安徽理工大学。
化工原理课程设计说明书。
设计项目：苯－甲苯精馏塔工艺设计与原料液预热器选型设计。
化工原理课程设计任务书。
威名化工厂拟采用一板式塔分离苯－甲苯混合液。已知：原料质量流量为 11500 kg/h，料液组成为 40 ％（质量百分比，下同），初始温度为30℃，用流量为 11000 kg/h、温度为 170 ℃的中压热水加热至沸点进料；要求塔顶产品中苯的含量不小于 95 ％、釜液中苯的含量不高于 4 ％。
试根据工艺要求进行：
1）非标准浮阀式精馏塔的工艺设计；
2）标准列管式原料预热器的选型设计。
设计附图清单：
1）苯-甲苯系统的t-x-y关系曲线图（并标注有原料液的沸点、塔顶操作温度、塔釜操作温度查取标记）；
2）最小回流比确定及理论塔板数计算图（在同一个x-y坐标系中表示）；
3）精、提馏段的负荷性能图并标注精、提馏段的稳定操作区域及操作弹性计算点（在同一页面上显示两图）；
4）绘制浮阀塔的**配图（包括设备主图、塔板分块结构**图—精、提馏段分别在对应主图的位置绘出，进出口接管图等。）
设计时间：2009.12.28~2010.1.10（校历18～19周）
安徽理工大学课程设计（**）成绩评定表。
目录。设计任务书1
课程设计成绩评定表2
一、前言4二、苯－甲苯精馏塔工艺设计6
一） 精馏方案的确定6
二） 产品流量计算6
三） 操作回流比确定7
四） 理论塔板数计算7
五） 实际塔板数计算7
六） 塔内气、液相流量计算8
七） 设计截面的选择8
八） 流体物性参数计算8
九） 设计截面结构参数计算9
十）负荷性能图校核与结构参数推广11
十一）塔设备附件设计及选用13
十二）浮阀塔结构参数一览表14
三、列管式料液预热器的选型设计14
一） 初选换热器14
二） 换热器性能校核16
四、参考文献18
五、结束语19
前言。本设计是为威名化工厂拟新建的苯-甲笨混合液分离系统进行的专项设计。
主体拟采用浮阀式精馏塔。浮阀式精馏塔是近40年发展起来的，它兼备了泡罩塔和筛板塔的优点，具有结构简单，制造方便，造价低，生产能力大的优点。由于阀片的采用，可以随气量的变化自由升降，漏液几率低；上升气流水平进入液层，气液两相接触时间长，具有较高的塔板效率。
故浮阀塔具有操作弹性大，稳定性高，分离性能好等优点。由于浮阀塔优点显着，迄今为止仍是化工蒸馏过程中使用最广泛的一种塔型。故本设计中主体分离设备拟采用该结构。
原料预热器拟采用标准u形管式换热器。众所周知，换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。换热器的种类根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为混合式、间壁式、蓄热式和中间载热体式四大类。
为便于废热利用，同时考虑到使用的普遍性，故本设计中采用间壁式换热器。而间壁式换热器又以列管式换热器应用最广，具有单位体积设备的传热面积大，间壁两侧流体可通过流体输送机械控制在强制湍流状态，故传热系数大，传热效果好等优点。故本设计中对原料预热器的设计拟采用列管式换热器。
又由本设计工艺条件可知，作为加热剂的热水进口温度为170℃，苯－甲苯混合液的初温为30℃，传热温差必超过50℃。因此，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，以消除或减小温差应力。根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器又可分为：
a) 带膨胀节的固定管板式换热器。
优点：结构简单，成本低；适用场合：壳程流体不易结垢或容易化学清洗，温差低于60～70℃，压力低于7kg/cm。
缺点：壳程不易机械清洗，对高压流体膨胀节的胀缩不灵敏，温差范围低。
b) 浮头式换热器。
优点：热补偿范围宽，易于清洗，应用较普遍。
缺点：结构较为复杂，消耗金属材料多，浮头密封要求高，造价高。.
c) u形管式换热器。
优点：结构简单，造价低廉，壳程易清洗，热补偿范围宽，易于维修，便于加工。通常化工厂的机械车间即能制造。
缺点：u形管的肘管部位不易清洗，适用于管程流体不易结垢的场合。
本设计拟采用热水走管程，苯-甲苯混合液走壳程，以减少热损失，提高传热效率。由于壳程水易结垢，不易清洗；管程苯-甲苯混合液不易结垢。鉴此，本设计过程中的原料预热器选用标准u形管式换热器。
设计分为两大部分进行：
一。苯-甲苯精馏塔的工艺设计。
包括：（一）精馏方案的确定；（二）产品流量的计算；（三）操作回流比的确定；（四）理论塔板数计算；（五）实际塔板数计算；（六）塔内气液相流量计算；（七）设计截面选择；（八）流体物性参数计算；（九）设计截面结构参数计算；（十）负荷性能图校核与结构参数推广；（十一）浮阀塔结构参数一览表。
二。列管式料液预热器的选型设计。
包括：（一）物性参数计算；（二）流体流动空间计算；（三）列管类型选择；（四）初估换器传热面积；（五）设备选型；（六）传热性能校核；（七）换热器结构参数一览表。
采用本设计方案进行苯-甲苯料液分离处理，进料液流量为11500kg/h，按一年320个工作日计算，年处理料液能力可达近9万吨，馏出产量为5.5万吨/年，釜液产量5.4万吨/年，扣除生产操作费用和塔的折旧费用，可创造可观的经济利润。
为确保设计的合理性，在本设计过程中，设计人员采用了最新化工工程标准及数据。以气液相负荷最大的近釜塔板为设计板面，并将设计结果通过流体力学验算、负荷性能校核加以分析并推广至全塔，从而对浮阀式精馏塔的塔结构进行精确定位。此外，在设计中赋予了一定的裕度，因此在一定程度上物料的进料流量及塔内的气液两相流量均具有一定的可调性，大大减少化工生产过程中事故发生的概率，减少由于事故发生所造成的损失。
此外，设计在满足工艺要求的前提下力求降低生产成本，以确保系统的最优化，设计方案的可操作性强。
本设计由倪源满、全辉辉、钱兵完成。在设计过程中得到了张洪流教授的指导和帮助，同时对于在设计中给予帮助的同仁，在此一并表示感谢！
由于时间仓促，加之设计人员的水平有限，设计中难免有不足之处，衷心希望得到各位专家的批评指正，以使设计更趋完美。
小组成员：倪源满、全辉辉、钱兵。
参考文献。国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册(上册)，北京，化学工业出版社，1985.7
国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册(下册)，北京，化学工业出版社，1985.7
张洪流，化工原理（上册），上海，华东理工大学出版社，2006.11
张洪流，化工原理（下册），上海，华东理工大学出版社，2006.11
张洪流，流体流动与传热，北京，化学工业出版社，2002.6
谭天恩，化工原理（上册、下册），北京，化学工业出版社，2006.6
结束语。综上所述，本设计方案是切实可行的，设计结果完全可以满足威名化工厂苯－甲苯分离系统的工艺要求，且操作弹性大、分离性能好、造价相对较低，符合最优化生产要求。
然而在设计过程中，我们也遇到了一些难以解决的问题，经过反复修改，结果仍然不尽人意。例如，以塔釜上侧塔板为设计板面确定的塔板结构参数在向全塔推广时，靠近塔釜板基本处于可操作区域中心，但是靠近塔顶塔板负荷性能图中的操作点向左偏移，这意味着精馏段易发生“干堰”现象。虽缩小堰长占塔径的比例，以及调整了板间距，但操作点依然没有位于操作区域中心，从而为塔设备生产安全带来隐患。
其根本办法唯通过减小塔径来解决，但其结果将导致精馏段与提馏段塔径不一，即异径塔，这样不但会降低塔体强度，而且会增加精馏塔自身建造的成本费用。若时间充裕，可适当缩小提馏段的直径，这样便可两全其美。此为设计遗憾之一。
换热器的选型也不是很完美。所选的换热器压降核算合格，然而在传热系数的核算中
k计/k需＝1.35，不在1.1到1.
25之间。主要是管程及壳程对流传热系数偏大。可通过调节流速来使最终的传热系数落在合适的范围。
然而要改变流体流速，必须重新选择换热器。由于时间仓促，来不及重新选择，实为设计的又一遗憾。
为期两周的化工原理课程设计即将结束，通过设计使我们对化工原理课程的重要性有了更为深刻的认识，同时对我们所学的化工原理知识进行了有效的实战演练，收获和感慨颇多。谨在此对在我们设计过程中一直给予帮助与指导的张洪流教授致以崇高的敬意！
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