化工原理苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计.doc

前 言塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一,他可以使气(或汽)或液液两相紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各方面都有重大影响。塔设备中常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却和回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等。最常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还必须满足以下要求：1、生产能力大；2、操作稳定，弹性大；3、流体流动阻力小；4、结构简单、材料耗用量少，制造和安装容易；5、耐腐蚀和不易阻塞，操作方便，调节和检修容易。目 录苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计.3设计内容及要求 .3一、设计方案的确定 4二、精馏塔的物料衡算 4三、塔板数的确定 . 5四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算7五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.9六、塔板主要工艺尺寸的计算11七、筛板的流体力学验算 .13八、塔板负荷性能图 .15总 结 .21参考文献 .22设计任务书（一）题目试设计一座苯氯苯连续精馏塔，要求每日产纯度98.8%的苯90吨，塔顶馏出液中含苯不得高于0.2%，原料液中含苯32%（以上均为质量分数）。（二）操作条件（1）塔顶压强 5kPa（表压）；（2）进料热状况 泡点；（3）回流比 R=1.4Rmin；（4）单板压降 0.7 kPa；（5）加热蒸汽 低压蒸汽；（6）全塔效率 ET=52%；（7）建厂地址 南京地区。设计计算书一、设计方案的确定本任务是分离苯氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程，本设计采用板式塔连续精馏。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馏塔内。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、精馏塔物料衡算（以轻组分计算）1原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率苯的摩尔质量 氯苯的摩尔质量 2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 总物料衡算 苯物料衡算 联立解得 三、塔板数的确定1理论板数NT的求取（1）由手册查得苯氯苯物系的气液平衡数据，绘出xy图，见图。8090100110120130131.8101.33136.66179.99234.60299.99378.65386.6519.7327.3339.0753.3372.4095.86 101.331.0000.6770.4420.2650.1270.0190.0001.0000.9130.7850.6130.3760.0720.000（2）求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e（0.404,0.404）作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为yq=0.754故最小回流比为取操作回流比为 （3）求精馏塔的气、液相负荷 （4）求操作线方程精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 （5）图解法求理论板层数如附图1，将x=0.404带入精馏段操作线方程，得出y=0.655，在图中找出该点记为d，连接ad两点即得精馏段操作线；在对角线上找到c点（0.003，0.003），连接cd两点即得提馏段操作线。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 进料板位置 2 实际板层数的求解（试差法）假设总板效率ET=0.52精馏段实际板层数 提馏段实际板层数 （不包括再沸器）四、精馏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 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 2操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯、氯苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算。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塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 3平均摩尔质量的计算塔顶：由，查平衡曲线得 进料板：由图理论板得，查平衡曲线得 精馏段平均摩尔质量 4平均密度的计算（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，得精馏段 （2）液相平均密度计算 塔顶时， 进料板时， 精馏段液相平均密度为 5液相平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶时，查得 进料板时，查得 精馏段液相平均表面张力为 6. 液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即 塔顶时， 进料板时， 精馏段液相平均表面张力为 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 1塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为 由式中C由公式计算，其中可由史密斯关联图查出，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 由史密斯关系图得 取安全系数为0.7，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 D=0.7m塔截面积为实际空塔气速为2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精馏塔的有效高度为 六、塔板主要工艺尺寸的计算1 溢流装置的计算因塔径D=0.7m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1） 堰长（2） 堰高由选用平直堰，堰上液层高度由弗兰西斯公式求得（近似取E=1） 区板上清液层高度故 （3）弓形降液管的宽度和截面积当时，查表得 依照公式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。（5）降液管底隙高度 取 则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。2塔板布置（1）塔板的分块因，故塔板采用整块式（2） 边缘区宽度确定取。（3） 开孔面积计算开孔区面积 其中，（4） 筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为开孔率为气体通过阀孔的气速为七、筛板的流体力学验算1塔板压降（1） 干板阻力计算干板阻力由公式计算，即 由，查图得故(2)气体通过液层的阻力由下式计算 查图得=0.62 （3）液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由下式计算气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即其中故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4漏液对筛板塔，漏液点的气速可由下式计算实际孔速稳定性系数为故在本设计中无明显漏液。5.液泛为防止降液管发生液泛，降液管内液层高应服从以下关系，即苯氯苯物系属于一般物系，取，则而 板上不设进口堰，可由下式计算，即则液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象。八、塔板负荷性能图1.漏液线由 得 整理得 在操作范围内，任取几个值，依式上式计算出值，列于下表。 0.0006 0.0015 0.00300.0045 0.142 0.147 0.1540.159由上表数据即可作出漏液线1。2.液沫夹带线以气为限，求关系如下由 故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，列于下表。0.00060.00150.00300.00450.57450.53610.48680.4455由上表数据即可作出液沫夹带线2。3.液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度m作为最小液体负荷标准。取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。4.液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限，得故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5.液泛线令 由 ；联立得 忽略，将的关系式带入上式，并整理得 故 或 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，列于下表0.00060.00150.00300.00450.4790.4480.3800.271由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图所示。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，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 故操作弹性为所设计筛板的主要结果汇总表如下所示。 序号项目数值1平均温度tm，88.82平均压力Pm，kPa108.633气相流量Vs，（m/s）0.2774液相流量Ls，（m/s）0.00065实际塔板数226有效段高度Z，m8.87塔径，m0.78板间距，m0.409溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，m0.46212堰高，m0.052113板上液层高度，m0.0614堰上液层高度，m0.0079415降液管底隙高度，m0.01916安定区宽度，m0.06517边缘区宽度，m0.03518开孔区面积，m0.23219筛孔直径，m0.00520孔中心距，m0.01521筛孔数目119122开孔率， %10.123空塔气速，m/s0.71924筛孔气速，m/s11.8225稳定系数1.9526每层塔板压降，Pa681.527负荷上限液沫夹带控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带eV，(kg液/kg气)0.130气相负荷上限，m/s0.55531气相负荷下限，m/s0.14132操作弹性3.936总 结两个周的化工原理课程设计已经圆满结束。这要感谢我们的指导老师张老师和李老师对我们悉心的指导，感谢同学给予我的帮助。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合设计的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，所以我们就上网，图书馆找资料。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。验算的时候只要一个不合格，那么必须全部重来，不断的改正，不断地吸取教训，才能不断的进步，得到最终的设计成果。通过该课程设计，全面系统的理解了精馏塔的一般原理和基本实现方法。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的精馏塔的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己设计的精馏塔表示出来，加深了对理论知识的理解。以前对与精馏塔认识是模糊的，概念上的，现在通过自己动手做实验，从实践上认识了精馏塔是如何运行的，各个部件之间的关系，对精馏塔原理的认识更加深刻。在这次课程设计中，我就是按照实验指导的思想来完成。加深了理解精馏塔的内部功能及内部实现，培养实践动手能力。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计还存在一些瑕疵，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，结果固然重要，但过程才是最让人受益匪浅的。参考文献1.化工流体流动与传热，化学工业出版社，柴诚敬、张国亮，2004年2.化工传质与分离过程，化学工业出版社，贾绍义、柴诚敬，2005年3.化工原理课程设计，天津大学出版社，贾绍义、柴诚敬，2002年4化工原理（下），天津大学出版社，夏清、陈常贵，2005年5石油化工基础数据手册，化学工业出版社，卢焕章，1982年