課程設計——苯-氯苯板式精餾塔的工藝設計

1、<p>　　課程設計題目一——苯-氯苯板式精餾塔的工藝設計</p><p><b>　　一、設計題目</b></p><p>　　設計一座苯-氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為99.5%的氯苯20000t/a，塔頂餾出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯為42%（以上均為質(zhì)量%）。</p><p><b>　　二、操作條件<

2、;/b></p><p>　　1.塔頂壓強4kPa（表壓）；</p><p>　　2.進料熱狀況，泡點進料q=1；</p><p>　　3.回流比，R=1.5Rmin</p><p>　　4.塔釜加熱蒸汽壓力506kPa；</p><p>　　5.單板壓降不大于0.7kPa；</p><p&g

3、t;　　6.年工作日300天，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　三、設計內(nèi)容</b></p><p>　　1設計方案的確定及工藝流程的說明；</p><p><b>　　2.塔的工藝計算；</b></p><p>　　3.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)的設計計算；</p>&l

4、t;p>　　4.塔內(nèi)流體力學性能的設計計算；</p><p>　　5.塔板負荷性能圖的繪制；</p><p>　　6.塔的工藝計算結(jié)果匯總一覽表；</p><p>　　7.輔助設備的選型與計算；</p><p>　　8.生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制；</p><p>　　9.對本設計的評述或?qū)τ嘘P問題的

5、分析與討論。</p><p><b>　　四、基礎數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1.組分的飽和蒸汽壓 單位：mmHg</p><p>　　表一 組分的飽和蒸汽壓</p><p>　　注：1 mmHg=133.322Pa</p><

6、;p>　　2.組分的液相密度 單位：kg/m3</p><p>　　表二 組分的液相密度</p><p>　　純組分在任何溫度下的密度可由下式計算：</p><p>　　苯 </p><p>　　氯苯 </p><

7、;p>　　注：式中的t為溫度，℃。</p><p>　　3.組分的表面張力 單位：mN/m</p><p>　　表三 組分的表面張力</p><p>　　雙組分混合液體的表面張力可按下式計算：</p><p>　　（為A、B組分的摩爾分率）</p>

8、<p><b>　　4.氯苯的汽化潛熱</b></p><p>　　常壓沸點下的汽化潛熱為35.3×103kJ/kmol。純組分的汽化潛熱與溫度的關系可用下式表示：</p><p>　　（氯苯的臨界溫度：）</p><p>　　5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。</p><p>　　一、設計方案的確定

9、及工藝流程的說明</p><p>　　原料液經(jīng)臥式列管式預熱器預熱至泡點后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用強制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至苯液貯罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜產(chǎn)品經(jīng)臥式列管式冷卻器冷卻后送入氯苯貯罐。</p><p><b>　　二、全塔的物料衡算</b></p><

10、p>　?。ㄒ唬┝弦杭八?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率</p><p>　　苯和氯苯的相對摩爾質(zhì)量分別為78.11和112.61kg/kmol。</p><p><b>　　（二）平均摩爾質(zhì)量</b></p><p>　?。ㄈ┝弦杭八?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率</p><p>　　依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，有：

11、</p><p><b>　　全塔物料衡算：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　三、塔板數(shù)的確定</b></p><p>　?。ㄒ唬├碚撍鍞?shù)的求取</p><p>　　苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法

12、（M·T法）求取，步驟如下：</p><p>　　（1）相平衡數(shù)據(jù)的求取</p><p>　　根據(jù)苯-氯苯的相平衡數(shù)據(jù)，利用泡點方程和露點方程求取。再依據(jù)，，將所得計算結(jié)果如下表：</p><p>　　表四 苯—氯苯的相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　本題中，塔內(nèi)壓力接近常壓（實際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因為操

13、作壓力偏離常壓很小，所以其對平衡關系的影響完全可以忽略。</p><p>　?。?）確定操作的回流比R</p><p>　　將表四中數(shù)據(jù)作圖得曲線及曲線。在圖上，因，查得，而，。故有：</p><p>　　圖一 苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解</p><p>　　圖二 苯-氯苯物系的溫度組成圖</p><p>　

14、　考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的1.5倍，即：</p><p><b>　　（3）求理論塔板數(shù)</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程：</b></p><p>　　將xF帶入精餾段操作方程得：yF=0.926</p><p>　　提餾段操作線為過和

15、兩點的直線。</p><p><b>　　提餾段操作線方程：</b></p><p>　　圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段 塊，第5塊為加料板位置。 </p><p><b>　?。ǘ嶋H塔板數(shù)</b></p><p><b>　　1.全塔效率</b></p&

16、gt;<p>　　選用公式計算。該式適用于液相粘度為0.07~1.4mPa·s的烴類物系，式中的為全塔平均溫度下以進料組成表示的平均粘度。</p><p>　　塔的平均溫度為0.5(80+131.8)=106℃（取塔頂?shù)椎乃阈g平均值），在此平均溫度下查化工原理附錄11得：，。</p><p>　　2.實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）</p><p

17、><b>　　精餾段：塊，取塊</b></p><p><b>　　提餾段：塊，取塊</b></p><p><b>　　總塔板數(shù)塊。</b></p><p>　　四、塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算</p><p><b>　?。ㄒ唬┢骄鶋簭?lt;

18、/b></p><p>　　取每層塔板壓降為0.7kPa計算。</p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　平均壓強</b></p><p><b>　　（二）平均

19、溫度</b></p><p>　　查溫度組成圖得：塔頂為80℃，加料板為91℃。</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　（三）平均分子量</b></p><p>　　塔頂： ，（查相平衡圖）</p><p>　　加料板：，（查相平衡

20、圖）</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　?。ㄋ模┢骄芏?lt;/b></p><p><b>　　1.液相平均密度</b></p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b&g

21、t;　　進料板：</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　2.汽相平均密度</b></p><p>　?。ㄎ澹┮后w的平均表面張力</p><p><b>　　塔頂：；（80℃）</b></p><p>

22、;　　進料板：；（88℃）</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　　（六）液體的平均粘度</p><p>　　塔頂：查化工原理附錄11，在80℃下有：</p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　精餾段：<

23、;/b></p><p>　　五、精餾段的汽液負荷計算</p><p><b>　　汽相摩爾流率</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　液相

24、回流摩爾流率</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　冷凝器的熱負荷</b></p><p>　　六、塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p&g

25、t;<b>　　（一）塔徑</b></p><p>　　1.初選塔板間距及板上液層高度，則：</p><p>　　2.按Smith法求取允許的空塔氣速（即泛點氣速）</p><p>　　查Smith通用關聯(lián)圖得</p><p><b>　　負荷因子</b></p><p>&

26、lt;b>　　泛點氣速：</b></p><p><b>　　3.操作氣速</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p>　　圓整取，此時的操作氣速。</p><p&g

27、t;　?。ǘ┧骞に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸的設計與計算</p><p><b>　　1.溢流裝置</b></p><p>　　采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內(nèi)堰。</p><p>　　（1）溢流堰長（出口堰長）</p><p><b>　　取</b></p>&l

28、t;p><b>　　堰上溢流強度：，</b></p><p>　　滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。</p><p><b>　?。?）出口堰高</b></p><p><b>　　對平直堰 </b></p><p>　　由及，查化工原理圖11-11得，于是：</p&

29、gt;<p><b>　?。M足要求）</b></p><p>　?。?）降液管的寬度和降液管的面積</p><p>　　由，查化原下P147圖11-16得，即：</p><p><b>　　，，。</b></p><p>　　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p

30、><b>　?。M足要求）</b></p><p>　　（4）降液管的底隙高度</p><p>　　液體通過降液管底隙的流速一般為0.07~0.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：</p><p>　?。ú灰诵∮?.02~0.025m，本結(jié)果滿足要求）</p><p><b>　　2.塔板布置&

31、lt;/b></p><p>　?。?）塔板分塊，因D=800mm，根據(jù)表5—6將塔板分作3塊安裝；</p><p>　?。?）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度</p><p>　　邊緣區(qū)寬度：一般為50~75mm，D >2m時，可達100mm。</p><p>　　安定區(qū)寬度：規(guī)定m時mm；m時mm；</p><p&g

32、t;　　本設計取mm，mm。</p><p><b>　　（3）開孔區(qū)面積.</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　3.開孔數(shù)和開孔率</b></p><p>　　取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。<

33、;/p><p>　　每層塔板的開孔數(shù)（個） </p><p>　　每層塔板的開孔率（應在5~15%，故滿足要求）</p><p><b>　　每層塔板的開孔面積</b></p><p><b>　　氣體通過篩孔的孔速</b></p><p><b>　　4.精餾段的

34、塔高</b></p><p>　　四、塔板上的流體力學驗算</p><p>　?。ㄒ唬怏w通過篩板壓降和的驗算</p><p>　　1.氣體通過干板的壓降</p><p>　　式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。</p><p>　　2.氣體通過板上液層的壓降</p><p>　　式

35、中充氣系數(shù)的求取如下：</p><p>　　氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：</p><p><b>　　動能因子</b></p><p>　　查化圖5-35得（一般可近似?。?。</p><p>　　3.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和</p><p>　　即有：，滿足設計的操作要求

36、。</p><p>　?。ǘ╈F沫夾帶量的驗算</p><p>　　式中：，驗算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　　（三）漏液的驗算</b></p><p><b>　　漏液點的氣速</b></p><p><b>　　式中：</b&

37、gt;</p><p>　　則有：篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p><b>　?。ㄋ模┮悍旱尿炈?lt;/b></p><p>　　為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度</p><p>　　相對泡沫密度取，則有</p><p>　　即有：成立，故不會產(chǎn)生液泛。</p&

38、gt;<p>　　通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。</p><p><b>　　八、塔板負荷性能圖</b></p><p>　?。ㄒ唬╈F沫夾帶線（1）</p><p><b>　　式中：</b></p><p>

39、;　　將已知數(shù)據(jù)代入式中得：</p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（1-1）算出對應的值列于下表： </p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　?。ǘ┮悍壕€（2）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：</p

40、><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）</p><p>　?。ㄈ┮合嘭摵缮舷蘧€（3）</p><p>　?。ㄋ模┞┮壕€（氣相負荷下限線）（4）</p><p><b>　　漏液點氣速：</b></p><p><b>　　，整理得：</b></p><p

41、>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（4-4）算出對應的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線（4）</p><p>　?。ㄎ澹┮合嘭摵上孪蘧€</p><p>　　取平堰堰上液層高度m，。</p><p>　　圖——精餾段塔板負荷性能</p><p>　?。┎僮骶€與操作彈性</p>

42、;<p><b>　　操作氣液比 </b></p><p>　　過（0,0）和（0.0003956,0.4974）兩點，在圖中做操作線.</p><p>　　操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最小負荷之比，從圖中可得：</p><p><b>　　操作彈性=</b></p>

43、;<p>　　九、精餾塔的設計計算結(jié)果匯總一覽表</p><p>　　精餾塔的設計計算結(jié)果匯總一覽表</p><p>　　提餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算</p><p>　　一、提餾段的物性及狀態(tài)參數(shù)</p><p><b>　?。ㄒ唬┢骄鶋簭?lt;/b></p><p>　　取

44、每層塔板壓降為0.7kPa計算。</p><p><b>　　進料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p><p><b>　　平均壓強</b></p><p><b>　?。ǘ┢骄鶞囟?lt;/b></p><p&

45、gt;　　查溫度組成圖得：加料板為91℃，塔底為131.92℃。</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　?。ㄈ┢骄肿恿?lt;/b></p><p>　　加料板：，（查相平衡圖）</p><p>　　塔底： ，。（查相平衡圖）</p><p>&l

46、t;b>　　提餾段：</b></p><p><b>　?。ㄋ模┢骄芏?lt;/b></p><p><b>　　1.液相平均密度</b></p><p><b>　　進料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p&

47、gt;<p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　2.汽相平均密度</b></p><p>　?。ㄎ澹┮后w的平均表面張力</p><p>　　進料板：；（91℃）</p><p>　　塔底：；（131.92℃）</p><p><b&

48、gt;　　精餾段：</b></p><p>　?。┮后w的平均粘度</p><p>　　塔頂：查化工原理附錄11有：</p><p>　　加料板： （0.18,0.27）</p><p><b>　　塔 底：</b></p><p><b>　　提餾段：</b&

49、gt;</p><p>　　二、提餾段的汽液負荷計算</p><p><b>　　汽相摩爾流率</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　液相回流摩爾

50、流率</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　再沸器的熱負荷</b></p><p>　?。ê雎詼囟葔毫ζ瘽摕岬挠绊懀?lt;/p><p>　　三

51、、塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p><b>　?。ㄒ唬┧?lt;/b></p><p>　　1.初選塔板間距及板上液層高度，則：</p><p>　　2.按Smith法求取允許的空塔氣速（即泛點氣速）</p><p>　　查Smith通用關聯(lián)圖得</p><p><b>　　負

52、荷因子</b></p><p><b>　　泛點氣速：</b></p><p><b>　　m/s</b></p><p><b>　　3.操作氣速</b></p><p><b>　　取</b></p><p><

53、;b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p>　　為加工方便，圓整取，即上下塔段直徑保持一致，此時提餾段的操作氣速。</p><p>　?。ǘ┧骞に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸的設計與計算</p><p><b>　　1.溢流裝置</b></p><p>　　采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，

54、且不設進口內(nèi)堰。</p><p>　　（1）溢流堰長（出口堰長）</p><p><b>　　取</b></p><p>　　堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。</p><p><b>　　（2）出口堰高</b></p><p><b>　　對平直堰<

55、;/b></p><p>　　由及，查化工原理圖11-11得，于是：</p><p><b>　　（滿足要求）</b></p><p>　?。?）降液管的寬度和降液管的面積</p><p>　　由，查化原下P147圖11-16得，即：</p><p><b>　　，，。</b

56、></p><p>　　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p>　?。?）降液管的底隙高度</p><p>　　液體通過降液管底隙的流速一般為0.07~0.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：</p><p>　?。ú灰诵∮?.0

57、2~0.025m，本結(jié)果滿足要求）</p><p><b>　　2.塔板布置</b></p><p>　?。?）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度</p><p>　　與精餾段同，即mm，mm。 </p><p>　　開孔區(qū)面積與精餾段同，即</p><p><b>　　3.開孔數(shù)和開孔率</

58、b></p><p><b>　　與精餾段同，即</b></p><p>　　每層塔板的開孔率（應在5~15%，故滿足要求）</p><p><b>　　每層塔板的開孔面積</b></p><p><b>　　氣體通過篩孔的孔速</b></p><p&

59、gt;<b>　　4.提餾段的塔高</b></p><p>　　四、塔板上的流體力學驗算</p><p>　?。ㄒ唬怏w通過篩板壓降和的驗算</p><p>　　1.氣體通過干板的壓降</p><p>　　式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。</p><p>　　2.氣體通過板上液層的壓降<

60、/p><p>　　式中充氣系數(shù)的求取如下：</p><p>　　氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：</p><p><b>　　動能因子</b></p><p>　　查化原圖11-12得（一般可近似?。?。</p><p>　　3.氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降</p><

61、;p>　　4.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和</p><p><b>　　m</b></p><p>　　即有：，滿足設計的操作要求。</p><p>　　（二）霧沫夾帶量的驗算</p><p>　　式中：，驗算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　?。ㄈ?/p>

62、漏液的驗算</b></p><p><b>　　漏液點的氣速</b></p><p>　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p><b>　　（四）液泛的驗算</b></p><p>　　為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度</p><p>

63、;　　成立，故不會產(chǎn)生液泛。</p><p>　　通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。</p><p><b>　　八、塔板負荷性能圖</b></p><p>　?。ㄒ唬╈F沫夾帶線（1）</p><p><b>　　（1）</b>

64、;</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（1）</p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（1-1）算出對應的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　?。ǘ┮悍壕€（2）</b

65、></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）</p><p>　　（三）液相負荷上限線（3）</p><p><b>　?。?-3）</b&

66、gt;</p><p>　　（四）漏液線（氣相負荷下限線）（4）</p><p><b>　　漏液點氣速</b></p><p><b>　　，整理得：</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式算出對應的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏

67、液線（4）</p><p>　?。ㄎ澹┮合嘭摵上孪蘧€（5）</p><p>　　取平堰堰上液層高度m，。</p><p>　　（六）操作線與操作彈性</p><p><b>　　操作氣液比 </b></p><p>　　過和兩點，在圖中做操作線.</p><p>　　操作