化工原理课程设计苯氯苯板式精馏塔的工艺设计.doc

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1、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计学 校 上海工程技术大学专 业 环境工程 姓 名 学 号 目 录一、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书3（一）设计题目3（二）操作条件3（三）设计内容3（四）基础数据3二、苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）4（一）设计方案的确定及工艺流程的说明4（二）全塔的物料衡算5（三）塔板数的确定5（四）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算10（五）精馏段的汽液负荷计算12（六）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算12（七）塔板上的流体力学验算15（八）塔板负荷性能图16（九）精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算19三、塔的提馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算20（一）

2、提馏段的物性及状态参数20（二）提馏段的汽液负荷计算22（三）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算23（四）塔板上的流体力学验算25（五）塔板负荷性能图27四、精馏塔的设计计算结果汇总一览表30一、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书（一）设计题目设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.2%的氯苯44000t/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%），料液温度为50（二）操作条件1.塔顶压强4kPa（表压）；2.进料热状况：泡点进料；3.回流比：R=1.8Rmin；4.塔釜加热蒸汽压力506kPa；5.单板压降不大于0.7kPa；6.年工作日330天，每天24

3、小时连续运行。（三）设计内容1.设计方案的确定及工艺流程的说明；2.塔的工艺计算；3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算；4.塔内流体力学性能的设计计算；5.塔板负荷性能图的绘制；6.塔的工艺计算结果汇总一览表；7.辅助设备的选型与计算；8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制；9.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。（四）基础数据1.组分的饱和蒸汽压（mmHg）温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.组分的液相密度（kg/m3）温度，（）8090100110120130苯8

4、17805793782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯 推荐：氯苯 推荐：式中的t为温度，。3.组分的表面张力（mN/m）温度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4双组分混合液体的表面张力可按下式计算：（为A、B组分的摩尔分率）4.氯苯的汽化潜热常压沸点下的汽化潜热为35.3103kJ/kmol。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示：（氯苯的临界温度：）5.其他物性数据可查化工原理附录。二、苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精

5、馏段部分）（一）设计方案的确定及工艺流程的说明原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔（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部分作为回流液，其余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。典型的连续精馏流程为原料液经预热器加热后到指定的温度后，送入精馏塔的进料板，在进料上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔

6、板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。（二）全塔的物料衡算1.料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率苯和氯苯的相对摩尔质量分别为78.11和112.61kg/kmol2.平均摩尔质量3.料液及塔顶底产品的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： （三）塔板数的确定1.理论塔板数的求取苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法（MT法）求取，步骤如下：1）根据苯-氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取依据，将所得计算结果列表如下：温度，（）808387909396100103苯7

7、60839.5945.510251122.51252.513501473氯苯148165.1187.9205231.4266.6293325.1两相摩尔分率x10.8820.7550.6770.5930.5000.4420.379y10.9740.9390.9130.8760.8240.7850.735温度，（）107110113117120123127130131.8苯163717601907210322502427266328402900氯苯367.9400442.9500.1543595.8666.2719760两相摩尔分率x0.3090.2650.2170.1620.1270.0900

8、0470.0190y0.6660.6140.5440.4480.3760.2870.1650.0710本题中，塔内压力接近常压（实际上略高于常压），而表中所给为常压下的相平衡数据，因为操作压力偏离常压很小，所以其对平衡关系的影响完全可以忽略。2）确定操作的回流比R将1）表中数据作图得曲线及曲线。在图上，因，查得，而，。故有：3）求理论塔板数（需要用三种方法）方法一：图解法精馏段操作线：提馏段操作线为过和两点的直线。苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解苯-氯苯物系的温度组成图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4块为加料板位置。方法二：解析法苯-氯苯混合液的t-图由上图得：塔顶为80

9、5，加料板为88，塔底为130.4，所以：，精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 将带入求得将带入精馏段操作线方程，求得以此类推，得 ，所以将其带入提馏段操作线方程 所以，方法三：吉利兰图法全塔 其中，精馏段 提馏段求得， 综合三种方法，第三种方法塔板数最大为11.02.实际塔板数1）全塔效率选用公式计算。该式适用于液相粘度为0.071.4mPas的烃类物系，式中的为全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度。塔的平均温度为0.5(80.5+130.4)=105.45（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录得：，。2）实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块，取块提馏段：块，取块总

10、塔板数块。（四）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算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.平均温度查温度组成图得：塔顶为80.5，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.液体的平均表面张力塔顶：；（80.5）进料板：；（88）精馏段：6.液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录，在80.5下有：加料板：在88下有：精馏段：（五）精馏段的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的热负荷（六）塔和塔

11、板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距及板上液层高度，则：2）按Smith法求取允许的空塔气速（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）精馏段的塔径圆整取，此时的操作气速。2.塔板工艺结构尺寸的设计与计算1）溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。出口堰高对平直堰由及，查化工原理图得，于是：（满足要求）降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P147图11-16得，即：，。液体在降液管内的停留时间（满足要求）降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流

12、速一般为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）2）塔板布置边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为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开孔区面积式中：3）开孔数和开孔率取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。每层塔板的开孔数（孔）每层塔板的开孔率（应在515%，故满足要求）每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速4）精馏段的塔高（七）塔板上的流体力学验算1.气体通过筛板压降和的验算1）气体通过干板的压降式中孔流系数由查图得出，。2）气体通过板上液

13、层的压降式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化原图得（一般可近似取）。3）气体克服液体表面张力产生的压降4）气体通过筛板的压降（单板压降）和（满足工艺要求）。2.雾沫夹带量的验算式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）4.液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。（八）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

14、1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.0009270.0050.010.0150.01814.1813.7853.4413.1522.990依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线（2） （2） （2-2）在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：0.0009270.0050.010.0150.01813.4063.13127002.0241.316依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，整理得： （4-4）在操作范围内，任取几个值，依式（4-4）算出对应的值列于下表：

15、0.0009270.0050.010.0150.01810.6380.6900.7300.7630.781依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 塔板负荷性能图操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=（九）精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算1.料液预热器根据原料液进出预热器的热状况和组成首先计算预热器的热负荷Q ，然后估算预热器的换热面积A ，最后按换热器的设计计算程序执行。2.塔顶全凝器全凝器的热负荷前已算出，为1391般采用循环水冷却，进出口水温可根据不同地区的具体情况选定后再按换热器的

16、设计程序做设计计算。3.塔釜再沸器因为饱和液体进料，故。即再沸器的热负荷与塔顶全凝器相同。实际上由于存在塔的热损失（一般情况下约为提供总热量的510%）。再沸器属于两侧都有相变的恒温差换热设备，故再沸器的设计计算与蒸发器同。4.精馏塔的管口直径1）塔顶蒸汽出口管径依据流速选取，但塔顶蒸汽出口流速与塔内操作压力有关，常压可取1220m/s。2）回流液管径回流量前已算出，回流液的流速范围为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的流速可取0.51.0m/s

17、5）饱和蒸汽管径蒸汽流速：295kPa：2040 m/s；2950 kPa：80 m/s。三、塔的提馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算（一）提馏段的物性及状态参数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.平均温度查温度组成图得：加料板为88，塔底为130.4。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.液体的平均表面张力进料板：；（88）塔底：；（130.4）精馏段：6.液体的平均粘度查化工原理附录有：加料板：塔 底：提馏段：（二）提馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率

18、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的热负荷（忽略温度压力对汽化潜热的影响）（三）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距及板上液层高度，则：2）按Smith法求取允许的空塔气速（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）精馏段的塔径为加工方便，圆整取，即上下塔段直径保持一致，此时提馏段的操作气速。2塔板工艺结构尺寸的设计与计算1）溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。出口堰高对平直堰由及，查化工原理图得，

19、于是：（满足要求）降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P147图11-16得，即：，。液体在降液管内的停留时间（满足要求）降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）2）塔板布置边缘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，即孔每层塔板的开孔率（应在515%，故满足要求）每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速4）提馏段的塔高（四）塔板上的流体力学验算1.气体通过筛板压降和的验算1）气体通过干板的压降式中孔流系数由查图得出，2）气体通

20、过板上液层的压降式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化原图11-12得（一般可近似取）。3）气体克服液体表面张力产生的压降4）气体通过筛板的压降（单板压降）和（尚可接受，本设计不再做重新设计计算）。2.雾沫夹带量的验算式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）4.液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。（五）塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1）

21、1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.0009140.0050.010.0150.01813.5833.2843.0162.7922.665依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线（2） （2） （2-2）在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：0.0009140.0050.010.0150.01812.6572.5072.3632.2262.142依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，整理得： （4-4）在操作范围内，任取几

22、个值，依式（4-4）算出对应的值列于下表：0.0009140.0050.010.0150.01810.6710.7160.7530.7820.798依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 塔板负荷性能图操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=四、精馏塔的设计计算结果汇总一览表精馏塔的设计计算结果汇总一览表项 目符 号单 位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强kPa108.1115.8平均温度84.2109.2平均流量m3/s1.5741.572m3/s0.001890.00763实际塔板数块8

23、14板间距m0.50.5塔段的有效高度m3.56.5塔径m1.41.4空塔气速m/s1.0231.02塔板液流型式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长m0.980.98堰高m0.049470.0327溢流堰宽度m0.1960.224底隙高度m0.02410.0973板上清液层高度m0.0600.060孔径mm55孔间距mm1515孔数个51935193开孔面积m20.1020.102筛孔气速m/s15.4515.45塔板压降kPa0.7480.977液体在降液管中的停留时间s36.649.12降液管内清液层高度m0.1510.168雾沫夹带kg液/kg气0.006660.00114负荷上

24、限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷m3/s3.2702.920气相最小负荷m3/s0.8200.755操作弹性3.993.87设计体会:化工原理课程设计的主要内容是进行有关工艺计算与设备的结构设计，还要求画出工艺流程图和设备主要构型图，它与一般的习题、大作业有着明显的不同，因为它涉及的知识范围更广，要求更高。资料、数据的收集，流程方案的确定，操作参数的选择，工艺和设备的计算等，单凭所学教科书是难以解决的，需要我们查阅各种资料和书本。经过了为期一周的课程设计，可以说已经饱尝了辛酸与喜悦共进的滋味。这次课程设计使我对精馏原理及其操作各方面有了较深入的了解并且参与了设计之后才知道，要设计好一个设备光是书上的公式还不够，还要查阅一些专门的手册和一定的实践经验，否则设计出来的设备仅仅是图纸而已，根本不能用于工业生产。在老师和同学的帮助，我们及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和灵活整合运用知识的能力 。整体设计仍有不足或者错误之处，请老师予以指正。主要参考书籍：化工原理设计 化工原理设计书 机械设计基础 化工设备设计全书塔设计等- 32 -