化工原理课程设计-氯乙烯-二氯乙烷溶液精馏塔工艺设计.doc

课程设计全套图纸加扣3012250582 题 目 名 称： 氯乙烯-二氯乙烷溶液精馏塔工艺设计 课 程 名 称： 化 工 原 理 学 生 姓 名： 学 号： 系 、专 业： 生化系2011级化学工程与工艺 实 施 时 间： 2011下学期第1417周 指 导 教 师： 2013年 月 日目 录一、概述2二、工艺设计计算31.物料衡算31.1 设计依据31.2 精馏塔物料衡算42.精馏塔工艺设计72.1 根据设计条件和数据作物系气液平衡线（xy图）72.2 计算最小回流比Rmin，确定实际回流比82.3 确定塔顶、塔底控制温度92.4.求精馏段操作线方程，q线方程，提馏段操作线方程92.5 求取理论板数NT，确定实际塔板数N，确定实际加料位置102.6 计算塔内汽、液负荷112.7 计算塔径；确定板间距；计算塔高122.8 塔板结构设计152.9 浮阀塔的流体力学验算172.10 塔板负荷性能图193、 精馏塔设备设计与选型243.1筒体193.2封头193.3人孔193.4塔盘结构193.5裙座193.6接管19四、总结28五、参考文献28六、致谢29七、附工程图纸30概 述化工原理课程设计是综合应用本门课程和有关课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践，不仅能够培养学生运用所学的化工生产的理论知识，解决生产中实际问题的能力，还能够培养学生的工程意识。健全合理的知识结构可发挥应有的作用。是从学生走向工程师一个必然程序。通过课程设计能使我们掌握工程设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料，选用公式和数据，用简洁的文字、图表表达设计结果及制图等能力方面得到一次基本训练。在设计过程中我们更应该注重树立正确的设计思想和实事求是、严肃认真的工作作风。为我们将来更快的融入社会，更好的适应新的工作提供有力的保障。此次化工原理课程设计是精馏塔的设计。精馏塔是化工生产中十分重要的设备。精馏塔内装有提供气液两相逐级接触的塔板，利用混合物当中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。具体的课程设计是对氯乙烯-二氯乙烷混合液体的精馏装置进行设计，设计任务为年产99.95%（均为质量分数，下同）氯乙烯50000吨。根据生产要求设计氯乙烯-二氯乙烷精馏装置，蒸馏是化工生产中分离均相液体混合物的典型单元操作，其历史悠久，应用广泛。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分汽化、部分冷凝，利用其中各个组分挥发度不同而将其分离。其本质是液、气相间的质量传递和热量传递。为使分离彻底，以获得较纯的产品，工业生产中常采用多次部分汽化、多次部分冷凝的方法精馏。精馏过程通常是在塔设备内完成的。预热器、冷凝器、再沸器是精馏过程必不可少的设备。他们承担着将物料预热、气化、冷凝等重要任务。而固定管板式换热器更是因其具有工艺简单、造价低廉、工艺设计成熟、热效率较高等优点而得到广泛的应用，尤其在很多大工业生产中。原料液为含氯乙烯95%（质量分数，下同）、二氯乙烷5%的混合溶液，温度为20。分离要求为塔底氯乙烯含量不大于0.05%，塔顶产品含C2H3Cl 99.95%、 C2H4Cl2 0.05%。氯乙烯又名乙烯基氯（Vinyl chloride）是一种应用于高分子化工的重要的单体，可由乙烯或乙炔制得。为无色、易液化气体，沸点-13.9，临界温度142，临界压力5.22MPa。氯乙烯是有毒物质，肝癌与长期吸入和接触氯乙烯有关。它与空气形成爆炸混合物，爆炸极限4%22%（体积），在加压下更易爆炸，贮运时必须注意容器的密闭及氮封，并应添加少量阻聚剂。容易聚合：能与乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯等单体共聚。共聚产物可以制得各种性能的树脂，加工成管材、板材、薄膜、塑料地板、各种压塑制品、建筑材料、涂料和合成纤维等。氯乙烯是高分子材料工业的重要单体，产量很大，还可以用于合成1,1,2-三氯乙烷和1,1-二氯乙烯等。因此，乙烯的生产在基本有机化学工业中占有重要的地位。1,2-二氯乙烷，即邻二氯乙烷，化学式为C2H4Cl2，是卤代烃的一种，主要用作氯乙烯（聚氯乙烯单体）制取过程的中间体，也用作溶剂等。它在室温下是无色有类似氯仿气味的液体，有毒，具潜在致癌性。用途主要有以下几方面用于氯乙烯；乙二醇；乙二酸；乙二胺；四乙基铅；多乙烯多胺及联苯甲酰的原料。也用作油脂；树脂；橡胶的溶剂，干洗剂，农药除早菊素；咖啡因；维生素；激素的萃取剂，湿润剂，浸透剂，石油脱蜡，抗震剂，还用于农药制造以及药物灭虫宁；哌哔嗪的原料。在农业上可用作粮食；谷物的熏蒸剂；土壤消毒剂等。用于硼的分析，油脂及烟草的萃取剂。也用于乙酰纤维素的制造。用作分析试剂，如作溶剂、色谱分析标准物质。还用作油脂的萃取制，并用于有机合成。作洗涤剂、萃取剂、农药和金属脱油剂等。用作蜡、脂肪、橡胶等的溶剂及谷物杀虫剂。 原料液在20下进入预热器加热至泡点，在转入精馏塔提馏段，部分经过精馏后进入再沸器部分汽化为精馏塔提供一部分气相回流，其釜残液则全部作为预热器的加热介质，以减少热量损失。气相回流部分经过精馏后进入冷凝器，部分采出为产品，部分回流至塔内为塔提供液相回流。本次设计选用浮阀塔，其优点是生产能力大，操作弹性大，板效率高，气体压力将及液面落差较小，塔的造价低。缺点是不宜处理结焦或粘度大的系统。本次设计采用的基本参数有：350KPa压力下操作、饱和液体进料（q = 1）、塔顶部分冷凝。1、物料衡算1.1、设计依据1.1.1 氯乙烯二氯乙烷设计任务书1.1.2 产量:年产99.95%（均为质量分数，下同）氯乙烯50000吨，根据工业生产中连续生产的特点，取年平均生产时间为8000小时，即小时产量为：50000103/8000=6250kgh，本设计以小时产量为计算基准。1.1.3 进料组成、产品组成 1.1.4 分离要求: 塔底氯乙烯含量不大于0.05%1.2 物料衡算1.2.1物料衡算示意图 1.2.3用质量分率计算进料量及塔釜采出量 即： 解得： 1.2.4 计算摩尔量、摩尔分率1.2.4.1 计算摩尔分率进料摩尔组成 塔顶馏出液的摩尔组成 塔底采出液的摩尔组成 1.2.4.2 计算平均摩尔质量塔顶馏出液的平均摩尔质量 塔底采出液的平均摩尔质量 原料液的平均摩尔质量 1.2.4.3 用摩尔分率表示进料量、塔顶馏出液、塔底采出液的量塔顶馏出液的摩尔量 原料液的摩尔量 塔底采出液的摩尔量 1.2.5精馏塔物料衡算表塔顶馏出液中： 氯乙烯的质量 氯乙烯的摩尔量 二氯乙烷 的质量 二氯乙烷 的摩尔量 ：塔底采出液中 氯乙烯的质量 氯乙烯的摩尔量 二氯乙烷的质量 二氯乙烷 的摩尔量 ：原料量中 氯乙烯的质量 氯乙烯的摩尔量 二氯乙烷的质量 二氯乙烷的摩尔量 1.2.2 精馏塔物料衡算表表1.1 精馏塔的物料衡算表进料出料塔顶采出D塔底采出W组分kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%kmol/hkg/hwt%氯乙烯99.9456247.049599.956246.87599.950.002640.1630.05二氯乙烷3.253328.7950.0303.1250.053.2914325.66799.95总量进=6575.83 kg/h出=6575.83 kg/h2 精馏塔工艺设计2.1 根据设计条件和数据作物系气液平衡线（xy图）2.1.1 查阅相关资料，找出物系的气液平衡数据根据安托因公式 表2.1 物系的气液平衡数据表 温度T318.6压强kPa350温度T285.5压强kPa350组成xilgPiPipixiyi组成xilgPiPipixiyi0.13.23651723.7352172.37350.49250.62.7452556.1198333.67190.95332.2959197.6738177.90650.50831.634743.120617.24820.0493温度T308.1压强kPa350温度T282.1压强kPa350组成xilgPiPipixiyi组成xilgPiPipixiyi0.23.09391241.3831248.27660.70940.72.6870486.4053340.48370.97282.1039127.0327101.62620.29041.556536.015310.80460.0309温度T300.4压强kPa350温度T279.1压强kPa350组成xilgPiPipixiyi组成xilgPiPipixiyi0.32.9820959.3258287.79780.82230.82.6343430.8048344.64380.98471.953289.788262.85180.17961.485630.59416.11880.0175温度T294.4压强kPa350温度T276.5压强kPa350组成xilgPiPipixiyi组成xilgPiPipixiyi0.42.8900776.2240310.48960.887160.92.5875386.8085348.12760.99471.829567.522940.51380.11581.422826.47132.64710.0076温度T289.5压强kPa350温度T274.2压强kPa350组成xilgPiPipixiyi组成xilgPiPipixiyi0.52.8115647.9615323.98080.925712.5452350.9397350.93971.00271.723952.959626.47980.07571.366023.227300 2.1.2 作出平衡线（xy图）2.2 计算最小回流比Rmin，确定实际回流比2.2.1 利用平衡线（xy图）求取最小回流比Rmin（泡点进料）图2.1 气液平衡相图 Rmin=0.03 2.2.2 确定实际回流比 取实际回流比 R=0.362.3 确定塔顶、塔底控制温度根据安托因方程可知：塔顶温度t=274.9K，塔底温度t=333.3K,进料温度t=274.1K2. 4 求精馏段操作线方程，q线方程，提馏段操作线方程2.4.1 精馏段操作线方程 2.4.2 q线方程 泡点进料，故进料热状态参数q=1q线方程为： 2.4.3 提馏段操作线方程 q=1又因为： 所以2.5 求取理论板数NT，确定实际塔板数N，确定实际加料位置2.5.1 用作图法计算理论塔板数NT图2.3 理论塔板数理论塔板数为7块 （2.8）2.5.2 确定实际进料位置（x）全塔效率可由奥康奈尔方法计算出: 此处取全塔效率 :则实际： 实际塔板数 则圆整取第3块板进样 2.6.计算塔内汽、液负荷2.6.1 查资料获得如下物性参数：表2.2 各组分物性数据表组分气相密度(kg/m3)液相密度(kg/m3)表面张力(N/m)塔顶氯乙烯9.6094619.43二氯乙烷15.2128235.44平均9.60168946.100819.4348塔底氯乙烯7.8983610.44二氯乙烷12.50119426.77平均12.49631193.713626.75692.6.1 精馏段气、液相负荷(以塔顶计)(1)根据精馏的恒摩尔流假设及泡点回流，则精馏段的汽、液负荷为（以质量计）： (2) 蒸汽负荷用体积流量表示为： (3)液相负荷用体积流量表示为： 2.6.2 提馏段汽、液负荷(以塔底计) 泡点进料： q=1 (1)蒸汽负荷用体积流量表示为：(2)液相负荷用体积流量表示为： 2.7 计算塔径；确定板间距；计算塔高2.7.1选取塔板间距，计算塔径D并圆整： 按国家标准圆整D（1000以下100为间隔，1000以上200为间隔）(1)精馏段：假设选，350kPa压力下板上清液层高度，则 查史密斯关联图：C20=0.087。因物系表面张力： 则： 则： 取安全系数为0.6，则空塔气速为： 按标准塔径圆整为D=0.8m，则塔截面积为: 实际空塔气速： (2)提馏段：假设选，350kPa压力下板上清液层高度 查史密斯关联图：C20=0.08，根据 则： 取安全系数为0.6，则空塔气速为： 按标准塔径圆整为D=1.0m，则塔截面积 实际空塔气速 2.7.2 塔顶D为800mm，塔底的D为1000mm，塔底的值大些，故整个塔为1000mm，后续计算以塔底数据为准2.7.3 确定板间距H： 2.7.3 计算塔高 对于精馏塔： 塔顶空间： Hd=1.5m 人孔数S：2 塔底空间： Hb=1.5m 进料口处板间距Hf=1.0m 开设人孔处板间距HT=0.8m 塔高(不包括封头和裙座高) H=8.3m2.8 塔板结构设计2.8.1 溢流装置(1) 出口堰 则溢流堰长度Lw合适 2.8.2 弓形溢流管的宽度Wd及面积Af查化工原理下册P166 3-10图： 液体在降液管的停留时间： 故尺寸合乎要求 。 2.8.3 降液管底隙高度hoho在（25mm30mm)范围内，也不容易堵塞，且ho 小于h，说明在降液管底部有良好的液封。2.8.4 进口堰不设计进口堰2.8.5 塔板布置(1) 破沫区宽度WS D=1.0m1.5m ， 取WS=0.07m（2）无效区宽度WC 取WC=0.05 m（3）浮阀的数目及其排列阀孔直径d0 d0=39mm阀孔总数N 阀孔总数N： 取阀孔总数N=89（4） 排列方式及孔中心距 t （5）检验设置合理性 图2.4 实际阀孔数在CAD中作图得到实际开孔数N=65个（6） 计算开孔率：故合理，2.9 浮阀塔的流体力学验算2.9.1 塔板压降气体通过一层塔板为：hp=hc+hl+h（以液柱高度表示）（1）气体通过干筛板的流动阻力hc （2）气体通过液层的阻力hl 充气系数0一般取为0.5，hL为板上液层高度 （3）克服液体表面张力而引起的流动阻力hh值很小，故忽略不计。因为每层塔板的压降为：该塔为常压塔在265530Pa范围之内，符合。2.9.2 液泛为了阻止塔内发生液泛，降液管内清夜层高度Hd应服从对于不起泡物系，可取 =0.5因为Hd(hT+hw)，故精馏塔不会发生液泛。 2.9.3 雾沫夹带 无泡沫时，k=1.0,查得3-13化工原理下册得对于D=1.0m的塔，=42.40%80%时， 不会发生雾沫夹带，由此可求出每一个液流量所对应的最大操作气速，即最大气体流量。 2.9.4 漏夜2.9.5 液面落差因筛板上没有气液接触元件，流动阻力较小，故忽略液面落差的影响。2.10 塔板负荷性能图2.10.1 雾沫夹带线对于D=0.9=1.0m的塔，=42.40%时，由此可求出VsLs的关系板上液体流径长度取点（在最小流量与最大流量之间取值）作图。在附图中标绘相对应Ls 和Vs ，获得雾沫夹带线。表2.4 雾沫夹带线取值表Ls (m3/s)00.0010.0020.0080.010Vs(m3/s)0.62030.61100.60180.54620.52762.10.2 液泛线由此可求出VsLs的关系，取点（在最小流量与最大流量之间取值）作图。在附图中标绘相对应Ls和Vs ，获得雾沫夹带线表2.5 液泛线取值表Ls (m3/s)00.0010.0050.0090.013Vs(m3/s)0.71420.69640.64870.58860.50422.10.3 液相负荷上限线Ls的最大值，即液相负荷上限。将此关系标绘在图上得液相负荷上限线。2.10.4 漏夜线2.10.5 液相负荷下限线液相负荷下限：，取E=1，当液层高度为最小值即6mm时，液相流量为最小流量Lmin，即为液相负荷下限，则 将此关系标绘在本例附图中，获得液相负荷下限线。2.10.6 操作线根据操作时气、液负荷Vs及Ls，在附图中确定操作点P，该点与原点相联即得操作线，如图OP线所示。P点坐标为： Vs=1076.5379/3600=0.2990m/s Ls=/3600=0.00321m/s由图看出本设计气相负荷上限及下限分别由液泛和漏液控制2.10.7 操作性负荷计算结果列表表2.6 浮阀塔工艺设计计算结果项目设计数据精馏段的有效高度Z,m4.05塔径D,m1.0板间距HT ,m0.45空塔气速u,m/s0.70塔板溢流型式单溢流溢流装置降流管形式弓形溢流堰平堰出口堰长度Lw ,m0.70出口堰高度hw ,m0.032降液管宽度hw ,m0.150降液管面积Af ,0.07379降液管底隙高度ho ,m0.029进口堰不设置板上清液层高度hL ,m0.0504破沫区宽度WS ,m0.07无效区宽度WC ,m0.05鼓泡区面积 Aa ,0.4691筛孔直径d0,mm 39筛孔排列方式等腰三角形孔中心距t ,mm75筛孔总数n,个650开孔率,%9.89每层塔板的压降Pp ,Pa/层塔板528.7799降液管内清液层高度Hd ,m0.09941液体在降液管内停留时间,s10.38泛点率/%42.40稳定系数K1.0负荷上限0.01107负荷下限0.0006气相最大负荷m/s0.00620气相最小负荷m/s0.001125操作弹性5.51112.10.8 塔板负荷性能图图2.4 塔板负荷性能图由附图读出气相负荷最大和最小值，故：3 精馏塔设备设计与选型3.1 筒体塔顶和塔底分别留出1500mm和1500mm高度空间，每8块板设置一个人孔，人孔数为S=5，且有人孔的板间距取为800mm，进料板高度为800mm,塔盘厚度为3mm。则塔体总高为：H =（NT-2-S）HT+15002+S800+800=（10-2-2）450+15002+2800+1000=8300mm=8.3m （3-1）根据计算及经验选取壁厚为=6mm，计算时压力取为操作压力的1.1倍，设计温度为操作温度的1.1倍。筒体规格：DN10006，H=8300 mm，材料为不锈钢。3.2 封头封头壁厚可取与筒体一致。即封头规格：DN10006 ，JB/T4737-95， 不锈钢3.3 人孔塔顶、塔底设置人孔各一个,每8块板设置一个人孔，规格选用DN4506，JB577-79，3.4 塔盘结构3.4.1 支撑圈: 3.4.2 溢流支撑板：3.4.3 堰板：长度与溢流支撑板相同，L=Lw=0.7m=700mm高度 H=HT +hW-h0=0.45+0.032-0.029=0.453m=453mm （3-2）厚度与塔板厚度一样。3.4.4 受液盘：3.4.5 受液盘支撑板：角钢50506，L=Lw=0.70=700mm3.4.6 塔盘板：塔直径1000mm在900mm1200mm范围内，采用一块通道板、两块弓形板。板上39的孔，按等腰三角形排列，孔间距为75mm。通道板规格：500400 弓形板规格：980，圆缺高度为H=285mm。塔盘各零部件之间均采用螺栓连接，螺栓规格M1030，间距100mm3.4.7 浮阀种类：常压及加压时采用F1重阀3.5 裙座高度计算：3.5.1 对虹吸式再沸器：裙座筒体高度=再沸器总长度1000=2000-1000=1000mm裙座筒体规格与塔体一致，离地500高度设置一对人孔，规格DN4506，JB57779，碳钢，顶部设置DN25的排气孔两个。3.6 接管3.6.1釜底出料口接管（再沸器进口管）假定再沸器中汽化率为15% 再沸器进液量：根据GB8163-87，选用接管规格2196，L=200，材料为不锈钢。3.6.2 塔顶回流管根据国家GB8163-87标准选用接管规格4563.5,L=150mm，材料为不锈钢。3.6.3 塔底采出管3.6.4 进料口接管根据国家标准GB8163-87接管规格选用764，L=150mm，材料为不锈钢。3.6.5 塔顶气体出口管常压下塔顶出口气体流速取 u=18m/s，则根据国家标准，接管规格选用1333，L=200mm，材料为不