.70=0.600m3/s
vl=lmld/3600ρld=49.36×79.57/3600×811.7=0.0013 m3/s
5).塔体工艺尺寸计算。
c=c20(σ/20)0.2 uf=c[(ρl-ρv)/ v]1/2
vl/vg×（ρl/ρv）1/2=0.04
取板间距ht=0.4m 板上液层高度hw=0.06m ht-hw=0.34m
查化工原理上册 c20=0.074 c=0.0748m/s
塔径 d=（4vg/πu）1/2=0.9m at=πd2/4=0.636m2
实际空塔气速 u=0.6/0.636=0.94m/s
6).精馏段有效高度为。
z精=（ne1-1）ht=(12-1)×0.4=4.4m
(7).塔板主要工艺尺寸计算。
因塔径d=0.9m 可选用单溢流弓形降液管采用凹形受液盘。
1)溢流堰长 lw=0.72d=0.72×0.9=0.648m
2)溢流堰高度hw=50mm
3)弓形降液管宽度wd和截面积af
由lw/d=0.72 查化工原理下册 wd/d=0.16
ad/a=0.1 ad=0.1a=0.1×0.636=0.0308m2
wd=0.16d=0.16×0.9=0.144m2
4)验算液体在降液管中停留时间。
=3600af ht/lh≧3～5 θ=3600×0.0636×0.4)/(3600×0.0013)=19.57s＞5s
故降液管设计合理。
5)降液管底隙高度。
取h0=40mm hw- h0=50-40=10mm＞0.006m
故降液管底隙高度设计合理。
8).塔板布置。
1.塔板分布。
因d>800mm 故采用三块板设计。
2.边缘区宽度和破沫区宽度确定。
d＜1.5m 破沫区宽度ws=0.065m 边缘区宽度wc=0.035m
3.开孔区面积。
aa=a-2 ad=0.636-2×0.0636=0.509m2
筛孔计算及其排列。
所处理的物系无腐蚀性可选用ζ=3mm的碳钢板，取筛孔直径 d0=5mm 筛孔按正三角形排列取孔中心距为。
t=3 d0=3×5=15mm
筛孔数目n=4a0/πd02=2613个开孔率φ=(0.0636/0.509)%=10.1%
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