精馏塔工艺设计

1、一、 苯-氯苯板式精储塔的工艺设计任务书（一）设计题目设计一座苯-氯苯连续精储塔， 要求年产纯度为 %勺苯36432吨，塔底播出液中含苯 1%原料液中含 苯为61% （以上均为质量百分数）。（二）操作条件1.塔顶压强4kPa （表压）2.进料热状况：饱和蒸汽进料3.回流比：R=2Rn4.单板压降不大于（三）设计内容设备形式：筛板塔设计工作日：每年 330天，每天24小时连续运行厂址：青藏高原大气压约为的远离城市的郊区设计要求1 .设计方案的确定及流程说明2 .塔的工艺计算3 .塔和塔板主要工艺尺寸的确定（1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学验算（3）塔板的负荷性能图绘制（4）

2、生产工艺流程图及精储塔工艺条件图的绘制4、塔的工艺计算结果汇总一览表5、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 pi ° （mmHg温度，（C）859095100105苯氯苯温度，（C）110115120125130苯23132964335537464210氯苯76032 .组分的彼相密度p （ kg/m ）温度，（C）6080100120140苯氯苯3 .组分的表面张力0- （ mN/m）温度，（C）6080100120140苯氯苯4 .液体粘度11 ( mPa?S温度，（C）6080100120140苯氯苯常数组分ABC苯氯苯、苯-氯苯板式精储

3、塔的工艺计算书（精储段部分）（一）设计方案的确定及工艺流程的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播塔（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。典型的连续精播流程为原料液经预热器加热后到指定的温度后，送入精储塔的进料板，在进料上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液）部分液体汽化，产生上升蒸气

4、，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（播出液）。（二）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kg/kmol和kmol0. 61/ 78. 11x F =0. 61 / 78. 110. 39/ 112.62 .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 330天，一天以24小时计，有:3643210000.98933024=58. 62 kmol/h ,F = D W f = 84. 22kmol/h全塔物料衡算:XfF = XdD XwW- W

5、 = 25.6kmol/h（三）塔板数的确定1 .理论塔板数N T的求取2）确定操作的回流比 R将1）表中数据作图得 x y曲线及t 一 x y曲线。在x y图上，因q=0, e （,）查得 yq = 0. 693 , xq = 0. 31。故有： q qxD-' y qmin 二yq - Xq0. 989 - 0. 6930. 693 - 0. 31=0. 7624 ; R = 2Rmin = 1.5253）求理论塔板数（图解法）Rx精福段操作线：y = x-D = 0. 604x - 0. 392R 1 R 1总理论板层数：（包括再沸器）进料板位层：42 .实际塔板数N D p1）

6、全塔效率ETs的蝶类物系，式中的 所为选用Et =0.170.61610g即公式计算。该式适用于液相粘度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（80+129）= C （取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录得:Na = 0. 246mPa s,%=0. 352mPa s2）实际塔板数 N p （近似取两段效率相同） p精福段：Np1 = 3 / 0. 51 = 6块提储段：Np1 = 2. 5 / 0. 51 =5块（四）塔的精福段操作工艺条件及相关物性数据的计算1 .平均压强pm取每层塔板压降为计算。塔顶：pD =77.31 4 =81.31kPa加料板：pF

7、 = 81.310.76 = 85.51kPa塔底：pW - 85. 510. 75 = 89. 01kPa精储段平均压强 pm =(81.31 85.51)/ 2 = 83.41kPa提福段平均压强 pm =(89.01 85. 51) / 2 = 87. 26kPa2 .平均温度tmP=Pa°Xa +Pb°Xb和 lgPO = A两式联立由试差法求得t D = 73.35 c=83.76 c ； tW= 125. 79 c精福段平均温度:?=73.35+83.76=7855 提福段平均温度:?=125.79+83.762= 104.715 C3 .平均分子量M m塔顶：

8、 Vi = Xd = 0.989, Xi =0.93(查相平衡图)加料板：yF = 0.725, xF = 0. 38 （查相平衡图）塔底：yw = 0. 075, Xw = 0. 014精福段：MVm = (78. 4987. 59) / 2 = 83. 04kg/kmol提福段：MVm =(87.59110.01)/ 2 = 98. 8kg/kmol4 .平均密度pm 1)液相平均密度 化,m塔顶：tD = 73. 35 c Pa= 822. 2Kg/ m3 PB = 1049. 3Kg / m3进料板：tF = 83. 76 C PA= 810. 8Kg/ m3 PB = 1037. 7

9、Kg / m3塔底：t w = 83. 76 ：a= 761.7Kg / m3= 989. 6Kg / m3精福段：:Lm= ( 824. 9947. 2) / 2 = 886. 05Kg / m33提福段：Lm= (947. 2986. 6)/ 2 = 966. 9Kg / m32)汽相平均密度w,m精福段:'Vm =PmMVmRTm84. 8183. 048.314(78.55273. 15)=2. 38Kg/ H5提福段:Vm =PmMVmRTm84.8199.368.314(104. 71273. 15)2. 76Kg / m35 .液体的平均表面张力(Tm塔顶：t D = 7

10、3. 35 c； aDA = 22. 09mN/ mbDB = 24. 44mN/ m进料板：tF = 83. 76 c； Ofa = 20.82mN/ m 仃FB = 23. 34mN/ m塔底：tw = 125. 79C； Cwa = 15. 82mN/ m w = 18. 77mN/ m精福段：；：Lm=(24. 4421. 59) / 2 = 21.86mN/m提福段：；：Lm=(21.5918. 77) / 2 u 20.18mN/m6 .液体的平均粘度此口塔顶：t d = 73. 35 c %a = 0. 332mpa s Lb = 0.457mpa s加料板：t f = 83.

11、76 %a = 0. 298mpa s 4b = 0. 416mpa s塔底：tF = 125. 79 c, %a = 0.206mpas, Ab = 0. 302mpa s精福段：Lm=(0.3330. 334) / 2 = 0. 3335mpa s提福段：(0.3340. 3003) / 2 = 0. 317mpa s(五)精福段的汽液负荷计算汽相摩尔流率 V =(R 1)D = 2. 52558. 62 = 148. 02Kmol/ h汽相体积流量VsVMVm液相回流摩尔流率3600 二Vm=RD =液相体积流量LsLMlm3600 ：1m148.02 83. 04, 3 ,二 1. 4

12、3m / s3600 2.381. 525 58. 62 = 89.40Kmol/ h89.4090. 03 ,0. 0025m / s3600 886. 05（六）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径初选塔板间距 HT = 400mm及板上液层高度 hL = 50mm则:2)按Smith法求取允许的空塔气速Umax （即泛点气速UF ）查Smith通用关联图得 C20 = 0. 075负荷因子 C = C20()0.2 = 0. 075 (2021.86200 2_ )=0. 0763泛点气速:Umax = 0. 0763886. 05 - 2. 382.38=1. 47m/ S m/s3

13、)操作气速取 U = 0. 7Umax =0.71.471.029m / s4)精镭段的塔径圆整取D=1400mm塔截面积为AT = D24( 1.4)2 = 1.539m2此时的操作气速u1. 422. 011= 0. 935m/ s2.塔板工艺结构尺寸的设计与计算 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。溢流堰长（出口堰长）l=0. 6D = 0. 6 1.4=0. 84m出口堰高hw ?安？2a. 一话? = 0.6 至=13.92?查得 E=降液管的宽度Wd和降液管的面积 Af由 l w / D = 0. 66 ,查化原下 P©图 1

14、1-16 彳导W / D = 0. 1, A / AT = 0. 055,即:Wd = 0. 14m, A 0 0.055m2液体在降液管内的停留时间3600A Htt = = 13. 55 > 5s （满足要求）Ls降液管的底隙高度 ho液体通过降液管底隙的流速一般为s,取液体通过降液管底隙的流速uo' = 0. 1m/s ,则有:故降液管设计合底隙高度设计合理2）塔板布置1 .塔板分块 因D=1400故塔板分4块2 .边缘区宽度WS = 0. 09mWC = 0. 04m开孔区面积Aa a式中：x = D / 2 - Wdw ）：= 0.47m3）开孔数n和开孔率小3.0取筛

15、孔的孔径do =5mm ,正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 6= 3mm ,且取t/do =故孔心距t = 3父5 = 15mm。1158A每层塔板的开孔数 n =产 =5769 （孔）t 2每层塔板的开孔率 0= 0.9072 =0901 = 0.101 （ 4应在515%故满足要求）t/do3气体通过筛孔的孔速 u0 = =12. 54m/ s 0 A4）精福段的塔高Z1Z精=（N精-1） Ht = （6 1）0.4 = 2m；（七）塔板上的流体力学验算1.塔板压降1）气体通过干板的压降 hc2、2 jp、hc =0.051 u°-Co = 0. 84。32）气体通过板上液层的

16、压降h1动能因子 F0 = 0.983 2.38 = 1.52Kg/（s M/2）查化原图彳导' = 0. 603）气体克服液体表面张力产生的压降hff4）气体通过筛板的压降（单板压降）hpn zppPPp = PLghP = 0.539Kpa < 0. 7Kpa （满足工艺要求）。2 .雾沫夹带量ev的验算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U0mUo min = 4. 4C0 ,（0. 00560. 13几hlfL /-V = 7. 16m/ s <s筛板的稳定性系数 K = -u°- = 1.75（1.5）（无漏液）U0 min4

17、 .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Hd E（Ht +hw ）取中=；9（Ht + hw） = 0. 218mHd <0（Ht +hw/立，故不会产生液泛。若要做出最合理的设计，还需通过流体力学验算，可认为精福段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适, 重选Ht及hL,进行优化设计。（八）塔板负荷性能图1 .液沫夹带线（1）5.7 10-6一 仃 HT2.5hLUa3.2(1)式中：UaVs= 0. 688VsA - Af将已知数据代入式（1）.2 / 3Us = 2. 905 17. 55Ls(1-1)在操作范围内，任取几个Ls值，依式（1-1 ）算出对应的 Vs值列于下

18、表:依据表中数据作出雾沫夹带线( D2 .液泛线(2)?= ?+?1 + ?2?Hi =0(?+ ?) = 0.0216 + 0.4584?3?= 0.00201o2?3?= 0.0236 + 0.015?+ 0.4544?3?2?= 0.153(F)2Vs2 = 11. 976 - 17066. 7Ls2 - 81.23Ls2/3(2-2)在操作范围内，任取几个Ls值，依式（2-2）算出对应的 Vs值列于下表:依据表中数据作出液泛线（2）3 .液相负荷上限线（3）,HTAf3Lsmax =o 0. 00847 m3/s（3-3），4 .漏液线（气相负荷下限线）（4）22整理得：VS min

19、= 0. 555 + 6. 66 L?（4-4 ）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（4-4）算出对应的 Vs值列于下表: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7层高度 how = 0.006 m 3.Lsmin = 0.000716m / s （5-5）操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷Vs max与气相允许最小负荷 Vs min之比,s, I maxs, Him即：操作弹性=VB =2J5=3. 06Vs,min0. 8三、塔的提储段操作工艺条件（五）提福段的汽液负荷计算 '汽相摩尔流率 V =V -（1 -q）F = 63. 8Kmol/ h

20、汽相体积流量Vs = V 1Mzm = 0. 634m3 / s3600 二Vm液相回流摩尔流率 L' = L = 89. 4Kmol/ h液相体积流量Ls = L MLm = 0. 0027m3 / s3600 ：Lm（六）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 Ht = 500mrm板上液层高度hL =60mm ,则：2）按Smith法求取允许的空塔气速 Umax （即泛点气速uF ）查Smith通用关联图得 C20 = 0. 09负荷因子 C = Czo（）= 0. 09 （）= 0. 09022020泛点气速：3）操作气速取u = 0. 7umax = 0.7

21、1.687 = 1. 181m/ s4）精福段的塔径圆整取D =1000mm塔截面积为 AT = D2 = （1.0）2 = 0.785m2一一一+0. 634此时的操作气速u = = 0.81m/ s0. 7852.塔板工艺结构尺寸的设计与计算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，且不设进口内堰溢流堰长（出口堰长）lw取l w = 0. 7D = 0. 7m出口堰高hwhw = -how =0.06 -0.0169 =0.0431m降液管的宽度Wd和降液管的面积 Af由 l w / D = 0. 7 ,查化原下 P147图 11-16 彳导W / D = 0. 1

22、39, A / AT = 0.09 ,即:Wd = 0. 139m, A = 0. 065m2液体在降液管内的停留时间T = Af-HL = 13 A 5s （满足要求） LS降液管的底隙高度 ho液体通过降液管底隙的流速一般为s,取液体通过降液管底隙的流速uo' = 0.08m/s,则有:故降液管设计合底隙高度设计合理3）塔板布置1 .塔板分块因D=1000故塔板分3块2 .边缘区宽度Wa =W4, = 0.065m Wc = 0.035m开孔区面积Aa式中：x = D/2-Wd Ws =0.7 - 0.1736 0.065 = 0.311m3）开孔数n和开孔率小取筛孔的孔径do =

23、5mm ,正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 6= 3mm ,且取t/do =3.0 故孔心距t =3M5 = 15mm。1 155A每层塔板的开孔数 n=#=2731 （孔）t2一,0.9070.907一每层塔板的开孔率 小=2= 2 0.101 （ 3应在515% 故满足要求）t/do3气体通过筛孔的孔速 u0 = V=11. 81m/s A4）精福段的塔高Z1（七）塔板上的流体力学验算1 .塔板压降D气体通过干板的压降 hcf f Ohc =0.051 u0-Co = 0. 84。&八匕J2）气体通过板上液层的压降hl动能因子 F0 0 0.968.2.76 = 1.61Kg/（

24、 s m1/2）查化原图得.c = 0. 60 03）气体克服液体表面张力产生的压降hff4）气体通过筛板的压降（单板压降）h°和ppPPp = PLghP = 0.626Kpa < 0. 7Kpa （满足工艺要求）。2 .雾沫夹带量ev的验算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uom筛板的稳定性系数 K = u- = 1.58 （大于，不会产生过量液漏）U0 min4 .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Hd <O（HT +hw ）Hd <O（Ht +hw城立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精福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H t及hL,进行优化设计（八）塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1）5.7 10。CJ3.2UaMt-2.5hL_(1)式中:Vs-Af1.527Vs将已知数据代入式（1） . 2/3VS = 1.61 - 8. 672L （1-1）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（1-1 ）算出对应的Vs值列于下表:依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线2?, 0.5077?3（Ht +hw ）=hp +hw +h°w +儿?= ?+?1 + ?H1 =6。（？2?+ ?） = 0.058 +?= 0.00207（已算出）o2