苯-氯苯分离过程浮阀板式精馏塔设计(共35页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 化工原理课程设计分离苯氯苯混合液的浮阀塔工艺设计学 院： 化学化工与材料科学学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 09级本科2班 组 别： 第十一组 组 员：孙承鹏、孙翠翠、童玉洁、王惠 王克强、王青红、王午伟、王欣 王晓鹏、王永见、王言伟 指导教师： 鞠彩霞 设计时间： 2012年6月17日至6月30日 年处理量15万吨苯-氯苯连续精馏塔设计任务书一、工艺要求原料：苯-氯苯溶液含氯苯38%（质量分数下同）， 要求氯苯纯度为99.8% 设计要求：塔顶的馏出液中氯苯含量不大于2%(质量分数)二、操作条件1、塔顶压力 4kPa(表压)2、进料热状况 自选3、回流比 自选4、平衡数据自查三、塔板类型：筛板塔或浮阀塔设计任务1、精馏塔的物料衡算2、塔板数的确定3、精馏塔的工艺条件及有关数据的计算4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算5、塔板主要工艺尺寸的计算6、塔板的流体力学验算7、塔板负荷性能图8、精馏塔接管尺寸计算9、绘制工艺流程图10、对设计过程的评述和有关问题的讨论目录一苯及氯苯性质的基本介绍1.1苯的基本介绍第一部分：化学品名称中文名称苯 英文名称Benzene 分子比例模型第二部分：理化特性 分子式C6H6分子量78.11熔点()5.51 闪点()-11沸点() 80.1引燃温度()562.2(20): nD=14462相对密度(水=1)外观与性状苯在常温常压下为具有芳香气味的无色透明挥发性液体相对蒸气密度(空气=1)(38,空气=1): 1.4饱和蒸气压(kPa)(26.1): 13.33kPa燃烧热(kJ/mol)液体,25: 3269.7KJ/mol临界温度()288.94临界压力(MPa)4898kPa爆炸下限%(V/V)1.3爆炸上限%(V/V)7.1溶解性苯难溶于水，但易溶于酒精、乙醚、丙酮、氯仿、汽油、二硫化碳等有机溶剂主要用途基本化工原料，用作溶剂及合成苯的衍生物、香料、染料、塑料、医药、炸药、橡胶等废弃处置方法用焚烧法处置制备或来源从煤焦油中提取、从石油中提取、蒸汽裂解用途脂肪、树脂和碘等的溶剂。测定矿物折射指数。有机合成。光学纯溶剂。高压液相色谱溶剂。危险性概述由于苯的挥发性大，暴露于空气中很容易扩散。人和动物吸入或皮肤接触大量苯进入体内，会引起急性和慢性苯中毒。有研究报告表明，引起苯中毒的部分原因是由于在体内苯生成了苯酚。特别注意：长期吸入会侵害人的神经系统，急性中毒会产生神经痉挛甚至昏迷、死亡。在白血病患者中，有很大一部分有苯及其有机制品接触历史。泄漏应急处理迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防毒服。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源，防止进入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏：用活性炭或其它惰性材料吸收。也可以用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，洗液稀释后放入废水系统。大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容；用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。喷雾状水冷却和稀释蒸气、保护现场人员、把泄漏物稀释成不燃物。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内。回收或运至废物处理场所处置。当苯泄漏进水体应立即构筑堤坝，切断受污染水体的流动，或使用围栏将苯液限制在一定范围内，然后再作必要处理；当苯泄漏进土壤中时，应立即将被沾溻土壤全部收集起来，转移到空旷地带任其挥发。安全措施贮于低温通风处，远离火种、热源。与氧化剂、食用化学品等分储。禁止使用易产生火花的工具。灭火：泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。 灭火方法燃烧性：易燃 灭火剂：泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。用水灭火无效。 紧急处理吸入：迅速脱离现场至新鲜空气处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 误食：饮足量温水，催吐，就医。 皮肤接触：脱去被污染衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。 眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。1.2氯苯的基本简介第一部分：化学品名称中文名称氯苯 英文名称chlorobenzene 分子比例模型第二部分：理化特性 分子式C6H6Cl分子量112.56熔点()-45.2闪点()28沸点()132.2相对密度(水=1)1.1外观与性状无色透明液体，具有不愉快的苦杏仁味相对蒸气密度(空气=1)3.9饱和蒸气压(kPa)1.33引燃温度（）590临界温度()359.2临界压力(MPa)4.52爆炸下限%(V/V)1.3爆炸上限%(V/V)9.6溶解性不溶于水，溶于乙醇、乙醚、氯仿、二硫化碳、苯等多数有机溶剂主要用途制备或来源用苯直接氯化制氯苯的方法，氧氯化法危险性概述健康危害：对中枢神经系统有抑制和麻醉作用；对皮肤和粘膜有刺激性。急性中毒：接触高浓度可引起麻醉症状，甚至昏迷。脱离现场，积极救治后，可较快恢复，但数日内仍有头痛、头晕、无力、食欲减退等症状。液体对皮肤有轻度刺激性，但反复接触，则起红斑或有轻度表浅性坏死。慢性中毒：常有眼痛、流泪、结膜充血；早期有头痛、失眠、记忆力减退等神经衰弱症状；重者引起中毒性肝炎，个别可发生肾脏损害。 环境危害：对环境有严重危害，对水体、土壤和大气可造成污染。 燃爆危险：该品易燃，具刺激性。急救措施皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。 眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。 吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 食入：饮足量温水，催吐。就医。消防措施有害燃烧产物：一氧化碳、二氧化碳、氯化物。 灭火方法：喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。 灭火剂：雾状水、泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。泄漏应急处理应急处理：迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防毒服。尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。 小量泄漏：用砂土或其它不燃材料吸附或吸收。也可以用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，洗液稀释后放入废水系统。 大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容。用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。操作处置与储存操作注意事项：密闭操作，局部排风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防毒面具（半面罩），戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶耐油手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂接触。灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。 储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30。保持容器密封。应与氧化剂分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。二、塔的工艺计算已知参数：苯、氯苯混合液处理量，F5000kg/h；回流比R（自选）；进料热状况，；塔顶压强，；单板压降不大于。已知数据如下表所示：表3-1 苯和氯苯的物理性质项目分子式分子量M（g/mol）沸点（K）临界温度tC（）临界压强PC（atm）苯AC6H678.114353.3562.148.3氯苯BC6H5Cl112.559404.9632.444.6表3-2 苯和氯苯的饱和蒸汽压温 度 ( )8090100110120130131.8,mmHg760102513501760225028402900，mmHg148205293400543719760X10.6770.4420.2650.1270.01930y10.9130.7850.6130.3760.07220表3-3 液体的表面张力（）温度()8090100110120130苯，mN/m21.220.617.316.816.315.3氯苯，mN/m26.125.722.722.221.620.4表3-4 苯与氯苯的液相密度温度()8090100110120130苯,kg/817805793782770757氯苯,kg/1039102810181008997985表3-5 液体粘度µ温度()6080100120140苯（mP.s）0.3810.3080.2550.2150.184氯苯（mP.s）0.5150.4280.3630.3130.2742.1塔的物料衡算1料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分率 2平均分子量 2.2、全塔物料衡算一年按300天算，每天工作24h，三个精馏塔同时进行，则每个精馏塔的原料液处理量为6944、44kg/h原料液处理量：F=6944、44/88.39=78.5659kmol/h总物料衡算：78.5659=D+W （1） 易挥发组分物料衡算：78.5659×0.7016=0.986D+0.0029W （2）联立上式（1）、（2）解得： 2.3塔板数的确定2.3.1塔板数的计算1.由化工设计手册差的苯-氯苯气液平衡数据 并作x-y图2.采用作图法求最小回流比（如上图），在图中对角线上，自点e(0.7016,0.7016)作垂线ef即为q线，该线与平衡线交点坐标为（xq，yq）=（0.7016,0.925）故最小回流比为取操作回流比为3.求精馏塔气、液相负荷: 4.求操作线方程：精馏段操作线方程为：提溜段操作线方程为：5.在图中作出精馏段与提馏段操作线（如上图）用图解发求出理论塔板数：（不包括再沸器），其中精馏段塔板数为3，提馏段塔板数为6，进料位置 2.3.2 全塔效率由过程工程原理查表6-2，通过内插法得：塔顶温度：td=82.5 塔釜温度：tw=130.6采用奥康奈尔法求出总板效率：其中为塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度，查得为塔顶与塔底平均温度下的液相黏度，查得 将上述数据代入2.3.3 实际塔板数精馏段： 提馏段： 进料板位置 故实际塔板数：2.3.4操作压强塔顶压强，取每层板的压降为，则进料板的压强为：，塔底压强为：，精馏段平均操作压强为：=提馏段平均操作压强为： 2.3.5 温度根据操作压强,经计算得塔顶,，进料板温度，塔底：，则精馏段平均温度：，提馏段的平均温度：。2.3.6 平均分子量塔顶： ， 进料板：， 塔底：, 则精馏段平均分子量：， 提馏段平均分子量： 2.3.7 平均密度1.液相密度液相平均密度依下式计算，即塔顶：，塔顶：，加料板：由，由（为质量分率）故塔顶： ，即；塔底： ，即；进料板，由加料板液相组成，故故精馏段平均液相密度：提馏段平均液相密度：2. 气相密度由理想气体状态方程计算可得2.3.8. 液体表面张力由,，由 由 精馏段平均表面张力： 提馏段平均表面张力： 2.3.9 液体粘度 由由，由,l精馏段平均液相粘度： 提馏段平均液相粘度： 三、塔和塔板主要工艺尺寸的设计3.1塔径的计算塔板间距HT的选定很重要，可参照下表所示经验关系选取。表6 板间距与塔径关系塔径DT，m0.30.50.50.80.81.61.62.02.44.0>2.4板间距HT，mm200300300350350450450600500800>=600图4-1 SMITH 关联图3.1.1精馏段的计算 1.精馏段气液体积流率：2.由式中C依式计算，其中C20可由史密斯关联图查出，图的横坐标为取板间距,板上液层高度,则查史密斯关联图，可得。3.可取安全系数为0.6,（安全系数0.60.8），则故。按标准,塔径圆整为1.2m,塔截面积 实际空塔速度 3.1.2提馏段的计算：1.提馏段气液体积流率：查图的横坐标为 查史密斯关联图，可得；依式故按标准,塔径圆整为1.2m,塔截面积： 实际空塔速度：3.2塔高的计算1. 精馏塔的有效高度精馏段 提馏段 在进料板上方开一入孔，提馏段中开两个入孔，其高度为0.8m,则有效高度为2. 全塔的实际高度取进料板板间距为0.45m,开孔处板间距为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,则全塔高为3.3溢流装置的计算根据塔径和液体流量，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。各项计算如下：1.溢流堰长：单溢流取（0.6-0.8）D，取堰长为0.66D，即2.出口堰高：，选用平直堰，堰上液层高度由佛兰西斯公式求得：由，精馏段： 取提馏段： 3.降液管的面积：由查弓形降液管的宽度与面积得： , ，塔的相对操作面积为4.降液管底隙高度：则降液管底隙高度为精馏段：提馏段：5.液体在降液管里停留的时间精馏段：1=3600×(AfHT)/LH1=42.84>5s提馏段：2=3600×(AfHT)/LH2=11.12>5s故降液管设计合理。3.4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32-34g浮阀塔板结构图如下所示：1.阀孔临界速度精馏段提馏段 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 ，安定区宽度 开孔区面积，即： =0.7646 其中 2.提馏段塔板布置取边缘区宽度，安定区宽度开孔区面积 =0.8293其中3.浮阀数n与开孔率阀孔气速，其中，型浮阀阀孔直径为浮阀数目,开孔率精馏段提馏段 浮阀排列方式采用等腰三角叉排，取同一个横排的孔心距t=0.075，则排间距t：精馏段提馏段 考虑到孔径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用100mm，而应小于此值。故取t=65mm=0.065m按t=75mm，t=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数105个按N=105个重新核算孔速及阀孔动能因数，精馏段 : 阀孔动能因数变化不大，开孔率=10.03浮阀排列方式如图所示 图4-2阀孔排列方式提馏段阀孔动能因数变化不大，开孔率=11.09浮阀排列方式如图所示：图4-3 提馏段阀孔排列方式3.5浮阀塔板的流体力学验算3.5.1塔板流体力学验算（精馏段）1. 气相通过浮阀塔板的压降，可根据计算1) 气相通过浮阀 因 故液柱 2）表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： 液柱 3) 板上充气液层阻力：本设备分离苯-氯苯混合液，即液相为碳氢化合物，可取充气系数，所以液柱2. 淹塔：为了防止淹塔现象发生要求控制降液管中清液层高度，液体通过降夜管的压头损失 液柱取可见符合防止淹塔要求3.雾沫夹带泛点率=及泛点率=板上液体流径长度板上液流面积苯-氯苯为正常系统，取物性系数K=1，查泛点负荷系数所以泛点率=33.76%，泛点率都在80%以下可知雾沫夹带量能够满足3.5.2塔板负荷性能图1. 雾沫夹带线泛点率=按泛点率为80%计算如下，,整理得， 由上式可知雾沫夹带线为直线，在操作范围内任取两个0.0010.0071.651.52作出雾沫夹带线(1)2.液泛线 联立忽略因物系定塔板结构尺寸定则， 在操作范围内任取若干个0.0010.0030.0050.0071.441.331.170.92作出液泛线（2）3.液相负荷上限线：液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3-5s，从求出上限液体流量Ls为常数，在4.漏液线对于5.液相负荷下限线取堰上液层高度依由此作出塔板负荷性能图（1）（2）（3）（4）（5） 由塔板负荷性能图可以看出任务规定的气液负荷下的操作点，设计点处在适宜操作区的适中位置 图 3-3 精馏段负荷性能图（H表示液泛线，I表示液沫夹带线，J表示液漏线，C表示负荷下限，E代表负荷上限，下同。）3.5.3塔板流体力学验算（提馏段）1.气相通过浮阀塔板的压降，可根据计算 1）干板阻力 因 故=0.0287 m液柱。 2）表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： 液柱 3)板上充气液层阻力：本设备分离苯-氯苯混合液，即液相为碳氢化合物，可取充气系数，所以液柱2.淹塔：为了防止淹塔现象发生要求控制降液管中清液层高度，液柱通过降液管的压头损失液柱液柱取可见符合防止淹塔要求3.雾沫夹带泛点率及泛点率=板上液体流径长度板上液流面积苯-氯苯为正常系统，取物性系数K=1，查泛点负荷系数所以泛点率=36.26%，泛点率都在80%以下可知雾沫夹带量能够满足液/kg气的要求3.5.4塔板负荷性能图1. 雾沫夹带线泛点率=按泛点率为80%计算如下，,整理得， 由上式可知雾沫夹带线为直线，在操作范围内任取两个0.0010.0071.5891.477作出雾沫夹带线(1)2.液泛线 联立忽略因物系定塔板结构尺寸定则， 在操作范围内任取若干个0.0010.0030.0050.0075.585.014.413.73作出液泛线（2）3.液相负荷上限线：液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3-5s，从求出上限液体流量Ls为常数，在4.漏液线对于5.液相负荷下限线取堰上液层高度依由此作出塔板负荷性能图（1）（2）（3）（4）（5）由塔板负荷性能图可以看出任务规定的气液负荷下的操作点，设计点处在适宜操作区的适中位置 图 3-4 提馏段负荷性能图3.6塔体接管设计1.塔顶蒸汽出口管径 2.回流管管径，管径为，选用3.塔底进气管,管径为，选用4.加料管管径 ， ，管径为，选用5.料液排出的管径，选用四、设计结果概要及汇总浮阀塔工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强、108.9163各段平均温度、87.25111.3平均流量气相、液相、实际塔板数、块713板 间 距HTm0.450.45塔 径、mm1.0221.022空塔气速、塔板溢流形式-单溢流型单溢流型溢流装置溢流管型式-平顶弓形溢流堰平顶弓形溢流堰堰 长m0.7920.65堰 高m底隙高度m阀孔阀孔数目N个95105孔 径m阀孔气速、m/s开孔率-单板压强降-0.70.7气相最大负荷0.6510.004气相最小负荷操作弹性-2.98748.0五工艺流程图六、总结在这个设计过程中，我们首先写策划书和查阅资料，查找数据和表图。由于自己的信息检索能力不强，在刚开始查找苯氯苯的相平衡数据时一度进入了茫然状态，只觉得大海捞针，却什么都查不到。随着最小回流比的确定，一切都步入了正轨。然而，问题又随之而来，排版，格式，字体，表格，行间距等等问题，都让这个平时从不接触word的我们一次一次有了挫败的感觉。一次次的查阅资料，请教同学，这才发现，平时不注意的office也有这么大的学问。辛苦是必然的，当然，还有莫大的成就感。这毕竟是我们几个人辛苦的成果。在本次设计任务中，我们有了解决真正工程问题的感觉，认识到各种经验公式对工程设计的重要性。这使我们将以前的学习中学习到的理论知识成功的运用到了实际工程的设计当中。专心-专注-专业