苯氯苯板式精馏塔的基本工艺设计.doc

化工原理课程设计苯-氯苯板式精馏塔工艺设计任务书设 计 者 冯文宇 学 院 食品与生物工程学院 班 级 生工091 指引教师 邢进 成 绩 完毕时间 年 6月 21日 目录 第1章：设计任务书41.1设计题目41.2设计条件41.3设计规定41.4设计流程5第2章：基本数据6第3章：苯氯苯板式精馏塔工艺计算8 3.1设计方案拟定及工艺流程阐明8 3.2全塔物料衡算8 3.2.1料液及塔顶产品含苯摩尔分率8 3.2.2平衡摩尔质量8 3.2.3料液及塔顶产品摩尔流率8 3.3塔板数拟定9 3.3.1理论塔板数NT求取9 3.3.2实际塔板数NP12 3.4塔精馏段操作工艺条件及有关物性数据计算12 3.4.1平均压强Pm12 3.4.2平均温度tm13 3.4.3平均分子量Mm13 3.4.4平均密度m14 3.4.5液体平均张力m14 3.4.6液体平均粘度l,m14 3.5精馏段汽夜负荷计算14 3.6塔和塔板重要工艺构造尺寸计算15 3.6.1塔径15 3.6.2塔板工艺构造尺寸设计与计算16 3.6.2.1溢流装置16 3.6.2.2塔板布置17 3.6.2.3开孔数n和开孔率17 3.6.2.4提馏段塔高Z118 3.7塔板上流体力学验算18 3.7.1气体通过筛板压降hp和Pp验算18 3.7.2雾沫夹带量ev验算20 3.7.3漏液验算20 3.7.4液泛验算20 3.8塔板负荷性能图21 3.8.1雾沫夹带线21 3.8.2液泛线21 3.8.3液相负荷上限线22 3.8.4漏液线23 3.8.5液相负荷下限线23 3.9精馏塔设计计算成果汇总一览表24 3.10精馏塔附属设备与接管尺寸计算25 3.10.1料液预热器25 3.10.2塔顶全凝器26 3.10.3塔釜再沸器26 3.10.4精馏塔管口直径26第4章：塔提馏段操作工艺条件及有关物性数据计算274.1提馏段物性及状态参数27 4.1.1平均压强Pm27 4.1.2平均温度tm274.1.3平均分子量Mm27 4.1.4平均密度m28 4.1.5液体平张力m28 4.1.6液体平均粘度l,m294.2提馏段汽夜负荷计算294.3塔河塔顶重要工艺构造尺寸计算29 4.3.1塔径30 4.3.2塔板工艺构造尺寸设计与计算30 4.3.2.1溢流装置30 4.3.2.2塔板装置31 4.3.2.3开孔数n和开孔率31 4.3.2.4提馏段塔高Z2324.4塔板上流体力学验算32 4.4.1气体通过筛板压降hp和Pp验算32 4.4.2雾沫夹带量ev验算33 4.4.3漏液验算33 4.4.4液泛验算33 4.5塔板负荷性能图34 4.5.1雾沫夹带线34 4.5.2液泛线35 4.5.3液相负荷上限线36 4.5.4漏液线36 4.5.5液相负荷下限线38第5章：精馏塔工艺条件图第6章：设计评述及有关问题讨论 40第7章：参照文献 41第1章课程设计题目一苯-氯苯板式精馏塔工艺设计1、设计题目设计一座苯-氯苯持续精馏塔，规定年产纯度为99.8%氯苯48000t/a，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为35%（以上均为质量%）。2、操作条件1.塔顶压强4kPa（表压）；2.进料热状况，自选；3.回流比，自选；4.塔釜加热蒸汽压力506kPa；5.单板压降不不不大于0.7kPa；6.年工作日330天，每天24小时持续运营。3、设计内容1.设计方案拟定及工艺流程阐明；2.塔工艺计算；3.塔和塔板重要工艺构造设计计算；4.塔内流体力学性能设计计算；5.塔板负荷性能图绘制；6.塔工艺计算成果汇总一览表；7.辅助设备选型与计算；8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图绘制；9.对本设计评述或对关于问题分析与讨论。4、设计流程设计流程塔板数拟定塔和塔板重要工艺构造尺寸计算塔板上流体力学验算塔板负荷性能图精馏塔附属设备与接管尺寸计算依照计算画出精馏塔拟定设计方案第2章1、基本数据1.组分饱和蒸汽压（mmHg）温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.组分液相密度（kg/m3）温度，（）8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下密度可由下式计算苯 推荐：氯苯 推荐：式中t为温度，。3.组分表面张力（mN/m）温度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4双组分混合液体表面张力可按下式计算：（为A、B组分摩尔分率）4.氯苯汽化潜热常压沸点下汽化潜热为35.3103kJ/kmol。纯组分汽化潜热与温度关系可用下式表达：（氯苯临界温度：）5.其她物性数据可查化工原理附录。第3章精馏段苯-氯苯板式精馏塔工艺计算1、设计方案拟定及工艺流程阐明原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入持续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一某些作为回流液，别的作为产品经冷却后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。图1 板式精馏塔工艺流程简图工艺流程：如图1所示。原料液由高位槽通过预热器预热后进入精馏塔内。操作时持续从再沸器中取出某些液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液某些汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中所有冷凝或某些冷凝，然后进入贮槽再通过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，别的某些通过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔持续稳定进行，流程中还要考虑设立原料槽。产品槽和相应泵,有时还要设立高位槽。为了便于理解操作中状况及时发现问题和采用相应办法，常在流程中恰当位置设立必要仪表。例如流量计、温度计和压力表等，以测量物流各项参数。2、全塔物料衡算（1）料液及塔顶底产品含苯摩尔分率苯和氯苯相对摩尔质量分别为78.11和112.61kg/kmol。（2）平均摩尔质量（3）料液及塔顶底产品摩尔流率依题给条件：一年以330天，一天以24小时计，有：，全塔物料衡算： 3、塔板数拟定（1）理论塔板数求取苯-氯苯物系属于抱负物系，可采用梯级图解法（MT法）求取，环节如下：1.依照苯-氯苯相平衡数据，运用泡点方程和露点方程求取根据，将所得计算成果列表如下：温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760两相摩尔分率x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710本题中，塔内压力接近常压（事实上略高于常压），而表中所给为常压下相平衡数据，由于操作压力偏离常压很小，因此其对平衡关系影响完全可以忽视。2.拟定操作回流比R将1.表中数据作图得曲线及曲线。在图上，因，查得，而，。故有：考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作回流比为最小回流比2倍，即：3.求理论塔板数精馏段操作线： 0.7754151.429+151.429=268.85 精馏段操作线：y=0.394x+0.597提馏段操作线：y=1.216x-0.00062提馏段操作线为过(0.00287,0.00287)和(0.722,0.879)两点直线。苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数图解苯-氯苯物系温度构成图图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第5块为加料板位置。（2）实际塔板数1.全塔效率选用公式计算。该式合用于液相粘度为0.071.4mPas烃类物系，式中为全塔平均温度下以进料构成表达平均粘度。塔平均温度为0.5(80+131.8)=106（取塔顶底算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。2.实际塔板数（近似取两段效率相似）精馏段：块，取块提馏段：块，取块总塔板数块。4、塔精馏段操作工艺条件及有关物性数据计算（1）平均压强取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶：加料板：平均压强（2）平均温度查温度构成图得：塔顶为80，加料板为88。（3）平均分子量塔顶： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段：（4）平均密度1.液相平均密度塔顶：进料板：精馏段：2.汽相平均密度（5）液体平均表面张力塔顶：；（80）进料板：；（88）精馏段：（6）液体平均粘度塔顶：查化工原理附录14，在80下有：加料板：精馏段：5、精馏段汽液负荷计算汽相摩尔流率汽相体积流量汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量液相体积流量冷凝器热负荷6、塔和塔板重要工艺构造尺寸计算（1）塔径1.初选塔板间距及板上液层高度，则：2.按Smith法求取容许空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3.操作气速取4.精馏段塔径圆整取，此时操作气速。（2）塔板工艺构造尺寸设计与计算1.溢流装置采用单溢流型平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。（1）溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔堰上溢流强度规定。（2）出口堰高对平直堰由及，查夜流收缩系数计算图（化工原理图3-8）得，于是：（满足规定）（3）降液管宽度和降液管面积由，查化原下P147图11-16得，即：，。液体在降液管内停留时间（满足规定）（4）降液管底隙高度液体通过降液管底隙流速普通为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙流速，则有：（不适当不大于0.020.025m，本成果满足规定）2.塔板布置（1）边沿区宽度与安定区宽度边沿区宽度：普通为5075mm，D 2m时，可达100mm。安定区宽度：规定m时mm；m时mm；本设计取mm，mm。（2）开孔区面积式中：3.开孔数和开孔率取筛孔孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。每层塔板开孔数（孔）每层塔板开孔率（应在515%，故满足规定）每层塔板开孔面积气体通过筛孔孔速4.精馏段塔高7、塔板上流体力学验算（1）气体通过筛板压降和验算1.气体通过干板压降式中孔流系数由查图化工原理课程设计4-22得出，。2.气体通过板上液层压降式中充气系数求取如下：气体通过有效流通截面积气速，对单流型塔板有：动能因子查化工原理课程设计图4-23得（普通可近似取）。3.气体克服液体表面张力产生压降4.气体通过筛板压降（单板压降）和（不满足工艺规定，需重新调节参数）。现对塔板构造参数作重新调节如下：取mm，mm。开孔区面积式中：开孔数和开孔率取筛孔孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。每层塔板开孔数（孔）每层塔板开孔率（应在515%，故满足规定）每层塔板开孔面积气体通过筛孔孔速气体通过筛板压降和重新验算气体通过筛板压降（单板压降）和（满足工艺规定）（2）雾沫夹带量验算式中：，验算成果表白不会产生过量雾沫夹带。（3）漏液验算漏液点气速筛板稳定性系数（不会产生过量液漏）（4）液泛验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可以为精馏段塔径及塔板各工艺构造尺寸适当，若要做出最合理设计，还需重选及，进行优化设计。8、塔板负荷性能图（1）雾沫夹带线（1） （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范畴内，任取几种值，依式（1-1）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01814.2023.8503.5413.2823.136根据表中数据作出雾沫夹带线（1）（2）液泛线（2） （2） （2-2）在操作范畴内，任取几种值，依式（2-2）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01813.6353.3843.0102.4701.982根据表中数据作出液泛线（2）（3）液相负荷上限线（3） （3-3）（4）漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速，整顿得： （4-4）在操作范畴内，任取几种值，依式（4-4）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01810.8750.9370.9881.0291.051根据表中数据作出漏液线（4）（5）液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m，。 （5-5）操作气液比 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点气相最大负荷与气相容许最小负荷之比，即：操作弹性=九、精馏塔设计计算成果汇总一览表精馏塔设计计算成果汇总一览表项 目符 号单 位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强kPa108.1平均温度84平均流量气相m3/s1.795液相m3/s0.00213实际塔板数块8板间距m0.5塔段有效高度m3.5塔径m1.6空塔气速m/s0.893塔板液流型式单流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m1.12堰高m0.050溢流堰宽度m0.224底隙高度m0.024板上清液层高度m0.060孔径mm5孔间距mm15孔数个7113开孔面积m20.140筛孔气速m/s12.86塔板压降kPa0.69液体在降液管中停留时间s42.46降液管内清液层高度m0.144雾沫夹带kg液/kg气0.00725负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷m3/s3.40气相最小负荷m3/s0.80操作弹性4.25十、精馏塔附属设备与接管尺寸计算（1）料液预热器依照原料液进出预热器热状况和构成一方面计算预热器热负荷Q ，然后估算预热器换热面积A ，最后按换热器设计计算程序执行。（2）塔顶全凝器全凝器热负荷前已算出，为1593kW。普通采用循环水冷却，进出口水温可依照不同地区详细状况选定后再按换热器设计程序做设计计算。（3）塔釜再沸器由于饱和液体进料，故。即再沸器热负荷与塔顶全凝器相似。事实上由于存在塔热损失（普通状况下约为提供总热量510%）。再沸器属于两侧均有相变恒温差换热设备，故再沸器设计计算与蒸发器同。（4）精馏塔管口直径1.塔顶蒸汽出口管径根据流速选用，但塔顶蒸汽出口流速与塔内操作压力关于，常压可取1220m/s。2.回流液管径回流量前已算出，回流液流速范畴为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速可取12.5 m/s。3.加料管径料液由高位槽自流，流速可取0.40.8 m/s；泵送时流速可取1.52.5m/s。4.料液排出管径塔釜液出塔流速可取0.51.0m/s。5.饱和蒸汽管径蒸汽流速：295kPa：2040 m/s；2950 kPa：80 m/s。第4章塔提馏段操作工艺条件及有关物性数据计算1、提馏段物性及状态参数（1）平均压强取每层塔板压降为0.7kPa计算。进料板：塔底：平均压强（2）平均温度查温度构成图得：加料板为88，塔底为131.8。（3）平均分子量加料板：，（查相平衡图）塔底： ，。（查相平衡图）提馏段：（4）平均密度1.液相平均密度进料板：塔底：提馏段：2.汽相平均密度（5）液体平均表面张力进料板：；（88）塔底：；（131.8）精馏段：（6）液体平均粘度塔顶：查化工原理附录14有：加料板：塔 底：提馏段：2、提馏段汽液负荷计算汽相摩尔流率汽相体积流量汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量液相体积流量再沸器热负荷（忽视温度压力对汽化潜热影响）3、塔和塔板重要工艺构造尺寸计算（1）塔径1.初选塔板间距及板上液层高度，则：2.按Smith法求取容许空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3.操作气速取4.精馏段塔径为加工以便，圆整取，即上下塔段直径保持一致，此时提馏段操作气速。（2）塔板工艺构造尺寸设计与计算1.溢流装置采用单溢流型平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。（1）溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔堰上溢流强度规定。（2）出口堰高对平直堰由及，查化工原理图11-11得，于是：（满足规定）（3）降液管宽度和降液管面积由，查化原下P147图11-16得，即：，。液体在降液管内停留时间（满足规定）（4）降液管底隙高度液体通过降液管底隙流速普通为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙流速，则有：（不适当不大于0.020.025m，本成果满足规定）2.塔板布置（1）边沿区宽度与安定区宽度与精馏段同，即mm，mm。开孔区面积与精馏段同，即3.开孔数和开孔率亦与精馏段同，即孔每层塔板开孔率（应在515%，故满足规定）每层塔板开孔面积气体通过筛孔孔速4.提馏段塔高4、塔板上流体力学验算（1）气体通过筛板压降和验算1.气体通过干板压降式中孔流系数由查化工原理课程设计图4-22得出，。2.气体通过板上液层压降式中充气系数求取如下：气体通过有效流通截面积气速，对单流型塔板有：动能因子查化原图11-12得（普通可近似取）。3.气体克服液体表面张力产生压降4.气体通过筛板压降（单板压降）和（尚可接受，本设计不再做重新设计计算）。（2）雾沫夹带量验算式中：，验算成果表白不会产生过量雾沫夹带。（3）漏液验算漏液点气速筛板稳定性系数（不会产生过量液漏）（4）液泛验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可以为精馏段塔径及塔板各工艺构造尺寸适当，若要做出最合理设计，还需重选及，进行优化设计。8、塔板负荷性能图（1）雾沫夹带线（1） （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范畴内，任取几种值，依式（1-1）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01814.2023.8503.5413.2823.136根据表中数据作出雾沫夹带线（1）（2）液泛线（2） （2） （2-2）在操作范畴内，任取几种值，依式（2-2）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01813.6353.3843.0102.4701.982根据表中数据作出液泛线（2）（3）液相负荷上限线（3） （3-3）（4）漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速，整顿得： （4-4）在操作范畴内，任取几种值，依式（4-4）算出相应值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01810.8750.9370.9881.0291.051根据表中数据作出漏液线（4）（5）液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m，。 （5-5）操作气液比 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点气相最大负荷与气相容许最小负荷之比，即：操作弹性=第5章精馏塔工艺条件图第6章设计评述及有关问题讨论光阴荏苒，两个星期化工课程设计在不觉之间就结束了。在这段时间里，咱们每天虽然很忙碌却很充实。这是一次真正意义上自主学习，以往都是教师带领，而这次把所有自主权交给了学生。从一开始听到课程设计时紧张到设计完毕后欣喜，这其中渐变只有亲身体验过才会懂，而每一步都是不寻常一步，每一步都是新尝试和挑战，每一步都是一种进步，每一次成功其中都夹杂了咱们努力汗水。 在进入课题开始，咱们查阅了大量书籍和资料，做到了“心中有谱”，咱们设计从一开始茫然逐渐变豁然开朗。这一方面要感谢邢教师予以巨大协助和支持，感谢邢教师两个学期以来对咱们悉心辅导；同样。这样一份成功离不开团队共同努力成果。“三人行，必有我室焉”，咱们同班同组同窗共同努力，互相协助，互相为师，攻克一种个困难，直至设计顺利完毕。在这个炎炎夏日，咱们开始了一次自主创新学习，咱们从课本中走了出来，从理论中走了出来，走向了实践。这对于提高和培养咱们各种能力都是一种很有效途径。无论是自己动手实践能力还是团队协作能力均有很大提高；对于自己掌握知识限度也有了一种全面理解。最后衷心感谢学校和教师能予以咱们这样一次机会，这是咱们走向社会提前铺垫，而真正融入竞争激烈社会，发挥自己所学知识对于咱们来说依然“任重而道远”，还需要咱们不懈努力。第7章参照文献1化工原理课程设计 化工原理教研室室选编2 谭蔚，聂清德化工设备设计基本天津大学出版社. 3 陈国桓化工机械基本化学工业出版社.14 夏清陈常贵化工原理（上）天津大学出版社.35 夏清陈常贵化工原理（下）天津大学出版社.36 中华人民共和国石化 化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社.7