化工原理分离苯-氯苯混合物精馏塔设计

PAGE21-目录设计任务书…………3设计计算书…………4设计方案的确定……4精馏塔物料衡算……4塔板数的确定………5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算………8塔体工艺尺寸计算…………………13塔板主要工艺尺寸…………………15塔板流体力学验算…………………17浮阀塔的结构………20精馏塔接管尺寸……23产品冷却器选型……25对设计过程的评述和有关问题的讨论……………25附图：生产工艺流程图精馏塔设计流程图设计任务书（一）题目试设计一座苯—氯苯连续精馏塔，要求年产纯度98%的氯苯30000吨，塔顶馏出液中含氯苯不得高于2%，原料液中含氯苯45%（以上均为质量分数）。操作回流比取最小回流比的2倍。（二）操作条件（1）塔顶压力4kPa（表压）；（2）进料热状况泡点；（3）进料方式泡点进料（4）塔顶压强4kPa（表压）；（5）单板压降≤0.7kPa；（三）塔板类型筛板塔板（四）工作日每年按300天工作计，每天连续24小时运行(五)进度安排1．第一周布置任务并进行主要设备的工艺计算；2．第二周绘图并进行成绩评定（六）基本要求1.设计计算书1份：设计说明书是将本设计进行综合介绍和说明。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点的工艺流程图。设计说明书具体包括以下内容：封面；目录；绪论；工艺流程、设备及操作条件；塔工艺和设备设计计算；塔机械结构和塔体附件及附属设备选型和计算；设计结果概览；附录；参考文献等。2.图纸1套：包括工艺流程图(1号图纸)。 教研室主任签名：年月日设计计算书一、设计方案的确定本任务是分离苯—氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程，本设计采用板式塔连续精馏。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进精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储物罐。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，且在常压下操作。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储物罐。二、精馏塔物料衡算（以轻组分计算）1．原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率苯的摩尔质量：氯苯的摩尔质量：2．原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量3．物料衡算原料处理量：总物料衡算：苯物料衡算：联立解得：三、塔板数的确定1．理论板数NT的求取（1）由手册查得苯—氯苯物系的气液平衡数据，绘出x—y图，见图1。8090100110120130131.87601025135017602250284029001482052934005437197601.0000.67680.44180.26470.12710.019330.0001.0000.91280.78480.61300.37630.072240.000图3.1图解法求最小回流比（2）由于泡点进料q=1，在图上作直线交对角线于a点，作直线交平衡线于q点，连接a、q两点，过q点作横轴的平行线交纵轴于一点，读得图1（X-Y图），因为，则最小回流比如下：取操作回流比为（3）求精馏塔的气、液相负荷（4）求操作线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程（5）图解法求理论板层数如附图1，将x=0.7279带入精馏段操作线方程，得出y=0.905，在图中找出该点记为d，连接ad两点即得精馏段操作线；在对角线上找到c点（0.02847，0.02847），连接cd两点即得提馏段操作线。自a点开始在操作线和平衡线之间作阶梯线。求解结果为：总理论板层数进料板位置（6）全塔效率相对挥发度的计算：由可得。塔顶与塔底平均温度下的液相黏度的计算：6.液体粘度计算塔顶时，查手册得进料板时，查手册得故液相平均粘度为2.实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块，取6块提馏段：块，取10块四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算1．操作压力的计算塔顶操作压力每层塔板压降进料板压力精馏段平均压力2．平均摩尔质量的计算塔顶：由，查平衡曲线得进料板：由图理论板得，查平衡曲线得塔底：由图理论板得，查平衡曲线得精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量3．操作温度的计算表4.1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图4.1苯—氯苯混合液的t-x-y图查图1-1当塔顶时，塔顶温度为83.2℃当进料板处时，进料板温度为91.3℃当塔底时，塔底温度为131℃精馏段平均温度87.3℃4．平均密度的计算（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，得精馏段提馏段（2）液相平均密度计算塔顶时，（3）进料板平均密度计算进料板时，kg/mkg/m进料板液相的质量分率塔底时，精馏段液相平均密度为提馏段液相平均密度为5．液相平均表面张力的计算塔顶时，查《化工原理（上）》，夏清得附录16液体表面张力温度关联式进料板时，查得塔底时，查得精馏段液相平均表面张力为提馏段液相平均表面张力为6.液体平均粘度计算塔顶时，查手册得进料板时，查手册得塔底时，精馏段液相平均粘度为提留段液相平均粘度为全塔液相平均粘度为五、塔体工艺尺寸计算1．塔径的计算（1）精馏段由式中C由公式计算，其中可由史密斯关联图查出，图的横坐标为取板间距，板上液层高度，则由史密斯关系图得取安全系数为0.7，则空塔气速为统一按照《塔板结构参数系列化标准（单溢流型）》将塔径圆整后取D=1.2m。塔截面积实际空塔气速（2）提馏段查图得统一按照《塔板结构参数系列化标准（单溢流型）》将塔径圆整后取D=1.2m。塔截面积实际空塔气速2．塔高的计算（1）精馏塔的有效高度精馏段提馏段在进料板上方开一人孔，提馏段中开一个人孔，其高度为0.8m，则有效高度为六、塔板主要工艺尺寸计算根据塔径和液体流量，选用单溢流弓形降液管、凹形受液盘，塔板采用单流和分块式组装。1．溢流装置的计算（1）堰长：（2）堰高：由，选用平直堰，堰上液层高度由弗兰西斯公式求得精馏段：取，则提馏段：（3）降液管面积当时，查表得（4）液体在降液管里停留的时间精馏段故降液管设计合理（5）降液管底隙高度精馏段和提馏段降液管下端与塔板间出口处的液体流速分别取精馏段2．塔板布置的计算（1）因D>1200mm，故塔板采用分块式。开孔区面积其中，，筛孔计算及其排列因物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，去空心距t为筛孔数目n为开孔率为％气体通过阀孔的气速为七、塔板流体力学验算1．塔板压降（1）干板阻力由（2）气体通过液层的阻力的计算气体通过液层的阻力由式查图，得。故（3）液体表面张力的阻力：气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即气体通过每层塔板的压降为即单板压降均符合设计任务要求。2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计塔径的流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3．液沫夹带液沫夹带量的验算故在设计负荷下不会发生过量液沫夹带。4．漏液的验算对筛板塔，漏液点气速可由下式计算实际孔速取F0=5，则稳定系数5．液泛为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层高度，且苯—氯苯物系属一般物系，取，则而板上不设进口堰，可由下式计算，即所以故不发生液泛现象。八、塔板负荷性能图计算（一）精馏段塔板负荷性能图1、漏液线由整理得表8.1在操作范围内任取几个值0.00060.00150.00300.00450.4000.4110.4250.4362．液沫夹带线以近似取E≈1.0其中，整理得（b）取液沫夹带极限值为。已知，并将代入得：整理得：表8.2在操作范围内任取几个值0.00060.00150.00300.00451.98071.90341.80461.7218依表中数据在VS—LS图中作出液沫夹带线(2)。3．液相负荷下限线取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限条件，取则依此值在VS—LS图中作线即为液相负荷下限线（3）。4．液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由式依此值在VS—LS图中作线即为液相负荷上限线（4）5．液泛线令由联立整理得式中故表8.3在操作范围内任取几个0.00060.00150.00300.00452.6262.5562.4472.333依此值在VS—LS图中作线即为液泛线（5）将以上5条线标绘于图中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区域为精馏段塔板操作区，A为操作点，OA为操作线。OA线与（2）线的交点相应相负荷为，OA线与气相负荷下限线（1）的交点相应气相负荷为。图见坐标纸。可知本设计塔板上限由液沫夹带控制，下限由漏液控制。=2.447图8.1读图，精馏段的操作弹性九、设计结果一览表表9.1物料衡算结果序号项目符号单位数值备注1塔顶摩尔分数0.9862塔顶平均摩尔质量78.6080.87气相液相3塔顶流量45.074进料摩尔分数0.6385进料液平均摩尔质量82.0791.17气相液相6进料流量73.247塔釜摩尔分数0.0038塔釜平均摩尔质量112.46112.53气相液相9塔釜产品流量25.93表9.2精馏塔工艺条件及有关物性数据计算结果序号项目符号单位精馏段提馏段备注1每层塔板压降0.72平均压力108.48116.533平均温度88.8115.74平均粘度0.2860.2355液相平均摩尔质量86.02101.856气相平均摩尔质量80.3497.277液相平均密度855.51934.248气相平均密度2.93.519平均表面张力21.2720.24表9.3浮阀塔板工艺设计结果序号项目符号单位数值备注1堰长0.792精馏段和提馏段塔径、堰高、降液管底隙高度进行统一圆整，以便加工。2堰高0.0640.0523弓形降液管界面积0.0574弓形降液管宽度0.1245降液管底隙高度0.0120.0246横排孔心距0.0757排间距0.0808浮阀数184929开孔率12.7813.99接管尺寸计算结果序号项目规格材料1塔顶蒸气出口管热轧无缝钢管2塔顶回流液管冷拔无缝钢管3进料管冷拔无缝钢管4塔釜出料管冷拔无缝钢管5加热蒸气进口管热轧无缝钢管十二、对设计过程的评述1.浮阀塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低。2.作图和读数会有人为误差，计算时保留小数位数不同，采用近似计算等都会造成一定误差，但作为工程上的初步计算，可认为基本准确合理。3.由于理论知识不够，在选材设计上参考了大量资料、手册等，故计算结果可能近似或雷同。4.精馏段和提馏段塔径、堰高、降液管底隙高度进行统一圆整，以便加工。5.本设计为符号说明——降液管面积，；——塔截面积，；—计算时负荷系数，量纲为一；——液体表面张力为时的负荷因子，量纲为一；——塔顶馏出液流量，；——塔径，；——筛孔直径，；——液流收缩系数，量纲为一；——进料流量，；——重力加速度，；——塔高，或；——板间距，；—与干板压强相当的液相高度—与气相穿过板上液层高度压强降相当的液柱高度，；——板上液层高度，；——降液管底隙高度，；——堰上液层高度，；—与单板压强降相当液层高度，；——溢流堰高度，；——与克服液体表面张力的压强降相当的液柱高度，；——塔内下降液体的流量，；——液体流量，；——塔内下降液体