精馏塔工艺设计.pdf

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1、一、苯一、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书（一）设计题目设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为 98.5%的苯 36432 吨，塔底馏出液中含苯 1%，原料液中含苯为 61%（以上均为质量百分数）。（二）操作条件1.塔顶压强 4kPa（表压）2.进料热状况：饱和蒸汽进料3.回流比：R=2Rmin 4.单板压降不大于 0.7kPa（三）设计内容设备形式：筛板塔设计工作日：每年 330 天，每天 24 小时连续运行厂址：青藏高原大气压约为 77.31kpa 的远离城市的郊区设计要求1.设计方案的确定及流程说明2.塔的工艺计算3.塔和塔板主要工艺尺寸的确定（1）塔

2、高、塔径及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学验算（3）塔板的负荷性能图绘制（4）生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制4、塔的工艺计算结果汇总一览表5、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论（四）基础数据1.组分的饱和蒸汽压pi（mmHg）温度，（）80.18590951001051185.6苯757.62889.261020.951350.1831.74179.39氯苯147.445211.3556253.75296.1351.355温度，（）110115120125130131.75苯23132638.52964335537464210氯苯406.55477.12547.75636.5

3、05725.376012.组分的液相密度（kg/m3）温度，（）6080100120140苯836.6815.0792.5768.9744.1氯苯1064.01042.1019.0996.4972.903.组分的表面张力（mN/m）温度，（）6080100120140苯23.7421.2718.8516.4914.17氯苯25.9623.7521.5719.4217.324.液体粘度（mPa?s）温度，（）6080100120140苯0.3810.3080.2550.2150.184氯苯0.5150.4280.3630.3130.2745.Antoine 常数组分ABC苯6.0231206.3

4、5220.24氯苯7.13382182.68293.767二、苯二、苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）（一）设计方案的确定及工艺流程的说明原料液经卧式列管式预热器预热至泡点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后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。典型的连续精馏流程为原料液经预热器加热后到指定的温度后，送入精馏塔的进料板，在进料上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体

5、与上升蒸气互相接触，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（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。（二）全塔的物料衡算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 78.11 kg/kmol 和 112.6kg/kmolxF0.61/78.110.6930.61/78.11 0.39/112.62.平均摩尔质量3.料液及塔顶底产品的摩尔流率依 题 给 条 件：一 年 以330天，一 天 以24小 时 计，有：D

6、36432 1000 0.989 58.62 kmol h，330 24F DWF 84.22kmol/h全塔物料衡算：xfF xDD xwWW 25.6kmol/h（三）塔板数的确定1.理论塔板数NT的求取2）确定操作的回流比R R将 1）表中数据作图得x y曲线及t x y曲线。在x y图上，因 q=0，e（0.693,0.693）查得yq 0.693，xq 0.31。故有：RminxDyq0.989 0.693 0.7624;R 2Rmin 1.525yqxq0.693 0.313）求理论塔板数(图解法)精馏段操作线：yRR 1xxDR 1 0.604x 0.392总理论板层数：6.5(

7、包括再沸器)进料板位层：42.实际塔板数Np1）全塔效率ET选用ET 0.170.616log m公式计算。该式适用于液相粘度为 0.071.4mPa s 的烃类物系，式中的 m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+129)=104.5（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录得：A 0.246mPa s，B 0.352mPa s。2）实际塔板数Np（近似取两段效率相同）精馏段：Np1 3/0.51 6块提馏段：Np1 2.5/0.51 5块（四）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1.平均压强pm取每层塔板压降为 0.7kPa 计算。塔顶：

8、pD 77.31 4 81.31kPa加料板：pF 81.31 0.76 85.51kPa塔底：pW 85.51 0.75 89.01kPa精馏段平均压强pm(81.31 85.51)/2 83.41kPa提馏段平均压强pm(89.01 85.51)/2 87.26kPa2.平均温度tmP PAxA PBxB和lgP AB两式联立由试差法求得t CtD 73.35；tF 83.76；tW 125.79精馏段平均温度：=提馏段平均温度：=73.35+83.762=78.55=104.715125.79+83.7623.平均分子量Mm塔顶：y1xD 0.989，x1 0.93（查相平衡图）加料板：

9、yF 0.725，xF 0.38（查相平衡图）塔底：yW 0.075，xW 0.014精馏段：MVm(78.49 87.59)/2 83.04kg/kmol提馏段：MVm(87.59 110.01)/2 98.8kg/kmol4.平均密度m1）液相平均密度L,m塔顶：tD 73.35A 822.2Kg/m3B B 1049.3Kg/m3进料板：tF 83.76A 810.8Kg/m3B B 1037.7Kg/m3塔底：tw 83.76A 761.7Kg/m3B B 989.6Kg/m3精馏段：Lm(824.9 947.2)/2 886.05Kg/m3提馏段：Lm(947.2 986.6)/2

10、966.9Kg/m32）汽相平均密度V,m精馏段：VmPmMvm84.81 83.04 2.38Kg/m3RTm8.314(78.55 273.15)提馏段：VmPmMvm84.81 99.36 2.76Kg/m3RTm8.314(104.71 273.15)5.液体的平均表面张力m塔顶：tD 73.35；DA 22.09mN/m DB 24.44mN/m进料板：tF 83.76；FA 20.82mN/mFB 23.34mN/m塔底：tW 125.79；WA 15.82mN/mWB 18.77mN/m精馏段：Lm(24.44 21.59)/2 21.86mN/m提馏段：Lm(21.59 18.

11、77)/2 20.18mN/m6.液体的平均粘度L,m塔顶：tD 73.35DA 0.332mpasDB 0.457mpas加料板：tF 83.76FA 0.298mpasFB 0.416mpas塔底：tF 125.79，FA 0.206mpas，FB 0.302mpas精馏段：Lm(0.333 0.334)/2 0.3335mpas提馏段：Lm(0.334 0.3003)/2 0.317mpas（五）精馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率V(R 1)D 2.525 58.62 148.02Kmol/h汽相体积流量VsVMVm148.02 83.04 1.43m3/s3600Vm3600 2.38液

12、相回流摩尔流率LRD 1.525 58.62 89.40Kmol/h液相体积流量LsLMLm89.40 90.0 0.0025m3/s3600Lm3600 886.05（六）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距HT 400mm及板上液层高度hL 50mm，则：2）按 Smith 法求取允许的空塔气速umax（即泛点气速uF）查 Smith 通用关联图得C20 0.075负荷因子CC20(L20)0.2 0.075(21.860.2)0.076320泛点气速：umax 0.0763886.05 2.38 1.47m/sm/s2.383）操作气速取u 0.7umax 0.7 1.

13、47 1.029m/s4）精馏段的塔径圆整取D 1400mm塔截面积为AT4D24(1.4)2 1.539m2此时的操作气速u1.42 0.935m/s。2.0112.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。溢流堰长（出口堰长）lw取lw 0.6D 0.6 1.4 0.84m出口堰高hw=0.6.52=13.92查得 E=1.02降液管的宽度Wd和降液管的面积Af由lw/D 0.66，查化原下 P147图 11-16 得Wd/D 0.1,Af/AT 0.055，即：Wd 0.14m，Af 0.055m2液体在降液管内的停留时

14、间3600AfHTLs 13.55 5s（满足要求）降液管的底隙高度ho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uo 0.1m/s，则有：故降液管设计合底隙高度设计合理2）塔板布置1.塔板分块因 D=1400故塔板分 4 块2.边缘区宽度Ws 0.09mWc 0.04m开孔区面积Aa式中：xD/2 WdWs 0.47m3）开孔数n和开孔率取筛孔的孔径do 5mm，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 3mm，且取t/do 3.0。故孔心距t 35 15mm。每层塔板的开孔数n1158A0t2 5769（孔）每层塔板的开孔率 0.907t/d20.907 0

15、.101（应在o32515%，故满足要求）气体通过筛孔的孔速u0VsA 12.54m/s04）精馏段的塔高Z1Z精（N精-1）HT(6 1)0.4 2m；（七）塔板上的流体力学验算1.塔板压降1）气体通过干板的压降hc2 u0hc 0.051C0VLCo 0.84。2）气体通过板上液层的压降h1动能因子F0 0.983 2.38 1.52Kg/(sm1/2)查化原图得 0.603）气体克服液体表面张力产生的压降h4）气体通过筛板的压降（单板压降）hp和ppPpLghP 0.539Kpa 0.7Kpa（满足工艺要求）。2.雾沫夹带量ev的验算验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液

16、点的气速uomuomin 4.4C0(0.0056 0.13hlh)L/V 7.16m/s11.07m/s筛板的稳定性系数Ku0u0 min 1.75(1.5)（无漏液）4.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Hd HT hw取=0.5；(HThw)0.218mHd HT hw成立，故不会产生液泛。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HT及hL，进行优化设计。（八）塔板负荷性能图1.液沫夹带线（1）3.2ev5.7106ua（1）H 2.5hLT式中：uaVsATAf 0.688Vs将已知数据代入式（1）2/3us 2.

17、905 17.55Ls（1-1）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（1-1）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.00150.0020.00252.732.672.622.58依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线（2）=+1+3H1=0(+)=0.0216+0.45842=0.00201=0.0236+0.0152+0.45443+02=0.153()2Vs2 11.976 17066.7Ls2 81.23Ls2/3（2-2）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（2-2）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.00150.0020.0025 3.343.303.263.22依据表中数据作

18、出液泛线（2）3.液相负荷上限线（3）Ls,maxHTAf 0.00847m3/s（3-3）4.漏液线（气相负荷下限线）（4）整理得：V2S,min 0.555 6.66Ls3（4-4）2在操作范围内，任取几个Ls值，依式（4-4）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.00150.0020.00250.7880.8010.8130.823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how 0.006mLsmin 0.000716m3/s（5-5）操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷Vs,max与气相允许最小负荷Vs,min之比，即：Vs,max2.45操

19、作弹性=3.06Vs,min0.8三、塔的提馏段操作工艺条件（五）提馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率VV(1 q)F 63.8Kmol/h汽相体积流量VsVMVm 0.634m3/s3600Vm液相回流摩尔流率LL 89.4Kmol/h液相体积流量LsLMLm 0.0027m3/s3600Lm（六）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距HT 500mm及板上液层高度hL 60mm，则：2）按 Smith 法求取允许的空塔气速umax（即泛点气速uF）查 Smith 通用关联图得C20 0.09负荷因子CC20(L20)0.2 0.09(20.180.2)0.090220泛点气速：

20、3）操作气速取u 0.7umax 0.7 1.687 1.181m/s4）精馏段的塔径圆整取D 1000mm塔截面积为AT4D24(1.0)2 0.785m2此时的操作气速u0.634 0.81m/s。0.7852.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、平形受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）lw取lw 0.7D 0.7m出口堰高hwhw hL how 0.06 0.0169 0.0431m降液管的宽度Wd和降液管的面积Af由lw/D 0.7，查化原下 P147图 11-16 得Wd/D 0.139,Af/AT 0.09，即：Wd 0.139

21、m，Af 0.065m2液体在降液管内的停留时间AfHT 13 5s（满足要求）LS降液管的底隙高度ho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 0.08m/s，则有：uo故降液管设计合底隙高度设计合理3）塔板布置1.塔板分块因 D=1000故塔板分 3 块2.边缘区宽度WaWs 0.065mWc 0.035m开孔区面积Aa式中：x D/2WdWs 0.70.1736 0.065 0.311m3）开孔数n和开孔率取筛孔的孔径do 5mm，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 3mm，且取t/do 3.0。故孔心距t 35 15mm。每层塔板的开孔数n 1.

22、155A0t2 2731（孔）每层塔板的开孔率 0.907t/d20.907 0.101（应在 515%，故满足要求）o32气体通过筛孔的孔速us0VA 11.81m/s04）精馏段的塔高Z1（七）塔板上的流体力学验算1.塔板压降1）气体通过干板的压降hch u20 c 0.051 0.84。C0VLCo2）气体通过板上液层的压降hl动能因子F0 0.968 2.76 1.61Kg/(sm1/2)查化原图得0 0.603）气体克服液体表面张力产生的压降h4）气体通过筛板的压降（单板压降）hp和ppPpLghP 0.626Kpa 0.7Kpa（满足工艺要求）。2.雾沫夹带量ev的验算验算结果表明

23、不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液点的气速uom筛板的稳定性系数Ku0u0 min 1.58（大于 1.5，不会产生过量液漏）4.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Hd HT hwHd HT hw成立，故不会产生液泛。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HT及hL，进行优化设计。（八）塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1）3.2ua5.7106ev（1）HT 2.5hL式中：uaVsATAf 1.527Vs将已知数据代入式（1）2/3Vs 1.61 8.672Ls（1-1）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（1-1

24、）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.0020.0030.00451.521.471.431.37依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线HT hw hp hw how hd=+1+23H1=0(+)=0.058+0.5077=0.00207（已算出）=0.0275+0.07152+0.5132=0.153(+0)2=1362Vs2 2.2 1486Ls2 14.78Ls2/3（2-2）在操作范围内，任取几个Ls值，依式（2-2）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.00150.00300.00451.431.421.371.33依据表中数据作出液泛线（2）3.液相负荷上限线（3）Ls

25、,maxHTAf 0.008125m3/s（3-3）4.漏液线（气相负荷下限线）（4）整理得：2Vs 0.131 1.52Ls3（4-4）2在操作范围内，任取几个Ls值，依式（4-4）算出对应的Vs值列于下表：0.0010.00150.00300.00450.380.390.40.42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how 0.008mLsmin 0.000919m3/s（5-5）操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷Vs,max与气相允许最小负荷Vs,min之比:操作弹性=Vs,max1.11 3.18Vs,min0.34四、精馏塔的设计计算结

26、果汇总一览表四、精馏塔的设计计算结果汇总一览表精馏塔的设计计算结果汇总一览表计算结果项目符号单位精馏段平均压强平均温度提馏段87.26104.7150.6340.002750.50 2.01.0kPam3/sm3/s块mmm83.4178.551.430.002560.402.01.4平均流量实际塔板数板间距塔段的有效高度塔径空塔气速塔板液流型式溢流管型式溢堰长流堰高装溢流堰宽置度m/s1.069单溢流0.81单溢流mm弓形弓形0.840.036 0.70.043m0.140.139底隙高度板上清液层高度孔径孔间距孔数开孔面积筛孔气速塔板压降降液管内清液层高度mmmmmm个m20.0290.0

27、6051557961.12612.540.5390.1140.0480.06051527380.53711.810.6260.127m/skPamkg 液/kg雾沫夹带气0.0150.0073气相最大负荷m/s3雾沫夹带控制雾沫夹带控制气相最小负荷负荷上限负荷下限操作弹性参考文献：参考文献：m3/sm3/sm3/s漏液控制0.00840.0007163.06漏液控制0.0081250.0009193.281.陈敏恒、从德滋、方图南等编，化工原理上、下册（第二版），北京：化学工业出版社2.化学工程手册编委会编，化学工程手册（第二版），化学工业出版社3.潘国昌，化工设备设计，清华大学出版社4.杨祖荣等编，化工原理，化学工业出版社