化工原理课程设计苯氯苯精馏塔的工艺设计

1、化工原理设计任务书一、设计题目: 苯-氯苯精馏塔的工艺设计二、设计任务1）进精馏塔的原料液中含氯苯为30%（质量百分比，下同），其余为苯。2）塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。3）生产能力为日产纯度为99.8%的氯苯z吨产品。年工作日330天，每天24小时连续运行。 （设计任务量为55万吨/年）三、操作条件1.塔顶压强4kpa（表压）；2.进料热状况，自选；3.回流比，自选；4.塔釜加热蒸汽压力506kpa；5.单板压降不大于0.7kpa；6. 设备型式：自选7厂址 唐山地区四、设计内容1.设计方案的确定及工艺流程的说明；2.塔的工艺计算；3.塔板流体力学计算；4.塔附件设计计算；5.塔总体高度设

2、计；6. 辅助设备的选型与计算；7.塔的机械强度校核；8.设计结果列表或设计一览表；9.精馏塔的装配图10.对设计结果的自我评价总结与说明11.设计说明书一份五、基础数据1.组分的饱和蒸汽压（mmhg）温度，（）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 氯苯 式中的t为温度，。3.组分的表面张力（

3、mn/m）温度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4双组分混合液体的表面张力可按下式计算：（为a、b组分的摩尔分率）4.氯苯的汽化潜热常压沸点下的汽化潜热为35.3103kj/kmol。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示：（氯苯的临界温度：）5.其他物性数据可查化工原理附录。苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）一、精馏塔的物料衡算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和112.5 kg/kmol。 平均摩尔质量2.物料衡算 依题给条件：一年以330天，

4、一天以24小时计，因有：则对全塔做物料衡算有： 得:二、塔板数的确定1.理论塔板数的求取苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法（mt法）求取，步骤如下：1).根据苯-氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取依据，将所得计算结果列表如下：温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760两相摩尔分率x10.6790.4440.2660.1280.020y10.9140.7860.6150.3790.0750本题中，由于塔内压力接近常压（实际上略高于常压），而表中所给为常压下的相平衡数据

5、，因为操作压力偏离常压很小，所以其对平衡关系的影响完全可以忽略。2).确定操作的回流比r将1).表中数据作图绘出曲线及曲线。采用泡点进料,则。在图上，因，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）.求理论塔板数精馏段操作线：提馏段操作线为过和两点的直线。图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4块为加料板位置。图及见附图2实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块，取块提馏段：块，取块总塔板数块。三、塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算（一）平均压强取每层塔板压降为0.7kpa计算。塔顶：加料板：平均压强（二）平均温度查温度

6、组成图()得：塔顶为81.2，加料板为86.2。精馏段平均温度 （三）平均分子量塔顶： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段：（四）平均密度1.液相平均密度塔顶：液相平均密度依下式计算 进料板：精馏段：2.汽相平均密度（五）液体的平均表面张力液体的平均表面张力计算公式 塔顶： 查图得 ；进料板： 查图得 ；精馏段：（六）液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录液体黏度共线图，在81.2下有： 加料板： 查共线图得 精馏段：四、精馏段的汽液负荷计算由于进料量较大，可采用两塔并联操作。则汽相摩尔流率汽相体积流量汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量液相体积流量五、塔和塔板主要工艺结构尺寸的计

7、算（一）塔径1.初选塔板间距及板上液层高度，则：2.按smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3.操作气速取4.精馏段的塔径圆整取，此时的操作气速。（二）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。（1）溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。（2）出口堰高对平直堰取，于是：（满足要求）（3）弓形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（满足要求）（4）降液管的底隙高度（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）2.塔板布置（1）边缘

8、区宽度与安定区宽度边缘区宽度： 安定区宽度：规定m时mm；m时mm；本设计取mm，mm。（2）开孔区面积式中：3.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4.精馏段的塔高六、塔板上的流体力学验算（一）气体通过筛板压降和的验算1.气体通过干板的压降式中孔流系数查图得出，。2.气体通过板上液层的压降式中充气系数查图得：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：3.气体克服液体表面张力产生的压降4.气体通过筛板的压降（单板压降）和（满足工艺要求）（二）雾沫

9、夹带量的验算式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。（三）漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）（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，故不会产生液泛。七、塔板负荷性能图（一）雾沫夹带线（1）以液/kg气为限，求关系如下： （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.00120.0050.0100.0200.0348.3147.6987.2816.6185.859依据表中数据作出雾沫夹带线（1）（二）液泛线（2） （2） 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：

10、0.00120.0050.010.0200.0349.4239.1008.7418.0026.693依据表中数据作出液泛线（2）（三）液相负荷上限线（3）取 （3-3）（四）漏液线（4）漏液点气速，整理得： 在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.00120.0050.010.020.0342.0942.2042.3052.4562.618依据表中数据作出漏液线（4）（五）液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m作为液相负荷下限条件，。 操作气液比 依据附表及式（3）、（4）、（5）可分别做出塔板负荷性能图上的（1）、（2）、（3）、（4）及（5）共五条线，见附图3。由塔板负

11、荷性能图可以看出：任务规定的气、液负荷下的操作点p（设计点），处于适宜操作区内的适中位置。塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。按照固定的液气比，由图中可以查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=塔的提馏段操作工艺设计计算一、提馏段的物性及状态参数（一）平均压强取每层塔板压降为0.7kpa计算。进料板：塔底：平均压强（二）平均温度查温度组成图得：加料板为86.2，塔底为131.8。（三）平均分子量加料板：，（查相平衡图）塔底： ，。（查相平衡图）提馏段：（四）平均密度1.液相平均密度进料板：塔底：

12、提馏段：2.汽相平均密度（五）液体的平均表面张力进料板： 塔底： ；精馏段：（六）液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录11有：加料板： 塔 底： 提馏段：二、提馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率汽相体积流量汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量液相体积流量三、塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算（一）塔径1.初选塔板间距及板上液层高度，则：2.按smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3.操作气速取4.提馏段的塔径为加工方便，圆整取，即上下塔段直径保持一致，此时提馏段的操作气速。（二）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

13、、弓形降液管、平形受液盘。（1）溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。（2）出口堰高对平直堰（满足要求）（3）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（满足要求）（4）降液管的底隙高度（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）2.塔板布置（1）边缘区宽度与安定区宽度与精馏段同，即mm，mm。开孔区面积与精馏段同，即3.开孔数和开孔率亦与精馏段同，即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4.提馏段的塔高四、塔板上的流体力学验算（一）气体通过筛板压降和的验算1.气体通过干板的压降式中孔流系数

14、查图得出，。2.气体通过板上液层的压降气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：3.气体克服液体表面张力产生的压降4.气体通过筛板的压降（单板压降）和 （二）雾沫夹带量的验算式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。（三）漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）（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 五、塔板负荷性能图（一）雾沫夹带线（1） （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.00120.00

15、50.010.020.0349.0118.5788.1647.5066.752依据表中数据作出雾沫夹带线（1）（二）液泛线（2） （2） （2-2）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：0.00120.0050.010.020.0349.3869.0638.6447.54844.805依据表中数据作出液泛线（2）（三）液相负荷上限线（3） （3-3）（四）漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速，整理得： （4-4）在操作范围内，任取几个值，依式（4-4）算出对应的值列于下表：0.00120.0050.010.020.0341.7671.8851.9912.1482.3

16、16依据表中数据作出漏液线（4）（五）液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m，。 （5-5）操作气液比 依据附表及式（3）、（4）、（5）可分别做出塔板负荷性能图上的（1）、（2）、（3）、（4）及（5）共五条线，见附图4。由塔板负荷性能图可以看出：任务规定的气、液负荷下的操作点r（设计点），处于适宜操作区内的适中位置。塔板的气相负荷上限由液泛控制，操作下限由漏液控制。按照固定的液气比，由图中可以查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=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项 目符 号单

17、位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强kpa107.4114.75平均温度83.7109平均流量气相m3/s3.7223.732液相m3/s0.0045080.01699实际塔板数n块614板间距m0.60.6塔段的有效高度hm3.07.8塔径dm2.02.0空塔气速um/s1.1851.189塔板液流型式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长m1.41.4堰高m0.05550.0348溢流堰宽度m0.280.28底隙高度m0.04950.0288板上清液层高度m0.0700.070孔径mm55孔间距tmm12.512.5孔数n个1612216122开孔面积m20.315640.31564筛

18、孔气速m/s11.79211.8塔板压降kpa0.6320.675液体在降液管中的停留时间s37.610降液管内清液层高度m0.147130.1717雾沫夹带kg液/kg气0.009570.00823液相负荷上限m3/s雾沫夹带控制雾沫夹带控制液相负荷下限m3/s漏液控制漏液控制气相最大负荷m3/s7.466.48气相最小负荷m3/s2.11.9操作弹性3.553.41精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算（一）附属设备的计算1.塔顶全凝器苯的临界温度当时， 则由于(1)k传热系数，进出口水的温度为20到40 由(1)式解得:传热面积 2.塔釜再沸器氯苯的临界温度为 常压沸点下氯苯的汽化潜热为 常压

19、下氯苯的沸点温度131.8，由得因为饱和液体进料，故。水蒸气的温度由120100传热系数再沸器的传热面积：（二）接管尺寸的计算1.塔顶蒸汽出口管径依据流速选取，但塔顶蒸汽出口流速与塔内操作压力有关，常压可取1220m/s。本设计取蒸汽流速为18m/s 取管径为2.回流液管径借重力回流，回流速度为0.5m/s 回流体积流率 取管径为3.加料管径用泵输送回流液时，流速可取1.5m/s。 体积流率 加料管径为 取进料管径为 4.料液排出管径塔釜液出塔的流速可取u=0.8m/s。 取釜液排出管径为5.饱和蒸汽管径选蒸汽流速为30m/s 取饱和蒸汽管径为（三）塔体结构1塔顶空间塔顶空间之塔内最上层塔板与

20、塔顶的间距，为利于出塔气体的液低沉降，其高度应该大于板间距，所以塔顶空间距为2塔底空间塔底高度选择储存液量停留3分钟而定，塔底液面至最下层塔板之间要有1-2m的间距。取间距为1.5米。 又 故塔底空间取2.5m3人孔对于的板式塔，为安装、检修的需要，需设计4个人孔。78层，1415层，塔顶，塔底各设一个人孔。人孔处的板间距为4塔体总高度为：h=(n-n-n-1)h+nh+nh+h+h+=(20-1-2-1)0.6+1+20.8+0.9+2.5+0.525+2.5=18.5m封头高度，取裙座高度，取4.塔板结构塔板按结构特点，大致可分为整块式和分块式两类塔板。本设计塔径为2000mm，所以塔板分

21、为5块。塔设备的机械设计及校核一塔体及封头厚度的计算1塔体厚度的计算 取设计温度 塔体与封头材料选用，查表得， 厚度附加量c=2mm本设计取2封头厚度计算采用标准椭圆形封头：厚度附加量c=2mm本设计取3封头的高度查表得封头的高度为h=525mm二塔设备质量载荷计算1. 筒体圆筒、封头、裙座质量m查得d=2000mm,厚度10mm的圆筒质量496kg/m筒体质量：m=496封头质量：查表得封头质量m=346 m=346裙座质量：m= m+ m+ m=7638.4+692+1238.6=95692塔内构件质量由表查的筛板塔盘65kg/m 3保温层质量由于不设保温层，则保温层质量不计4平台、扶梯质

22、量由表平台质量=150kg/m 笼式扶梯质量q=40kg/m 笼式扶梯总高h=18m，平台数量n=4 平台宽度b=0.8m5操作时物料质量塔釜液层高度 查表得6附件质量按经验值去附件的质量为7充水质量 各种质量载荷汇总塔段0112233顶合计塔段长度/mm100020007000850018500人孔与平台数00224塔板数00911204961088.634724512.4956918372245.14082408014181457.92995.910393717.81109.15865.9124272.158681118.12382.2511262198027502506086601440

23、.7511312.810442.623856.15全塔操作质量/kg全塔最小质量/kg水压试验时最大质量/kg三风载荷与风弯矩的计算风载荷计算示例以23段为例计算风载荷p p式中：-体系系数，对圆筒容器，=0.710m高处基本风压值，=350n/m，唐山地区-风压高度变化系数，查表得=1.00-计算段长度，=7000mm脉动影响系数，查表得=0.72由于塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90，取以下a,b式中较大者：a.b. 取400 mm, a.b. mm 取=2998.6mm p=0.7以上述方法计算出各段风载荷，列于表中计算段平台数110003500.71.70.64002770738.

24、37220003500.71.70.720027701661.33370003500.71.71.02228.62998.68742.4485003500.71.71.22228.62998.612739风弯矩的计算（1） 截面0-0 =2.42n/mm(2)截面1-1 =1.931 n/mm（2）截面2-2四地震弯矩的计算取第一振型脉动增大系数为=0.02则衰减指数 塔的总高度 =18500mm 全塔操作质量=23856.15kg重量加速度g=9.81m/s2地震影响系数由表查得（设防震烈度8级）选择场地土类为类，设计分组：第二组。由表查得=0.30计算截面距离地面高度：0-0截面：=01-

25、1截面：=1000mm2-2截面：=3000mm等直径、等厚度的塔，按下列方法计算地震弯矩。截面0-0截面1-1 截面2-2 =五各种载荷引起的轴向应力1.计算压力引起的轴向拉应力其中，。2操作质量引起的轴向压应力截面0-0令裙座厚度；有效厚度；。截面1-1其中，；为人孔截面的截面积，查相关标准得截面2-2其中，；。3最大弯矩引起的轴向应力截面0-0其中， 取二者中较大值，截面1-1 其中， 取二者中较大值，截面2-2其中， 取二者中较大值，六塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核1塔体的最大组合轴向拉应力校核截面2-2塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的2-2截面。其中；k=1.2；满足要

26、求。2塔体与裙座的稳定校核截面2-2塔体2-2截面上的最大组合轴向压应力满足要求。查图：（，150）；b=95mpa；k=1.2。截面1-1 塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中，查图：（q235-b，150）；b=103mpa；k=1.2。截面0-0塔体0-0截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中，；b=103mpa；k=1.2。各危险截面强度与稳定校核汇总项目计算危险截面001122塔体与裙座有效厚度，888截面以上的操作质量23856.1523196.1521755.4计算截面积a502405863050240计算截面的抗弯截面系数z最大弯矩最大允许轴向拉应力，173.4

27、最大允许轴向压应力/mpa114114123.6135.6135.6204计算压力引起的轴向拉应力008.25操作质量引起的轴向压应力4.6583.884.248最大弯矩引起的轴向应力23.7522.6621.04最大组合轴向拉应力_25.042最大组合轴向压应力32.00826.5425.29强度与稳定校核强度 满足要求稳定性满足要求满足要求满足要求七塔体水压试验和吊装时的应力校核（一）水压试验时各种载荷引起的应力1.试验压力和液柱静压力引起的环向应力液柱静压力=2试验压力引起的轴向拉应力3最大质量引起的轴向压应力4弯矩引起的轴向应力（二）水压实验时应力校核1筒体环向应力校核 满足要求。2最大组合轴向拉应力校核 满足要求。3最大组合轴向压应力校核 满足要求。八基础环设计1基础环尺寸选取 2基础环的应力校核其中，取二者中较大值。选用75号混凝土，查表查的其许用应力：。，满足要求。3.基础环的厚度；c=3mm按无筋板时计算基础环厚度： ,圆整后九地脚螺栓计算1地脚螺栓承受的最大拉应力 其中，(1)(2)=0.696mpa取二者中较大值 2地脚螺栓的螺纹小径，选取地脚螺栓个数 n=20,；。 由表查得m30螺栓的螺纹小径mm,故选用20个m30的地脚螺栓，满足要求。课程设计心得体会三周的化工课程设计结束了，作为一名化学工程与