化工原理课程设计报告苯-氯苯分离精馏塔——浮阀塔设计.docx

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1、课程设计说明书课程设计名称化工原理课程设计 课程设计题目苯-氯苯混合液浮阀式精铺塔设计姓名学号专业班级 指导教师提交日期化工原理课程设计任务书（一）设计题目苯-氯苯连续精储塔的设计（二）设计任务及操作条件设计任务原料液中含氯苯35%（质量）。（2）塔顶铺出液中含氯苯不得高于2%（质量）。（3）年产纯度为99.8%的氯苯吨41000吨操作条件塔顶压强4KPa（表压）,单板压降小于0.7KPa。进料热状态自选。（3）回流比 R=1.1-3 j （4）塔底加热蒸汽压强506 KPa（表压）图3-2苯-氯苯物系精馆别离理论塔板数的图解按上法图解得到:总理论板层数N,=9块包括再沸器加料板位置N f =

2、43.4 全塔效率七丁选用号=0.17-0.616 log/z/w公式计算。该式适用于液相粘度为 0.07L4mPas的烧类物系，式中的人为全塔平均温度下以进料组成表示的平 均粘度。查图一，由切=0.986m=0.00288查得塔顶及塔釜温度分别为：tD=80.43rvv=138.48,全塔平均温度+ z)/2=(80.43+138.48)/2=109.5根据表3-4表3-4苯-氯苯温度粘度关系表温度20406080100120140苯粘度mPa s0.6380.4850.3810.3080.2550.2150.184氯苯粘度mPa - s0.750.560.440.350.280.240.利

3、用差值法求得：/ =0.24mPas ,4=0-261 mPa -s。N3.5 实际塔板数近似取两段效率一样精馅段：=3/0.53 = 5.66块，取N川=6块提错段：N2 =7/0.53 = 13.21 块，取N2=14块总塔板数N= Np + N2 = 20块 1八乙4.操作工艺条件及相关物性数据的计算平均压强P，.取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶：夕。=101.3 + 4 = 105 .3kPa加料板：Pf =105.3 + 0.7 x 6 = 109.5kPa塔底：pw =109.5 + 0.7x14 = 119.3kPa精储段平均压强 =(105.3 + 109.5)/2 =

4、107.4kPa提锚段平均压强 p =(109.5 + 119.3)/2 = 114.4kPa平均温度4利用表3数据，由拉格朗日差值法可得 塔顶温度,L1 80 90 tf 80 oo 人加料板 =-,tF = 88.14 C1-0.677 0.737-1塔底温度130-140 = -13一，tw = 138.48精镭段平均温度7；=0.43 + 88.14)/2 = 84.29提镭段平均温度7； =(138.48 +88.14)/2 = 1133c4.1 平均分子量朋-精铺段：Tm = 84.29 、，a 90 8084.29 - 80 八1液相组成：=)玉=0.8610.677 I X I

5、mj. v 90 8084.29 80八八右0气相组成：=,y. = 0.9630.913-1必1所以 豆=78 . 11 x 0.861 +112.61 x (1 0.861) = 82,91kg / kmol提镭段:Tm =1133x2 = 0.219y2 = 0.535，a 110-120113.3-110液相组成：=0.265 -0.0127。265一,a 110-120113.3-110气相组成：=,-0.614所以 = 78.11x0.219 +112.61x(1-0.219) = 105.5/平均密度?液相平均密度外表4-1组分的液相密度kg/ml温度，8090100110120

6、130140P苯817805793782770757745氯苯1039102810181008997985975纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯 ： pA =912-1.187Z 推荐：4=912.13 1.1886，氯苯：pB =1127 -1.111/ 推荐：pn式中的t为温度，塔顶：Pld,a =912.13-1.1886? = 912.13-1.1886x80.43 = 816.5kg/m3进料板：Plf,a =912.13-1.1886f 912.13-1.1886x88.14 = 807.4kg/m3塔底：Plw.a =912.13-1.1886? = 912.13-1.18

7、86x113.3 = 777.5kg/m3精馅段：处=(820.0 + 871.6)/2 = 845 .8kg/m3提镭段：p=(871.6 + 1003 .1)/2 = 937.4kg/m3汽相平均密度”,精健段:精健段:1074x79.398.314x(273 + 84.29)t=2.87kg/m38.314x(273 + 113.3)=3.35kg/m34.2 液体的平均外表力.液体平均外表力依下式计算，即塔顶液相平均外表力的计算由J=8O.43,用插法得80 85 _ 80.43 8021.2-20.6 外 -21.2 L/80-85 _ 80.43-8026.1-25.7一 叫-26

8、.1，Uyti进料板液相平均外表力的计算由，0=88.14,用插法得85-110 _ 88,14-8520.6-17.3 -20.6?85-110 _ 88,14-8525.7 - 22.7 -叫-25.7 r=2L15N/mLx, r(yDB = 26.07mN/mcFA = 20.19N/m表5组分的外表力。温度8085110115120131aA苯21.220.617.316.816.315.3aB氯苯26.125.722.722.221.620.4塔底液相平均外表力的计算由 =113.3,用插法得110-115 _ 113.3-11017.3-16.8 - a -17.3aw A =

9、16.97N/m110115113.3 11022.7 22.2b 22.7精馅段液相平均外表力为提镭段液相平均外表力为aw B = 22.37mN/m4.6液体的平均粘度入温度t, 6080100120140苯 mPas0.3810.3080.2550.2150.184氯苯mPas0.5150.4280.3630.3130.274表三不同温度下苯一氯苯的粘度液相平均粘度可用ig 刖=E%ig从表示塔顶液相平均粘度10080_ 80.43800.255 -0.308 人-0.308屋-0.307 mPa s100 -80_ 80.43-800.363 -0.428 为-0.428尸 0.427

10、lg piLD m = 0.986 x lg 0.307 +(1- 0.986 )x 1g 0.426 ,从 LD/n=U308mPa7进料板液相平均粘度100 -8088.14-80八与3 n=,lia = 0.286mPa s 0.255 -0.308 八-0.308100 -80_ 88.14-800.363 -0.428 为-0.428Nb - 0-402 mPa slg7n = 0.737 xlg0.286 + (1 0.737)xlg0.402 , 1HLpm =0313下尸塔底液相平均粘度)= 0.228 mPa s100-1201133-1000.255 -0.215 4A -

11、0.255100120 _ 113.3 1000.363 -0.313 一4 - 0.363lgjuLFm = 0.00288 xlg0.228 +(1-0.00288 )x 1g0.332 , 1nLpm = 0.332mPs4.7气液相体积流量精镭段：、七、云-v3 /汽相体积流重匕=1.742m /ss3600%，3600x2.87汽相体积流量 V = 1.742 n?/s = 6271.2m 3/h二。rLMl m93.39x82.91 八 3,液相体积流重L = 0.00254m /s36004,3600x845.8液相体积流量4 =0.0024 n?/s = 9.15m 3/h提锚

12、段:汽相体积流量匕二 V”3600AzM226.77x94.153600x3.35= 1.770m3/s汽相体积流量匕=1.770m3/s = 6372m 3/h汽相体积流量匕=1.770m3/s = 6372m 3/h液相体积流量LLML,m _ 272.75 xl05.5 3600夕w， 3600x937.4 * ，/=0.00853m3/s液相体积流量 Lh= 0.00853m3/s = 30.7m3/h6主要设备工艺尺寸设计6.1塔径精馆段：初选塔板间距丁 = 450mm及板上液层高度% = 60mm ,那么:按Smith法求取允许的空塔气速mx即泛点气速尸查Smith通用关联图得Go

13、 =。85负荷因子c = G。=0.08521.3820 )=0.086泛点气速： 仆ZqlPvMQv = 0.0867(845.8-2.87)/2.87 = 1.47m/s取平安系数为0.7,那么空塔气速为 = 0.7max = l3nVs精馆段的塔径 D = ,4匕 /加=74x1.742/(3.14x1.03) = 1.47m按标准塔径圆整取。=L 6m提镭段:初选塔板间距r = 450mm及板上液层高度%=60mm ）那么:按Smith法求取允许的空塔气速即泛点气速勺查Smith通用关联图得Go = 0-082负荷因子。=。2020j0.08222.02V220 ,=0.084泛点气速

14、：max= CdW-QvTQv=。.084J(937.4-3.35)/3.35 : 1.4026m/s取平安系数为0.7,那么空塔气速为=0.7max = 0.98Ws精馆段的塔径 D= ,4匕/加=74x1.770/(3.14x0.98) = 1.52m按标准塔径圆整取O = l.6m7塔板工艺构造尺寸的设计与计算7.1溢流装置因塔径为1.6m,所以采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液 盘，且不设进口堰。溢流堰长出口堰长lw取 I = 0.8D = 0.8x1.6 = 1.28 .m精铺段堰上溢流强度 Lh Hw =8.64/1.28 = 6.75m3/(m h) 100 13

15、0m3/(m h),满 足强度要求。提镭段堰上溢流强度/ /卬=30.8/1.28 = 23.43m3/(m h) v 100 130m3/(m-h),足强度要求。出口堰高hw 对平直堰 how = 0.00284E（4/0.006m 满足要求验证：0.05 - howhw 5s满足要求提镭段：=A H /L =Q3QX0.45/0.00856 = 15.775s满足要求J 1 J降液管的底隙高度儿精储段：取液体通过降液管底隙的流速% =0.07nVs ,那么有：t n（）24%=T = := 0.0268m4不宜小于0.020.025m,本结果满足要lwuo 1.28 x 0.07求hw -

16、 h（）= 0.04-96 一 0.0268 = 0.0228 m 0.006 m 故合理提镭段：取液体通过降液管底隙的流速 = 0.25nVs ,那么有：1吸=马=,00856 = 0 0268m4不宜小于0.020.025m,本结果满足要 lwuro求%/_%）= 0.0364 一 0.0268 = 0.0096m 0.006m 故合理选用凹形受液盘，深度鼠=50m机7.2塔板布置塔板的分块本设计塔径为。=1.66=1600mm 1200mm,故塔板采用分块式，塔板分为4块。边缘区宽度确定取 W = 0.08 m Wr = 0.05/nDC开孔区面积计算 其中：工=2 （% + ws）=

17、- -（0.336 + 0.08） = 0.384m故 A = 2 x 0.384-0.75 2 - 0.384 2 + 3 14 x 0.752 s1nt（丝当 一.皤/ “1800.75浮阀数计算及其排列 精储段:预先选取阀孔动能因子耳=12,由F。=u()H 可求阀孔气速u。即“0 =-7 = 7.08m/5 VZ87F-1型浮阀的孔径为39mm,故每层塔板上浮阀个数为浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的孔心，=75mmLIO0.075x207= 0.071A那么才非间距=一 txN考虑到塔径比拟大，而且采用塔板分块，各块支撑与衔接也要占去一局部鼓 泡区面积，因而排间距不宜采用0

18、.071m,而应小一点，故取r=65根2,按 t = 75mm , t= 65mm以等腰三角叉排方式作图得阀孔数N = 206V1.742实际孔速 =y = 7.08m/s 0.785 Nd/ 206 x 0.785 x (0.039 )2阀孔动能因数为所以阀孔动能因子变化不大，仍在914的合理围，故此阀孔实排数适用。此开孔率在5%15%围，符合要求。所以这样开孔是合理的。设备型式Fl型浮阀塔设备工作日：每年330天，每天24小时连续运行。三设计容1.设计说明书的容1）精镭塔的物料衡算；2）塔板数确实定；3）精福塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4）精僭塔的塔体工艺尺寸计算；5）塔板主要工艺尺

19、寸的计算；6）塔板的流体力学验算；7）塔板负荷性能图；8）对设计过程的评述和有关问题的讨论。9）辅助设备的设计与选型2.设计图纸要求：1）绘制工艺流程图2）绘制精馆塔装置图四参考资料1 .物性数据的计算与图表2 .化工工艺设计手册3 .化工过程及设备设计4 .化学工程手册5 .化工原理苯、氯苯纯组分的饱和蒸汽压数据提镭段: 预先选取阀孔动能因子耳=12,由F。=4。加可求阀孔气速与即 w0 = -= = 6.56m/sF-1型浮阀的孔径为39mm,故每层塔板上浮阀个数为浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的孔心，=75mmA那么由E间距%=一 txN1.100.075x223=0.066

20、考虑到塔径比拟大，而且采用塔板分块，各块支撑与衔接也要占去一局部鼓 泡区面积，因而排间距不宜采用0.066m,而应小一点，故取r=65根2,按 t = 75mm , t= 65nvn以等腰三角叉排方式作图得阀孔数N = 206、V1.770实际孑L 速u =7 =5 = 7.19m/50.785Nd02206x0.785 x (0.039)2阀孔动能因数为所以阀孔动能因子变化不大，仍在914的合理围，故此阀孔实排数适用。此开孔率在5%15%围，符合要求。所以这样开孔是合理的。阀孔排列二塔板流的体力学计算1塔板压降精镭段1J计算干板静压头降儿 由式U,=闻可计算临界阀孔气速U2即P、，U（）NU

21、oc）可用4 =5.34x-x心算干板静压头降，即 2xg pL2计算塔板上含气液层静压头降4由于所别离的苯和甲苯混合液为碳氢化合物，可取充气系数4=0.5,板上液层 高度hL = 0.06,所以依式/ =3计算液体外表力所造成的静压头降心由于采用浮阀塔板，克制鼓泡时液体外表力的阻力很小，所以可忽略不计。这样，气流经一层，浮阀塔板的静压头降/2为提帽段：计算干板静压头降入173 1由式上=1吗5可计算临界阀孔气速。即PvT J l2UoNU。；）可用/z”5.34x一x生算干板静压头降，即2xg Pi计算塔板上含气液层静压头降h（由于所别离的苯和甲苯混合液为碳氢化合物，可取充气系数4=0.5,

22、板上液层高度hL - 0.06,所以依式用 = 4%计算液体外表力所造成的静压头降也由于采用浮阀塔板，克制鼓泡时液体外表力的阻力很小，所以可忽略不计。这样,气流经一层，浮阀塔板的静压头降与为2液泛计算式 3 = hp + hd +hL精镭段计算气相通过一层塔板的静压头降怎前已计算/ip = 0.044m(2)液体通过降液管的静压头降hd因不设进口堰，所以可用式均=0.153 式中 4 = 0.00254 m3 / s,lw = 1.28m, % = 0.0268 m(3)板上液层高度：hL = 0.06m那么 = 0.044 + 0.000839 + 0.06 = 0.1048 m为了防止液泛

23、，按式：Hd(p(H.r+hw),取平安系数0 = 0.5,选定板间距Ht = 0.45 , hw = 0.0496 m从而可知“d =0.1048+ /zu.) = 0.250/n)符合防止液泛的要求液体在降液管停留时间校核应保证液体早降液管的停留时间大于35s,才能使得液体所夹带气体释出。本设 计可见，所夹带气体可以释出。提帽段计算气相通过一层塔板的静压头降怎前已计算ZiJ=0.059加液体通过降液管的静压头降也 因不设进口堰，所以可用式砥=0.15 式中 L；= 0.00853 m3/s,lw = 1.28%= 0.0268 m(3)板上液层高度：/?/= 0.06m ,那么/= 0.0

24、59 + 0.0095 + 0.06 = 0.129加为了防止液泛，按式：Hd(p(Hr+hJ ,取平安系数0 = 0.5,选定板间距Ht =0.60 .=0.0304 h从而可知HJ= 0.129加 叭/ + hw) = 0.243/7：,符合防止液泛的要求液体在降液管停留时间校核应保证液体早降液管的停留时间大于35 s,才能使得液体所夹带气体释出。本设 计可见，所夹带气体可以释出。3雾沫夹带的计算判断雾沫夹带量.是否在小于10%的合理围，是通过计算泛点率片来完成的。 泛点率的计算时间可用式：+ L36LZE = V 0 PX100% 和 Pl-P. x100%KcFAp0JSKcfAt塔板

25、上液体流程长度 塔板上液流面积 精馆段: 苯和氯苯混合液可按正常物系处理，取物性系数K值，K=1.0,在从泛点负荷因数2.871.742 x及b=图中查得负荷因数=0.127,将以上数值分别代入上式V 845.8 2.87 inno/ 35秒可知，液体在降液管最短停留时间为35秒。取 Ls了 = 5s为液体在降液管中停留时间的下限，所对应的那么为液体的最大流量Lvinax, 即液相负荷上限，于是可得Af x Ht 0 281 x0 45. ZI , , Af x HT精锵段：4max =-= -=0.025加/s显然由式=-所3 Ill dX553 HI dX51得到的液相上限线是 一条与气相

26、负荷性能无关的竖直线，即负荷性能图中的线(y3)oAf x H r 0 281 x 0 45、Af x H r提镭段：4max=L = = 0.025切3 /s显然由式L，= -1Ld 111 X5、111 a A所得到的液相上限线是 一条与气相负荷性能无关的竖直线，即负荷性能图中的线(y3)。4.3 气体负荷下限线漏液线对于F1型重阀，因玲 1000mm的板式塔，每隔68块塔板设置一个人孔；且 裙座处取2个人孔。本塔中共20块塔板，因此，在精储段和提留段各设置一个 人孔。每个孔直径为450加%2 ,厚t = 10mm）高52mm。在设置人孔处，板间距为 600mm ,裙座上应开2个人孔，直径

27、为450/篦相 3 人孔伸入塔部应与塔壁修平， 其边缘雷倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接收法兰一 样，本设计也是如此4塔高板式塔的塔高如图9-1所示，塔体总高度由下式决定：式中塔顶空间，3；乩塔底空间，塔板间距，m；开有人孔的塔板间距，m；Hp进料段板间距，3；用实际塔板数；S人孔数目不包括塔顶空间和塔底空间的人孔其他物性数据可查有关手册。目录前言51 .设计方案的思考52 .设计方案的特点53 .工艺流程确实定5一.设备工艺条件的计算61 .设计方案确实定及工艺流程的说明62 .全塔的物料衡算621料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率622平均摩尔质量62.3料液及塔顶底产品

28、的摩尔流率63 .塔板数确实定7N31理论塔板数功1的求取73.2 确定操作的回流比R83.3 求理论塔板数8E3.4 全塔效率 1 10N3.5 实际塔板数 P近似取两段效率一样104 .操作工艺条件及相关物性数据的计算114.2 平均压强Pm I4.3 平均温度114.4 平均分子量Mm 114.5 平均密度Pm 124.6 液体的平均外表力m 134.7 液体的平均粘度L,m 44.8 气液相体积流量156主要设备工艺尺寸设计166.1塔径167塔板工艺构造尺寸的设计与计算177.1 溢流装置17H封头高度；mH,裙座高度；m塔体总高度：浮阀塔总体设备构造简图:5接收5.1进料管进料管的

29、构造类型很多，有直管进料管、T型进料管、弯管进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下：F = 175.36 kmol/h, pIFm =871.6kg/m3,“ FMLFm 175.36x87.50 八 3 /7那么体积流量/ = 17.60m /hPLFrn871.6取管流速 =16m/s/4./360014x17.60/3600那么管径。=、=1=0.06239 m = 62.39nvn到 目任 V 7ru V 查无隙钢管标准，取进料管规格70X3那么管径d=64mm4V 进料管实际流速二某4V 进料管实际流速二某4x17.60/3600n x 0.0642=1.52m/s回流管采用直管

30、回流管，回流管的回流量D = 13897kmol/介，平均密度P = 820.0kg/m3 ,塔顶液相平均摩尔质量 那么液体流量取 管 流 速 u = .6m/s取 管 流 速 u = .6m/s那 么 回 流 管 直 径4Ld/36007ULI|4x13.32/3605V = 0.05219 m = 52A9nvn查无隙钢管标准，取回流管规格60X4那么管直径d=52mm回流管实际流速=回流管实际流速=4x13.32/36007rx0.0522=1.74m/s5.2 塔顶蒸汽接收塔顶汽相平均摩尔质量塔顶汽相平均密度那么蒸汽体积流量：=型四ZA颂那么蒸汽体积流量：=型四ZA颂227.08 x

31、78.21Z80=6342.83 kg/h取管蒸汽流速 =30m/s那么d =那么d =4% / 3600TCltJ4x6342.83/林丽V 3.14x30=0.274 m查无隙钢管标准，取回流管规格中299X12那么实际管径d=275mm塔顶蒸汽接收实际流速沅=4 X匕/ M 24x6342.83/3600ttxO.2752=29.68m/5釜液排出管塔底W = 47.14bw/z,塔顶汽相平均摩尔质量平均密度0W,=lOO3.lkg/m3WM _ VV1V1 体积流量：Av 一PlW1003.1=5.29m3/h取管流速 = 1.6m/s二田卫二X5.29/3600 二0 0342。m

32、= 34.201 V 7TU V 查无隙钢管标准，取回流管规格。38x2.5那么实际管径d=33mm塔顶蒸汽接收实际流速 =4 x4/位2塔顶蒸汽接收实际流速 =4 x4/位24x5.29/36002= U2m/s5.3 塔釜进气管V，= 227.08kmol/h ,塔顶汽相平均摩尔质量Mvw = 0.005977 x 78.11+ 0.994023 x W2.61 =H2.40kg/kmolPnVDM 117.9x112.40 勺 or71 7 / 3塔釜蒸汽密度8/釜二二 C874g/-一RT 8.314 x (138.48 +273)叱 VM 227.08x112.40 .Q , 那么塔

33、釜蒸汽体积流量：% =不荷= 6588.49 kg/h夕V釜3.874取管蒸汽流速 =30m/ sI4V 73600, 4 x 6588.49 / 3600八那么 d =、=、= 0.279 m1 V 7iu V 3.14x30可取回流管规格299X10那么实际管径d=280mm塔顶蒸汽接收实际流速 =4 x匕/就2塔顶蒸汽接收实际流速 =4 x匕/就24x6588.49/36002=29.74ml s6法兰由于常压操作，设计压力为0.4MPa,应选择法兰时，以0.6MPa作为其公称压力，即 PN=0.6根据HG5010-58标准，均选择标准管法兰，平焊法兰，结果如下：进料管接收法兰：PN0.

34、6DN70 HG 5010回流管接收法兰：PN0.6DN50 HG 5010塔釜出料管接法兰：PN0.6DN80 HG 5010塔顶 蒸汽管法兰：PN0.6DN500 HG 5010塔釜蒸汽进气管法兰：PN0.6DN500 HG 50107筒体与封头7.1 筒体精健段D=1600mm,取壁厚5 = 8根根，材质：Q235提镭段D=1600mm,取壁厚3 = 8相根，材质：Q235封头封头采用椭圆形封头。塔顶：由公称直径DN=1600mm,查板式塔曲面高度表得曲面高度hj=400mm,直边高度 h0=25mm,外表积 F=2.901m2 容积 V=0.8586m3选用封头 DN1600X8, /T 4746-2002塔釜：由公称直径DN=1600mm,查板式塔曲面高度表得曲面高度4