2022年苯氯苯板式精馏塔工艺设计方案.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 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运算书目 录名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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<表压）；2. 进料热状况,自选；3. 回流比,自选；4. 塔底加热蒸汽压力 0.5MPa表压 >；5. 单板压降不大于 0.7kPa；三塔板类型筛板或浮阀塔板 <F1型）；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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运算；4. 精馏塔的塔体工艺尺寸运算；5. 塔板主要工艺尺寸的运算；6. 塔板的流体力学验算；7. 塔板负荷性能图；8. 精馏塔接管尺寸运算；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 <可依据实际情形选作）；12. 对设计过程的评述和有关问题的争论；七设计基础数据苯- 氯苯纯组分的饱和蒸气压数据温度, <）80 90 100 110 120 130 131.8 ×苯760 1025 1350 1760 2250 2840 2900 0.133-氯苯148 205 293 400 543 719 760 1kPa 其他物性数据可查有关手册；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用符号说明：a 填料3 /m的有效比表面积,3 /mat填料的总比表面积,aw填料的润湿比表面积,/m3 2 Aa塔板开孔区面积, m2 Af降液管截面积, m2 A0筛孔总面积, m2 At塔截面积, mc0流量系数,无因次C计算umax带时的散负荷系数,气m/s d 填料直径m d0筛孔直径径,m D 塔m DL液体扩系数>/kg,m 2/s DV气体扩散系数, m 2/s夹量,kg液> ev液沫E液流收缩系数,无因次ET总板效率,无因次加分速度,9.81m/s2F气相动能因子, kg1/2/s.m1/2> F0筛孔气相动能因子,g重力h填料层段高度,m HETP关联式常数m 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,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答应的最大填料层高度,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 名师归纳总结 hW进口堰高度, m 表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱h 与克服第 4 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - H板式塔高度, m 3· kPa>个人资料整理仅限学习使用溶解系数, kmol/mHB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,系板,高度h.,m HETP等kG气膜吸收数2 kmol/<m.kPa）kL液膜速吸收系数无,m/h K稳固系数,无因次KG气膜吸取系数kmol/<m 2.h.kPa）体积流量,m 3/h lW堰长, m Lh液体Ls液体体积流量,m 3/h Lw润湿率,m 3/<mh）m相平衡常数,因次n筛孔数目 NOG气相总传质单元数,NT操理作论压板力层数P,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 降液管底隙的速度,m/s u0,min漏液点气速, m/s u0液体通过U液体喷淋通密度,m 3/<m 22/<m.h）UL液体质量量,.h）Umin最小液体喷通淋密度,m 3/<m 2.h）Uv气体质量量,2 /<m.h）Vh气体体积流量, m 3/h质体积流量,m 3/h Vs气体wL液体量流量,/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 名师归纳总结 x,液相；相摩摩尔筛板分,数X液尔比y气相体摩摩尔分数Y气尔比层高Z填料度m 充气系数无因次厚度m 第 5 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 体空隙个人资料整理仅限学习使用因,次率,无液在降液管内停留时间s 密,粘 3 kg/m度,Pa.,s 度表面张力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,无因次下最液大标max的min最小的L相V气相设计方案一设计方案的摸索名师归纳总结 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 个进料口第 6 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 / 测温口,亦可结合客户详细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、回流比掌握器、产品储罐等；塔压降由 变送器测量,塔釜上升蒸汽量可通过采纳釜液温度或灵敏板进行掌握,塔压可采纳稳压阀控 制,并可装载自动安全阀；为使塔身保持绝热操作,采纳现代化外表掌握温度条件,并可在室 温 300范畴内任意设定；同时,为了满意用户的科研需要,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,对液体负荷变化敏锐,不相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,而且更牢靠；浮阀塔更适合 作；三工艺流程塔径不很大,易气泡物系,腐蚀性物系,而且适合真空操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）,塔顶上升蒸汽流采纳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；塔釜采纳热虹吸立式再沸器供应气相流,塔釜残液送至废热锅炉；苯- 氯苯板式精馏塔的工艺运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别苯- 氯苯混合物；对于二元混合物的分别,应采纳连续精馏过程；设计中采纳泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内；塔顶上升蒸汽采纳全凝器冷凝,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；该物系属易分别物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的 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2 倍；塔釜采纳间接蒸汽加热,名师归纳总结 苯和氯苯的相对摩尔质量分别为78.11 kg/kmol和 112.61kg/kmol ；第 7 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<二）平均摩尔质量 MF 78.11 × 0.702 1 0.702>× 112.61 88.39kg/kmol <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 W0.38F 0.02D 0.998WF 18865.6kg/h F D 11921.2kg/h D W 6944.4kg/h W三塔板数的确定<一）理论塔板数 的求取18865.6/88.39 213.44kmol/h11921.2/78.59 151.69kmol/h8944.4/112.5 61.73kmol/h 苯- 氯苯物系属于抱负物系,可采纳梯级图解法<M·T 法）求取,步骤如下：1. 依据苯 - 氯苯的相平稳数据,利用泡点方程和露点方程求取依据表 3-1 ,将所得运算结果列表如下：131.相关数据运算温度, <）80 90 100 110 120 130 8 苯760 1025 1350 1760 2250 2840 2900 氯苯148 205 293 400 543 719 760 两相x 1 0.670.440.260.120.010 7 2 5 7 9 摩尔0 1 0.910.780.610.370.07分率y 3 5 4 6 1 此题中,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稳数据,名师归纳总结 由于操作压力偏离常压很小,所以其对平稳关系的影响完全可以忽视；第 8 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2. 确定操作的回流比R 个人资料整理仅限学习使用将表 3-1 中数据作图得曲线；xy 图图 3-1 苯氯苯混合液的在图上,因,查得,而,；故有：2 倍,即：考虑到精馏段操作线离平稳线较近,故取实际操作的回流比为最小回流比的求精馏塔的汽、液相负荷 L=RD=0.548× 151.69=83.13 kmol/h V=R+1>D=0.548+1>× 151.69=234.82 kmol/h L=L+F=83.13+213.44=296.57 kmol/h V=V=234.82 kmol/h 3. 求理论塔板数精馏段操作线：提馏段操作线：提馏段操作线为过和两点的直线；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-2 苯- 氯苯物系精馏分别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. 全塔效率选用 公式运算；该式适用于液相粘度为 0.071.4mPa· s 的烃类物系,式中的 为全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度；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：,；2. 实际塔板数 <近似取两段效率相同）精馏段：块,取块块提馏段：块,取总塔板数块；四塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的运算<一）平均压强取每层塔板压降为 0.7kPa 运算；塔顶：名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用加料板：平均压强<二）平均温度依据操作压力,由泡点方程通过试差法,运算出泡点温度,其中苯、氯苯的饱和蒸汽压由安托尼方程运算,运算结果如下：塔顶温度 80加料板 88；<三）平均分子量塔顶：,<查相平稳图）加料板：<查相平稳图）精馏段：<四）平均密度1. 液相平均密度表 4-1 组分的液相密度<kg/m 3）110 120 130 温度, <）80 90 100 苯817 805 793 782 770 757 氯苯1039 1028 1018 1008 997 985 纯组分在任何温度下的密度可由下式运算苯：举荐：氯苯 ：举荐：式中的 t 为温度,塔顶：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用进料板：精馏段：2. 汽相平均密度<五）液体的平均表面张力附：表 4-2 组分的表面张力<mN/m）115 120 131 温度, <）80 85 110 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运算：<80）<为 A、B组分的摩尔分率）运算得,塔顶：；进料板：；<88）精馏段：氯苯的汽化潜热：常压沸点下的汽化潜热为 35.3 × 10 3kJ/kmol ；纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表 示：<氯苯的临界温度：）<六）液体的平均粘度名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 塔顶：查化工原理附录11,在 80下有：个人资料整理仅限学习使用加料板：精馏段：五精馏段的汽液负荷运算汽相摩尔流率汽相体积流量汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量液相体积流量冷凝器的热负荷六塔和塔板主要工艺结构尺寸的运算<一）塔径1. 初选塔板间距 及板上液层高度,就：2. 按 Smith 法求取答应的空塔气速 <即泛点气速）查 Smith 通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s 3. 取安全系数为 0.7 ,就空塔气速为4. 精馏段的塔径名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 圆整取,此时的操作气速个人资料整理仅限学习使用；5. 精馏塔有效高度的运算 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运算 1. 溢流装置 采纳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,满意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：<满意要求） <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：,液体在降液管内的停留时间 <满意要求） <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 速名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用,就有：< 不宜小于 0.020.025m,本结果满意要求）2. 塔板布置 <1 ）边缘区宽度与安定区宽度可达 100mm；mm；边缘区宽度：一般为 5075mm,D >2m时,安定区宽度：规定m时mm；m时本设计取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%,故满意要求）每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速<三）筛板的流体力学验算1. 塔板压降 1> 由查图 5-10 得=0.772 2> 气体通过液层的阻力由下式运算名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 m/s 查表 5-11 ,得 =0.57. <3 ）液体表面张力的阻力 运算液体表面张力所产生的阻力 由下式运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<满意工艺要求）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,故可忽视液面落差的影响；3. 液沫夹带式中：=2.5 × 0.06=0.15 在本设计中液沫夹带量在答应范畴中；4. 漏液漏液点的气速筛板的稳固性系数 <不会产生过量液漏）5. 液泛名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用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,就成立,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）在操作范畴内,任取几个值,依式 <7-2）算出对应的值列于下表：表 7-1 名师归纳总结 0.0005 0.005 <1）0.01 0.015 0.02 第 17 页,共 22 页4.396 3.929 3.579 3.286 3.024 依据表中数据作出雾沫夹带线- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2. 液泛线 <2） <7-3） <7-4）在操作范畴内,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 <7-5）4. 漏液线 <气相负荷下限线） <4）漏液点气速名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用整理得：在操作范畴内,任取几个 <7-6值列于下表：）值,依式 <7-6）算出对应的表 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）图 7-1 精馏段名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用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掌握,下限为漏液掌握；由上图查得故操作弹性为： V Vs,max=3.17m 3/s s,min=0.65m 3/s =4.88 八附属设备的的运算及选型 一）塔体总高度板式塔的塔高如图 8-1 所示,塔体总高度 <不包括裙座）由下式打算： 8-1> 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； N p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）；<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；如图 8-1 塔高示意图需要安装除沫器时,要依据除沫器的安装要求确定塔顶空间；<三）人孔数目 人孔数目依据塔板安装便利和物料的清洗程度而定；对于处理不需要常常清洗的物料,可名师归纳总结 隔 810 块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需常常清洗,就每隔46 块塔板开一个人孔；人孔直径通常为450mm<本设计取 600mm）；第 20 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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名师归纳总结 - - - - - - -塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距；其值视详细情形而定：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,否就需有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；对易结焦的第 21 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 物料,停留时间应短些,一般取11.5 分钟；个人资料整理仅限学习使用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,并多采纳列管式换热器,管线和 泵属输送装置；下面简要介绍；<五）冷凝器 按冷凝器与塔的位置,可分为：整体式、自流式和强制循环式；1.整体式 如图 8-2a>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,蒸汽分布匀称,缺点是塔顶结构复杂,不便修理,当需用阀门、流量计来调剂时,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 8-2<c）所示；将冷凝器装在塔顶邻近的台架上,靠转变台架的高度来获得回流和采 出所需的位差；名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 22 页