化工原理_苯_氯苯分离过程板式精馏塔设计说明.docx

.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>或液液两相严密接触,到达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、生产力量和消耗定额,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、吸取、解吸和萃取等。此外,工业气体的冷却和回收、气体的湿法净制和枯燥,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,首先必需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,塔设备还必需满足以下要求 ：1、生产力量大；2、操作稳定,弹性大；3、流体流淌阻力小；4、构造简洁、材料耗用量少,制造和安装简洁；5、耐腐蚀和不易堵塞,操作便利,调整和检修简洁。名目苯-氯苯分别过程板式精馏塔设计3设计内容及要求3一、设计方案确实定4二、精馏塔的物料衡算4三、塔板数确实定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- 1 - / 17六、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22一题目设计任务书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2 进料热状况3 回流比4 单板压降5 加热蒸汽6 全塔效率7 建厂地址5kPa表压； 泡点； R=1.4Rmin；0.7 kPa；低压蒸汽； E =52%；TXX 地区。.10 / 17一、设计方案确实定设计计算书本任务是分别苯氯苯混合物。对于二元混合物的分别,应承受连续精馏流程,本设计承受板式塔连续精馏。设计中承受泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送进精馏塔内。塔顶上升蒸气承受全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一局部回流至塔内,其余局部冷却后送至储物罐。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 1.4 倍,且在常压下操作。塔釜承受间接蒸汽加热, 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MA = 78.11kg / kmol氯苯的摩尔质量M B = 112.56kg / kmol2. 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F =90 ´ 1000 = 38.02kmol / h 24 ´ 98.64总物料衡算D + W = 38.02苯物料衡算0.404 ´ 38.02 = 0.986D + 0.003 ´ W联立解得D = 15.51kmol / hW = 22.51kmol / h三、塔板数确实定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。A3690955B3p - poBAB1.0000.6770.4420.2650.1270.0190.000T /oCpo / kPa80101.390136.6100179.9110234.6120299.9130378.6131.8386.6po / kPa19.7327.3339.0753.3372.4095.86101.3x =po - poy =A x ppo1.0000.9130.7850.6130.3760.0720.0002 求最小回流比及操作回流比。承受作图法求最小回流比。在图中对角线上,自点 e0.404,0.404 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 点开头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N= 11(包括再沸器)T进料板位置N= 5F2. 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N= 4 / 0.52 = 7.69 » 8精提馏段实际板层数N= 7 / 0.52 = 13.46 » 14 不包括再沸器提四、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P= 101.3 + 5 = 106.33kPaD每层塔板压降DP = 0.7kPa进料板压力P= 106.33 + 0.7 ´ 8 = 111.93kPaF精馏段平均压力P= (105.33 + 111.93)/ 2 = 108.63kPam2. 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t= 83.2o CDt= 94.4o CF精馏段平均温度tm= (83.2+94.4)/ 2=88.8 oC3. 平均摩尔质量的计算塔顶：由 y = x1D= 0.986 ,查平衡曲线得x1= 0.932,进料板：由图理论板得y= 0.662 查平衡曲线得x= 0.305FF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抱负气体状态方程计算,得精馏段 rVmp M=mVmRTm=108.63 ´ 84.178.314 ´ (88.8 + 273.15)= 3.04kg / m32 液相平均密度计算塔顶tD= 83.2o C 时,进料板tF= 94.4o C 时,精馏段液相平均密度为5. 液相平均外表张力的计算液相平均外表张力依下式计算,即塔顶tD = 83.2o C 时,查得s A = 20.82mN / m s B = 25.84mN / m进料板tF = 94.4o C 时,查得s A = 19.35mN / m s B = 24.57mN / m精馏段液相平均外表张力为6. 液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算,即塔顶t= 83.2o C 时,D进料板t= 94.4o C 时,F精馏段液相平均外表张力为五、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r- rLrVV由u= Cmax式中 C 由公式C = Cæsö0.2 计算,其中CçL ÷20 è 20 ø20可由史密斯关联图查出,图的横坐标为取板间距H= 0.40 m ,板上液层高度h= 0.06m ,则TL由史密斯关系图得C20= 0.073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,承受凹形受液盘。各项计算如下：（1） 堰长（2） 堰高由h= h- hWLOW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h = 0.06mL故h = h - hWLOW= 0.06 - 0.00794 = 0.0521m3 弓形降液管的宽度W和截面积 Adf当Wl= 0.66 时,查表得D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h0取u ¢ = 0.07m / s0则 h =0Lh3600l u¢W 0=3600 ´ 0.0006=3600 ´ 0.462 ´ 0.070.019m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘,深度h ” = 60 mm 。w2. 塔板布置1 塔板的分块因D < 800mm ,故塔板承受整块式（2） 边缘区宽度确定取W = W”ss= 0.065m, Wc= 0.035 。（3） 开孔面积计算开孔区面积其中,r = D - W2C= 0.72- 0.035 = 0.315m,x = D2- (Wd+ W ) =s0.72- (0.0868 + 0.065) = 0.1982（4） 筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性,可选用 = 3mm 碳钢板,取筛孔直径d= 5mm 。o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h 计算c干板阻力hc由公式计算,即由do / d = 5 / 3 = 1.67 ,查图得c o=0 . 772故hæ 11.82 ö2æ3.04 ömc = 0.051ç 0.772 ÷ç 855.51 ÷= 0.0425èø èø<2>气体通过液层的阻力h l 由下式计算查图得=0.623 液体外表张力的阻力计算h d液体外表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Dp = h r g = 0.0812 ´ 855.51 ´ 9.81 = 681.5Pa < 0.7kPa 设计允许ppL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,故可无视液面落差的影响。3. 液沫夹带液沫夹带量e由下式计算,即v其中hf= 2.5hL= 2.5 ´ 0.06 = 0.15m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u可由下式计算0,min实际孔速u0= 11.82m/s > u0,min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H 应听从以下关系,即d苯氯苯物系属于一般物系,取j = 0.5 ,则而 H= h+ h+ hdpLd板上不设进口堰, H可由下式计算,即则( )()22dh = 0.153 u”= 0.153 0.08d0= 0.001m 液柱H= 0.0812 + 0.06 + 0.001 = 0.142m 液柱d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 u0,min= 4.4C()0.0056 + 0.13h - hLsLr/ rV0得Vs ,min= 4.4 C Aìïê.0056 + 0.13 héí0+ 2.84 E çæLh ÷ö3 ú2 ù- h ï rüïîêêw1000çl ÷ ú/ rVëèw ø úûs ïýïþL00ìïéí0.0056 + 0.13ê0.0521 +êïîê2.841000´ 1 ´ çæ 3600 Lö3 ú2 ùüïç0.462s ÷ ú - 0.0021ý855.51 / 3.04ëè÷ úø ûïþ= 4.4 ´ 0.772 ´ 0.101 ´ 0.232´整理得Vs ,min= 1.3350.0103 + 0.145L2 / 3s在操作范围内,任取几个 L 值,依式上式计算出V 值,列于下表。0.00060.00150.00300.00450.1420.1470.1540.159ssL , m3 /ssV , m 3 /ss由上表数据即可作出漏液线 1。2.液沫夹带线以e = 0.1kg液 / kg 气为限,求Vvs_ L 关系如下sê由5.7 ´ 10- 6 éuù3.2Hse =aëûv- hLTfú故h = 0.130 + 2.79L2 / 3f S整理得VS= 0.620 - 6.403L2 / 3S在操作范围内,任取几个 L 值,依上式计算出V 值,列于下表。ssL , m3 /ssV , m 3 /ss0.00060.57450.00150.53610.00300.48680.00450.4455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h= 0.006 m 作为最小液体负荷标准。ow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q =4s 作为液体在降液管中停留时间的下限,得fL= HT A= 0.4 ´ 0.0278= 0.00278m3/s故s ,max44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H = j(H + h )dTW由H = hdp+ h + hh；Ldp= h+ hCl+ hh；sl=bh ； hLL= h + hWOW联立得jHT+ (j - b -)1 hW= (b +)1 hOW+ h + h + hcdss无视h ,将hOW与L ,h 与Lsds,h 与Vcs的关系式带入上式,并整理得故0.554V 2S= 0.142 - 2402.62L2S- 1.927L2 3S或V 2S= 0.256 - 4336.86L2S- 3.478L2 3S在操作范围内,任取几个 Ls 值,依上式计算出Vs 值,列于下表.L , m3 /ssV , m 3 /ss0.00060.4790.00150.4480.00300.3800.00450.27114 / 17由上表数据即可作出液泛线 5。依据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图,如以下图所示。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掌握,下限为漏液掌握。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。序号工程数值1平均温度 tm,88.82平均压力 Pm,kPa108.633气相流量 Vs,m³/s0.2774液相流量 Ls,m³/s0.00065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,m²0.23219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负荷上限液沫夹带掌握28负荷下限漏液掌握29液沫夹带 eV,<kg 液/kg 气>0.130气相负荷上限,m³/s0.55531气相负荷下限,m³/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完毕。这要感谢我们的指导教师张教师和李教师对我们悉心的指导 ,感谢同学赐予我的帮助。通过本次设计,让我很好的熬炼了理论联系实际,与具体工程、课题相结合设计的力量。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学问,所以我们就上网,图书馆找资料。在查阅资料的过程中,我们要推断优劣、取舍相关学问,不知不觉中我们查阅资料的力量也得到了很好的熬炼。在设计过程中,总是遇到这样或那样的问题。有时觉察一个问题的时候,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,那么必需全部重来,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根本实现方法。把死板的课本学问变得生动好玩,激发了学习的乐观性。把学过的精馏塔的学问强化,能够把课堂上学的学问通过自己设计的精馏塔表示出来, 加深了对理论学问的理解。以前对与精馏塔生疏是模糊的,概念上的,现在通过自己动手做试验,从实践上生疏了精馏塔是如何运行的,各个部件之间的关系,对精馏塔原理的生疏更加深刻。在这次课程设计中,我就是依据试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,培育实践动手力量。在整个设计中我懂得了很多东西,也培育了我独立工作的力量,而且大16 / 17大提高了动手的力量,使我充分体会到了在制造过程中探究的困难和成功时的喜悦。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宝,结果固然重要,但过程才是最让人受益匪浅的。参考文献1. 化工流体流淌与传热,化学工业出版社,柴诚敬、张国亮,2023 年2. 化工传质与分别过程,化学工业出版社,贾绍义、柴诚敬,2023 年3. 化工原理课程设计,天津大学出版社,贾绍义、柴诚敬,2023 年4. 化工原理下,天津大学出版社,夏清、陈常贵,2023 年5. 石油化工根底数据手册,化学工业出版社,卢焕章,1982 年