苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计(共31页).doc

《苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计(共31页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计(共31页).doc（31页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上课 程 设 计 说 明 书课程名称： 化工原理课程设计 设计题目：苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计院 系： 化学与环境工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2010年11月19日专心-专注-专业课 程 设 计 任 务 书 设计题目苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计 学生姓名所在院系化学与环境工程学院专业、年级、班08级应用化学 设计要求： 年产99.8的氯苯2.6万t，塔顶馏出液氯苯含量不低于2，原料液含氯苯38（以上均 为质量分数）； 塔顶压力 4kPa（表压）； 进料热状况 自选； 回流比 自选； 塔底加热蒸汽压力 0.5Mpa（表压）； 单板压降

2、 0.7kPa 塔板类型 筛板 工作日 每年300天，每天24小时连续运行学生应完成的工作：1. 1.搜集整理苯、氯苯的相关物性资料；2. 2.完成苯氯苯连续精馏塔的工艺设计；3. 3.完成精馏塔设备的工艺尺寸设计；4. 4.用A1图纸绘制精馏塔设计条件图； 5.编写设计说明书。参考文献阅读： 1.熊洁羽.化工制图 北京：化学工业出版社，2007 2.刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础 （第六版） 大连：大连理工出版社，2006 3.天津大学化工学院，柴诚敬主编.化工原理 上册.第1版.北京：高等教育出版社，20054.天津大学化工学院，柴诚敬主编.化工原理 下册.第1版.北京：高等教育

3、出版社，20065.贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计（第一版） 天津：天津大学出版社，2002 工作计划： 11月8日 搜集整理相关物性资料11月9-11日 完成苯氯苯连续精馏塔的完整工艺设计 11 11月12日 课程设计说明书编写及绘图准备 11月15日-19日 绘制精馏塔设计条件图，完成课程设计说明书编写 任务下达日期：2010年11月5日 任务完成日期：2010年11月19日指导教师（签名）： 学生（签名）： 课程设计题目：苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计一、设计题目试设计一座苯氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.8%的氯苯2.6万吨，塔顶馏出液中含氯苯不得高于2%，原料液中含氯苯为

4、38%（以上均为质量分数）。二、操作条件1.塔顶压强:4kPa（表压）；2.进料热状况:泡点进料；3.回流比:R=2Rmin；4.塔釜加热蒸汽压力 0.5MPa（表压）；5.单板压降不大于0.7kPa；三、塔板类型 筛板式。四、工作日每年300天，每天24小时连续运行。五、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的计算；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.绘制生产工艺流程图；9绘制精馏塔设计条件图；10对设计过程的评述和有关问题的讨论。六、基础数据1.组分的饱和蒸汽压（mmHg）温

5、度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.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，。3.组分的表面张力（mN/m）温度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.44.其他物性数据可查化工原理附录。摘

6、要：课程设计是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。又由于塔设备在石油、化工、医药

7、、煤炭等行业中应用广泛，其合理的设计受到极大关注，所以塔课程设计实践必不可少。关键词：质量分率；塔板；塔板效率；工艺尺寸目 录14550011（12234455（9011苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计计算书一、设计背景课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决

8、工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。本设计采用连续精馏分离苯-氯苯二元混合物的方法。连续精馏塔在常压下操作，被分离的苯-氯苯二元混合物由连续精馏塔中部进入塔内，以一定得回流比由连续精馏塔的塔顶采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯。苯纯度不低于99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%（质量分数）。高径比很大的设备称为塔器。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。常见的、可在塔设备中完成的单

9、元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量质量生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（1）生产能力大在较

10、大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证能长期连续操作。（3）流体流动的阻力小。即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以及降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还使系统无法维持必要的真空度。（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述所有要求，仅是在某些方面具有独到之处根据设计

11、任务书，此设计的塔型为筛板塔。筛板塔是很早出现的一种板式塔。五十年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大2040%，塔板效率高1015%，压力降低3050%，而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板（孔径可达2025mm），导向筛板等多种形式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分工业塔常用的筛孔孔径为38mm，按正三角形排列空间距与孔径的比为2.55近年来有大孔径（1025mm）筛

12、板的，它具有制造容易，不易堵塞等优点，只是漏夜点低，操作弹性小。筛板塔的特点如下：（1）结构简单、制造维修方便。（2）生产能力大，比浮阀塔还高。（3）塔板压力降较低，适宜于真空蒸馏。（4）塔板效率较高，但比浮阀塔稍低。（5）合理设计的筛板塔可是具有较高的操作弹性，仅稍低与泡罩塔。（6）小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、粘性大的和带有固体粒子的料液。二、产品与设计方案简介（一）、产品性质、质量指标产品性质：有杏仁味的无色透明、易挥发液体。密度1105g/cm3。沸点1316。凝固点-45。折射率15216(25)。闪点294。燃点6378，折射率15246，粘度(20)0799mPas，表面张力

13、332810-3Nm溶解度参数95。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多数有机溶剂，不溶于水。易燃，蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1. 3-71(vol)。溶于大多数有机溶剂，不溶于水。常温下不受空气、潮气及光的影响，长时间沸腾则脱氯。蒸气经过红热管子脱去氢和氯化氢，生成二苯基化合物。有毒在体内有积累性，逐渐损害肝、肾和其他器官。对皮肤和粘膜有刺激性对神经系统有麻醉性，LDmgkg，空气中最高容许浓度50mgm3。遇高温、明火、氧化剂有燃烧爆炸的危险。质量指标：苯纯度不低于99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%，原料液中苯38%。（以上均为质量分数）（二）设计方案简介1）.精馏方式：本设计采用

14、连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。 2）.操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于苯和氯苯这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。 3）. 塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在苯和氯苯这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。 4）.加料方式和加料热状态：设计采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。 5）.由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。

15、6）.再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至泡点下一部分回流入塔，其余部分经产品冷却器冷却后送至储灌。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（三）工艺流程及说明首先，苯和氯苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中只有液相混合物，此时液相混合物在精馏塔中下降。由塔底产生的气相混合物上升到塔顶上方的全凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的部分液态停留一定的时间然后进入苯的储罐，最后作为塔顶产品（馏出液）采出，而其中的另一部分液

16、态重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。38%氯苯原料储存原料预热精馏再沸99.8%氯苯储存分配冷凝冷却98%苯储存冷却液相混合物就从塔底一部分进入再沸器中，在再沸器中被加热产热的气体重新回到精馏塔中而产生的液体则作为附残液采出。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与氯苯的分离。三、 工艺计算及主体设备设计(一)精馏塔的物料衡算1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯和氯苯的相对摩尔质量分别为78.11和112.56kg/kmol。2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量3）原料液及塔顶、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

17、：，全塔物料衡算： （二）塔板数的确定1）理论塔板层数的确定苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法求取，步骤如下：1.由手册查得苯-氯苯的气液平衡数据，绘出图，如下图一；图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段8块，第4块为加料板位置。2.确定操作的回流比R将1.表中数据作图得曲线及曲线。在图上，因q=1，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：3.求精馏塔的气液相负荷L=RD=0.4=45.99；V=(R+1)D=(0.5818+1)79.04=125.03；L=L+F=157.14Kmol/hV=V=125.03 Kmol/h4.

18、求操作线方程精馏段操作线：提馏段操作线为过（0.00288,0.00288）和两点的直线。求全塔效率：图一（苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解）把=0.986、=0.702、=0.02909代入上式中得=0.5818由全塔效率公式 =0.7020.16+0.2980.205=0.175把、代入全塔效率公式得，=0.5062）实际塔板数精馏段实际板层数提留段实际板层数：（三）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算1).操作压力的计算塔顶操作压力：每层塔板压降：进料板压力：精馏段平均压力：2).操作温度的计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法算出泡点温度，其中苯和氯苯的饱和蒸汽

19、压，由安托尼方程计算，计算结果如下：通过图二（温度组成图）易读取塔顶温度：通过试差得加料板温度为91.8精馏段平均温度：3).平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算：由，查平衡曲线（见图1），得图二（温度组成图） 进料板平均摩尔质量计算：由图解理论板（见图1），得 查平衡曲线（见图1），得 精馏段平均摩尔质量计算：4）.平均密度计算1.气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 2.液相平均密度计算液相平均密度依计算，即 由查得： 由查得： 进料板液相密度精馏段液相平均密度为5).液相平均表面张力塔顶液相的平均表面张力：（80.4）;进料板液相的平均表面张力：(91.8)；精馏段液相的平均表面张

20、力：6).液相平均粘度计算塔顶液相平均粘度计算：（80.4） 解出 进料板液相平均粘度计算 （91.8） 解出 精馏段液相平均粘度计算 四、精馏塔的塔体工艺尺寸计算（一）.塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为计算取板间距，板上液层高度，则故查表可得： 取安全系数为0.7，则空塔气速为 按标准塔径圆算后为 塔截面积为 实际空塔气速为 （二）.精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 Z精=(N-1)H=(6-1)0.4=2.0m提馏段有效高度为 Z提=(N-1)H=(16-1)0.4=6.0m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 Z=+0.8=2.0+6.0+0.8=8.8m五

21、塔板工艺结构尺寸的设计与计算（一）.溢流装置采用单溢流弓形降液管、凹形受液盘，且不设进进口堰。溢流堰长（出口堰长）取溢流堰高度对平直堰 近似取E=1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故降液管设计合理。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：故降液管底系高度设计合理（二）.塔板布置边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为50-75mm，D 2m时，可达100mm。安定区宽度确定取mm，mm。开孔区面积式中：（三）.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

22、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六塔板上的流体力学验算（一）.气体通过筛板压降和的验算1）.气体通过干板的阻力压降 由 查图5-10得出，液柱式中为孔流系数。2）.气体通过板上液层的压降液柱式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化原P115图5-11得（一般可近似取）。3）.气体克服液体表面张力产生的压降液柱4）.气体通过每层筛板的压降（单板压降）和（设计允许值）（二）.雾沫夹带量的验算故在本设计中液沫的夹带量在允许的范围内（三）.漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数故在本设计中无明显漏

23、液。（四）.液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度成立，故在本设计中不会发生液泛现象。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。七、塔板负荷性能图（一）.漏液线（气相负荷下限线）漏液点气速 ，整理得： 在操作范围内，任取几个值，依式算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00450.496520.51110.529220.54396依据表中数据作出漏液线1（二）.液沫夹带线式中： 将已知数据代入式得： 在操作范围内，任取几个值，依式算出对应的值列于下表：0.00060.00150.0030

24、0.00451.764581.680021.571351.48023.液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.006 m作为最小液体负荷标准由=；取E=1,得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下下限线34.液相负荷上限线作出与气体流量无关的垂直液相负荷线45.液泛线=+; =+； =；=+(-1)=(+1)+忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得a=b-c-d;式中 a = b =+(-1) c =0.153/() d =2.84将有关数据代入得a =0.04348; b =0.14519;c =468.064; d =1.321故=3.33924-10765.7314-30.

25、在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00453.5843.3633.0442.591依据表中数据作出液泛线5依据以上各方程，可作出筛板塔的负荷性能图如下图三。在负荷性能图上，做出操作点A，连接OA,即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。由下图三可查得 故操作弹性为图三（筛板塔的符合性能图）八、筛板塔设计计算结果项 目符 号单 位计 算 结 果平均压强PmkPa107.4平均温度tm86.1平均流量气相m3/s0.966液相m3/s0.00127全塔效率0.506实际塔板数块22板间距m0.4塔

26、段的有效高度Zm8.8塔径Dm1.2空塔气速um/s0.864实际空塔气速m/s0.854塔板液流型式单溢流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m0.72堰高m0.0503降液管宽度m0.132底隙高度m0.02511板上清液层高度m0.06孔径mm5孔间距mm15孔数n个4154开孔区面积Aam20.809开孔面积A0m20.0815筛孔气速m/s11.84塔板压降kPa0.649液体在降液管中的停留时间S19.65降液管内清液层高度m0.139雾沫夹带kg液/kg气0.0164负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷m3/s1.6气相最小负荷m3/s0.5操作弹性3.2九、主要符号说明项目

27、符 号项目符 号平均压强Pm每层塔板压降平均温度tm安定区宽度平均流量气相Vs边缘区宽度液相Ls液相摩尔分数x实际塔板数N气相摩尔分数y板间距HT空隙率塔的有效高度Z筛板厚度塔径D表面张力空塔气速u密度溢流装置堰长lw开孔率堰高hw最大值max（下标）弓形降液管宽度Wd最小值min（下标）弓形降液管底隙高度ho气相V（下标）板上清夜层高度hL液相L（下标）孔径do理论板层数孔间距t塔顶空间高度孔数n塔底空间高度开孔面积A0裙座高度筛孔气速uo总板效率塔板压降hp气相最大负荷Vs，max液体在降液管中停留时间气相最小负荷Vs，min降液管内清液层高度Hd雾沫夹带十、结果与结论（一）结果：精馏塔塔

28、体设计采用筛板塔板，共22块塔板，能够完成年产纯度为99.8%的氯苯2.6万吨，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%）的生产任务，并且具有较好的操作弹性。（二）结论： 1）. 操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于苯和氯苯这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。 2）. 塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在苯和氯苯这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。 3）.加料方式和加料热状态：设计采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。 4）.由于蒸汽质量不

29、易保证，采用间接蒸汽加热。十一、收获与致谢通过这次课程设计，我有了很多收获。首先，通过这一次的课程设计，我进一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养了自己分析和解决与本课程有关的具体原理所涉及的实际问题的能力。对化工原理设计有了更加深刻的理解，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。而且，这次课程设计过程，最终完美的实现了预期的目的，大家都收益匪浅，也对这次经历难以忘怀。其次通过这次课程设计，对板式塔的工作原理有了初步详细精确话的了解，加深了对设计中所涉及到的一些力学问题和一些有关应力分析、强度设计基本理论的了解。使我们重新复习了所学的专业课，学习了新知识并深入理解，使之应用于实践，

30、将理论知识灵活化，这都将为我以后参加工作实践有很大的帮助。非常有成就感，培养了很深的学习兴趣。在此次设计的全过程中，我们达到了最初的目的，对化工原理有了较深入的认识，对化工设备的设计方面的知识有了较全面的认识，熟悉了板式塔设计的全过程及工具用书。我去图书馆查阅了这方面的有关书籍并上了一些网站检索了相关内容，从中学到了很多知识，受益匪浅。 这次课程设计我投入了不少时间和精力，我觉得这是完全值得的。我独立思考，勇于创新的能力得到了进一步的加强。由于时间和经验等方面的原因，该设计中还存在很多不足、如对原理的了解还不够全面等等。今后会进一步学习来加深了解。参考书目1.熊洁羽.化工制图 北京：化学工业出

31、版社，20072.刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础 （第六版） 大连：大连理工出版社，20063.天津大学化工学院，柴诚敬主编.化工原理 上册.第1版.北京：高等教育出版社，20054.天津大学化工学院，柴诚敬主编.化工原理 下册.第1版.北京：高等教育出版社，20065.贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计（第一版） 天津：天津大学出版社.2002 附件图纸：A1图纸一张；软件：Auto CAD 2010，WPS 电子表格，WPS 文字；作品 ：苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计说明书一份，筛板式板式塔手绘图纸一张。指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 课程设计其它环节成绩：环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日