苯氯苯分离过程精馏塔设计.doc

苯-氯苯连续精馏塔的设计书一. 设计题目:苯-氯苯连续精馏塔的设计二. 设计任务及操作条件1. 进精馏塔的原料液含苯40%（质量%，下同），其余为氯苯；2. 产品含苯不低于95%，釜液苯含量不高于2%；3. 生产能力为96 吨/day（24h）原料液。4. 操作条件（1） 塔顶压强4kPa（表压）；（2） 进料热状态自选；（3） 回流比自选；（4） 塔底加热蒸汽压力：0.5MPa（5） 单板压降 0.7kPa。三. 设备形式：筛板塔或浮阀塔四. 有关物性参数五. 设计内容（一）设计方案的确定及流程说明（二）精馏塔的物料衡算（三）塔板数的确定1、理论塔板数计算2、实际塔板数计算（四）塔体工艺尺寸计算1、塔径的计算2、塔的有效高度计算（五）塔板主要工艺尺寸的计算（1）溢流装置计算（堰长、堰高、弓形降液管宽度和截面积、降液管底隙高度）（2）塔板布置（边缘区宽度确定、开孔区面积计算、筛孔计算及排列）（3）塔板的流体力学验算（4）塔板的负荷性能图（六）设计结果概要或设计一览表（七）辅助设备选型与计算（八）生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图（九）对本设计的评述或有关问题的分析讨论符号说明：英文字母Aa- 塔板的开孔区面积，m2Af- 降液管的截面积, m2Ao- 筛孔区面积, m2 AT-塔的截面积 m2PP-气体通过每层筛板的压降C-负荷因子 无因次t-筛孔的中心距C20-表面张力为20mN/m的负荷因子do-筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度D-塔径 mWc-边缘无效区宽度ev-液沫夹带量 kg液/kg气Wd-弓形降液管的宽度ET-总板效率Ws-破沫区宽度R-回流比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 g-重力加速度 9.81m/s2Z-板式塔的有效高度Fo-筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 m-液体在降液管内停留时间hc-与干板压降相当的液柱高度 m-粘度hd-与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m-密度hf-塔板上鼓层高度 m-表面张力hL-板上清液层高度 m-液体密度校正系数h1-与板上液层阻力相当的液注高度 m下标ho-降液管的义底隙高度 mmax-最大的how-堰上液层高度 mmin-最小的hW-出口堰高度 mL-液相的hW-进口堰高度 mV-气相的h-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mH-板式塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHP-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mH1-封头高度 mH2-裙座高度 mK-稳定系数lW-堰长 mLh-液体体积流量 m3/hLs-液体体积流量 m3/sn-筛孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaT-理论板层数u-空塔气速 m/su0,min-漏夜点气速 m/suo -液体通过降液管底隙的速度 m/sVh-气体体积流量 m3/hVs-气体体积流量 m3/sWc-边缘无效区宽度 mWd-弓形降液管宽度 mWs -破沫区宽度 mZ - 板式塔的有效高度 m 希腊字母-筛板的厚度 m-液体在降液管内停留的时间 s-粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次-质量分率 无因次 下标Max- 最大的Min - 最小的L- 液相的V- 气相的 筛板塔的工艺设计计算结果总表：项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强PmKPa108.5114.05各段平均温度tm89.33113.18平均流量气相Vsm3/s0.2960.296液相Lsm3/s4.8210-40.00182实际塔板数N块97板间距HTm0.450.45塔的有效高度Zm3.153.15塔径Dmm700700空塔气速um/s1.5180.892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lwm0.420.42堰高hwm0.05210.0486溢流堰宽度Wdm0.0770.077管底与受液盘距离h0m0.0180.018板上清液层高度hLm0.060.06孔径d0mm4.0 4.0 孔间距tmm1010孔数n个/板11551155开孔面积0.2210.221筛孔气速u0m/s9.259.25塔板压降hpkPa0.5540.602液体在降液管中停留时间s19.605.20 降液管内清液层高度Hdm0.1230.124雾沫夹带evkg液/kg气0.0660.071负荷上限雾沫夹带线控制液相负荷上限线负荷下限液相负荷下限线控制漏液线控制气相最大负荷Vs,maxm3/s0.6590.3903气相最小负荷Vs,minm3/s0.2380.2188操作弹性2.771.78 板式塔设计1、 设计方案的选定及流程简图1.设计任务为二元精馏，宜采用连续精馏过程。根据设计任务，可以采用筛 板塔，因为筛板塔造价比较低廉，且处理量大。原料采用泡点进料，塔顶采用全 凝器，塔釜采用饱和蒸汽间接蒸汽加热。产品储罐冷凝器全凝器原料2.流程：储槽产品储罐冷凝器再沸器 精馏塔加热至泡点的物料预热器 泡点 回流 3. 操作条件： A. 操作压强常压；常压下苯和氯苯的沸点分别为80.1和131.7，两者沸点相差较大，常压即可较好分离。 B. 进料热状态泡点进料；避免受季节气温影响。 C. 设计点的选择塔顶第一块板2、 精馏塔的工艺计算（一）料液及塔顶产品含苯的摩尔分率 苯和氯苯的摩尔质量分别为78.11kg/kmol和126.61kg/kmol。 （2） 平均摩尔质量 （三） 料液及塔顶、底产品的摩尔流率 生产力为96t/day原料液，则，由全塔物料恒算： F=D+W0.49F=0.965D+0.029W 解得：F=41.79kmol/h D=20.58kmol/h W=21.21koml/h （四）常压下苯-氯苯混合液相平衡关系 1、纯组分的饱和蒸汽压Po和温度t的关系：查表得：ABC苯15.90082788.51-52.36氯苯16.06763295.12-55.602、常压（101.3kPa）下苯-氯苯的气液相平衡数据： 计算示例：取温度t=85 =881.6mmHg 常压下苯-氯苯气液相平衡数据（P=760mmHg） 表一温度（mmHg）（mmHg）xy80.1759.95587135147.990506581.00007210971.00001404155.135166362381.03781.97009639153.182457070.965059592440.992957555955.104828002785881.62258856177.051652810.827380633530.959786126134.9794654529901020.9322077211.347718260.677696137840.910370808094.830580694697.631031265.8451051273.94021280.490026605360.816181289154.62088092921001350.413593296.161056690.439969482950.781764171444.55972708951051543.1402339347.845179730.344814294020.700127382034.43628465721101756.2747867406.547489690.261869572540.605151220594.31997449541151991.1604546472.933451220.189080123150.495380084184.21023391241202249.1603571547.699996160.124775168850.369262320184.1065553641252531.6539512631.574538250.0675895233010.225149057534.008480073128.722758.5456844700.334168940.0289891639460.10522096463.93889918081302840.0334709725.313851490.0164022446240.0612933206973.9155924916131.52937.8044231755.475904020.00207305909230.00801347654053.8886805092苯-氯苯气液平衡相图（5） 塔板数的确定1、q线方程。因为采用泡点进料，所以q=1，则xq=xF 2、相对挥发度的确定。由试差法求的： 表一中第四栏结果97.631031265.8451051273.94021280.490026605360.816181289154.6208809292在xF=0.49时，=4.62。试差方法：在excel表格中，设定各个参数的计算公式，然后按缩小范围的方法，逐步改变温度t的值，直至某一温度对应的x值为0.49，此时的值即为所求相对挥发度。计算所用excel表格见附表：设计-苯-氯苯气液相数据表.excel3、最小回流比Rmin和实际回流比R的确定 xD=0.965 xq=0.49yq=取R=1.9Rmin=1.90.457=0.868 4、理论塔板数计算L=RD=0.86820.58=17.86kmol/h V=（R+1）D=（0.868+1）20.58=38.44kmol/h精馏段操作线方程：提留段操作线方程： 作图法求理论塔板数NT：由图得NT=8（含塔釜），第 4块板为进料板 5、实际塔板数计算： 板效率可用公式：温度通过气液平衡关系，使用试差法，求得各温度见表一红色标注；读得：tDtFtW精馏段平均温度提留段平均温度温度（）81.0397.63128.7289.33113.18黏度通过温度查液体黏度共线图（化工原理上册p276），苯、氯苯不同温度下的黏度见下表：温度（）tD81.03tF 97.63tW128.7289.33113.18苯 AmPas0.3050.2490.1670.2700.207氯苯 BmPas0.3870.2950.2190.3510.263混合液相平均黏度LmmPas0.3080.2720.2170.2920.250液相平均黏度用公式：计算以温度为81.03为例计算： =其它各组计算结果见上表实际塔板数N精馏段相对挥发度： 提留段相对挥发度：精馏段：（块）提留段：（块）则N=9+7=16（块）全塔效应ET=加料板在第块板（从塔顶往下数）（六）相关物性数据计算I. 平均压强PD=4+101.3=105.3kPa PF=PD+90.7=111.6kPa Pw=PF+70.7=116.5kPa则精馏段平均压强P=（PD +PF）/2=108.5kPa 提留段平均压强P= (PF+Pw)/2=114.05kPa II. 密度 不同温度下苯-氯苯密度温度6080100120140苯kg/m3836.6815.0792.5768.9744.1氯苯kg/m3106410421019996.4972.9气相密度计算公式：液相密度计算公式：（xA、xB为质量百分含量）提留段 113.18X=0.215Y=0.538精馏段 89.33X=0.696Y=0.918 由下表可知精馏段和提留段x,y的组成 1、精馏段；液相x=0.696 气相y=0.918 液相 气相拉格郎日法求：则：2、提留段；液相x=0.215 液相y=0.537 液相气相则： III. 表面张力 不同温度下苯-氯苯表面张力温度6080100120140苯mN/m23.7421.2718.8516.4914.17氯苯mN/m25.9623.7521.5719.4217.32 液体平均表面张力公式： 塔顶液相表面张力 进料板液相表面张力 塔底液相表面张力 精馏段液相平均表面张力 提留段液相表面张力 3、 塔和塔板主要工艺尺寸的设计 I.气液相负荷的计算精馏段 质量流量 体积流量 提留段 质量流量 体积流量 II.板间距取板间距HT=450mm ，板上液层高hL=60mm III.塔径D 精馏段 按Smith法求空塔气速umax(即泛点速度uf） 查图（化工原理下册P129）得：C20=0.082 取u=0.6umax= 圆整得D=700mm 提留段查图（化工原理下册P129）得：C20=0.078 取u=0.7uf=0.61.274=0.892m/s 圆整得D=700mm IV. 溢流装置设计塔径700，采用单溢流平顶弓形堰、弓形降液管、凹形液盘。 堰长取堰上液层高度：，取E=1（1）精馏段： 出口堰高 （2）提留段 出口堰高 弓形降液管的宽度wd和横截面积Af由，查化工原理下P127图得， 液体在降液管内的停留时间 降液管底隙高度精馏段：取降液管底细的流速，则： 合格 提留段：取降液管底细的流速，则： 合格V. 塔板布置（1）边缘区宽度Wc和安定区Ws 取Wc=50mm Ws=75mm （2）开孔区面积Aa 式中： （3）开孔数n和开孔率取孔径d0=4mm，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度为=2.0mm 取中心距t=2.5d0筛孔数开孔率（4）筛孔气速 四、流体力学性能校核及复合性能1、塔板压力降hf的校核 精馏段 由d0/=4/2.0=2.0,查图 得C0=0.77 气体通过液层阻力hl的计算查图得：=0.60 液面表面张力造成的阻力损失h气体通过每层塔板的液柱高度hP 则精馏段气体通过每层塔板的压降为： 提溜段 2、液面落差 由于采用的筛板塔，液面落差很小，且本塔塔直径和液体流量均较小，所以忽略液面落差的影响。 3、液沫夹带精馏段 液沫夹带量ev由下式计算： ev0.1kg液/kg干气所以精馏段在液沫夹带范围内提溜段ev1.5不会产生过量漏液 5、溢流液泛为了防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度 ，对于苯氯苯物系，取 精馏段 不会产生液泛 提溜段 不会产生液泛5、 塔板复合性能图 精馏段 雾沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求VsLs的关系如下： 液泛线 液相负荷上限线 气相负荷下限线 液相负荷下限线 精馏段负荷性能图： 雾沫夹带线 液泛线 液相负荷上限线 漏液线 液相负荷下限线 操作线 由图可得： VS,max=0.6594m3/s VS,min=0.2381m3/s 操作弹性为： =2.77 （2）提溜段雾沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求VsLs的关系如下： 液泛线 液相负荷上限线 气相负荷下限线 液相负荷下限线 提镏段负荷性能图： 雾沫夹带线 液泛线 液相负荷上限线 漏液线 液相负荷下限线 操作线 由图可得： VS,max=0.3903m3/s VS,min=0.2188m3/s 操作弹性为： =1.78六、塔板的结构与附属设备（一）塔顶空间 塔顶空间是指塔内最上层的一块塔板到塔顶封头的直线距 离，通常取HD=（1.52）HT。取除沫器到第一块塔板的距离为600mm。则塔顶空间为： （二）塔底空间塔底空间是指塔内最下层塔板到塔底的间距。依停留时间的1015min确定塔底储液空间，塔底液面至最下层塔板之间保留12m，以保证塔底液料不至于流空。塔的底部空间HB是只塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离：取 （三）人孔和手孔 本塔共16块塔板，塔径D=700mm，板间距HT=450mm。可在塔底裙座处和从塔顶往下