10000吨年苯-氯苯分离过程填料精馏塔设计

PAGEPAGE30化工原理课程设计说明书题目：10000吨/年苯-氯苯分离过程填料精馏塔设计学院：班级：指导老师：设计者：目录第一章设计任务………………41.1设计题目…………………41.2操作条件………………41.3工作日……………………41.4设计内容…………………41.5设计基础数据……………5第二章概述………………62.1填料塔简介………………62.2设计方案分析及确定……………………6第三章苯-氯苯填料塔设计计算………………73.1全塔的物料衡算……………73.1.1料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率…………………73.1.2平均摩尔质量…………73.1.3料液及塔顶底产品的摩尔流率………73.2．塔板数的确定……………83.2.1理论塔板数的求取………………83.2.2确定操作的回流比R…………………83.2.3求理论塔板数…………93.3实际塔板数……………103.3.1全塔效率…………103.3.2实际塔板数………103.4塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算……113.4.1平均温度……………113.4.2平均分子量………113.4.3平均密度……………123.4.4精馏段的计算……………123.4.5提馏段的计算…………133.5塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算………133.5.1塔径……………………143.5.2填料层高度计算………153.5.3塔板工艺结构尺寸的设计与计算…………………163.5.4塔板负荷性能图………18第四章附属设备及主要附件的选型计算………224.1冷凝器………………………224.2加热器………………………224.3填料支撑装置………………224.4填料压紧装置……………234.5液体分布装置………………234.6除沫器………………………24第五章填料塔设计计算结果汇总………………24第六章设计评述与总结…………26符号说明…………28参考文献…………30附图第一章设计任务1.1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10000t，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含苯为38%（以上均为质量%）。1.2操作条件塔顶压力4kPa（表压）进料热状况：泡点进料填料的选择：250Y金属波纹填料加热方式：间接蒸汽加热回流比：0.5481.3工作日每年300天，每天24小时1.4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；5.填料层压降的计算；6.液体分布器简要设计；7.精馏塔接管尺寸计算；8.绘制生产工艺流程图；9.绘制精馏塔设计条件图；10.绘制液体分布器施工图（可根据实际情况选作）；11.对设计过程的评述和有关问题的讨论。1.5设计基础数据表1苯和氯苯的物理性质[12]项目分子式分子量M沸点（K）临界温度tC（℃）临界压强PC（atm）苯A氯苯B78.11112.6353.3404.9562.1632.448.344.6表2苯和氯苯的饱和蒸汽压温度，mmHg，mmHgy80.1757.62147.441185889.26179.3950.8180.957901020.9211.350.6780.911951185.65253.7550.5430.8471001350.4296.160.4400.7821051831.7351.3550.2760.6651102313406.550.1850.5631152638.5477.1250.1310.4561202964547.70.08790.3431253355636.5050.04540.2011303746725.310.01150.0566131.75421076000表3液体的表面张力温度6080100120140苯，mN/m23.7421.2718.8516.4914.17氯苯，mN/m25.9623.7521.5719.4217.32表4苯与氯苯的液相密度温度(℃)6080100120140苯，kg/836.6815.0792.5768.9744.1氯苯，kg/1064.01042.01019.0996.4972.9表5液体粘度µ温度(℃)6080100120140苯（mP.s）0.3810.3080.2550.2150.184氯苯（mP.s）0.5150.4280.3630.3130.274第二章概述2.1填料塔简介填料塔，是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸收、蒸馏和萃取，也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程。近二十年,规整填料塔对板式塔、散装填料以及其它多种塔设备产生了巨大的冲击,它因其高通量,低压降,操作稳定而广泛地用于气一液,液一液接触的塔设备中,如蒸馏、吸收、萃取等诸多领域。特别是在气液接触中,已越来越多地被采用,如已有设备通过利用规整填料来更换塔内构件,从而达到提高塔负荷的目的。规整填料种类较多,有板波纹填料、格栅填料、丝网填料等,材质有金属、塑料、陶瓷等。即使同样的种类亦有不同的规格,它们的比表面、空隙率及几何尺寸存在差异,这样在选择填料时,应根据体系物性,操作负荷,压降要求,同时兼顾材料性能等,进行综合考虑,保证既经济又能正常生产。填料塔的优点有：（1）压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5～1/6；（2）热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；（3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%～110%，筛板塔的调节范围在70%～100%；（4）液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；

（5）可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；（6）塔径可以减小。2.2设计方案分析及确定2.2.1装置流程连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主，间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。本设计中年产纯度为99.8%的氯苯10000t，工作日为300天每年，24小时连续运行故应选择连续蒸馏。2.2.2加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用高位槽进料。2.2.3进料状况

进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。2.2.4加热方式

加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内，但理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数。本次设计采用间接蒸汽加热。2.3工艺流程在圆筒塔体得下部，设置一层支撑板，支撑板上填充一定高度的填料。液体由上部入口管进入经分布器喷淋至填料上，在填料的空隙中流过，并湿润填料表面形成流动的液膜。液体流经填料后排出管取出。液体在填料层中有倾向于塔壁的流动，故填料层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分器，以利于液体的重新均布。气体在支撑板下方入口管进入塔内，在压强差的推动下，通过填料间的空隙由塔的顶部排出管排出。填料层内气、液两相呈逆流流动，相际间的传质通常是在填料表面的液体与气相间的界面上进行，两相的组成沿塔高连续变化。工艺流程简图见附图1第三章苯-氯苯填料塔设计计算3.1全塔的物料衡算3.1.1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78.11kg/kmol和112.61kg/kmol。3.1.2平均摩尔质量MF＝78.11×0.702＋(1－0.702)×112.61＝88.39kg/kmol3.1.3依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：W′＝10000t/a＝1388.9kg/h，全塔物料衡算：F′＝D′＋W′0.38F′＝0.02DCOUNT(1.2)=\#"0.00"′＋0.998W′F′＝3773.2kg/hF＝3842.6/88.39＝42.69D′＝2384.3kg/hD＝2453.7/78.59＝30.38W′＝1388.9kg/h3.2．塔板数的确定3.2.1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（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6相关数据计算温度，（℃）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略。3.2.2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x—y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：3.2.3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3-3苯-氯苯物系的温度组成图图解得块取9块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4.2块为加料板位置。3.3实际塔板数3.3.1全塔效率选用公式计算。该式适用于液相粘度为0.07~1.4mPa·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℃（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。3.3.2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。3.4塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算3.4.1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℃。℃3.4.2平均分子量塔顶：，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）塔釜：y2=0.0045xW=0.00288（查相平衡图）精馏段：3.4.3平均密度液相平均密度表7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，℃塔顶：进料板：精馏段：汽相平均密度液体的平均粘度塔顶：查化工原理附录11，在80℃加料板：精馏段：3.4.4精馏段的计算汽相摩尔流率气相质量流量/WV=47.03×79.65=3745.93液相摩尔流率液相质量流量/WL=16.65×84.29=1403.433.4.5提汽相摩尔流率V۠’=V=47.03kmol/h气相质量流量WV’=47.03×80.70=3795.3气相密度ρ’v=液相流摩尔流率L’=L+F=16.65+42.69=59.34kmol/h液相质量流量WL’=59.34×88.39=5245.06液相密度ρ’L=3.5塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算3.5.1塔径精馏段塔径负荷因子法求取允许的空塔气速气相质量流量/WV=47.03×79.65=3745.93液相质量流量/WL=16.65×84.29=1403.43ψ=查书141页图5-22得负荷因子空塔气速：m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为精馏段的塔径提馏段塔径气相质量流量WV’=47.03×80.70=3795.3液相质量流量WL’=59.34×88.39=5245.06气相密度ρ’v=液相密度ρ’L=ψ=查书141页图5-22得负荷因子空塔气速：m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为精馏段的塔径比较两直径的结果相差不是很大，则圆整取，精馏段液体喷淋密度的验算填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为式中：液体喷淋密度，；；,。为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值为最小喷淋密度，以表示。对于规整填料，设计中通常已知:液相体积流量得。提馏段液体喷淋密度的验算已知:液相体积流量得经上面校核，填料塔直径取合理3.5.2填料层高度计算

填料层高度

所以：气动因子

填料高度的计算采用等板高度法，对于250Y金属板波纹填料，查化工手册得，每米填料理论板数为2～3块，取，则。填料层的高度为：

式中：—填料塔的理论板，

—等板高度，。所以：精馏段填料层高度=3×0.4=1.2填料层的设计高度一般为,取,所以：提馏段填料层高度=6×0.4=2.4总填料层高度Z=1.5+3.0=4.5填料层压降对于250Y金属波纹填料，查化工手册得，每米填料层压降为：。精馏段填料层压降:ΔP=3.0×102×1.5=4.5×102提馏段填料层压降:ΔP=3.0×102×6=1.8×103

填料层的总压降为：填料层的分段对于250Y金属板波纹填料，工业上分段高度一般取，填料层总高度为4.5m,故填料层不需分段。3.5.3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。eq\o\ac(○,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。eq\o\ac(○,2)出口堰高对平直堰由及，查化工原理P111图5-5得，于是：（满足要求）eq\o\ac(○,3)降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P112图5-7得，即：，，。液体在降液管内的停留时间（满足要求）eq\o\ac(○,4)降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：（不宜小于0.02~0.025m，本结果满足要求）2.塔板布置eq\o\ac(○,1)边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为50~75mm，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。eq\o\ac(○,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5~15%，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3.5.4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8：0.0009550.0050.010.0150.01814.4964.1443.8353.5753.429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9：0.0009550.0050.010.0150.01813.5843.3633.0442.5912.217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10：0.0009550.0050.010.0150.01810.9270.9861.0351.0741.095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）操作气液比图3-4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=第四章附属设备及主要附件的选型计算4.1冷凝器本设计冷凝器采用重力回流直立或管壳式冷凝器。对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排出冷凝液。

冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。查化工手册，得到：对于低沸点有机物，冷凝介质为水时，传热系数为），故取冷凝器传热系数℃）某地区夏季最高平均水温30℃，温升10℃

逆流：T：91.39℃78.08℃

t：40℃30℃

℃

传热面积：

冷凝器选型如下：表11冷凝器的选型参数值表

公称直径/mm管程数管数管长/mm换热面积/m2公称压力/MPa5001179300040/41.750.64.2加热器选用U型管加热器，经处理后，放在塔釜内。蒸汽选择130℃饱和水蒸气，传热系数℃）。℃

由表5得

4.3填料支撑装置填料支撑装置的作用是支承塔内的填料。常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型。本设计采用规整填料，选用栅板型支承装置。4.4填料压紧装置填料压紧装置的作用是防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。本设计采用规整填料，选用压紧栅板。4.5液体分布装置(1)液体分布器的选型液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、槽式或槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑、气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10/1,适用于各种液体喷淋量。近年来应用非常广泛，本设计采用槽盘式分布器。（2）分布点密度计算按苏尔寿公司的规整填料塔分布点密度建议值，对于250Y孔板波纹填料，喷淋点密度，本设计取喷淋点密度为。布液点数为：(3)布液计算本设计为重力型液体分布器中的多孔型，其布液工作的公里为开孔上方的液为高度。多孔型液体分布器布液能力的计算公式为：式中:—液体流量，；—开孔数目（分布点数目）；—孔流系数，通常取；—孔径，；—开孔上方的液位高度，。已知:,,取，设计取4.6除沫器为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。第五章填料塔设计计算结果汇总表12物料衡算结果表参数

单位进料F塔顶D塔釜W物料质量流量物料摩尔流量kg/h3773.22384.31388.9kmol/h42.6930.3812.35质量百分组成摩尔百分组成质量分数70.2%98.6%0.288%摩尔分数62%98%0.2%表13进料数据结果表0.27980.7088.39807.51030.63773.242.69表14塔顶数据结果表0.31780.1878.59817.0103930.38表15提馏段数据结果表主要参数

精馏段气相平均相对分子质量79.65液相平均相对分子质量84.29气相密度2.88液相密度850.19气相摩尔流量/47.03气相质量流量/3745.93液相粘度/0.3175液相摩尔流量/16.65液相质量流量/1403.43表16填料层高度和压降计算结果表

参数填料层气动因子/2.177每米填料压降3.0×102总压降1.35×103填料层高度4.5m表17塔内管径的计算结果表参数塔顶进料塔顶蒸汽接管塔釜出料接管管子选型/mm流速/m/s0.77419．830.586表18填料塔主要设计参数填料层高度填料层压降冷凝器换热面积加热器换热面积4.514.7324.77进料管管径选型塔顶蒸汽接管管径选型塔釜出料接管选型第六章设计评述与总结6.1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。6.1.1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。6.1.2满足经济上的要求要节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