苯氯苯板式精馏塔的工艺设计

1、化工原理课程设计苯-氯苯板式精馏塔工艺设计任务书设 计 者 冯文宇 学 院 食品与生物工程学院 班 级 生工091 指导教师 邢进 成 绩 完成时间 2012 年 6月 21日 目录 第1章：设计任务书41.1设计题目41.2设计条件41.3设计要求41.4设计流程5第2章：基础数据6第3章：苯氯苯板式精馏塔的工艺计算8 3.1设计方案的确定及工艺流程的说明8 3.2全塔的物料衡算8 3.2.1料液及塔顶产品含苯的摩尔分率8 3.2.2平衡摩尔质量8 3.2.3料液及塔顶产品的摩尔流率8 3.3塔板数的确定9 3.3.1理论塔板数NT的求取9 3.3.2实际塔板数NP12 3.4塔的精馏段操作

2、工艺条件及相关物性数据的计算12 3.4.1平均压强Pm12 3.4.2平均温度tm13 3.4.3平均分子量Mm13 3.4.4平均密度m14 3.4.5液体的平均张力m14 3.4.6液体的平均粘度l,m14 3.5精馏段的汽夜负荷计算14 3.6塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算15 3.6.1塔径15 3.6.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算16 3.6.2.1溢流装置16 3.6.2.2塔板布置17 3.6.2.3开孔数n和开孔率17 3.6.2.4提馏段的塔高Z118 3.7塔板上的流体力学验算18 3.7.1气体通过筛板压降hp和Pp的验算18 3.7.2雾沫夹带量ev的验算20 3.

3、7.3漏液的验算20 3.7.4液泛的验算20 3.8塔板负荷性能图21 3.8.1雾沫夹带线21 3.8.2液泛线21 3.8.3液相负荷上限线22 3.8.4漏液线23 3.8.5液相负荷下限线23 3.9精馏塔的设计计算结果汇总一览表24 3.10精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算25 3.10.1料液预热器25 3.10.2塔顶全凝器26 3.10.3塔釜再沸器26 3.10.4精馏塔的管口直径26第4章：塔的提馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算274.1提馏段的物性及状态参数27 4.1.1平均压强Pm27 4.1.2平均温度tm274.1.3平均分子量Mm27 4.1.4平均密度m

4、28 4.1.5液体的平张力m28 4.1.6液体的平均粘度l,m294.2提馏段的汽夜负荷计算294.3塔河塔顶主要工艺结构尺寸的计算29 4.3.1塔径30 4.3.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算30 4.3.2.1溢流装置30 4.3.2.2塔板装置31 4.3.2.3开孔数n和开孔率31 4.3.2.4提馏段的塔高Z2324.4塔板上的流体力学验算32 4.4.1气体通过筛板压降hp和Pp的验算32 4.4.2雾沫夹带量ev的验算33 4.4.3漏液的验算33 4.4.4液泛的验算33 4.5塔板负荷性能图34 4.5.1雾沫夹带线34 4.5.2液泛线35 4.5.3液相负荷上限线3

5、6 4.5.4漏液线36 4.5.5液相负荷下限线38第5章：精馏塔工艺条件图第6章：设计评述及相关问题讨论 40第7章：参考文献 41第1章课程设计题目一苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计1、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48000t/a，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为35%（以上均为质量%）。2、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.年工作日330天，每天24小时连续运行。3、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

6、；3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算；4.塔内流体力学性能的设计计算；5.塔板负荷性能图的绘制；6.塔的工艺计算结果汇总一览表；7.辅助设备的选型与计算；8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制；9.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。4、设计流程设计流程塔板数的确定塔和塔板主要工艺结构尺寸计算塔板上的流体力学验算塔板负荷性能图精馏塔的附属设备与接管尺寸计算根据计算画出精馏塔确定设计方案第2章1、基础数据1.组分的饱和蒸汽压（mmHg）温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760

7、2.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 推荐：氯苯 推荐：式中的t为温度，。3.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）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

8、度：）5.其他物性数据可查化工原理附录。第3章精馏段苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算1、设计方案的确定及工艺流程的说明原料液经卧式列管式预热器预热至泡点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后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。图1 板式精馏塔的工艺流程简图工艺流程：如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分

9、冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。为了便于了解操作中的情况及时发现问题和采取相应的措施，常在流程中的适当位置设置必要的仪表。比如流量计、温度计和压力表等，以测量物流的各项参数。2、全塔的物料衡算（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78.11和112.61kg/kmol。（2）平均摩尔质量（3）料液及塔顶底产品的摩尔流率依题给条件：一年以330天，一天以24小时计，有：，全塔物料衡算：3、塔

10、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x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710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

11、略。2.确定操作的回流比R将1.表中数据作图得曲线及曲线。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： 0.7754151.429+151.429=268.85 精馏段操作线：y=0.394x+0.597提馏段操作线为过(0.00287,0.00287)和(0.722,0.879)两点的直线。苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解苯-氯苯物系的温度组成图图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第5块为加料板位置。（2）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0.071.4mPas的烃

12、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。4、塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算（1）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（2）平均温度查温度组成图得：塔顶为80，加料板为88。（3）平均分子量塔顶： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段：（4）平均密度1.液相平均密度塔顶：进料板：精馏段：2.汽相平均密度（5）液体的平均表面张力塔顶：；（80

13、）进料板：；（88）精馏段：（6）液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录14，在80下有：加料板：精馏段：5、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6、塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算（1）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。（2）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，且不设进口内堰。（1）溢流堰长（出口堰长）取堰上溢流

14、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，查夜流收缩系数计算图（化工原理图3-8）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（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

15、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7、塔板上的流体力学验算（1）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由查图化工原理课程设计4-22得出，。2.气体通过板上液层的压降式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化工原理课程设计图4-23得（一般可近似取）。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（不满足工艺要求，需重新调整参数）。现对塔板结构参数作重新调整如下：取mm，

16、mm。开孔区面积式中：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气体通过筛板压降和的重新验算气体通过筛板的压降（单板压降）和（满足工艺要求）（2）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。（3）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）（4）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，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计

17、。8、塔板负荷性能图（1）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：0.0009550.0050.010.0150.01814.2023.8503.5413.2823.136依据表中数据作出雾沫夹带线（1）（2）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：0.0009550.0050.010.0150.01813.6353.3843.0102.4701.982依据表中数据作出液泛线（2）（3）液相负荷上限线（3） （3-3）（4）漏液线（气相负荷下限线）（4）漏

18、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：0.0009550.0050.010.0150.01810.8750.9370.9881.0291.051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，。 （5-5）操作气液比 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=九、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 位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强kPa108.1平均温度84平均流量气相m3/s1.795液相m3/s0.00213实际塔板数块8

19、板间距m0.5塔段的有效高度m3.5塔径m1.6空塔气速m/s0.893塔板液流型式单流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m1.12堰高m0.050溢流堰宽度m0.224底隙高度m0.024板上清液层高度m0.060孔径mm5孔间距mm15孔数个7113开孔面积m20.140筛孔气速m/s12.86塔板压降kPa0.69液体在降液管中的停留时间s42.46降液管内清液层高度m0.144雾沫夹带kg液/kg气0.00725负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷m3/s3.40气相最小负荷m3/s0.80操作弹性4.25十、精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算（1）料液预热器根据原料液进出预热器的

20、热状况和组成首先计算预热器的热负荷Q ，然后估算预热器的换热面积A ，最后按换热器的设计计算程序执行。（2）塔顶全凝器全凝器的热负荷前已算出，为1593kW。一般采用循环水冷却，进出口水温可根据不同地区的具体情况选定后再按换热器的设计程序做设计计算。（3）塔釜再沸器因为饱和液体进料，故。即再沸器的热负荷与塔顶全凝器相同。实际上由于存在塔的热损失（一般情况下约为提供总热量的510%）。再沸器属于两侧都有相变的恒温差换热设备，故再沸器的设计计算与蒸发器同。（4）精馏塔的管口直径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。2.回流液管径回流量前已算

21、出，回流液的流速范围为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速可取12.5 m/s。3.加料管径料液由高位槽自流，流速可取0.40.8 m/s；泵送时流速可取1.52.5m/s。4.料液排出管径塔釜液出塔的流速可取0.51.0m/s。5.饱和蒸汽管径蒸汽流速：295kPa：2040 m/s；2950 kPa：80 m/s。第4章塔的提馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1、提馏段的物性及状态参数（1）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（2）平均温度查温度组成图得：加料板为88，塔底为131.8。（3）平均分子量加料板：，（查相平衡图）塔底： ，。（查相平衡图）提

22、馏段：（4）平均密度1.液相平均密度进料板：塔底：提馏段：2.汽相平均密度（5）液体的平均表面张力进料板：；（88）塔底：；（131.8）精馏段：（6）液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录14有：加料板：塔 底：提馏段：2、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再沸器的热负荷（忽略温度压力对汽化潜热的影响）3、塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算（1）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.精馏段的塔径为加工方便，圆整取，即上下塔

23、段直径保持一致，此时提馏段的操作气速。（2）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，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，查化工原理图11-11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（1）边缘区宽度与安

24、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4、塔板上的流体力学验算（1）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由查化工原理课程设计图4-22得出，。2.气体通过板上液层的压降式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化原图11-12得（一般可近似取）。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（尚可接受，本设计不再做重新设计计算）。（2）雾沫夹带量的验算式中：，验

25、算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。（3）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）（4）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，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。8、塔板负荷性能图（1）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：0.0009550.0050.010.0150.01814.2023.8503.5413.2823.136依据表中数据作出雾沫夹带线（1）（2）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：0.0009550.0050.010.0150.01813.6353.3843.0102.4701.982依据表中数据作出液泛线（2）（3）液相负荷上限线（3） （3-3）（4）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：0.0009550.0050.010.0150.01810.8750.9370.9881.0291.