苯-甲苯混合物分离精馏塔设计
第一章 概 述 1.1精馏塔的简单介绍 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
1.2本设计的目的和意义 通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：
（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。
（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括塔板结构和附属设备的结构计算。
（3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。
通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对精馏、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。
第二章 设计计算 2.1确定设计方案 本设计任务是分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用中间泡点进料，将苯和甲苯混合液经原料预热器加热至泡点后送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余为塔顶产品，经冷却器冷却后送至贮槽。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品冷却后送至储罐。
2.2精馏塔的物料衡算 1.原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率
苯的摩尔质量 MA=78.11 kg/kmol
甲苯的摩尔质量 MA=92.13 kg/kmol
xF = =0.541
xD = =0.992
xW = =0.012
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.541×78.11+(1-0.541)×92.13=84.55 kg/kmol
MD=0.992×78.11+(1-0.992)×92.13=78.22 kg/kmol
MW=0.012×78.11+(1-0.012)×92.13=91.96 kg/kmol
3.物料衡算
原料处理量 F= =131.41 kmol/h
总物料衡算 D+W=131.41
苯物料衡算 0.992D+0.012W=131.41×0.541
联立解得 D=70.93 kmol/h
W=60.48 kmol/h
2.3塔板数的确定 常压下苯-甲苯的气液平衡与温度关系
温度t
110.6
106.1
102.2
98.6
95.2
92.1
89.4
86.8
84.4
82.3
81.2
80.2
x（摩尔分数）
y
0
0
0.088
0.212
0.2
0.37
0.3
0.5
0.397
0.618
0.489
0.71
0.592
0.789
0.7
0.853
0.803
0.914
0.903
0.957
0.95
0.979
1.0
1.0
1.理论塔板数NT的求取
苯-甲苯属理想物系，可采用图解法求理论塔板数。
①由上表查得苯-甲苯物系的气液平衡数据，绘出下面x-y图
②求最小回流比及操作回流比。
采用作图法求最小回流比。在上图中对角线上，子点e（0.542，0.542）做垂线ef即为进料线（q线），该线于平衡线的交点坐标为
yq=0.756 xq=0.542
故最小回流比为
Rmin=1.103
取操作回流比为
R=2Rmin=2.206
③求精馏塔气、液相负荷
L=RD=156.47 kmol/h
V=(R+1)D=234.47 kmol/h
L′=L+F=289.94 kmol/h
V′=V=234.47 kmol/h
④求操作线方程
精馏段操作线方程为
y= x+ XD=0.667x+0.301
提馏段操作线方程为
y′= ’- Xw =1.237x’-0.003
5图解法求理论塔板层数
采用图解法求理论踏板层数，如上图所示。求解结果为
总理论塔板层数 NT=12.5
进料板位置 NF=6
2.实际塔板层数的求取
精馏段实际塔板层数 N精=6/0.56≈11
提留段实际塔板层数 N提=6.5/0.56≈12
2.4精馏塔工艺条件的计算 1.操作压力计算
塔顶操作压力 PD=101.3+4=105.3 kPa
每层塔板压降 ΔP=0.7 kPa
进料板压力 PF=112.3 kPa
精馏段平均压力 Pm=108.8 kPa
2.平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
由xD=y1=0.992，查平衡曲线，得
x1=0.956
MVDm=0.992×78.11+(1-0.992)92.13=78.22 kg/kmol
MLDm=0.956×78.11+(1-0.956)92.13=79.66 kg/kmol
进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板，得
yF=0.720
查平衡曲线，得
xF=0.497
MVFm=0.720×78.11+(1-0.720)92.13=82.04 kg/kmol
MLFm=0.497×78.11+(1-0.497)92.13=85.16 kg/kmol
精馏段平均摩尔质量
MVm=(78.22+82.04)/2=80.13 kg/kmol
MLm=(79.66+85.16)/2=82.41 kg/kmol
3.平均密度计算
(1)气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
рVm= =2.88 kg/m3
(2)液相平均密度的计算
液相平均密度计算依下式计算，即
1/рVm=∑ai/рi
塔顶液相平均密度的计算
由tD=82.1℃，查手册得
рA=812.7 kg/m3 рB=807.9 kg/m3
рLDm= =812.6kg/m3
进料板的平均密度计算
由tF=99.5℃，查手册得
рA=793.1 kg/m3 рB=790.8 kg/m3
进料板液相的质量分率
aA=0.456
рLFm= =791.8 kg/m3
精馏段液相平均密度为
рLm=(812.6+791.8)/2=802.2 kg/m3
2.5精馏塔塔体工艺尺寸计算 1.塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率
Vs= =1.812 m3/s
Ls= =0.0045 m3/s
由 umax=C
=0.0413
取板间距HT=0.40 m，板上液层高度hL=0.06 m,则
HT-hL=0.40-0.06=0.34 m
查资料可得 C20=0.075
C= C20 =0.0753
Umax =0.0753 =1.254 m/s
取安全系数为0.7，则空塔气速为
u=0.7 umax=0.878 m/s
D= =1.66 m
按标准塔径圆整后为 D=1.5 m
塔截面积为
AT=2.16 ㎡
实际空塔气速为
u=0.839 m/s
2.精馏塔的有效高度计算
精馏段有效高度为
Z精=（N精—1）HT=4 m
提馏段有效高度为
Z提=（N提—1）HT=4.4 m
在进料板上开一人孔，其高度为0.8 m
故精馏塔的有效高度为
Z=Z精+Z提+0.8=9.2 m
2.6塔板主要工艺尺寸的计算 1.溢流装置的计算
因塔径D= 1.5m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：
(1)堰长lW
取 lW=0.66D=0.99 m
(2)溢流堰高度hW
由 hW=hL-hOW
选取平直堰，堰上液层高度hOW，近似的取E=1得
hOW= E =0.019 m
取板上清液层高度 hL=0.06 m
故 hW=0.06-0.019=0.041 m
(3)弓形降液管宽度Wd和截面积Af
由 lW/D=0.66 得
Af/AT=0.0722 Wd/D=0.124
故 Af=0.198 ㎡
Wd=0.186 m
验算液体在降液管中停留的时间
θ= =17.6 s＞5 s
故降液管设计合理。
2.7筛板流体力学的验算 1.液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量不是很大，故可忽略液面落差的影响。
2.液沫夹带
液沫夹带量eV计算，即
eV= ( ) =0.042 kg＜0.1 kg
hf=2.5 =0.15 m
故在本设计中液沫夹带量eV在允许范围内。
3.漏液
对筛板塔，漏液点气速u0，min计算，即
u0，min=4.4
=6.0276 m/s
实际孔速
u0= Vs/A0=16.23 m/s＞u0，min
稳定系数为
K=u0 /u0，min=2.692＞1.5
故在本设计中无明显漏液。
第三章 设计结果汇总
序号 项目 数值
1 平均温度 ,℃ 90.8
2 平均压力Pm，kPa 108.8
3 气相流量Vs (m3/s) 0.872
4 液相流量Ls (m3/s) 0.0022
5 实际塔板数 23
6 有效段高度Z，m 9.2
7 塔径，m 1.0
8 板间距，m 0.4
9 溢流形式 单溢流
10 降液管形式 弓形
11 堰长，m 0.66
12 堰高，m 0.051
13 板上层液高度，m 0.06
14 堰上层液高度，m 0.009
15 空塔气速，m/s 1.111
16 液沫夹带eV，(kg液/kg气) 0.042
17 稳定系数 2.69
18 筛孔直径,m 0.005
19 孔中心距,m 0.015
20 筛孔直径,m 0.005
例子
筛 板 式 精 馏 塔 设 计 报 告
一、设计任务：
要精馏分离的混合物为：苯-甲苯
原料液组成为 xf= 54.1200 %(摩尔)
塔顶产品产量 D = 108.20 kmol/h (每小时 108.20千摩尔)
塔顶产品组成 xd= 95.7300 %(摩尔)
塔底残液组成 xw= 3.5200 %(摩尔)(以间接蒸汽加热计)
-----------------------------
二、物料衡算：
设计者选取的D、Xd、Xf、Xw见以上“设计任务”
可计算出：
若按间接蒸汽加热计, 则由以下物料平衡关系式：
F = D + W
FXf= DXd+WXw
可计算得：
原料液量 F = 197.18 kmol/h
塔底产品产量 W = 88.98 kmol/h
---------------------------------
三、塔板数的确定:
设计时选取：
实际回流比是最小回流比的 1.60倍，进料液相分率q= 1.00，
此时，最小回流比 Rmin=1.02
实际回流比 R= 1.60* 1.02=1.63
理论板数N =12.4, 其中，精馏段N1 = 5.2, 提馏段N2 = 7.3
由平均黏度、相对挥发度μav, αav, 可算得全塔效率 Et = 0.5946
实际板数Ne= 22, 其中，精馏段Ne1= 9, 提馏段Ne2= 13
-----------------------------
四、塔径的确定：
可由板间距 Ht 和 (Vl/Vg)(ρl/ρg)^0.5
确定气液负荷参数C, 从而求得液泛气速Uf=C ?[(ρl-ρg)/ ρg]^0.5,
最后根据塔内气体流通面积A=Vg/U=Vg/[(0.6---0.9)Uf]估算塔径D, 再圆整之。
按精馏段首、末板，提馏段首、末板算得的塔径分别为：
1.620米、1.663米，1.731米、1.807米
程序自动圆整（或手工强行调整）后的塔径为：
---1800.0毫米，即 1.800米---
--------------------------------
五、塔板和降液管结构设计:
堰长与塔径之比Lw/D= 0.70
堰长Lw= 1 mm
塔径D = 1800 mm
安定区宽度 Ws= 75 mm
开孔区至塔壁距离Wc= 50 mm
孔径do= 5 mm
孔中心距t = 15 mm
堰高hw= 50 mm
降液管底隙高度 hd'= 40 mm
塔板厚度tp= 4 mm
板间距 Ht=450 mm
以上为选定[调整]值； 以下为计算值：
计算孔数 n= 9111
塔截面积 A= 2544690 mm^2
降液管截面积Ad= 223155 mm^2
有效截面积 An= 2321535 mm^2
工作区面积 Aa= 2098380 mm^2
开孔区面积 Aa'= 1775172 mm^2
总开孔面积 Ao= 178898 mm^2
Ad/A= 0.0877
An/A= 0.8246
Ao/Aa'= 0.1008
----------------------------------------
六、流体力学校核:
精馏段首板：
单板压降 ΔHt=ho+he=ho+β(hw+how)= 0.08m清液柱
要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm
堰上液头how=0.0028Fw(Vl'/Lw)^(2/3)=0.01645m
为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。
液沫夹带率 ψ=0.0611
要求，ψ〈0.1 (0.15)
降液管内泡沫层高度Hd'=ΔHt+(hw+how)+hd= 0.30m
要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛
液体在降液管内平均停留时间τ=Hd*Ad/Vl= 7.02秒
要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板
实际孔速与漏液时孔速之比Uo/Uomin=12.87/ 6.87=1.873
Uo必须大于Uo（即比值>1）。要求该比值最好 >1.5,以免漏液过量
精馏段末板：
单板压降(气体)ΔHt= 0.09m清液柱
要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm
堰上液层高度 how=0.01740m
为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。
液沫夹带率 ψ=0.0737
要求，ψ〈0.1 (0.15)
降液管泡沫层高度 Hd'= 0.31m
要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛
液体在降液管内停留时间 τ= 6.69秒
要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板
孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.21/ 6.81=1.939
要求该比值最好 >1.5, 否则可导致漏液过量
提馏段首板：
单板压降(气体)ΔHt= 0.10m清液柱
要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm
堰上液层高度 how=0.02945m
为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。
液沫夹带率 ψ=0.0439
要求，ψ〈0.1 (0.15)
降液管泡沫层高度 Hd'= 0.36m
要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛
液体在降液管内停留时间 τ= 3.62秒
要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板
孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.28/ 7.20=1.845
要求该比值最好 >1.5, 否则可导致漏液过量
提馏段末板：
单板压降(气体)ΔHt= 0.10m清液柱
要求各板总压降 ∑(ΔHt)<0.3 atm
堰上液层高度 how=0.03107m
为流动稳定，要求how>0.006m, 如实在达不到此要求则用齿形堰。
液沫夹带率 ψ=0.0542
要求，ψ〈0.1 (0.15)
降液管泡沫层高度 Hd'= 0.39m
要求 Hd'<Ht+hw, 否则降液管发生液泛
液体在降液管内停留时间 τ= 3.55秒
要求， τ>3 至 5 秒, 以防止气体随液体带入下层塔板
孔速与漏液孔速之比Uo/Uomin=13.80/ 7.04=1.960
要求该比值 最好 >1.5, 否则可导致漏液过量
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七、塔高：
塔高约11.7米
苯——甲苯混合液筛板(浮阀)精馏塔设计
二.
原始数据
年处理量：60000
吨
料液初温：20℃
料液浓度：
44%
（苯质量分率）
塔顶产品浓度：
98.5%（苯质量分率）
塔底釜液含甲苯量不低于
98%(以质量计)
每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）
精馏塔塔顶压强：4
kpa（表压）
单板压降不超过0.7kpa
冷却水温度：20℃
饱和水蒸汽压力：0.25mpa(表压)
设备型式：筛板(浮阀)塔
建厂地区压力：1atm
精馏是根据各种物质挥发性的差异对一个多组分溶液进行分离的方fa，是一种最具代表性的传播质单元操作．精馏可集中在精馏塔中进行，了为达到对某一多组分溶液的分离要求，精馏塔需要安装一
定数量的塔板，以及根据原料的组成和进料状态确定进料板．计算精馏塔中某一分离过程的理论塔板数
的方fa通常有逐板计算fa、理论板图解fa和理论塔板简捷计算fa．
1 逐板计算fa
逐板计算fa，就是利用物料的气一液相平衡关系和操作线方程联立得到提馏段和精馏段的方程，
然后利用精馏的方程由塔顶馏出液液相组成开始，逐板算出精馏段各块塔板的液相组成，同时将X
+ 1与X (同口线方程联立操作线方程所确定)比较，确定进料板位置；进料板位置确定以后，改用提
馏段的迭代方程求算提馏段各块塔板的液相组成，直至X 小于X 为止， 即为该分离操作所需的理
论塔板数．
假定精馏的原料F，X，，进料的温度丁，，压力P，，分离要求。、z ，回流比R，以及操作压力条件
下，即可进行精馏塔设计，由物料衡算方fa确定采出量D、W 以及口。已知体系操作范围内地平均相对挥
发度口，于是则有
精馏段操作线方程
提馏段操作线方程一
体系相平衡关系— F T
1．1 精馏段的计算
当塔顶蒸气全部被冷凝时，则有： 一z。由于冷凝器全凝，无分离能力，不计为理论板，则以塔顶计
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第一块理论板．因。由工艺所规定，故Y。为已知．由平衡关系计算与Y。呈相平衡的液相组成。通过。
采用精馏段操作线方程计算来自第二板蒸气的组成Yz与此类推，交替使相平衡与物料平衡关系，计算
精馏两相的组成．
1．2 进料板的计算
当精馏段逐板计算到液相组成即。时，物料衡算关系应换为提馏段操作方程．将
此更换物料衡算关系式的理论板，作为进料板为宜，即最佳进料位置．
1．3 提馏段的计算
交替使用相平衡及物料平衡关系，逐级计算提馏段的组成分布，计算的液相组成略低于或等于
时，即可结束计算．计算中采用平衡关系的次数即塔满足分离要求所需的理论板数N．由于再沸器存
在部分化，具有分离能力，相当一块理论板．
迭代计算fa可用如下框图表示：
本文以苯一甲苯二组分溶液
例常压下用连续精馏塔分离含苯44 的苯一甲苯混合物．进料为泡点液体，进料流率取
100kmol／h为计算基准．要求馏出液中含苯不小于94 ．釜液中含苯不大于8 (以上均为摩尔百分
率)．设该物系为理想深液．相对挥发度为2．47．塔顶设全凝器，泡点回流，选用的回流比为3．试计算精
馏塔两端产品的流率及所需的理论塔板数．
解由全塔物料衡算：F= D+W
FXF= DXD+ WX
将已知值代入，可解得D 一41．86kmol／h W = 58．14kmol／h
精馏段操作方程为· 一+
即3， 。= z + 一o．75x．+ o．235
提馏段操作方程为， = } 一
又L= RD = 3×41．86= 125．86kmol／h泡点液体进料时q= 1，故提馏段操作方程为
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相平衡方程为一rF T
或一一一
对于泡点进料，X。一XF= 0．44
设由塔顶开始计算，第1块板上升及汽组成。一。=0．94．第1块板下降液体组成。由相平衡方程式(iii)计算：
第2板上升蒸汽组成Y2由精馏段操作方程(i)计算：Y2— 0．75×0．8638+0．235— 0．8829
第2板下降液体组成。由相平衡方程(iii)计算，可得z一0．7532
如此逐级往下计算，可得
Y3— 0．8 3— 0．618
4— 0．6985 3— 0．484
Y5— 0．598 3— 0．376
因。<。一0．44，故第5板为进料板；习惯上，将进料板包括在提馏段内，故精
馏段有4块理论塔
板．自第5块开始，应改用提馏段操作方程式(ii)由求下一板上升蒸汽组成
故Y6— 1_3472×0．376—0．0278— 0．4787
第6板下降液体组成th~(iii)计算：X 一= 一0．271 如此继续计算，
可得
y7— 0．3373 z7— 0．1709
Y8— 02024 z8— 0．09316
Y9— 0．0977 z9— 0．042
因Y。<一0．08，故所求的总塔板数为9块(包括釜)．
2 理论板图解fa
理论板图解fa是一种采用绘图求解塔板数的方fa，具体的解题步骤如下：
(1)在直角坐标中绘出体系相平衡曲线z～ Y，
(2)连接对角线，绘出精馏段操作线且精馏段操作线通过D(x。，z。)，C(O， )两点·
(3)由q线方程—r z一绘出q线且经过F(Xf~5of)，G(0，等)两点．
(4)绘出精馏操作线并交q线方程于Q点．
(5)绘出提馏段操作线且通过b~x ， )Q( ，y )点．
(6)因y 一z。所以从塔顶D 点开始作水平线交平衡曲线于1，求得呈现平衡的液相相成z ，再由
1点作垂线交精馏段操作线于1 点，求得第二板蒸气组成Yz，如fa在平衡线与精馏段操作线之间作梯
级，当求得z z。时，应由精馏更换提馏的操作线，即在平衡线与提馏段操作线之间作梯级，当求得液
相组成z 时结束．此时梯级数N(含再沸器)为所求的理论塔板数N，跨过两操作线交点的板为最佳进料板N ．
上述例题变可在—Y图上利用图解fa进行计算．首先，作得物系在操作压力下的平
衡曲线和给定条件下的两条操作线如图所示．由于Y 一。，可在对角线上确定点D(xo， o)，然
后从D点出发，在平衡线与精馏段操作线之间作梯级．当获得<时，则在平衡线与提馏段操作线间作梯级至<，获得总理论板数为N 一9(含再沸器)，进料位置为第5板N，一5，和前逐板计算结果相同．显然，上述
图解过程也可从表示塔底的点w 出发一进行．
3 理论塔板简捷计算方fa
在实际生产过程中我们将许多不同精馏塔的回流比、最小回流比、理论板数及最小理论板数即R、
Rmin、N、Nmin四个参数进行定量的研究得出四个参数的关系式，并用此式绘制成图称为吉利兰图
(Gillilad)(图略)，关系式如下：
-o．75『一c 鲁。66。]
简捷fa具体步骤：
(1)根据精馏给定条件计算R
(2)由Fenske方程及给定条件计算N
N 一logI(1 X~x
，o)／(1 X --~x)7． F n k 方程
(3)计算一／P二
(4)由吉利兰图求
-
解
． I- ]
Y值，并解得理论板数N 一(N及Nm 竹均含再沸器理论板)．采用简捷fa也可估算精馏塔精馏段及提馏段理论塔板数或进料位置．如果计算精馏段理论塔板数，
则求精馏段最少理论板数N，擅， 由进料组成z，代替，a为精馏段平均相对挥发度a ，按以上步骤求
得精馏段理论板数N 一N— 1．同理，求得提馏段理论板数N ．
4 结束语
在以上三种计算方fa中我们经常采用逐板计算fa．它比图解fa具有概念清晰、计算准确的特点，且
能避免图解fa在塔板数较多时误差过大的缺点．用逐板计算fa求算理论塔板数，我们也可以采用EX—
CEL软件简化计算．总之作为一名专业人员我们应该在不同的情况下熟练应用每一种方fa．
