「设计一座苯氯苯连续板式精馏塔」

苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计苯-氯苯分别过程板式精馏塔设计任务一.设计题目设计一座苯－氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.8%的氯苯５0000t，塔38%(以上均为质量%)。二．操作条件4kPa(表压2.进料热状况，自选;回流比,自选;塔底加热蒸汽压力0.5MPa(表压);三.塔板类型筛板或浮阀塔板〔Ｆ１型)。四.工作日五.厂址六．设计内容精馏塔的物料衡算;塔板数确实定;精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；精馏塔的塔体工艺尺寸计算；塔板主要工艺尺寸的计算;塔板的流体力学验算;塔板负荷性能图;精馏塔接收尺寸计算；绘制生产工艺流程图;〔可依据实际状况选作)；１2.对设计过程的评述和有关问题的争论。七．设计根底数据131.温度,〔℃)131.温度,〔℃)80901０0１10１2013０8p×i102１３１7２829０苯76０2250５ ５0 ６０ ４0０0．133-1２０ｋPa氯苯1４829340054371976０５其他物性数据可查有关手册。设计方案一.设计方案的思考1~2。为使塔身保持绝热操作，承受现代化仪表把握温度条件，并可在室温～30釜液位、进料量等参数均可以数字显示。二．设计方案的特点浮阀塔应用广泛,物的物料浮阀塔涉及液体均布问题在气液接触需冷却时会使构造简洁板式塔的,腐蚀性物系,而且适合真空操作。三.工艺流程原料液由泵从原料储罐中引出,在预热器中预热后送入连续板式精馏塔(筛板塔余作为产品经冷却至后送至产品槽;塔釜承受热虹吸立式再沸器供给气相流,塔釜残液送至废热锅炉。苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书一．设计方案确实定及工艺流程的说明本设计任务为分别苯－氯苯混合物。对于二元混合物的分别，应承受连续经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分别物系,最小回流比较小，故操作罐。二.全塔的物料衡算(一)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７8.11kg／kｍｏｌ和１12.6１kg/kmｏl。x 62/78.11 0.702F 62/78.1138/112.61x 98/78.11 0.986D 98/78.112/112.61x 0.2/78.11W 99.8/112.61

0.00288〔二)平均摩尔质量M＝７8．11×0.702＋(1－0.70２)×112.6１＝8８.3９kg/kmｏlFM 78.110.98610.986112.6178.59kg/kmolDM 78.110.0028810.00288112.61112.5kg/kmolW〔三〕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：W′＝500００t/a＝6944.4kg/h,全塔物料衡算:F′＝Ｄ′＋Ｗ′0.38F′＝0.０2D′+０．９９8Ｗ′F′＝１８８６5.6kg／h kｍｏl/hＤ′=１1９21.2kg／h Ｄ＝11921.2/78.5９＝151．６9kmｏl／hｏl/h

W′＝６９44．4ｋg/h W=8９４4.４/１１2.5=61.７3ｋm三.塔板数确实定(一)理论塔板数N 的求取T苯－氯苯物系属于抱负物系,可承受梯级图解法〔M·T法)求取N ,步骤如T下：x~y

pp /pp ，ypx/p

,将所得计算结果列表如下：t B A B A t表3-１ 相关数据计算温度,〔℃) 80 90

１０1１0 0

130

131.8苯 76０ pi

1３5０

１760氯苯１48氯苯１48205293０５437197６0两相x10.677０.44２0．26５0.1２70．0190摩尔0.910．7０．0.３0.07分率y1３8561４７61０

２２ ２84 5０ ０ 00此题中,塔内压力接近常压〔实际上略高于常压x~y平衡关系的影响完全可以无视。确定操作的回流比R3-1x~y曲线。图３－1 苯—氯苯混合液的x—y图x~y图上,因q1ye0.925xexF0.702xD0.986。故有：R xDye

0.9860.9250.274m y xe e

0.9250.702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,即：R2R 20.2740.548m求精馏塔的汽、液相负荷L=RD=０．５４8×151．69=8３.1３ kmol／hV=(R＋１)D=〔０.54８+1〕×1５1．69=23４.82 L′=Ｌ＋F=83.１3+21３.44＝2９６.57ｋmol/ｈＶ′=Ｖ＝23４.82 kｍol/h求理论塔板数y

x D 0.35x0.64R R1 RR L Wy

VxVx

1.26x0.000757w提馏段操作线为过0.00288,0.00288和0.702,0.884两点的直线。图3－2 苯-氯苯物系精馏分别理论塔板数的图解NT9.518.5块〔不含釜NT13块，提馏段NT25.5块,第４块为加料板位置。(二〕NpET选用E 0.170.616logμ 公式计算。该式适用于液相粘度为0.０7~1.4T m为全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度。m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：μ 0.24mPas，μ 0.34mPas。A B xm A

B

0.240.7020.3410.7020.2698E 0.170.616logT m

0.170.616log0.26980.52２．实际塔板数N 〔近似取两段效率一样)p精馏段：N 块,取N 6块p1 p1提馏段:N 5.5/0.5210.58块,取N 11块p2 p2总塔板数N N N 17块。p p1 p2四．塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算〔pm取每层塔板压降为0.７kＰａ计算。塔顶：p 101.34105.3kPaDpF

105.30.76109.5kPapm

105.3109.5/2107.4kPa(二〕平均温度tm和蒸汽压由安托尼方程计算，计算结果如下：塔顶温度t

80℃D加料板t

88℃。Ft m(三)平均分子量Mm塔顶：y x1 D

0.986，x1

0.940(查相平衡图)M 0.98678.1110.986112.6178.59kg/kmolVD,mM 0.94078.1110.940112.6180.18kg/kmolLD,myF

0.925，xF

0.702〔查相平衡图)MVF,mMLD,m

0.92578.1110.925112.6180.70kg/kmol0.70278.1110.702112.6188.39kg/kmol

V,m

78.5980.70/279.65kg/kmolML,m

80.1888.39/284.29kg/kmol〔四〕ρm

L,m

表4-1 温度,(℃)80９０10０1１012０1３0苯81780５79３７8２７70757ρ1０２ρ1０２氯苯 1039 1０1８1008９97985８苯 ：ρA9121.187t 推举:ρA912.131.1886t氯苯 ：ρB11271.111t 推举:ρB1124.41.0657ttρLDA912.131.1886t912.131.188680817.0kg/m3ρ 1124.41.0657t1124.41.0657801039.1kg/m3LD,B1 aA

a 0.98 0.02

820.5kg/m3ρLD,m

ρA

ρLD,B

817.0 1039.1

LD,m进料板:ρ 912.131.1886t912.131.188688807.5kg/m3LF,Aρ 1124.41.0657t1124.41.0657881030.6kg/m3LF,B1 aA

aB

0.62 0.38 807.5 1030.6

879.88kg/m3LF,m

LF,A

LF,B

L,m

820.5879.88/2850.19kg/m3

V,m pm

V,m

107.479.65

2.88kg/m3MV,m RTMm

8.314

27384〔五)液体的平均外表张力σm〔℃〕８０８５１１0１1512０１31〔℃〕８０８５１１0１1512０１31１苯2１.220.6１7．316.315．３６.8σ2２. 2 2０.氯苯 ２６.1２5．7 22．7２ １．６ ４双组分混合液体的外表张力σ 可按下式计算：mσ

AσB

为A、B组分的摩尔分率〕m σ xA B

σ x A BB A计算得,塔顶:σ 21.08mN/m;σ 26.02mN/m〔８0℃〕D,A D,B σσ

21.0826.02 ABσD,mσxAB

21.14mN/mσxA B B A

21.080.01426.020.986σFA20.20mN/mσF,B25.34mN/m(88℃〕

20.2025.34 A B 20.20mN/mF,m

x x 20.200.29825.340.702A B B A F精馏段: 21.1420.20/220.67mN/mm氯苯的汽化潜热:35.３×103kＪ/ｋmol。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示:r t2 c

t 0.382

〔氯苯的临界温度：t 359.2C)c1

t tc 1

L,m塔顶：查化工原理附录11,在8０℃下有:μLD,m

μx ADμx BD

0.3150.9860.4450.0140.317mPas加料板: 0.280.7020.410.2980.318mPasLF,m馏段: 0.3170.318/20.3175mPasL,m五．精馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率VR1D1.548151.69234.82kmol/hVM汽相体积流量V

1.804m3/ss 3600

36002.88汽相体积流量V 1.804m3/s6494.4m3/hhLRD0.548151.6983.13kmol/hLM液相体积流量L L,m

0.00229m3/ss 3600

L,m

3600850.19Lh0.00229m3/s8.24m3/h冷凝器的热负荷QVr235.3378.59310/36001593kW六．塔和塔板主要工艺构造尺寸的计算〔一〕塔径１.初选塔板间距H 450mm及板上液层高度h 60mm,则:T LH h 0.450.060.39mT L2．按Sｍith法求取允许的空塔气速u (即泛点气速u )max FL

0.5 0.00229850.190.5VsL

1.804 2.88

0.0218 s

查Smｉtｈ通用关联图得C 0.0820负荷因子CC

0.2 2020

0.0820.670.20.0805 20 20 /LVVmax

0.0805

1.3808ｍ/s0.7，则空塔气速为u0.7u 0.9665m/smax精馏段的塔径s4s41.804/3.140.9665D1600mm，此时的操作气速u0.9665m/s。5.精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为Z〔N精

T

0.452.25m提馏段有效高度为Z〔N提

T

在进料板上方开一人孔,其高度为6０0ｍm故精馏塔的高度为ZZZ精

2.２5+4.5+０.6＝７.３５m塔板工艺构造尺寸的设计与计算1.溢流装置堰。溢流堰长(出口堰长〕lw取l 0.6D0.61.60.96mw堰上溢流强度L /lh w

8.24/0.968.583m3/mh100~130m3/mh,满足筛板塔的堰上溢流强度要求。〔2〕出口堰高hwh h hw L ow对平直堰how

h

/l2/3w由l /D0.6及Lw

/l2.58.24/0.962.59.13,查化工原理课程设计图５－5wE1,于是：h 00284124/962/3011m00m〔满足要求)owh h hw L

0.060.01190.0481m〔3〕降液管的宽度WAd f由l /D0.6，查化原下Pw 147

11-16Wd

/D0.11,A /Af T

0.056,即：W 0.176m，Ad

0.785D22.01m2,Af

0.11256m2。液体在降液管内的停留时间AH /Lf T

0.112560.45/0.0022922.12s5s(满足要求)〔４)降液管的底隙高度ho0.07~０.2５m/s的流速u0.08m/s，则有：oh Ls 0.00229 0.0298m(h

o lu 0.960.08 ow o要求〕２.塔板布置(１〕边缘区宽度W与安定区宽度Wc s边缘区宽度W:一般为５0~75mｍ，D>2mW100ｍm。c c安定区宽度W:规定D1.5ｍ时W 75ｍm；D1.5m时W 100ｍｍ；s s s本设计取W 60mm,W 100ｍm。c sAaA 2xa 0.7420.7420.5242

R2x2180RR2x2

R 0.52420.5241.408m2

1800.742sin1

0.740W0.80.1760.1000.524md sRD/2W 0.80.0600.740mc3．开孔数n和开孔率φ取筛孔的孔径d 5mm,正三角形排列，筛板承受碳钢,其厚度δ3mm，o且取t/d 3.0。故孔心距t3515mm。o1155103 1155103每层塔板的开孔数n A 1.4087228〔孔) t2 a

152 0.907 0.907每层塔板的开孔率φ

t/do

0.101φ5~15%，故满足要求)32Ao

Aa

0.1011.4080.142m2气体通过筛孔的孔速uo

V/As

1.804/0.14212.70m/s1.塔板压降(1)由d0/5/31.675－１0c0=０.77２2Vh 0.051uo 2V

0.05112.702

2.88

0.0468mc C o L

0.772

850.19 l

由下式计算hhl LVauAAa2.88T 2.88

1.8042.010.11256

0.95 m/ｓFu0

0.95v

1.61kg1/2/(sm1/2)5-11，得β=０．57．hh

(hh

)0.57(0.04810.0119)0.0342m液柱l L w ow〔3〕液体外表张力的阻力h计算液体外表张力所产生的阻力h

由下式计算h 4

420.67103gL

850.199.810.0050

0.0020m液柱气体通过每层塔板的液柱高度为h h hp c

h 0.04680.03420.00200.083m液柱气体通过每层塔板的压降为pp要求〕

ghL

850.199.810.083692.25Pa0.69kPa0.7kPa〔满足工艺液面落差对于筛板塔，液面落差很小,且本案例的塔径和液流量均不大，故可无视液面落差的影响。液沫夹带5.7106

3.2ae aV H h T fhf2.5hL=２.5×０.06=０.155.7106

3.2

5.7106 0.95 3.2e a V H h T f

20.67103

0.452.50.064.漏液漏液点的气速uom0.00560.130.00560.13h h /L L V.772 0.00560.130.060.0022850.19/2.884.406.23m/sKuouom５.液泛

12.72.041.5(不会产生过量液漏)6.24为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度H ΦH hd T w苯—氯苯物系属于一般物系,取φ=０.5HT

h0.50.450.04810.25mw而H hd

h hL d板上不设进口堰,则L 2

0.00213 2h 0.153 s 0.153 0.001md lhwo

1.120.0238H 0.0830.060.0010.144mdH ΦH h成立,故不会产生液泛。d T w七.塔板负荷性能图１．液沫夹带线〔1〕以e0.1kg液/kg气为限，求Vv

_L关系如下s5.7106 ue

3.2v〔７-1〕

HT

h f式中:u Vs Vs

0.53Va A AT f

2.010.11256 sh 2.5hf

w

h ow 3600L

2/32.50.04810.00284E l s w 3600L

2/32.50.04810.002841

s 0.121.71L2/3S将数据代入式〔7-1〕

0.96 5.7106 ss

0.53Vs

3.2

0.120.67103

0.50.121.71L2/3V 4.52420.359L2/3s s〔7-2〕L值，依式(7-２〕算出对应的V值列于下表:s sL,L,m3/ss０.0０050.００５0.０10.０１５0．0２V,m3/ss4.3963.9２93.５793.２８63.024依据表中数据作出雾沫夹带线〔1〕2.液泛线〔2)ΦH hh h h hT w p w ow d〔７－3)3600L2/3 3600L

2/3h 0.00284E l s

0.002841

s0.96wow w0.6855L2/3su 2 V 2 h0.051

o

V0.051

s V c o L V

CA o o L2 2.88

s 0.7720.1420.01438V2s

850.19hh h l w ow s0.027420.3907L2/3sh 0.002h hhh

0.02942p c l L 2

s s L 2s h s

0.153 0.96

186.95L2d lh wo

0.0298 s0.50.450.04810.01438V20.3907L2/3

0.0481s0.6855L2/3s

s186.95L2sV211.9374.84L2/313000.7L2s s s(7-4〕L值,依式(7－4〕算出对应的V值列于下表：s sL,L,m3/ss0.00０50．00５0.010.0150．0２V,m3/ss3.３85３.0692.675２.1１1.1〔２〕３.液相负荷上限线〔3)AHf以 L t5fsLs,max

HTAf

0.450.112565

0.01m3/s〔7-5〕〔气相负荷下限线)(4〕h h hL w owh 0.00284ELow

/l2/3w漏液点气速L L Vom oVs,min

4.4CA.00560.13h0.00284E0L2h3h/wLwLV.00560.130.0481.00560.130.04810.00284103600L23s0.96.19/2.88整理得：V2 s,min s〔7－6〕

L值,依式(７-6〕算出对应的V值列于下表：s sL,L,m3/ss0.00０５0.00１0．010．01５V,m3/ss0.６3０.65０.８7０.96〕5.液相负荷下限线〔5〕取平堰堰上液层高度h 0.006ｍ，E1.0。ow3600L

2/3 3600L

2/3h 0.00284E

s,minl

0.002841

s 0.006owLs,min〔7-7〕

w 8.19104m3/s

0.96 7-1在负荷性能图上,作出操作点Ａ，连接OＡ，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上线为液泛把握,下限为漏液把握。由上图查得Ｖ ＝３.１7ｍ3/ss,ｍaxV =0.６5ｍ3／sVVs,max=4．８8s,min

s,mｉn筛板塔设计计算结果序号１工程t，℃数值8４２ｍP,kＰａ107.4３mV，(m3/ｓ)1.８044sL，(m3/s)0.002２９５sN176p有效段高度Z,ｍ7.3５7D，ｍ１．５428H,ｍT0.4５9溢流形式单溢流10降液管形式平顶弓形1１l，m0.９６ｗ12h,m０．0481w13h，m0.０6L14h，m0.011９oｗ１5h,ｍ0.0298o１６W,m0.1s17边缘区宽度Ｗ,ｍ0.06c18A，m21.４０８a１9d,m0.０0520０筛孔数目ｎ722821t,m０.０１522开孔率φ，％１0.1２３空塔气速u，m/s0.9665２4u，m/s1２．700２5 K2６ P

,Pa

2.046９0ｐ2７ 负荷上限2８ 负荷下限2９ V３０ 气相负荷上限V ，m3/s

0．0１13．17ｓ,max31 气相负荷下限Ｖ

,ｍ３/s

0.65３2

s,mｉn

4.８77设计评述一．设计原则确定者在进展工程设计时应综合考虑诸多影响因素,使生产到达技术先进、经济合理的要求,符合优质、高产、安全、低