苯-氯苯分离过程浮阀板式精馏塔设计书(共39页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的,精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此,掌握气液相平衡关系,熟悉各种塔型的操作特性,对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等,是较完整的精馏设计过程,该设计方法被工程技术人员广泛的采用。本设计书对苯和氯苯的
2、分离设备浮阀精馏塔做了较详细的叙述,主要包括:工艺计算,辅助设备计算等。采用浮阀精馏塔,塔高14.23米,塔径1.0米,计算理论板数为8.5。算得全塔效率为0.52。塔顶使用全凝器,部分回流。精馏段实际板数为6,提馏段实际板数为11。通过板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算,均在安全操作范围内。对塔的流体力学进行验证后,符合浮阀塔的操作性能。经过对塔设备的强度计算,壁厚8mm,满足设计要求。关键词:分离 提纯或回收 苯_氯苯 精馏 浮阀塔 设备结构一苯-氯苯分离过程浮阀板式精馏塔设计任务1.1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15000t,塔顶馏出液中含
3、氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为38%(以上均为质量%)。1.2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;1.3塔板类型浮阀塔板(F1型)。1.4工作日每年300天,每天24小时连续运行。1.5厂址厂址为天津地区。1.6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;1
4、1.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。1.7设计基础数据苯-氯苯纯组分的饱和蒸气压数据温度,()8090100110120130131.80.133-1kPa苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760其他物性数据可查有关手册。二、工艺流程草图及说明2.1.1 工艺草图2.1 工艺流程草图 图 2-1 工艺流程简图2.2 工艺流程说明一整套精馏装置应该包括精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入,物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离,由冷凝器和
5、冷却器中的冷却介质将余热带走。苯氯苯混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板,在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后,逐板溢流,最后流入塔底。在每层板上,回流液体与上升蒸汽互相接触,进行热和质的传递过程。操作时,连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品,部分液体气化,产生上升蒸汽,一起通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝,并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液,其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品,经冷凝器冷却后送入贮槽。塔釜采用再沸器加热。塔底产品经冷却后送入贮槽。三、精馏塔工艺的设计及计算3.1 塔的物料衡算:3.1.1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
6、78.11 kg/kmol和112.61kg/kmol。 3.1.2平均摩尔质量MF 78.110.702(10.702)112.6188.39kg/kmol3.1.3料液及塔顶、塔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: ,全塔物料衡算: FDW0.38F0.02D0.998WF5659.6kg/h F5659.6/88.3964.03kmol/h D3576.3kg/h D3576.3/78.5945.51kmol/hW2083.3kg/h W2083.3/112.518.52kmol/h3.2 塔板数的确定:3.2.1理论塔板数的求取苯-氯苯物系属于理想物系,可
7、采用梯级图解法(MT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,()8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760两相摩尔分率x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710 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
8、中数据作图得曲线。 图3-1 苯氯苯混合液的xy图在图上,因,查得,而,。故有:考虑到精馏段操作线离平衡线较近,故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍,即:求精馏塔的汽、液相负荷L=RD=0.54845.51=24.94 kmol/hV=(R+1)D=(0.548+1)45.51=70.45 kmol/hL=L+F=24.94+64.03=88.97 kmol/hV=V=70.45 kmol/h3 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。 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。3.2.2实际
9、塔板数1.全塔效率选用公式计算。该式适用于液相粘度为0.071.4mPas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,取块提馏段:块,取块总塔板数块。3.3 塔的内部条件 3.3.1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80加料板88。塔底温度=131.8精馏段 :提馏段 :3.3.2平均压强取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶:加
10、料板:塔底: 精馏段平均压强:提馏段平均压强:3.3.3平均分子量塔顶: ,(查相平衡图)加料板:,(查相平衡图)精馏段:提镏段: (查相平衡图) 3.3.4平均密度1.液相平均密度 表4-1 组分的液相密度(kg/m3)温度,()8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯 : 推荐:氯苯 : 推荐:式中的t为温度,塔顶:进料板: 塔底: 精馏段:提馏段:2.汽相平均密度精馏段 :提馏段:3.3.5液体的平均表面张力附: 表4-2 组分的表面张力(mN/m)温度,()8085110
11、115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4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)计算得,塔顶:;(80)进料板:;(88)塔底:;(131.8)精馏段:提镏段:氯苯的汽化潜热:常压沸点下的汽化潜热为35.3103kJ/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:)3.3.6液体的平均粘度塔顶:查化工原理附录11,在80下有:加料板: 塔底: 精馏段:提镏段:3.4 相对挥发度:3.4.1 精馏段挥发度:由,得: 故 3.4.2 提馏段挥发度:由, 故 3.783.5
12、气液相体积流量计算3.5.1 精馏段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3.5.2 提馏段饱和液体进料,q=1 则有质量流量: 体积流量: 四、工艺计算及主体设备的设计4.1 管径的初步设计 图4-1 SMITH 关联图4.1.1精馏段: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)由 , 式中,c可由史密斯关联图得,横标的数值为:查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速: m/s3.取安全系数为0.7,则空塔气速为 4.精馏段的塔径 m圆整取,此时的操作气速。4.1.2 提馏段: 横坐标数值: 取板间距 =0.0
13、7m 则 m 查图可知: m/s m/s m圆整为1.0m 横截面积 空塔气速: m/s 4.2 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。4.2.1溢流堰长(出口堰长)4.2.1.1 精馏段:取堰上溢流强度,满足浮阀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)4.2.1.2 提馏段: = m m 4.2.2 方形降液管的宽度和横截面 (3)降液管的宽度和降液管的面积由,查图得,即:,。液体在降液管内的停留时间精馏段:(满足要求)提馏段: s 停留时间5s,故降液管可用4.2.3 降液管底隙高度1
14、精馏段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 提馏段取 m/s 则: m 取 m都不小于0.02m,故满足要求。4.3 塔板分布及浮阀数目及排列4.3.1 塔板分布 选用F1型重阀,阀孔直径d0=39mm,底边孔中心距t=75mm4.3.2 浮阀数目与排列4.3.2.1 精馏段取阀孔动能因子 ,则孔速 m/s每层塔板上浮阀数目为 块取边缘区宽度 m,破沫区宽度 m计算塔板上的鼓泡区面积,即:其中 =0.3624 浮阀排列方式采用等腰三角叉排,取同一个横排的孔心距,则排间距: mm 考虑到孔径较大
15、,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90mm,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63个 按N=63个重新核算孔速及阀孔动能因数,=12.33 阀孔动能因数变化因数不变,仍在913范围内,塔板开孔率 。 图4-2阀孔排列方式4.3.2 提馏段 取阀孔动能因子=12,则 m/s每层塔板上的浮阀数目为 块按t=75 mm,估算排间距, mm取 mm,排得阀数为74块。按74块重新核算孔速及阀孔动能因数, m/s 阀孔动能因数变化不大,开孔率=浮阀排列方式如图所示:图4-3 提馏
16、段阀孔排列方式4.4 塔板的流体力学计算4.4.1 气相通过浮阀塔板的压降 可根据计算1 精馏段 1)干板阻力 m/s 因 故=0.049 m 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: m Pa2 提馏段 1)干板阻力 m/s因 故=0.048 m/s2)板上充气液层阻力 取 m 3)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: m Pa4.5 淹塔 为了防止发生淹塔现象,要求控制降液管中清液高度:即。4.5.1 精馏段1 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 m2 液体通过降液管的塔头损失 m3板上液层高
17、度 0.07m ,则 m 取=0.5,已选定 m,m 则 所以符合防淹塔的要求。4.5.2 提馏段1 单板压降所相当的液柱高度m2 液体通过降液管的压头损失: m3 板上液层高度:0.07m ,则 m 取=0.5,则 m,可见 所以符合防淹塔的要求。4.6 物沫夹带 4.6.1 精馏段 泛点率= 泛点=板上流体流经长度: m板上流经面积: 查物料系数K=1.0,泛点负荷性能系数图。泛点率:泛点率:对于大塔,为了避免过量物沫夹带,应控制泛点率不超过80%,由以上可知,物沫夹带能够满足的需求。4.6.2 提馏段取物料系数K=1.0,泛点负荷性能系数图泛点率:泛点率:由计算知,符合要求。4.7塔板负
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