苯一氯苯分離過程板式精餾塔設計

苯-氯苯板式精餾塔的工藝設計PAGEPAGE302001級學生用化工原理課程設計示范目錄TOC\o"1-3"\h\u23417一、設計題目 221428二、操作條件 325588三、設計內容 326898四、基礎數(shù)據(jù) 35642五、設計方案的確定及工藝流程的說明 586六、全塔的物料衡算 5151721.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率 5298762.平均摩爾質量 5170643.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率 632561七、塔板數(shù)的確定 6222311.理論塔板數(shù)的求取 6263252.實際塔板數(shù) 8302032.1全塔效率 816219八、塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算 987561.平均壓強 947162.平均溫度 9139313.平均分子量 10285854.平均密度 1027354.1液相平均密度 105275.液體的平均表面張力 11113996.液體的平均粘度 1132127九、精餾段的汽液負荷計算 1221225十、塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算 1234311.塔徑 12129682.塔板工藝結構尺寸的設計與計算 13301821.1溢流裝置 13162821.2溢流堰長（出口堰長） 13253141.3出口堰高 1320011.4降液管的底隙高度 14319672.塔板布置 143983.開孔數(shù)和開孔率 1522951十一、塔板上的流體力學驗算 16107141.氣體通過篩板壓降和的驗算 16202162.氣體通過板上液層的壓降 162383.霧沫夾帶量的驗算 1881434.漏液的驗算 1868625.液泛的驗算 18284十二、塔板負荷性能圖 19280971.霧沫夾帶線 1963542.液泛線（2） 2055213.液相負荷上限線（3） 21293594.漏液線（氣相負荷下限線）（4） 21147705.液相負荷下限線（5） 2263十三、精餾塔的設計計算結果匯總一覽表 2230150十四、提餾段的汽液負荷計算 249691十五、塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算 24243401.塔徑 2493932.塔板工藝結構尺寸的設計與計算 25222552.1溢流裝置 25292203.塔板布置 2764353.1邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度 2720222十六、塔板上的流體力學驗算 27119901.氣體通過篩板壓降和的驗算 27177311.1氣體通過干板的壓降 28290692.氣體通過板上液層的壓降 28106733.氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降 28264133.1霧沫夾帶量的驗算 29261614.漏液的驗算 29182255.液泛的驗算 2915547十七、結束語 3014961十八、參考文獻 3028290十九、思考題 30苯-氯苯板式精餾塔的工藝設計課程設計題目一——苯-氯苯板式精餾塔的工藝設計一、設計題目設計一座苯-氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為99.8%的氯苯15000t/a，塔頂餾出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯為38%（以上均為質量%）。二、操作條件(1)塔頂壓力4kPa(表壓)。

(2)進料熱狀態(tài)自選。

(3)回流比自選。

(4)塔底加熱蒸氣壓力0.5MPa(表壓)。

(5)冷卻水溫度35℃。

(6)單板壓降≤0.7kPa。三、設計內容(1)精餾塔的物料衡算；

(2)塔板數(shù)的確定；

(3)精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算；

(4)精餾塔的塔體工藝尺寸計算；

(5)塔板主要工藝尺寸的計算；

(6)塔板的流體力學驗算；

(7)塔板負荷性能圖；

(8)精餾塔接管尺寸計算；

(9)繪制生產(chǎn)工藝流程圖；

(10)繪制精餾塔設計條件圖；

(11)繪制塔板施工圖(可根據(jù)實際情況選作)；

(12)對設計過程的評述和有關問題的討論。四、基礎數(shù)據(jù)（mmHg）溫度，（℃）8090100110120130苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760（kg/m3）溫度，（℃）8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985純組分在任何溫度下的密度可由下式計算苯推薦：氯苯推薦：式中的t為溫度，℃。（mN/m）溫度，（℃）8085110115120131苯氯苯雙組分混合液體的表面張力可按下式計算：（為A、B組分的摩爾分率）×103kJ/kmol。純組分的汽化潛熱與溫度的關系可用下式表示：（氯苯的臨界溫度：）5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。苯-氯苯板式精餾塔的工藝計算書（精餾段部分）五、設計方案的確定及工藝流程的說明原料液經(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。六、全塔的物料衡算1.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率苯和氯苯的相對摩爾質量分別為78.11和112.61kg/kmol。2.平均摩爾質量3.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率依題給條件：一年以330天，一天以24小時計，有：，全塔物料衡算：七、塔板數(shù)的確定1.理論塔板數(shù)的求取苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法（M·T法）求取，步驟如下：1.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依據(jù)，，將所得計算結果列表如下：溫度，（℃）8090100110120130苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760兩相摩爾分率x10y10本題中，塔內壓力接近常壓（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。R曲線及曲線。在圖上，因，查得，而，。故有：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2倍，即：精餾段操作線：提餾段操作線為過和兩點的直線。苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解苯-氯苯物系的溫度組成圖圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第5塊為加料板位置。2.實際塔板數(shù)2.1全塔效率選用·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。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：，。（近似取兩段效率相同）精餾段：塊，取塊提餾段：塊，取塊總塔板數(shù)塊。八、塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算1.平均壓強取每層塔板壓降為0.7kPa計算。塔頂：加料板：平均壓強2.平均溫度查溫度組成圖得：塔頂為80℃，加料板為88℃?！?.平均分子量塔頂：，（查相平衡圖）加料板：，（查相平衡圖）精餾段：4.平均密度4.1液相平均密度塔頂：進料板：精餾段：5.液體的平均表面張力塔頂：；（80℃）進料板：；（88℃）精餾段：6.液體的平均粘度塔頂：查化工原理附錄11，在80℃下有：加料板：精餾段：九、精餾段的汽液負荷計算汽相摩爾流率汽相體積流量汽相體積流量液相回流摩爾流率液相體積流量液相體積流量冷凝器的熱負荷十、塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算1.塔徑及板上液層高度，則：（即泛點氣速）查Smith通用關聯(lián)圖得負荷因子泛點氣速：m/s取圓整取，此時的操作氣速。2.塔板工藝結構尺寸的設計與計算1.1溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。溢流堰長（出口堰長）取堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。出口堰高對平直堰由及，查化工原理圖11-11得，于是：（滿足要求）（3）降液管的寬度和降液管的面積由，查化原下P147圖11-16得，即：，，。液體在降液管內的停留時間（滿足要求）降液管的底隙高度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：（不宜小于0.02~0.025m，本結果滿足要求）（1）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度：一般為50~75mm，D>2m時，可達100mm。安定區(qū)寬度：規(guī)定m時mm；m時mm；本設計取mm，mm。（2）開孔區(qū)面積式中：和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應在5~15%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速十一、塔板上的流體力學驗算1.氣體通過篩板壓降和的驗算式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。式中充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：動能因子查化原圖11-12得（一般可近似?。?。4.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（不滿足工藝要求，需重新調整參數(shù)）?，F(xiàn)對塔板結構參數(shù)作重新調整如下：取mm，mm。開孔區(qū)面積式中：開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應在5~15%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速氣體通過篩板壓降和的重新驗算氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（滿足工藝要求）3.霧沫夾帶量的驗算式中：，驗算結果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。4.漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）5.液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。十二、塔板負荷性能圖1.霧沫夾帶線（1）式中：將已知數(shù)據(jù)代入式（1）（1-1）在操作范圍內，任取幾個值，依式（1-1）算出對應的值列于下表：依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）2.液泛線（2）（2）（2-2）在操作范圍內，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）3.液相負荷上限線（3）（3-3）4.漏液線（氣相負荷下限線）（4）漏液點氣速，整理得：（4-4）在操作范圍內，任取幾個值，依式（4-4）算出對應的值列于下表：依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線（4）5.液相負荷下限線（5）取平堰堰上液層高度m，。（5-5）操作氣液比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，即：操作彈性=十三、精餾塔的設計計算結果匯總一覽表精餾塔的設計計算結果匯總一覽表項目符號單位計算結果精餾段提餾段平均壓強kPa平均溫度℃84平均流量氣相m3/s液相m3/s實際塔板數(shù)塊8板間距m塔段的有效高度m塔徑m空塔氣速m/s塔板液流型式單流型溢流裝置溢流管型式弓形堰長m堰高m溢流堰寬度m底隙高度m板上清液層高度m孔徑mm5孔間距mm15孔數(shù)個7113開孔面積m2篩孔氣速m/s塔板壓降kPa液體在降液管中的停留時間s降液管內清液層高度m霧沫夾帶kg液/kg氣負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷m3/s氣相最小負荷m3/s操作彈性塔的提餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據(jù)的計算十四、提餾段的汽液負荷計算汽相摩爾流率汽相體積流量汽相體積流量液相回流摩爾流率液相體積流量液相體積流量再沸器的熱負荷（忽略溫度壓力對汽化潛熱的影響）十五、塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算1.塔徑及板上液層高度，則：（即泛點氣速）查Smith通用關聯(lián)圖得負荷因子泛點氣速：m/s取為加工方便，圓整取，即上下塔段直徑保持一致，此時提餾段的操作氣速。2.塔板工藝結構尺寸的設計與計算溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。（1）溢流堰長（出口堰長）取堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。（2）出口堰高對平直堰由及，查化工原理圖11-11得，于是：（滿足要求）（3）降液管的寬度和降液管的面積由，查化原下P147圖11-16得，即：，，。液體在降液管內的停留時間（滿足要求）（4）降液管的底隙高度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：（不宜小于0.02~0.025m，本結果滿足要求）3.塔板布置邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度與精餾段同，即mm，mm。開孔區(qū)面積與精餾段同，即和開孔率亦與精餾段同，即孔每層塔板的開孔率（應在5~15%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速十六、塔板上的流體力學驗算1.氣體通過篩板壓降和的驗算氣體通過干板的壓降式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。式中充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：動能因子查化原圖11-12得（一般可近似?。怏w通過篩板的壓降（單板壓降）和（尚可接受，本設計不再做重新設計計算）。霧沫夾帶量的驗算式中：，驗算結果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。4.漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）5.液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。十七、結束語通過本次課程設計，更好的認識和理解了精餾塔的設計以及工作原理。本次設計存在很多缺點與不足，望老師加以指正。參考文獻［1］《塔設備》路秀林王者相等編化學工業(yè)出版社2004年1月第1版

［2］《化工原理》陳敏恒叢德滋等編化學工業(yè)出版社2006年5月第三版［3］《化工過程及設備課程設計參考資料》大連工學院化工機械系化工過程及設備教研室編人民教育出版社2010年2月第一版

十九、思考題1.進料狀態(tài)對過程有何影響,選擇不同進料狀態(tài)時,進料口位置有何不同？答：（1）低于泡點溫度下的汽液進料這種情況下，提餾段內回流液量L'包括有：①精餾段內的回流量L；②原料液流量；③需將原料液加熱到板上溫度。（2）泡點溫度下的飽和液體進料

這種情況下，原料液溫度與板上液體的溫度相近，故原料液全部進入提餾段，與精餾段的回流匯合作為提餾段內回流液。而提餾段上升的蒸汽量不會致冷凝而減小，故兩段的上升蒸汽量相等。（3）氣液混合物進料

這種情況下，進料液中液相部分成為L′的一部分，而蒸氣部分則成為V的一部分。（4）露點溫度下的飽和蒸氣進料

這種情況下，全部進料變?yōu)閂的一部分，而兩段的回流液量不變，即L′=L（5）高于露點溫度的過熱蒸氣進料

這種情況下與冷液進料恰好相反，精餾段內上升蒸氣量有：

①提餾段內上升蒸氣量V′；

②原料液量F；

③需將進料溫度降到板上溫度，有一部分自精餾段流下的回流液被氣化成為V中的一部分。這樣一來，下降到提餾段內的液體量將減少，即L′<L。

2．塔板效率受哪些因素影響？答：精餾塔在實際運行中，由于氣液相傳質阻力、混合、霧沫夾帶等原因，氣液相的組成與平衡狀態(tài)有所偏離，所以在確定實際塔板數(shù)量時，應考慮塔板效率。系統(tǒng)物性、流體力學、操作條件和塔板結構參數(shù)等都對塔板效率有影響，目前塔板效率還不能精確地預測。塔板效率一般是根據(jù)經(jīng)驗