化工原理课程设计苯与氯苯的分离

1、化工原理课程设计说明书设计题目:苯一氯苯精留过程板式塔设计设计者：班级化工095姓名闫宏阳日期：2011年12月13号指导教师:杨胜凯设计成绩：日期：目录设计任务书3设计计算书4?设计方案的确定4?精偕塔物料衡算4?塔板数的确定5?精偕塔的工艺条件及有关物性数据的计算8?塔体工艺尺寸计算13?塔板主要工艺尺寸15?塔板流体力学验算17?浮阀塔的结构20?精t留塔接管尺寸23?产品冷却器选型25?对设计过程的评述和有关问题的讨论25第-1-页附图：生产工艺流程图精偕塔设计流程图设计任务书（一）题目试设计一座苯一氯苯连续精偕塔，要求年产纯度99.8%的氯苯21000吨,塔顶偕出液中含氯苯不得高于2

2、%原料液中含氯苯45%（以上均为质量分数）。（二）操作条件(1)塔顶压力4kPa（表压）；(2)进料热状况泡点；(3)回流比R=1.4Rmin;(4)塔底加热蒸汽压力0.5Mpa（表压）；(5)单板压降<0.7kPa;（三）塔板类型浮阀塔板（F1型）（四）工作日每年按300天工作计，每天连续24小时运行（五）厂址厂址为天津地区设计计算书一、设计方案的确定本任务是分离苯一氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精偕流程，本设计采用板式塔连续精偕。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送进精偕塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至

3、储物罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.4倍,且在常压下操作。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储物罐。二、精偕塔物料衡算(以轻组分计算)苯的摩尔质量MA78.11kg/kmol氯苯的摩尔质量MB112.56kg/kmol2.原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量3.物料衡算原料处理量顼，210001000W25.93kmol/h30024112.46总物料衡算FD25.93苯物料衡算0.638F0.986D0.00325.93联立解得D47.31kmol/hF73.24kmol/h原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率1.三、塔板数的确定理论板数NT的求取(

4、1)由手册查得苯一氯苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图，见图1T/oC8090100110120130131.8pA/kPa101.33136.66179.99234.60299.99378.65386.65o._Pb/kPa19.7327.3339.0753.3372.4095.86101.33oxPPbx-ooPaPb1.0000.6770.4420.2650.1270.0190.000oPayxP1.0000.9130.7850.6130.3760.0720.000图1图解法求最小回流比(2) 由于泡点进料q=1，在图上作直线x=0.986交对角线于a点，作直线x=0.638交平衡线于q

5、点，连接a、q两点，过q点作横轴的平行线交纵轴于一点，读得图1xy图yq=0.896,则最小回流比如下：取操作回流比为(3) 求精偕塔的气、液相负荷求操作线方程精偕段操作线方程提偕段操作线方程(4) 图解法求理论板层数如附图1,将x=0.638带入精偕段操作线方程，得出y=0.871,在图中找出该点记为d,连接ad两点即得精偕段操作线；在对角线上找到c点(0.003,0.003)，连接cd两点即得提偕段操作线。自a点开始在操作线和平衡线之间作阶梯线。求解结果为：总理论板层数Nt11(包括再沸器)进料板位置Nf4实际板层数的求解(试差法)假设总板效率Et=0.49精偕段实际板层数N精22/0.4

6、944.945提偕段实际板层数N提4/0.4918.1-17(不包括再沸器)实际板层数为26/0.49-1=52(不包括再沸器)试差法计算如下：NP=52塔顶压力：PD101.34105.3KPa塔底压力.Pw105.30.66752139.984Pa已知塔底组成为四、精偕塔的工艺条件及有关物性数据的计算1.操作压力的计算塔顶操作压力Pd101.34105.33kPa每层塔板压降P0.7kPa进料板压力Pf105.330.79111.63kPa精偕段平均压力Pm1(111.63105.33)/2108.48kPa塔底操作压力Pd105.330.723121.43kPa提偕段平均压力Pm2(11

7、1.63121.43)/2116.53kPa2.操作温度的计算表1苯、氯苯Antoine常数数据表ABC温度范围（K）苯6.019071204.682-53.072279-3776.068321236.034-48.99353-4226.36071466.083-15.44420-521氯苯6.104161431.83-55.515335-4056.629881897.415.21405-597（表1苯、氯苯Antoine常数数据表ABC温度范围（K）苯6.019071204.682-53.072279-3776.068321236.034-48.99353-4226.36071466.083

8、-15.44420-521氯苯6.104161431.83-55.515335-4056.629881897.415.21405-597对苯lgpA6.06832pA111.53kPa对氯苯lgP；6.10416Pb22.11kPa1236.03448.9983.2273.151431.8355.51583.2273.152.047421.34464假设塔顶的泡点温度t83.2oC,则纯组分的饱和蒸气压为代入泡点方程和露点方程，得故假设正确，塔顶温度为tD83.2oC假设塔顶的进料板温度t94.4°C,则纯组分的饱和蒸气压为对苯lgpA6.068321236.0342.1882548

9、.9994.4273.15pA154.26kPa对氯苯lgp；6.10416pB32.77kPa1431.8355.51594.4273.151.51548代入泡点方程和露点方程，得假设正确，故进料板温度为tF94.4oC假设塔底的泡点温度t137°C,则纯组分的饱和蒸气压为对苯lgpA6.068321236.03448.99137273.151897.415.21137273.15pA442.51kPa对氯苯lgpB6.62988po115.28kPa代入泡点方程，得假设正确，故塔顶温度为tw137oC精偕段平均温度tm1(83.294.4)/288.8°C提偕段平均温度

10、tm2(94.4137)/2115.7°C全塔平均温度tm(83.2137)/2110.1°C1. 平均摩尔质量的计算塔顶：由y1xD0.986，查平衡曲线得x10.920进料板：由图理论板得yF0.885，查平衡曲线得Xf0.621塔底：由图理论板得yn0.003,查平衡曲线得xn0.001精偕段平均摩尔质量提偕段平均摩尔质量平均密度的计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，得精偕段pm1MVm1Vm1RTm1108.4880.348.314(88.8273.15)一32.90kg/m3提偕段Vm2Pm也匹116.5397.273.51kg/m3RTm28.314(1

11、15.7273.15)液相平均密度计算塔顶tD83.2oC时，进料板tF94.4°C时，塔底tw137°C时，精偕段液相平均密度为提偕段液相平均密度为液相平均表面张力的计算塔顶tD83.2oC时，查得A20.82mN/mB25.84mN/m进料板tF94.4oC时，查得A19.35mN/mB24.57mN/m塔底tW137oC时，查得a14.25mN/mb19.48mN/m精偕段液相平均表面张力为提偕段液相平均表面张力为液体平均粘度计算塔顶tD83.2oC时，进料板tF94.4oC时，塔底tW137oC时，精偕段液相平均粘度为提留段液相平均粘度为全塔液相平均粘度为又塔顶和塔

12、底平均温度为(83.2+137)/2=110.1C则此温度下的相对挥发度为-PA23474.40pB53.3根据奥康奈尔关联法，故假设成立，总板效率Et=0.48五、塔体工艺尺寸计算1.塔径的计算精偕段由UmaxC0.220式中C由公式CC20计算，其中C20可由史密斯关联图查出，图的横坐标为取板间距Ht0.42m，板上液层高度hL0.07m,贝由史密斯关系图得C200.069取安全系数为0.6，则空塔气速为0.6umax0.72m/s统一按照塔板结构参数系列化标准（单溢流型）将塔径圆整后取D=1.0m塔截面积_23.142AT-D21.020.785m44实际空塔气速u05420.690m/

13、s0.785（2）提之段查图得C200.068统一按照塔板结构参数系列化标准（单溢流型）将塔径圆整后取D=1000mm塔截面积-D43.140.785m实际空塔气速0.5430.7850.692m/s2.塔高的计算（1）精偕塔的有效高度精偕段1)Ht(91)0.423.36m提偕段Z提（N提1)Ht(141)0.45.46m在进料板上方开一人孔，提偕段中开两个人孔，其高度为0.8m,则有效高全塔实际高度取进料板板间距为0.8m，人孔处的板间距为0.8m,塔底空间高度为2.0m，塔顶空间高度为0.7m，封头高度为0.6m，裙座高度为2.0m,贝全塔高为六、塔板主要工艺尺寸计算根据塔径和液体流量，

14、选用单溢流弓形降液管、凹形受液盘，塔板采用单流和分块式组装。溢流装置的计算(1)堰长：lW0.66D0.661.00.66m(2)堰高：由hwhLhow,选用平直堰，堰上液层高度由弗兰西斯公式求得精偕段:Owi22.84匚耳1000lw22.840.00063600310000.660.00626m取hL0.07m，则22.840.00293600耳10000.660.0018m2提t留段：how2空4匚瓦231000lw降液管面积当览0.66时，查表得D塔的相对操作面积为120.0715100%85.7%液体在降液管里停留的时间精偕段3600AfHTLh136000.0570.4038s5s

15、36000.0006故降液管设计合理(1) 降液管底隙高度h°精偕段和提偕段降液管下端与塔板间出口处的液体流速分别取精偕段Lhih01“cc,3600lWU0136000.00060012m36000.660.075提偕段h02虹一36001wu°236000.00290.024m36000.660.1801. 塔板布置的计算选用F1型浮阀，阀孔直径39mm阀片直径48mm阀片厚度2mm最大开度8.5mm静止开度2.5mm阀质量为3234g。(1)阀孔临界速度0.548精留段U0Kp172.8V10.5487285.86m/s2.900.548提留段UoKp272.8V20

16、.54872.83.515.27m/s上下两段相应的阀孔动能因子为:均属正常操作范围。取边缘区宽度W=0.055m，安定区宽度Ws0.065m,开孔区面积其中,(2)提偕段塔板布置取边缘区宽度W=0.030m，安定区宽度Ws0.055m,开孔区面积其中,(3)浮阀数n与开孔率F1型浮阀的阀孔直径为39mm阀孔气速U0F0一V其中取F0=10浮阀数目nV72u0d0/4202dDn率孔开精偕段U0105.87m/s2.90提留段U0105.34m/s3.51浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=0.075m，贝排间距t为精偕段tAnt0.5040.0862m86.2mm780.0

17、75提留段tAnt0.5520.0856m86.6mm860.075考虑到塔的直径较大，故采用分块式塔板，而各分快板的支撑与衔接将占去一部分鼓泡区面积，因此排间距应小于计算值，故取t=80mm=0.08m重新计算孔速及阀数精偕段nAa0.50484tt0.0750.08提留段nAa0.55292tt0.0750.081. 由此可知，阀孔动能因数变化不大七、塔板流体力学验算塔板压降(1)干板阻力精偕段u0c11'82573.1Fv/1'82573.1/2.905.860m/s提留段U0c21B2573.1/V21.82573.1/3.515.27m/s第-13-页(2)板上充气液

18、层阻力取充气系数00.5,则液体表面张力所造成的阻力：此阻力很小，忽略不计因此，上下两段塔板压降如下精偕段每层压降hp1hc1hi0.0290.0350.064m液柱提偕段每层压降h2h2hl0.0260.0350.061m液柱p2C2l上下两段单板压降均符合设计任务要求。2. 液泛为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层高度Hd(Ht板)，而HdhpMlhd与气体通过塔板压降所相当的液柱高度精偕段hp10.064m液柱p提偕段hp20.061m液柱pJ(1) 液体通过降液管的压头损失精留段hd1220.153-Ls0.1530.00060.00088m液柱lWh010.660.012提

19、留段hd2220.153上J0.1530.00290.0051m液柱lWh020.660.024板上液层高度精留段和提t留段皆为hL0.07m因此，取0.5,降液管中清液层高度如下:精留段Hd1hp1hL1hd10.0640.0700.000880.1349m可见，精偕段符合防止液泛的要求。提偕段Hd2hp2hL2hd20.0610.070.00510.136m可见，提偕段符合防止液泛的要求。液沫夹带(1)精t留段液沫夹带量ev的验算故在设计负荷下不会发生过量液沫夹带。(2)提t留段液沫夹带量ev的验算ev3.25.7106uaHthf5.71063.20.745820.401030.422.

20、50.070.0085kg液/kg气0.1kg液/kg气故在设计负荷下不会发生过量液沫夹带。漏液的验算精留段漏液的验算U0取Fo=5，则一V故在设计负荷下不会产生过量漏液。提偕段漏液的验算故在设计负荷下不会产生过量漏液。八、塔板负荷性能图计算(一)精偕段塔板负荷性能图1、漏液线U0F0取Fo=5，又nV2uodo/4故（Vs）min2Wdonu°、0.0392842.940.295m3/s据此做出与液体流量无关的水平漏液线(1)其中ua上058570.746VS(a)近似取E1.0,hw0.06374m,lW0.66mhf2.50.063742.841031.03600Ls0.662

21、/3/0.1592.20LS(b)取液沫夹带极限值e为0.1kg液/kg气。已知21.7mN/m,HT0.42m并将a,b代入得：整理得：VS2.2318.87Ls2/3在操作范围内任取几个LS值，依上式算出相应的Vs值列于下表中3Ls,m/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s2.101.981.841.72依表中数据在VsLs图中作出液沫夹带线（2）2. 液相负荷下限线取平堰、堰上液层高度how0.006m作为液相负荷下限条件，取E1.02.843600Ls,min2/3howE()1000lw整理上式得Ls,min0.00056m3/s依此值在VsLs图中作线即

22、为液相负荷下限线（3）。3. 液相负荷上限线依此值在VsLs图中作线即为液相负荷上限线（4）4. 液泛线令Hd(HthW)由HdhphLhd；hphchih;hi"确hw福联立整理得aVs2bcLSdLs3式中a胃(/(W)0.029(AoCo)L(0.1000.772)855.51d2.84103E(1)(3600)232.84103(10.60)(3600)231.40lw0.66故0.029Vs20.142439L；1.40Ls23在操作范围内任取几个LS,计算出VS的值列于表中3Ls,m/s0.00060.00150.00300.0045Vs,m3/s4.794.013.07

23、1.81依此值在VSLs图中作线即为液之线（5）将以上5条线标绘于VsLs图中，即为精偕段负荷性能图。5条线包围区域为精留段塔板操作区，A为操作点，OA为操作线。OA线与（2）线的交点相应相负荷为Vs,max,OA线与气相负荷下限线（1）的交点相应气相负荷为Vs,mino图见坐标纸。可知本设计塔板上限由液沫夹带控制，下限由漏液控制读图，精偕段的操作弹性Vs竺1684Vs,min0.42二、提偕段塔板负荷性能图1、液沫夹带线（1）式中UaVsVs1.374Vs（a）AtAf0.7850.057近似取E1.0,hw0.052m,lW0.66m20.132.2Ls2/3(b)33600Ls耳故hf2

24、.50.0522.841031.0S0.66取液沫夹带极限值e为0.1kg液/kg气。已知20.40103N/m,HT0.42m整理得：Vs1.3610.1Ls2/3在操作范围内任取几个Ls值，依上式算出相应的Vs值列于下表中Ls,m7s0.00060.00150.0030.0045诺m3/s1.291.231.151.08依表中数据在VSLs图中作出液沫夹带线（1）2、液泛线（2）由Hdhp"hd和Hd（Hthw）得近似取E1.0,lw0.66mh0.0018m(已算出),故将Ht=0.42m,hn0.052m,0.5及以上各式代入得0.50.420.0520.032VS22/32

25、/320.03980.6424Ls0.0520.88Ls609.79Ls2整理得VS24.5147.58LS/319056.0Ls2在操作范围内任取几个Ls值，依上式计算Vs值列于下表中Ls,：/s0.00060.00150.0030.0045Vm3/s2.041.971.831.68依表中数据在VSLs图中作出液之线（2）3、液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为4秒，由下式液相负荷上限线（3）在VsLs图中为与气相流量Vs无关的垂线4、漏液线（气相负荷下限线）（4）U0土取F0=5，又nV.VU0d2/4故（Vs）min一d：nu。一00392922.670.293m3/s404据

26、此做出与液体流量无关的水平漏液线（1）5、液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液层高度how0.006m作为液相负荷下限条件，取E1.0则how丝E(3600Ls,min)2/31000lw整理上式得Ls,min5.63104m3/s依此值在VSLs图中作线即为液相负荷下限线（5）。将以上5条线标绘于VsLs图中，即为提偕段负荷性能图。5条线包围区域为提留段塔板操作区，P为操作点，OP为操作线。OP线与（2）线的交点相应相负荷为Vs,max,OP线与气相负荷下限线（4）的交点相应气相负荷为Vs,min。图见坐标纸。可知本设计塔板上限由液泛控制，下限由漏液控制。读图，提偕段的操作弹性1423.38V

27、s,min0.42 九、精偕塔接管尺寸计算1.塔顶蒸气出口管选择蒸气速度u18m/s,则按照GB816587,选择热轧无缝钢管2456.5mm核算u竺40.551,11.69m/s，在1020m/s之间，可用d23.140.2452选择回流液流速u0.4m/s,则按照GB816587,选择冷轧无缝钢管452mm核算u竺40.00060.377m/s，在0.20.5m/s之间，可用d23.140.0452进料管选择进料液流速u2.0m/s,则按照GB816587,选择冷轧无缝钢管422mm核算u竺40.00212l.52m/s，在1.52.5m/s之间，可用。d23.140.0422塔釜出料管选

28、择塔釜出料液流速u0.8m/s,则按照GB816587,选择冷轧无缝钢管832mm核算u缉40.0030920.57m/s，在0.51.0m/s之间，可用。d23.140.0832加热蒸气进口管选择蒸气速度u15m/s，则按照GB816587,选择热轧无缝钢管24512mm核算u竺40.747212.3m/s，在1220m/s之间，可用d23.140.2452十产品冷却器选型基本物性数据的查取：塔顶氯苯含量较少，可按纯苯求取苯的定性温度tD=83.2C设水的进口温度为t125C根据设计经验，选择冷却水的温升为8C,则水的出口温度为t225833C253329C水的定性温度2查得苯在定性温度下的

29、物性数据密度：812.94kg/m3饱和蒸汽气化热：r=393.9kJ/kg查得水在定性温度下的物性数据密度：995.5kg/m3定压比热容：Cp4.174kJ/(kg-C)导热系数：k=0.618W/(m2C)黏度：=0.80X103Pas 热负荷计算：QM-Dr=78.11X47.31X393.9X103/3600=4.04X105W冷却水耗量:Wc4.04310512.11kg/sCpc(t2-t)4.17410*33-25 确定流体的流径该设计任务的热流体为苯，冷流体为水，为使苯能通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令苯走壳程，水走管程计算平均温度：暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时

30、平均温度差苯T83.2-83.2冷却水t33-25t50.258.2 计算R和P:R旦&0,P0.137t2-tiTiti查表得：t1,因t0.8，选单壳程可行。 选择换热器型号由于两流体温差e50C，壳选用固定管板式换热器的系列标准(JB/T4715-92)选择主要参数如下:公称直彳5DN400mm公称压力NP1.6MPA即数&p4管子尺寸252.5管子根数n94管长6000mm管中心距32mm中心排菅数11管子排列方式正三角形0.0163m2管程流通面积实际换热面积S0nd0(L0.1)94一一一，一一、一23.140.025(60.1)43.5m选K值，估算传热面积2参照

31、化工流体流动与传热附录二十六，初选取K=310W/(m-C)安全系数：43.523.0100%89.1%,传热面积的裕度可满足工艺要求。23.0采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：5K04.0410172W/(m2C)S0tm43.554.10验算：%3%2仆。卜15,符合实际标准卜一、设计结果一览表物料衡算结果序号项目符号单位数值备注1塔顶摩尔分数Xd10.9862塔顶平均摩尔质量MDkg/kmol78.6080.87气相液相3塔顶流量Dkmol/h45.074进料摩尔分数Xf10.6385进料液平均摩尔质量Mfkg/kmol82.0791.17气相液相6进料流量Fkmol/h

32、73.247塔釜摩尔分数xw10.0038塔釜平均摩尔质量Mwkmol/h112.46112.53气相液相9塔釜产品流量W25.93精偕塔工艺条件及有关物性数据计算结果序号项目符号单位精偏段提偏段备注1每层塔板压降PkPa0.7Et0.482平均压力PmkPa108.48116.533平均温度tmoC88.8115.74平均粘度mmPas0.2860.2355液相平均摩尔质量MLmkg/kmol86.02101.856气相平均摩尔质量Mvmkg/kmol80.3497.277液相平均密度Lmkg/m3855.51934.248气相平均密度Vmkg/m32.93.519平均表面张力LmmN/m2

33、1.2720.24浮阀塔板工艺设计结果序号项目符号单位数值备注1堰长lWm0.792精留2堰局hWm0.00.0段和提6452偕段塔3弓形降液管界面积Afm0.057径、堰4弓形降液管宽度Wdm0.124高、降液5降液管底隙高度h°m0.00.0管底隙1224高度进6横排孔心距tm0.075行统一7排间距tm0.080圆整，以8浮阀数N°18492便加工。9开孔率%12.13.7899接管尺寸计算结果序号项目规格材料1塔顶蒸气出口管2456.5热轧无缝钢管2塔顶回流液管452.0冷拔无缝钢管3进料管422.0冷拔无缝钢管4塔釜出料管832.0冷拔无缝钢管5加热蒸气进口管24512.0热轧无缝钢管十二、对设计过程的评述1. 浮阀塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低。2. 作图和读数会有人为误差，计算时保留小数位数不同，采用近似计算等都会造成一定误差，但作为工程上的初步计算，可认为基本准确合理。3. 由于理论知识不够，在选材设计上参考了大量资料、手册等，故计算结果可能近似或雷同。4. 精偕段和提偕段塔径、堰高、降液管底隙高度进行统一圆整，以便加工5. 为设计为常规练习设计，还有