化工单元操作课程设计-苯-氯苯连续精馏筛板塔的设计.doc

课 程 设 计课程名称 ：化工单元操作课程设计题目名称 ：苯-氯苯连续精馏筛板塔的设计专业班级 ：xx级化学工程x班学生姓名 ：张 翔学 号 ：510100xxxxx指导教师 ：xxx二O一三年六月十五日目 录1 设计任务11.1 设计题目11.2 操作条件11.3 塔板类型11.4 工作日11.5 厂址11.6 设计内容11.7 工作计划21.8 设计成果要求22 工艺设计计算32.1 设计方案的确定32.2 基础数据32.3 精馏塔的物料衡算42.4 塔板数的确定42.5 精馏塔精馏段的工艺条件及有关物性数控的计算62.6 精馏塔精馏段的塔体工艺尺寸计算92.7 塔板主要工艺尺寸的计算92.8 精馏段筛板的流体学验算112.9 精馏段塔板负荷性能图132.10 精馏塔提馏段的工艺条件及有关物性数控的计算162.11 精馏塔提馏段的塔体工艺尺寸计算192.12 提馏段筛板的流体学验算202.13 提馏段塔板负荷性能图222.14 数据结果汇总243 评述与讨论264 设备图纸275 参考文献281 设计任务1.1 设计题目在一常压操作的连续精馏塔内分离苯氯苯混合物。要求年处理量为8万吨，组成为苯0.35（质量分率，下同），馏出液组成为0.98，塔釜液组成为0.02。1.2 操作条件1) 操作压力：4kPa（表压）2) 进料状况：自选3) 回流比：自选4) 单板压降：0.7kPa1.3 塔板类型筛板1.4 工作日每年330天，每天24小时连续运行1.5 厂址蚌埠地区1.6 设计内容1）精馏塔的物料衡算2）塔板数的确定3）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算5）主要工艺尺寸的计算6）塔板的流体力学验算7）塔板负荷性能图1.7 工作计划1）领取设计任务书，查阅相关资料（2天）2）确定设计方案，进行相关的设计计算（5天）3）校核验算，获取最终的设计结果（2天）4）编写课程设计说明书（论文），绘制草图（2天）5）绘制塔设备简图（1天）1.8 设计成果要求1）通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的流程草图。2）课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：（1）封面（2）目录（3）课程设计任务书（4）课程设计说明书（论文）（5）参考文献（6）塔设备简图图纸（A3）（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。学生签名： 指导教师签名： 教研室主任签名： 2 工艺设计计算2.1 设计方案的确定本设计任务为分离苯氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系，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，塔底产品经冷却后送至储罐。2.2 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817805793782770757氯苯10391028101810089979853）组分的表面张力（mN/m）温度（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.44）苯氯苯的相平衡数据温度（）8090100110120130131.8两相摩尔分率x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.07105）以上物性数据数据以及其他相关物性数据可查化工原理1附录、石油化工设计手册5等资料。2.3 精馏塔的物料衡算1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数苯的摩尔质量 氯苯的摩尔质量 2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3）物料衡算原料处理量 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 2.4 塔板数的确定1）理论板层数的求取苯氯苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。由苯氯苯物系的气液平衡数据绘出图（见图1）。图1 图解法求理论板层数求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。进料点时，从图1中的气液平衡曲线中可确定故最小回流比为取操作回流比为求精馏塔的气、液相负荷求操作线方程精馏段操作线方程为提馏段操作线方程为图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图1。求解结果为总理论板层数 （包括再沸器）进料板位置 2）全塔效率的求取采用Drickamer和Bradford法：（适用于液相黏度为0.071.4）由温度组成数据表，通过内差法可求得、则全塔的平均温度为由温度黏度数据表，通过内差法可求得时苯的黏度 氯苯的黏度 全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度3）实际板层数的求取精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 2.5 精馏塔精馏段的工艺条件及有关物性数控的计算1）操作压力的计算塔顶操作压力 每层塔板压力降 进料板压力 精馏段平均压力 2）操作温度计算由苯氯苯的相平衡数据表，通过内差法可求得塔顶温度 进料温度 精馏段平均温度 3）平均摩尔质量计算（1）塔顶平均摩尔质量计算由，查平衡曲线（见图1），得（2）进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图1），得查平衡曲线（见图1），得（3）精馏段平均摩尔质量4）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（2）液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算：由，查手册得，进料板液相平均密度的计算：由，查手册得，进料板液相的质量分数为精馏段液相平均密度为5）液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算：由，查手册得，进料板液相平均表面张力的计算：由，查手册得，精馏段液相平均表面张力为6）液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即塔顶液相平均黏度的计算：由，查手册得，解得 进料板液相平均黏度的计算：由，查手册得，解得 精馏段液相平均黏度为2.6 精馏塔精馏段的塔体工艺尺寸计算精馏段的气、液相体积流量为式中值可根据“液流收缩系数计算图2”求出，方法如下：取板间距，板上液层高度，则，查“液流收缩系数计算图”得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为 塔截面积为实际空塔气速为2.7 塔板主要工艺尺寸的计算1）溢流装置计算因塔径，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）堰长取（2）溢流堰高度选用平直堰，堰上液层高度 近似取，则取板上清液层高度，则（3）弓形降液管宽度和截面积由，查“弓形降液管的参数图2”，得，故 验算液体在降液管中的停留时间，即故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度取，则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形守液盘，深度。2）塔板布置（1）塔板的分块因，故塔板采用分块式。查下表得，塔板分为3块。塔径/mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456（2）边缘区宽度确定取，（3）开孔区面积计算开孔区面积其中 故（4）筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用的碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目开孔率为气体通过阀孔的气速为2.8 精馏段筛板的流体学验算1）塔板压降（1）干板阻力计算干板阻力由，查“干筛孔的流量系数图2”得，故液柱（2）气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力查“充气系数关联图2”，得，故液柱（3）液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）2）液面落差对于筛板，液面落差很小，且设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3）液沫夹带液沫夹带量则kg液/kg气0.1 kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4）漏液对筛板塔，漏液点气速实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显漏液。5）液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高苯氯苯物系属一般物系，取，则而板上不设进口堰，则液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象。2.9 精馏段塔板负荷性能图1）漏液线由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00700.35960.37090.38480.39610.40280.40900.4119由上表数据即可作出漏液线l。2）液沫夹带线以 kg液/kg气故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00701.67191.61111.53301.46761.42811.39081.3729由上表数据即可作出液沫夹带线2。3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。取，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 4）液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，则故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5）液泛线令 ，联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得其中故 或 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00701.52241.48751.4350138111.34251.30101.2790由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图（见图2）。图2 精馏段筛板塔负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板塔的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图2查得，故操作弹性为2.10 精馏塔提馏段的工艺条件及有关物性数控的计算1）操作压力的计算塔底操作压力 每层塔板压力降 进料板压力 提馏段平均压力 2）操作温度计算由苯氯苯的相平衡数据表，通过内差法可求得塔底温度 进料温度 提馏段平均温度 3）平均摩尔质量计算（1）塔底平均摩尔质量计算由，查平衡曲线（见图1），得（2）进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图1），得查平衡曲线（见图1），得（3）提馏段平均摩尔质量4）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（2）液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔底液相平均密度的计算：由，查手册得，进料板液相平均密度的计算：由，查手册得，进料板液相的质量分数为提馏段液相平均密度为5）液相平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔底液相平均表面张力的计算：由，查手册得，进料板液相平均表面张力的计算：由，查手册得，提馏段液相平均表面张力为6）液体平均黏度计算液相平均黏度依下式计算，即塔底液相平均黏度的计算：由，查手册得，解得 进料板液相平均黏度的计算：由，查手册得，解得 提馏段液相平均黏度为2.11 精馏塔提馏段的塔体工艺尺寸计算1）塔径的计算提馏段的气、液相体积流量为式中值可根据“液流收缩系数计算图2”求出，方法如下：取板间距，板上液层高度，则，查“液流收缩系数计算图”得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为 塔截面积为实际空塔气速为气体通过阀孔的气速为2）精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为提馏段有效高度为每5个塔板开一个人孔，其高度为，孔径为故精馏塔的有效高度为2.12 提馏段筛板的流体学验算1）塔板压降（1）干板阻力计算干板阻力由，查“干筛孔的流量系数图2”得，故液柱（2）气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力查“充气系数关联图2”，得，故液柱（3）液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）2）液面落差对于筛板，液面落差很小，且设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3）液沫夹带液沫夹带量则kg液/kg气0.1 kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4）漏液对筛板塔，漏液点气速实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显漏液。5）液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高苯氯苯物系属一般物系，取，则而板上不设进口堰，则液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象。2.13 提馏段塔板负荷性能图1）漏液线由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00700.32590.33600.34860.35890.36490.37050.3732由上表数据即可作出漏液线l。2）液沫夹带线以 kg液/kg气故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00701.66331.60291.52531.46031.42091.38391.3661由上表数据即可作出液沫夹带线2。3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。取，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 4）液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，则故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5）液泛线令 ，联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得其中解得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00060.00150.00300.00450.00550.00650.00701.52921.50071.45801.41451.38361.35061.3332由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图（见图3）。图3 提馏段筛板塔负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板塔的操作上限为液相负荷上限线，下限为漏液控制。由图3查得，故操作弹性为2.14 数据结果汇总所设计筛板塔的主要结果汇总于下表：序 号项 目精馏段数据提馏段数据1平均温度90.36114.712平均压力108.5116.23气相流量0.7460.6624液相流量0.001480.004765实际塔板数9136有效段高度12.47塔径1.01.08板间距0.50.59溢流形式单溢流单溢流10降液管形式弓形弓形11堰长0.660.6612堰高0.04860.048613板上液层高度0.060.0614堰上液体高度0.01140.011415降液管底隙高度0.0320.03216安定区宽度0.040.0417边缘区宽度0.0150.01518开孔区面积0.5950.59519筛孔直径0.0050.00520筛孔数目3054305421孔中心距0.0150.01522开孔率10.110.123空塔气速1.1361.02524筛孔气速12.4111.0225稳定系数2.011.9526每层塔板压降671.8683.427负荷上限液泛控制液相负荷上限28负荷下限漏液控制漏液控制29液沫夹带/(kg液/kg气)0.008470.0058930气相负荷上限1.4460.99531气相负荷下限0.3620.33832操作弹性3.9942.9443 评述与讨论本次化工单元操作课程设计通过给定的生产操作条件设计苯氯苯物系的筛板精馏塔。通过设计，初步掌握了精馏塔设计的一般过程，深化了精馏原理的理解，对明年的毕业设计打下了坚实的基础；通过查资料对塔设备的内外结构都有了进一步的认识。课程设计需要我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，更让我们体会到了理论知识对实践工作的重要的指导意义。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切都由教材和老师安排。因此，课程设计给我们提供了更大的发挥空间，让我们发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我认识问题、分析问题、解决问题的能力。在