设计一座苯氯苯连续板式精馏塔毕业设计

1、 苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计 苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计任务一设计题目 设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.8%的氯苯50000t，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为38%（以上均为质量%）。二操作条件1.塔顶压强4kpa（表压）；2.进料热状况，自选；3.回流比，自选；4.塔底加热蒸汽压力0.5mpa(表压)；5.单板压降不大于0.7kpa；三塔板类型筛板或浮阀塔板（f1型）。四工作日每年300天，每天24小时连续运行。五厂址厂址为天津地区。六设计内容1.精馏塔的物料衡算；2.塔板数的确定；3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算；

2、5.塔板主要工艺尺寸的计算；6.塔板的流体力学验算；7.塔板负荷性能图；8.精馏塔接管尺寸计算；9.绘制生产工艺流程图；10.绘制精馏塔设计条件图；11.绘制塔板施工图（可根据实际情况选作）；12.对设计过程的评述和有关问题的讨论。七设计基础数据苯-氯苯纯组分的饱和蒸气压数据温度，（）8090100110120130131.8×0.133-1kpa苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760其他物性数据可查有关手册。 设计方案一设计方案的思考 通体由不锈钢制造，塔节规格25100mm、高度0.51.5m，每段塔节可设置12个进

3、料口/测温口，亦可结合客户具体要求进行设计制造各种非标产品。整个精馏塔包括：塔釜、塔节、进料罐、进料预热器、塔釜液储罐、塔顶冷凝器、回流比控制器、产品储罐等。塔压降由变送器测量，塔釜上升蒸汽量可通过采用釜液温度或灵敏板进行控制，塔压可采用稳压阀控制，并可装载自动安全阀。为使塔身保持绝热操作，采用现代化仪表控制温度条件，并可在室温300范围内任意设定。同时，为了满足用户的科研需要，每一段塔节内的温度、塔釜液相温度、塔顶气相温度、进料温度、回流温度、塔顶压力、塔釜压力、塔釜液位、进料量等参数均可以数字显示。二设计方案的特点 浮阀塔应用广泛，对液体负荷变化敏感，不适宜处理易聚合或者含有固体悬浮物的物

4、料浮阀塔涉及液体均布问题在气液接触需冷却时会使结构复杂板式塔的设计资料更易得到，而且更可靠。浮阀塔更适合 塔径不很大，易气泡物系，腐蚀性物系，而且适合真空操作。三工艺流程原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热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至后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。 苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书一设计方案的确定及工艺流程的说明 本设计任务为分离苯-氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内

5、。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。二全塔的物料衡算（一）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112.61kg/kmol。 （二）平均摩尔质量mf 78.11×0.702(10.702)×112.6188.39kg/kmol（三）料液及塔顶底产品的摩尔流率依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：w50000t/a6944.4kg/h，全塔物

6、料衡算： fdw0.38f0.02d0.998wf18865.6kg/h f18865.6/88.39213.44kmol/hd11921.2kg/h d11921.2/78.59151.69kmol/hw6944.4kg/h w8944.4/112.561.73kmol/h三塔板数的确定（一）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（m·t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： 表3-1 相关数据计算温度，（）8090100110120130131.8苯7601025135017602250284

7、02900氯苯148205293400543719760两相摩尔分率x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710本题中，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，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将表3-1中数据作图得曲线。 图3-1 苯氯苯混合液的xy图在图上，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：求精馏塔的汽、液相负荷l=rd=0.548×151.69=83.13 kmol/h

8、v=(r+1)d=(0.548+1)×151.69=234.82 kmol/hl=l+f=83.13+213.44=296.57 kmol/hv=v=234.82 kmol/h3.求理论塔板数精馏段操作线：提馏段操作线：提馏段操作线为过和两点的直线。 图3-2 苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4块为加料板位置。（二）实际塔板数1.全塔效率选用公式计算。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+131.8)=106（取塔顶底

9、的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。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。四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）平均温度依据操作压力，由泡点方程通过试差法，计算出泡点温度，其中苯、氯苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算结果如下：塔顶温度80加料板88。（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 表4-1 组分的液相密度（kg/m3）温度，（）8090100110120130苯817805793

10、782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯 ： 推荐：氯苯 ： 推荐：式中的t为温度，塔顶：进料板：精馏段：2.汽相平均密度（五）液体的平均表面张力附： 表4-2 组分的表面张力（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）计算得，塔顶：；（80）进料板：；（88）精馏段：氯苯的汽化潜热：常压沸点下的汽化潜热为35.3×103kj/kmol。纯组分的汽

11、化潜热与温度的关系可用下式表示：（氯苯的临界温度：）（六）液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录11，在80下有：加料板：精馏段：五精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冷凝器的热负荷六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.取安全系数为0.7，则空塔气速为4.精馏段的塔径圆整取，此时的操作气速。5.精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为600mm故精馏塔

12、的高度为2.25+4.5+0.6=7.35m（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、凹形受液盘，且不设进口内堰。 （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）出口堰高对平直堰由及，查化工原理课程设计图5-5得，于是：（满足要求） （3）降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下p147图11-16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，则有：（不宜小于0.020.025m，本结果满足要求）2.塔板布置

13、（1）边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为5075mm，d >2m时，可达100mm。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（三）筛板的流体力学验算1.塔板压降 (1)由查图5-10得=0.772 (2)气体通过液层的阻力由下式计算 m/s 查表5-11，得=0.57. （3）液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力 由下式计算气体通过每层塔板的液柱高度

14、为气体通过每层塔板的压降为（满足工艺要求）2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本案例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.液沫夹带式中：=2.5×0.06=0.15在本设计中液沫夹带量在允许范围中。4.漏液漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）5.液泛为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度苯氯苯物系属于一般物系，取=0.5而板上不设进口堰，则成立，故不会产生液泛。七塔板负荷性能图1.液沫夹带线（1）以气为限，求关系如下 （7-1）式中：将已知数据代入式（7-1） （7-2）在操作范围内，任取几个值，依式（7-2）算出对应的值列于下表：表7-10.00

15、050.0050.010.0150.024.3963.9293.5793.2863.024依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线（2） （7-3） （7-4）在操作范围内，任取几个值，依式（7-4）算出对应的值列于下表：表7-20.00050.0050.010.0150.023.3853.0692.6752.111.1依据表中数据作出液泛线（2）3.液相负荷上限线（3）以 （7-5）4.漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速 整理得： （7-6）在操作范围内，任取几个值，依式（7-6）算出对应的值列于下表： 表7-30.00050.0010.010.0150.630.650.870.96

16、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m，。 （7-7）图7-1精馏段筛板负荷性能图 在负荷性能图上，作出操作点a，连接oa，即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上线为液泛控制，下限为漏液控制。由上图查得 vs,max=3.17m3/s vs,min=0.65m3/s故操作弹性为：=4.88 筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度tm，842平均压力pm，kpa107.43气相流量vs，(m3/s)1.8044液相流量ls，(m3/s)0.002295实际塔板数np176有效段高度z，m7.357塔径d，m1.5428板间距ht，m0.459溢流形式单溢流1

17、0降液管形式平顶弓形11堰长lw，m0.9612堰高hw，m0.048113板上液层高度hl，m0.0614堰上液层高度how，m0.011915降液管底隙高度ho，m0.029816安定区宽度ws，m0.117边缘区宽度wc，m0.0618开孔区面积aa，m21.40819筛孔直径d0，m0.00520筛孔数目n722821孔中心距t，m0.01522开孔率，%10.123空塔气速u，m/s0.966524筛孔气速u0，m/s12.7025稳定系数k2.0426每层塔板压降pp，pa69027负荷上限液泛控制28负荷下限漏液控制29液沫夹带ev，（kg液/kg气）0.01130气相负荷上限v

18、s,max，m3/s3.1731气相负荷下限vs,min，m3/s0.6532操作弹性4.877 设计评述一设计原则确定工程设计本身存在一个多目标优化问题，同时又是政策性很强的工作。设计者在进行工程设计时应综合考虑诸多影响因素，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。1 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。2 满足经济上的要求 要节

19、省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。3 保证生产安全 生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。二操作条件的确定结合课程设计的需要，对某些问题作具体阐述。1. 操作压力精馏操作通常可在常压、加压和减

20、压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行精馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压精馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少精馏的能量消耗。对于本设计中要求分离的苯-氯苯物系，应采用常压操作。2. 进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及

21、塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。因此，本设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔。3. 加热方式精馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大，便可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。所以，本设计中采用间接蒸汽加热。4. 冷却剂与出口温度冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。综合考虑经济成本，本设计用常温水作冷却剂。5. 热能的利用精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本