一、概述
1. 精馏塔的简介:
精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔内设置一定数目的塔板，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。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。
工业上对塔设备的主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。
板式塔大致可分为两类：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。 2. 苯-甲苯物系简介：
苯的沸点为80.1℃，熔点为5.5℃，在常温下是一种无色、味甜、有芳香气味的透明液体，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水重。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。
甲苯是最简单，最重要的芳烃化合物之一。在空气中，甲苯只能不完全燃烧，
火焰呈黄色。甲苯的熔点为-95 ℃，沸点为111 ℃。甲苯带有一种特殊的芳香味（与苯的气味类似），在常温常压下是一种无色透明，清澈如水的液体，密度为0．866克／厘米3，对光有很强的折射作用（折射率：1,4961）。甲苯几乎不溶于水(0,52 g/l)，但可以和二硫化碳，酒精，乙醚以任意比例混溶，在氯仿，丙酮和大多数其他常用有机溶剂中也有很好的溶解性。甲苯的粘性为0,6 mPa s，也就是说它的粘稠性弱于水。甲苯的热值为40.940 kJ/kg，闪点为4 ℃，燃点为535 ℃。
3. 设计依据：
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回收和储存。板式精馏塔、浮法塔都是常用的塔类型，可以根据不同塔各自特点选择所需要的塔。
筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。 筛板塔是1932年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。
二、设计方案的选择
1. 塔型选择：根据生产任务，若按年工作日300天，每天工作24小时，产
品流量是5555.56Kg/h,因为苯-甲苯物系的粘度较小，流量较大，所以选用筛板塔，筛板塔的结构简单，造价低 ，气体压强低，生产能量大。 2. 操作条件选择：
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。 2.1操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾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相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。
2.2进料状态
进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 2.3加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于苯-甲苯溶液，一般采用1.1~2.0KPa（表压）。
三、计算过程
一、精馏塔的物料衡算
（常压）苯-甲苯气液相平衡数据
温度t
液相中苯
的含量x （摩尔分数）
气相中苯 的含量y （摩尔分数）
温度t
液相中苯 的含量x （摩尔分数）
气相中苯 的含量y （摩尔分数）
110.6 106.1 102.2 98.6 95.2 92.1
0 8.8 20.2 30.0 39.7 48.9
0 21．2 37．0 50．0 61．8 71．8
89.4 86.8 84.4 82.3 81.2 80.2
59.2 70.0 80.3 90.3 95.0 100.0
78.9 85.3 91.4 95.7 97.9 100.0
1.原理液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 苯的摩尔质量 MA=78.11kg/kmol 甲苯的摩尔质量 MB=92.13kg/kmol
78.11 ?0.541 （式2-1）
0.50.5?78.1192.130.9978.11 XD?=0.992
0.990.01?78.1192.13 XF?0.50.02XW?
0.0278.1178.11?0.98?0.02492.13
2.原料夜及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.541×78.11+（1-0.541）×92.3=61.67kg/kmol （式2-2） MD=0.983×78.11+（1-0.983）×92.13=78.22kg/kmol MW=0.024×78.11+（1-0.024）×92.13=91.79kg/kmol 3.物料衡算
40000000 原料处理量 F??90.09Kmolh （式2-3-1）
85.96*7200 总物料衡算 D+W=90.09 （式2-3-2） 苯物料衡算 90.09×0.541=0.992D+0.024W 联立解得：D=48.12kmol/h W=41.97kmol/h 以上计算结果见下表1：
名称
X（摩尔分数） 摩尔质量Kg/kmol 物料量kmol/h
原料液 0.541 61.67 90.09
馏出液 0.992 78.22 48.12
釜残液 0.024 91.79 41.97
二、塔板数的确定
1.理论塔板层数NT的求取
苯—甲苯属理想物系，可采用图解法求解理论塔板数。
由手册查的苯——甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见附图。 1.1求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比。在附图中对角线上，自点e(0.44,0.44)作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为 yq=0.744 xq=0.541 故最小回流比为 Rminx?y?y?xDqq?q0.992?0.744?1.22 （式3-1）
0.744?0.541取操作回流比为
R=2Rmin=2×1.22=2.44 1.2求操作线方程
L=RD=2.44×48.12=117.41kmol/h
V=(R+1)D=（2.72+1）×14.02=165.53 kmol/h L’=L+F= 38.13+32.31kmol/h=207.5 V’=V=165.53 kmol/h 精馏段操作线方程为
y?0.71x?0.288（式3-2）
提馏段操作线方程为
y=1.25x+0.006式3-3） 1.3图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，如x-y图所示。求解结果为 总理论塔层数 NT=12.5(包括再沸器) 进料板位置 NF=7 精馏段 N=6 2.塔板效率的估算
由t-x-y图可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点： tD?80.4 tF?97.5 tW?108.3 全塔的平均温度 tm?在温度
tm80.4?97.5?108.3?95.4
3下查得μ苯=0.26mPa．s μ甲苯=0.29 mPa．s
因为 ?L??xi?Li 所以 uLF?(0.541*0.26?(1?0.541)0.28)?0.2692
uLD?0.2602 ?0.2759
uLW全塔液体的平均粘度：
?0.2692?0.2602?0.2759C查得： ??0.2696mPa.s由t=80.4uLm3lgPOA?6.03055?1211.03380.4?220.79 （式3-4）
?POA?102.26kPa
lnP?B?6.07954?1344.8
80.4?219.482