苯一氯苯分离过程板式精馏塔设计.doc

苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计课程设计题目苯-氯苯分离过程筛板精馏塔设计2.3万吨一、设计题目试设计一座苯氯苯连续精馏塔，已知原料液的处理量为2.3万吨，设塔顶馏出液中含氯苯不高于2%，塔底馏出液中含苯不高于0.2%，原料液中含氯苯为38%（以上均为质量%）。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：2Rmin；4.塔釜加热蒸汽压力：0.5MPa（表压）；5.单板压降不大于：0.7kPa；6.冷却水温度：35；7.年工作日300天，每天24小时连续运行。三、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.塔板主要工艺尺寸的计算；6.塔板流体力学性能的计算；7.塔板负荷性能图的绘制；8.塔的工艺计算结果汇总一览表；9.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制；10.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817805793782770757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.液体的粘度L温度t，6080100120140苯mPas0.3810.3080.2550.2150.184氯苯mPas0.5150.4280.3630.3130.2745.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：）6.其他物性数据可查化工原理附录。目录一前言.5二产品简介.8三、设计方案的确定及工艺流程的说明9四、全塔的物料衡算111.料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率112.平均摩尔质量113.料液及塔顶底产品的摩尔流率11五、塔板数的确定121 .理论塔板数的求取122.实际塔板数132.1全塔效率13六、塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算141.平均压强152.平均温度153.平均分子量154.平均密度164.1液相平均密度165.液体的平均表面张力166.液体的平均粘度16七、精馏段的汽液负荷计算18八、塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算221.塔径222.塔板工艺结构尺寸的设计与计算221.1溢流装置221.2溢流堰长（出口堰长）221.3出口堰高221.4降液管的底隙高度233.塔板布置234.开孔数和开孔率23 5.塔高的计算.23.九、塔板上的流体力学验算241.气体通过筛板压降和的验算242.气体通过板上液层的压降253.雾沫夹带量的验算254.漏液的验算265.液泛的验算26十、塔板负荷性能图271.雾沫夹带线272.液泛线（2）273.液相负荷上限线（3）274.漏液线（气相负荷下限线）（4）275.液相负荷下限线（5）27十一、精馏塔的设计计算结果汇总一览表28十二、结束语28十三、 参考文献29十四、思考题29苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计计算书一、前言课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。本设计采用连续精馏分离苯-氯苯二元混合物的方法。连续精馏塔在常压下操作，被分离的苯-氯苯二元混合物由连续精馏塔中部进入塔内，以一定得回流比由连续精馏塔的塔顶采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯。氯苯纯度不低于99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%（质量分数）。高径比很大的设备称为塔器。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。常见的、可在塔设备中完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量质量生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（1）生产能力大在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证能长期连续操作。（3）流体流动的阻力小。即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以及降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还使系统无法维持必要的真空度。（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述所有要求，仅是在某些方面具有独到之处根据设计任务书，此设计的塔型为筛板塔。筛板塔是很早出现的一种板式塔。五十年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大2040%，塔板效率高1015%，压力降低3050%，而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板（孔径可达2025mm），导向筛板等多种形式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分工业塔常用的筛孔孔径为38mm，按正三角形排列空间距与孔径的比为2.55近年来有大孔径（1025mm）筛板的，它具有制造容易，不易堵塞等优点，只是漏夜点低，操作弹性小。筛板塔的特点如下：（1）结构简单、制造维修方便。（2）生产能力大，比浮阀塔还高。（3）塔板压力降较低，适宜于真空蒸馏。（4）塔板效率较高，但比浮阀塔稍低。（5）合理设计的筛板塔可是具有较高的操作弹性，仅稍低与泡罩塔。（6）小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、粘性大的和带有固体粒子的料液。二、产品简介产品性质：有杏仁味的无色透明、易挥发液体。密度1105g/cm3。沸点1316。凝固点-45。折射率15216(25)。闪点294。燃点6378，折射率15246，粘度(20)0799mPas，表面张力332810-3Nm溶解度参数95。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多数有机溶剂，不溶于水。易燃，蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1. 3-71(vol)。溶于大多数有机溶剂，不溶于水。常温下不受空气、潮气及光的影响，长时间沸腾则脱氯。蒸气经过红热管子脱去氢和氯化氢，生成二苯基化合物。有毒在体内有积累性，逐渐损害肝、肾和其他器官。对皮肤和粘膜有刺激性对神经系统有麻醉性，LD502910mgkg，空气中最高容许浓度50mgm3。遇高温、明火、氧化剂有燃烧爆炸的危险。质量指标：氯苯纯度不低于99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%，原料液中苯38%。（以上均为质量分数）三、设计方案的确定及工艺流程的说明（一）设计方案简介1.精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。 2.操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于苯和氯苯这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。 3. 塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在苯和氯苯这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。 4.加料方式和加料热状态：设计采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。 5.由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。 6.再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至泡点下一部分回流入塔，其余部分经产品冷却器冷却后送至储灌。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（二）工艺流程及说明38%氯苯原料储存原料预热精馏再沸99.8%氯苯储存分配冷凝冷却98%苯储存冷却首先，苯和氯苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与氯苯的分离。四、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112.56kg/kmol。2.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300天，一天以24小时计，有：，全塔物料衡算： 五、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，（）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（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：考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍，即：3.求理论塔板数精馏段操作线：提馏段操作线为过和两点的直线。苯-氯苯物系的温度组成图图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4块为加料板位置。2.实际塔板数2.1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+131.8)=106（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。2.实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块，取块提馏段：块，取块总塔板数块。六、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，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4.1液相平均密度塔顶(80)：查表得进料板（88）用内插法求得：精馏段：2.汽相平均密度5.液体的平均表面张力塔顶（80)：；（80）进料板（88）：用内插法求得；精馏段：6.液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录11，在80下有：加料板（88）：用内插法求得=0.287， =0.402精馏段：七、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八、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.精馏段的塔径圆整取，塔截面积为：实际空塔气速。2.塔板工艺结构尺寸的设计与计算1.1溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盘，且不设进口内堰。1.2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。1.3出口堰高对平直堰由及，查化工原理图11-11得，于是：（满足要求）（3）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）1.4降液管的底隙高度（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）3.塔板布置（1）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。（2）开孔区面积式中：4.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5.塔高的计算在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m九、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11-10得出，。2.气体通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）。3.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。4.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）5.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。十、塔板负荷性能图1.雾沫夹带线 （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：0.00060.00150.00300.00450.6230.6050.5820.563依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液相负荷上限线（2）取液体在降液管中停留时间的下限为4s3.液相负荷下限线（3）取平堰堰上液层高度m，。4.漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速，整理得：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：0.00060.00150.00300.00450.2010.2080.2170.224依据表中数据作出漏液线（4）5.液泛线（5）令 （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：0.00060.00150.00300.00450.5970.5650.5160.465依据表中数据作出液泛线（5）十一、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kPa107.4平均温度84平均流量气相m3/s0.312液相m3/s0.00042实际塔板数块20板间距m0.35塔段的有效高度m7.1塔径m0.8空塔气速m/s0.62塔板液流型式单流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m0.48堰高m0.0538溢流堰宽度m0.096底隙高度m0.0478板上清液层高度m0.060孔径mm5孔间距mm15孔数个1545开孔面积m20.0304筛孔气速m/s10.26塔板压降kPa0.566液体在降液管中的停留时间s25.46降液管内清液层高度m0.108雾沫夹带kg液/kg气0.012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/s0.615气相最小负荷m3/s0.18操作弹性3.42十二、结束语 通过本次课程设计，更好的认识和理解了精馏塔的设计以及工作原理。本次设计存在很多缺点与不足，望老师加以指正。十三、参考文献 1塔设备路秀林 王者相 等编 化学工业出版社 2004年1月第1版 2化工原理 陈敏恒 丛德滋 等编 化学工业出版社 2006年5月第三版 3化工过程及设备课程设计参考资料 大连工学院化工机械系化工过程及设备教研室编 人民教育出版社 2010年2月十四、思考题1.进料状态对过程有何影响,选择不同进料状态时,进料口位置有何不同 ？答：（1）低于泡点温度下的汽液进料这种情况下，提馏段内回流液量L包括有：精馏段内的回流量L；原料液流量；需将原料液加热到板上温度。（2）泡点温度下的饱和液体进料这种情况下，原料液温度与板上液体的温度相近，故原料液全部进入提馏段，与精馏段的回流汇合作为提馏段内回流液。而提馏段上升的蒸汽量不会致冷凝而减小，故两段的上升蒸汽量相等。（3）气液混合物进料 这种情况下，进料液中液相部分成为L的一部分，而蒸气部分则成为V的一部分。（4）露点温度下的饱和蒸气进料 这种情况下，全部进料变为V的一部分，而两段的回流液量不变，即L=L（5）高于露点温度的过热蒸气进料 这种情况下与冷液进料恰好相反，精馏段内上升蒸气量有： 提馏段内上升蒸气量V； 原料液量F； 需将进料温度降到板上温度，有一部分自精馏段流下的回流液被气化成为V中的一部分。这样一来，下降到提馏段内的液体量将减少，即LL。2塔板效率受哪些因素影响 ？答：精馏塔在实际运行中，由于气液相传质阻力、混合、雾沫夹带等原因，气液相的组成与平衡状态有所偏离，所以在确定实际塔板数量时，应考虑塔板效率。系统物性、流体力学、操作条件和塔板结构参数等都对塔板效率有影响，目前塔板效率还不能精确地预测。 塔板效率一般是根据经验来确定的。常用的经验关联式是基于一些工业装置的数据，分析归纳成为经验式求取塔的效率，适用于一般烃类物系和化学物系的大多数设计。3落差？其对塔板性能有何影响？ 答：什么叫液面当液体横向流过塔板时，为克服板上的