2022年苯氯苯板式精馏塔工艺方案 .pdf

个人资料整理仅限学习使用化工原理课程设计苯 -氯苯板式精馏塔的工艺设计工艺计算书目录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计苯-氯苯分离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，塔顶馏出液中含氯苯不高于 2% 。原料液中含氯苯为38% 以上均为质量 % ）。二操作条件1. 塔顶压强 4kPa；5. 单板压降不大于 0.7kPa；三塔板类型筛板或浮阀塔板 F1型）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用四工作日每年 300 天，每天 24 小时连续运行。五厂址厂址为天津地区。六设计内容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物性数据的计算；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. 绘制生产工艺流程图；10. 绘制精馏塔设计条件图；11. 绘制塔板施工图 可根据实际情况选作）；12. 对设计过程的评述和有关问题的讨论。七设计基础数据苯-氯苯纯组分的饱和蒸气压数据温度， /kg(气 E液流收缩系数，无因次ET总板效率，无因次F气相动能因子， kg1/2/(s.m1/2 F0筛孔气相动能因子，g重力加速度，9.81m/s2h填料层分段高度，m HETP关联式常数h1进口堰与降液管间的水平距离，m hc与干板压降相当的液柱高度，m液柱hd与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m hf塔板上鼓泡层高度， m hl与板上液层阻力相当的液柱高度，m液柱hL板上清液层高度， m hmax允许的最大填料层高度，m h0降液管的低隙高度， m hOW堰上液层高度， m hW出口堰高度， m hW进口堰高度， m h 与克服表面张力的压降相当的液柱高度，m液柱H板式塔高度， m 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用溶解系数， kmol/(m3kPaHB塔底空间高度， m Hd降液管内清液层高度，m HD塔顶空间高度， m HF进料板处塔板间距，m HOG气相总传质单元高度，m HP人孔处塔板间距， m HT塔板间距， m H1封头高度，H2裙座高度，HETP等板高度，m kG气膜吸收系数，kmol/m2?h?kPa）kL液膜吸收系数，m/h K稳定系数，无因次KG气膜吸收系数kmol/m2?h?kPa）lW堰长， m Lh液体体积流量，m3/h Ls液体体积流量，m3/h Lw润湿速率，m3/m?h）m相平衡常数，无因次n筛孔数目NOG气相总传质单元数，NT理论板层数P操作压力，Pa P压力降， Pa PP气体通过每层筛板的压降，Pa r 鼓泡区半径， m u空塔气速， m/s uF泛点气速， m/s u0气体通过筛孔的速度，m/s u0，min漏液点气速， m/s u0液体通过降液管底隙的速度，m/s U液体喷淋密度，m3/m2?h）UL液体质量通量，/m2?h）Umin最小液体喷淋密度，m3/m2?h）Uv气体质量通量，/m2?h）Vh气体体积流量， m3/hVs气体体积流量，m3/h wL液体质量流量，/h wV气体质量流量， /h Wc边缘无效区宽度， m Wd弓形降液管宽度， m x液相摩尔分数X液相摩尔比y气相摩尔分数Y气体摩尔比Z填料层高度，m 充气系数，无因次；筛板厚度，m 空隙率，无因次液体在降液管内停留时间，s 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用粘度，Pa?s 密度，kg/m3表面张力，N/m 开孔率或孔流系数，无因次填料因子，l/m 液体密度校正系数，无因次下标max最大的min最小的L液相V气相设计方案一设计方案的思考通体由不锈钢制造，塔节规格25100mm 、高度 0.5 1.5m，每段塔节可设置 12 个进料口/ 测温口，亦可结合客户具体要求进行设计制造各种非标产品。整个精馏塔包括：塔釜、塔节、进料罐、进料预热器、塔釜液储罐、塔顶冷凝器、回流比控制器、产品储罐等。塔压降由精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用变送器测量，塔釜上升蒸汽量可通过采用釜液温度或灵敏板进行控制，塔压可采用稳压阀控制，并可装载自动安全阀。为使塔身保持绝热操作，采用现代化仪表控制温度条件，并可在室温300范围内任意设定。同时，为了满足用户的科研需要，每一段塔节内的温度、塔釜液相温度、塔顶气相温度、进料温度、回流温度、塔顶压力、塔釜压力、塔釜液位、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，对液体负荷变化敏感，不适宜处理易聚合或者含有固体悬浮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结构复杂板式塔的设计资料更易得到，而且更可靠。浮阀塔更适合塔径不很大，易气泡物系，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），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至后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，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的确定及工艺流程的说明本设计任务为分离苯-氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。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入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。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2 倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。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78.11 kg/kmol和 112.61kg/kmol 。苯的摩尔质量：=78kg/kmol 氯苯的摩尔质量：=112.61kg/kmol 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用二）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量三）料液及塔顶底产品的摩尔流率物料衡算、原料处理量. 总物料衡算：笨物料衡算：联立解得： D=37.04mol/h W=41.6kmol/h 三塔板数的确定一）理论塔板数的求取苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法M T 法）求取，步骤如下：1. 根据苯 - 氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取依据，将所得计算结果列表如下：表 3-1 相关数据计算温度， ）80 90 100 110 120 130 131.8 苯760 1025 1350 1760 2250 2840 2900 氯苯148 205 293 400 543 719 760 两相摩尔分率x 1 0.677 0.442 0.265 0.127 0.019 0 y 1 0.913 0.785 0.614 0.376 0.071 0 本题中，塔内压力接近常压实际上略高于常压），而表中所给为常压下的相平衡数据，因为操作压力偏离常压很小，所以其对平衡关系的影响完全可以忽略。2. 确定操作的回流比R 将表 3-1 中数据作图得曲线。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用图 3-1 苯氯苯混合液的xy 图在图中对角线上自点0.47,0.47 ）作垂线即为进料线 q 线）该线与平衡线的交点坐标为：故最小回流比：操作回流比：精馏塔的气液相负荷3. 求理论塔板数求操作线方程：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用图 3-2 苯- 氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解图解得块不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第 4 块为加料板位置。二）实际塔板数1.采用图解法求理论塔板层数总理论塔板数：进料板位置：实际板层数的求取精馏段实际板数：提馏段实际板数：四塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算一）平均压强塔顶操作压力每层塔板压降进料板压力精馏段平均压力二）平均温度依据操作压力，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，计算结果如下：塔顶温度进料板温度精馏段平均温度三）平均分子量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用塔顶平均摩尔质量计算：由查平衡曲线得进料板平均摩尔质量计算由图解理论板得：精馏段平均摩尔质量：四）平均密度由理想气体状态方程计算即：液相平均密度计算：塔顶液相平均密度计算：由，查手册得进料板液相平均密度计算：由，查手册得进料板液相的质量分数计算：精馏段液相平均密度为：五）液体的平均表面张力附：表 4-2 组分的表面张力mN/m ）温度， ）80 85 110 115 120 131 苯21.2 20.6 17.3 16.8 16.3 15.3 氯苯26.1 25.7 22.7 22.2 21.6 20.4 双组分混合液体的表面张力可按下式计算：为 A、B组分的摩尔分率）计塔顶液相平均表面张力计算：由，查手册得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用进料板平均表面张力：由，查手册得精馏段平均表面张力：六）液体的平均粘度1. 液相平均粘度计算：由，查手册得进料板平均粘度计算：由，查手册得精馏段平均表面粘度：五精馏段的汽液负荷计算精馏段的气液相体积流率为：六塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算一）塔径1. 初选塔板间距及板上液层高度，则：2. 按 Smith 法求取允许的空塔气速即泛点气速）查 Smith 通用关联图得负荷因子精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用泛点气速：m/s 3. 取安全系数为 0.7 ，则空塔气速为4. 精馏段的塔径圆整取，此时的操作气速。5. 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600mm 故精馏塔的高度为2.25+4.5+0.6=7.35m 二）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。 1）溢流堰长 出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。 2）出口堰高对平直堰由及，查化工原理课程设计图5-5 得，于是：满足要求） 3）降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下 P147图 11-16 得，即：，。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用液体在降液管内的停留时间满足要求） 4）降液管的底隙高度液 体通 过降 液管 底 隙 的 流 速 一 般为 0.070.25m/s ， 取 液 体通 过降 液管 底隙 的流 速，则有：不宜小于 0.020.025m，本结果满足要求）2. 塔板布置 2m时，可达 100mm 。安定区宽度：规定m时mm ；m时mm ；本设计取mm ，mm 。 2）开孔区面积式中：3. 开孔数和开孔率取 筛 孔 的 孔 径， 正三 角 形 排列 ，筛 板 采 用 碳 钢， 其 厚 度， 且 取。故孔心距。每层塔板的开孔数孔）每层塔板的开孔率应在 515% ，故满足要求）每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速 由查图 5-10 得=0.772 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用 (2 气体通过液层的阻力由下式计算 m/s 查表 5-11，得=0.57. 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为气体通过每层塔板的压降为满足工艺要求）2. 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，故可忽略液面落差的影响。3. 液沫夹带式中：=2.50.06=0.15 在本设计中液沫夹带量在允许范围中。4. 漏液漏液点的气速精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用筛板的稳定性系数不会产生过量液漏）5. 液泛为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度苯氯苯物系属于一般物系，取=0.5 而板上不设进口堰，则成立，故不会产生液泛。七塔板负荷性能图1. 液沫夹带线 1）以气为限，求关系如下 7-1）式中：将已知数据代入式 7-1） 7-2）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用在操作范围内，任取几个值，依式 7-2）算出对应的值列于下表：表 7-1 0.0005 0.005 0.01 0.015 0.02 4.396 3.929 3.579 3.286 3.024 依据表中数据作出雾沫夹带线1）2. 液泛线 2） 7-3） 7-4）在操作范围内，任取几个值，依式 7-4）算出对应的值列于下表：表 7-2 0.0005 0.005 0.01 0.015 0.02 3.385 3.069 2.675 2.11 1.1 依据表中数据作出液泛线 2）3. 液相负荷上限线 3）以精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用 7-5）4. 漏液线 气相负荷下限线） 4）漏液点气速整理得： 7-6）在操作范围内，任取几个值，依式 7-6）算出对应的值列于下表：表 7-3 0.0005 0.001 0.01 0.015 0.63 0.65 0.87 0.96 依据表中数据作出漏液线 4）5. 液相负荷下限线 5）取平堰堰上液层高度m ，。 7-7）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用图 7-1 精馏段筛板负荷性能图在负荷性能图上，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控制，下限为漏液控制。由上图查得 Vs,max=3.17m3/s Vs,min=0.65m3/s 故操作弹性为：=4.88 八附属设备的的计算及选型 ( 一）塔体总高度板式塔的塔高如图8-1 所示，塔体总高度 式中 HD塔顶空间， m ；HB塔底空间， m ；HT塔板间距， m ；HT开有人孔的塔板间距，m ；HF进料段高度， m ； Np实际塔板数； S人孔数目 不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用二）塔顶空间 HD塔顶空间 见图 8-1）指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为 1.5 2.0 ）HT。若图 8-1 塔高示意图需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。三）人孔数目人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可隔 810 块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔46 块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450mm 本设计取 600mm ）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用图 8-1 板式塔总体结构简图四）塔底空间 HB塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体情况而定：当进料有15 分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取35 分钟，否则需有1015 分钟的储量，以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取35 分钟；对易结焦的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用物料，停留时间应短些，一般取11.5 分钟。精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、直接蒸汽鼓管、物料输送管及泵等。前四种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。下面简要介绍。和(b所示。将冷凝器与精馏塔作成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。图 8-2 冷凝器的型式2. 自流式如图 8-2c）所示。将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。3. 强制循环式如图 8-2d）、e）所示。当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 22 页