苯-氯苯筛板精馏塔的工艺设计.doc

宁波工程学院化工原理课程设计 化工原理课程设计 设 计 题 目： 苯-氯苯筛板精馏塔的工艺设计 学 院： 化工学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 姓 名： 指 导 教 师： 定稿日期： 目录第1章：设计任务书41.1设计题目41.2设计任务41.3设计内容41.4设计说明书4第2章：设计方案的确定及流程说明6第3章：精馏塔的工艺计算7 3.1精馏塔的物料衡算7 3.2塔板数的确定7 3.2.1理论塔板数NT的求取7 3.2.2实际塔板数NP10 3.3塔操作工艺条件及相关物性数据的计算10 3.3.1平均压强Pm10 3.3.2平均温度tm11 3.3.3平均分子量Mm12 3.3.4平均密度m13 3.3.5液体的平均张力m14 3.3.6 液体的平均粘度l,m14 3.4精馏段的汽夜负荷计算14 3.5板式精馏塔塔体与塔板的设计15 3.5.1塔径15 3.5.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算16 3.5.2.1溢流装置17 3.5.2.2塔板布置19 3.6塔板上的流体力学验算20 3.6.1气体通过筛板压降hp和Pp的验算20 3.6.2雾沫夹带量ev的验算21 3.6.3漏液的验算21 3.6.4液泛的验算21 3.7塔板负荷性能图24 3.7.1雾沫夹带线24 3.7.2液泛线24 3.7.3液相负荷上限线25 3.7.4漏液线25 3.7.5液相负荷下限线26 3.8精馏塔的设计计算结果汇总一览表30 3.9精馏塔接管尺寸的计算32 3.9.1进料管32 3.9.2回流管32 3.9.3塔釜出料管33 3.9.4精馏塔的管口直径33 3.9.5塔顶蒸气出料管333.10 附属设备的选择333.10.1冷凝器的选择33 3.10.2 再沸器的选择34第4章：设计评述36第5章：参考文献37 附录38 第1章 化工原理课程设计任务书 1.1、设计题目苯-氯苯筛板精馏塔的工艺设计。 1.2、设计任务年处理苯-氯苯混合液15万t，原料中氯苯含量为81%，塔顶馏出液中氯苯含量不高于1.5%，塔底液中氯苯含量不低于99.5%（均为质量分数）。塔顶压强：4kPa（表压）；进料热状态：露点；塔釜加热蒸汽压强：0.5Mpa（表压）；单板压降：0.7kPa；年操作时间：每年300天，每天24小时。1.3、设计内容：1、设计方案的确定及流程说明2、精馏塔的工艺计算（1）精馏塔的物料衡算；（2）塔板数的确定；（3）相关物性数据的计算；（4）板式精馏塔塔体的设计；（4）板式精馏塔塔板的设计。3、塔板的流体力学验算4、负荷性能图5、设计计算结果一览表6、精馏塔接管尺寸计算7、辅助设备的计算与选型8、绘制工艺流程图1.4、设计说明书的内容1、封面2、任务书3、目录4、设计方案的确定及流程说明5、精馏塔的工艺计算（物料衡算、塔板数的确定、相关物性数据的计算、板式精馏塔塔体的设计、板式精馏塔塔板的设计等）。6、设计计算结果一览表。7、附属设备的选择。8、对本设计进行评述。9、参考文献。10、附录（精馏塔工艺流程图）。 成绩评定 第2章 设计方案的确定及流程说明 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。 图1 板式精馏塔的工艺流程简图 工艺流程：如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。 第3章 精馏塔的工艺计算3.1 精馏塔的物料衡算：F：原料液流量 ：原料液中易挥发组成的摩尔分数D：塔顶产品流量 ：馏出液中易挥发组成的摩尔分数W：塔底残液流量 ：釜残夜中易挥发组成的摩尔分数苯的摩尔质量 MA=78.11Kg/Kmol氯苯的摩尔质量 MB=112.56Kg/Kmol平均摩尔质量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，有物料衡算： 3.2 塔板数的确定 3. 2.1 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，得：在图上，因为要求为露点，故q=0，查得：Xe=0.091，ye=xF=0.2526，而xD=0.9895，则：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，则：3. 求理论塔板数 精馏段操作线： 提馏段操作线：L=RD=9.1250.12=507.214kmol/h，q=0，W=150.48kmol/h由此可得： 苯-氯苯筛板精馏塔理论塔板数的图解图解得NT=8，其中，精馏段块，提馏段块，第5块为加料板位置。3.2.2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+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。3.3塔操作工艺条件及相关物性数据的计算3.3.1平均压强精馏段取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶：加料板：平均压强提馏段取每层塔板压降为0.7kPa计算。进料板：塔底：平均压强3.3.2平均温度精馏段查温度组成图得：塔顶为80，加料板为88。提馏段查温度组成图得：加料板为88，塔底为131.8。3.3.3平均分子量精馏段塔顶： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段： 提馏段加料板：，（查相平衡图）塔底： ，（查相平衡图）提馏段：3.3.4平均密度精馏段1.液相平均密度塔顶：进料板：精馏段：2.汽相平均密度提馏段1.液相平均密度进料板：塔底：提馏段：2.汽相平均密度3.3.5液体的平均表面张力精馏段塔顶：；（80）进料板：；（88）精馏段：提馏段进料板：；（88）塔底：；（131.8）提馏段：3.3.6 液体的平均粘度 精馏段塔顶：查化工原理附录14，在80下有：加料板：精馏段：提馏段加料板：塔 底：提馏段：3.4汽液负荷计算精馏段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提馏段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再沸器的热负荷（忽略温度压力对汽化潜热的影响）3.5板式精馏塔塔体与塔板的设计3.5.1塔径精馏段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，此时的操作气速提馏段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。3.5.2 塔板工艺结构尺寸的设计与计算精馏段 3.5.2.1 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。（1）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。（2）出口堰高对平直堰由及，查夜流收缩系数计算图（化工原理图3-8）得，于是：（满足要求）（3）降液管的宽度和降液管的面积由，查化工原理下P166图3-10得，即：，。液体在降液管内的停留时间（满足要求）（4）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）提馏段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。（1）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。（2）出口堰高对平直堰由及，查化工原理图3-8得，于是：（满足要求）（3）降液管的宽度和降液管的面积由，查化工原理下P166图3-10得，即：，。液体在降液管内的停留时间（满足要求）（4）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）3.5.2.2 塔板布置精馏段（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：（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 提馏段（1）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（2）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（3）提馏段的塔高3.6塔板上的流体力学验算精馏段3.6.1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化工原理课程设计图4-22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4-23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（满足要求）3.6.2 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。3.6.3 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）3.6.4 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。提馏段（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化工原理课程设计图4-22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4-23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，可认为提留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。3.7塔板负荷性能图精馏段3.7.1雾沫夹带线（1） （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：0.0009550.0050.010.0150.02836.6956.2125.7885.4334.642依据表中数据作出雾沫夹带线（1）3.7.2 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：0.0009550.0050.010.0150.02832.8272.6962.5732.4632.188依据表中数据作出液泛线（2）3.7.3 液相负荷上限线（3） （3-3）3.7.4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：0.0009550.0050.010.0150.02830.6730.6740.7500.7780.837依据表中数据作出漏液线（4）3.7.5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 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=提馏段（1）雾沫夹带线（1） （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：0.0009550.0050.010.0150.02832.4352.2842.1512.0401.792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：0.0009550.0050.010.0150.02832.9252.8082.6992.6022.360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：0.0009550.0050.010.0150.02830.5480.5660.5810.5930.620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 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= 3.8 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 pmkPa108.1113.0平均温度Tm84109.9平均流量气相Vsm3/s3.872.40液相Lsm3/s0.01370.0147实际塔板数N块86板间距dm0.50.5塔段的有效高度Zm3.52.5塔径Dm2.02.0空塔气速um/s1.190.764堰长lwm1.41.4堰高hwm0.050120.0267溢流堰宽度wdm0.280.28底隙高度h0m0.1430.131板上清液层高度hLm0.0600.060孔径d0mm55孔间距tmm1515孔数n个55285528开孔面积A0m20.1080.108筛孔气速u0m/s35.8322.22塔板压降PpkPa3.1911.667液体在降液管中的停留时间s10.339.63降液管内清液层高度Hdm0.1490.256雾沫夹带evkg液/kg气0.001920.00442负荷上限雾沫夹带控制液泛控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷m3/s5.22.8气相最小负荷m3/s0.800.45操作弹性6.56.23.9、精馏塔接管尺寸计算3.9.1进料管 进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，T形进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下： 取 经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格为。3.9.2 回流管 采用直接回流管，取 查表取。3.9.3塔釜出料管 取，直管出料， 查表取3.9.4 塔顶蒸气出料管 直管出气，取出口气速， 查表取。3.9.5塔釜进气管 采伯直管进气，取气速为 查表取。3.10 附属设备的选择3.10.1 冷凝器的选择 塔顶，查得该温度下氯苯的汽化潜热为，苯的汽化潜热为 冷却水用量 取冷却水的20，出口温度为35，水的比热容为4.18kJ/(kg)，则 总传热系数K K=1000w/(m2）泡点回流时的平均温差 传热面积A 选列管式冷凝器，其具体参数见表5-1 表3-1 列管式冷凝器参数名称公称直径Dg/mm管程数中心排管数管子尺寸规格 40021125mm2.5mm名称管长l/mm管程流通面积/m2计算换热面积/m2管子总数规格40000.017334.20110 3.10.2