化工原理课程设计

目录苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计任务 3TOC\o"1-3"\h\u一．设计题目 3二．操作条件 3三．塔设备型式 3四．工作日 3五．厂址 3六．设计内容 3设计方案 4一．工艺流程 4二．操作压力 4三．进料热状态...................................................4四．加热方式.....................................................4精馏塔工艺计算书 5一．全塔的物料衡算 5二．理论塔板数的确定 5三．实际塔板数的确定 7四．精馏塔工艺条件及相关物性数据的计算 8五．塔体工艺尺寸设计 10六．塔板工艺尺寸设计 12七．塔板流体力学检验 14八．塔板负荷性能图 17九．接管尺寸计算...............................................19十．附属设备计算 21设计结果一览表 24设计总结 26参考文献 26苯-氯苯精馏塔的工艺设计苯-氯苯分离过程精馏塔设计任务一．设计题目设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为%的氯苯140000t，塔顶馏出液中含氯苯不高于%。原料液中含氯苯为22%（以上均为质量%）。二．操作条件1.塔顶压强自选；2.进料热状况自选；3.回流比自选；4.塔底加热蒸汽压强自选；5.单板压降不大于；三．塔板类型板式塔或填料塔。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.设计方案的确定及流程说明2.精馏塔的物料衡算；3.塔板数的确定；4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；5.精馏塔主要工艺尺寸；6.精馏塔塔板的流体力学验算；7.精馏塔塔板负荷性能图；8.精馏塔辅助设备选型与计算；9.设计结果概要或设计一览表；10.带控制点的生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图；11.设计总结和评述；设计方案的确定一、工艺流程苯和氯苯原料液经换热器由塔釜液预热至泡点连续进入精馏塔内，塔顶蒸气经塔顶冷凝器冷凝后，一部分馏分回流，一部分馏分作为产物连续采出；塔底液的一部分经塔釜再沸器气化后回到塔底，另一部分连续采出。塔顶设置全凝器，塔釜设置再沸器，进料及回流液的输送采用离心泵。本设计采用筛板塔，因其结构简单、易于加工、造价低廉，且具有处理能力大、塔板效率高、压降较低、适用于黏度不大的物系的分离等优点。二、操作压力精馏过程按操作压力可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。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的综合考虑。一般优先使用常压精馏，对热敏性物料或混合物泡点过高的物系，宜采用减压精馏。对于沸点低、在常压下为气态的物料，应在加压下进行精馏在本方案所涉及的浓度范围内，苯和氯苯的相对挥发度相差较大，易于分离，而且苯和氯苯在操作条件下均非热敏性物质，因此选用普通的常压精馏，并采取连续操作的方式。三、进料热状态进料热状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的关系。q值增加，则冷凝器负荷降低，再沸器负荷增加。对于低温精馏，采用较高q值更经济；对于高温精馏，当D/F值较大时，宜采用较小的q值；当D/F值较大时，宜采用q值较大的气液混合物。本方案采用泡点进料。四、加热方式塔釜的加热方式通常分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。当塔底产物近于纯水且在浓度很低时溶液的相对挥发度仍较大时，可采用直接蒸汽加热。本方案采用间接蒸汽加热，塔釜设置再沸器。饱和水蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此本方案采用饱和水蒸气作为加热剂。精馏塔工艺计算书一、全塔的物料衡算苯的摩尔质量M氯苯的摩尔质量M进料及塔顶、塔底产品中苯的摩尔分数xxx进料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MMM塔底产品量W根据总物料衡算式F及苯的物料衡算式F联立求得DF二、理论塔板数的确定苯-氯苯属理想体系，采用图解法求理论板数。由手册查得不同温度下苯和氯苯的饱和蒸气压数据，根据xy查阅气象资料可知天津地区年平均气压为。计算塔顶压力p对应的汽液平衡数据，绘制x-y图。图1图解法求理论板数本工艺采用泡点进料，进料热状况q=1。q线与平衡曲线的交点坐标为xq=，yq=。最小回流比R取操作回流比R=2精馏段气相及液相负荷L=RD=V=提馏段气相及液相负荷LV精馏段操作线方程y=提馏段操作线方程y=采用图解法求理论板数。求解结果为总理论板数NT=16，其中精馏段理论板数NT,精=9，提馏段理论板数NT,提=6（不含再沸器），进料板位置NF=10。设全塔效率ET=，则精馏段实际板数N精=9/=18，提馏段实际板数N提=6/=12，总板数N=18（不含再沸器）。三、实际塔板数的确定前已得出，塔顶压力p则塔底压力p由Antoine方程lg及泡点方程x通过试差法分别计算塔顶和塔底的温度（泡点）。计算得塔顶温度t塔底温度t则全塔平均温度t由手册查得此温度下苯的黏度μ氯苯的黏度μC进料液的黏度μ=相对挥发度α通过O’connell法估算全塔效率E该数值低于假设值，故通过迭代重新计算。最终得到满足精度要求的全塔效率值E按此值计算得精馏段实际板数N精=19，提馏段实际板数N提=13，总板数N=32（不含再沸器）。四、精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算1操作压力根据塔顶压力pD=105.6kPa及单板压降∆p=0.9kPa，可计算p及塔底压力p精馏段平均压力p=提馏段平均压力p2操作温度前已求得塔顶温度

t通过前文所述的泡点温度计算方法求取pF=122.7kPa下，t以及pW=134.4kPa下，t精馏段平均温度t=提馏段平均温度t3平均摩尔质量塔顶y查平衡曲线得x气相平均摩尔质量M液相平均摩尔质量M进料板由图解法已知第10块理论板为进料板。查平衡曲线得对应的气液相组成为yx气相平均摩尔质量M液相平均摩尔质量M塔底x查平衡曲线得y气相平均摩尔质量M液相平均摩尔质量M精馏段平均摩尔质量MM提馏段平均摩尔质量MM4密度精馏段气相平均密度ρ提馏段气相平均密度ρ由手册查得塔顶（tDρDB=810kgm3ρDC=1032kgm3则ρ进料板（tFρFB=801kgm3ρFC=1022kgm3苯的质量分数ω则ρ塔底（tWρWB=734kgm3ρWC=966kgm3则ρ精馏段液相平均密度ρ提馏段液相平均密度ρ5表面张力塔顶（tDσDB=21.2mNmσDC=25.8mN/m则σ进料板（tFσFB=20.1mNmσFC=24.9mN/m则σ塔底（tWσWB=14.6mNmσWC=19.8mN/m则σ精馏段平均表面张力σ=(21.2+21.29)/2=21.24(mN/m)提馏段平均表面张力σ五、塔体工艺尺寸设计1塔径精馏段气液相流量分别为VVLLL取塔板间距HT=0.80m，板上液层高度H查Smith关联图得C20=0.146m负荷因子C=最大允许气速u取安全系数为，则空塔气速u=0.6D=提馏段气液相流量分别为VVLLL取塔板间距HT'=0.80mH查Smith关联图得C20'负荷因子C最大允许气速u取安全系数为，则空塔气速uD按标准塔径圆整，取D=3.2m。塔截面积为A精馏段实际空塔气速u=提馏段实际空塔气速u2塔高塔板间距HT取。塔顶空间高度HD取2倍塔板间距，即。塔底空间高度HB按下式计算。H塔釜储液高度h其中，塔釜料液停留时间θ取30min，查手册可知DN3200mm的封头容积为。塔底页面至最下层塔板间距h2取，则H全塔开6个人孔，分别位于塔顶、第7块板、第13块板、进料板、第26块板和塔釜，塔板间距HT=0.80m塔的有效高度H=(N-2)六、塔板工艺尺寸设计1溢流装置塔径为，故选用单溢流弓形降液管及凹形受液盘。精馏段取lW/D=0.65，则l选用平直堰，Francis公式中液流收缩系数近似取E=1。堰上层液高度h堰高度h由lW/D=0.65查手册得到降液管宽度与塔径之比Wd/D=0.128则Wd=0.410液体在降液管中的停留时间τ=3600故降液管设计合理取液体通过降液板底隙的流速uc=0.2m/s，h提馏段取lW'/D=0.68，l选用平直堰，Francis公式中液流收缩系数近似取E=1。堰上层液高度h堰高度h由lW'Wd'则Wd'停留时间τ故降液管设计合理取液体通过降液板底隙的流速uc'=0.3m/sh2板面组成因塔径较大，采用分块式塔板，塔板分为7块。安定区宽度取Ws=100mm，边缘区宽度取开孔区面积Aa用下式计算精馏段x=r=A同理，可算得提馏段xrA3筛孔设计选取厚度δ=4mm的碳钢塔板，筛孔直径d0=5mm。精馏段和提馏段的筛孔均按正三角形排列，取筛孔中心距精馏段筛孔数目n=开孔率φ=0.907气体通过阀孔的气速u同理可得提馏段nφu七、塔板流体力学检验1塔板压降塔板压降包括干板阻力、板上液层的有效阻力及液体表面张力引起的阻力。干板阻力由d0/δ=1.25查得流量系数C0h同理，提馏段干板阻力h气体通过液层的阻力精馏段以塔截面面积与降液区面积之差为基准计算的气体速度u气相动能因子F查手册得，充气系数β=0.55，则板上液层的有效阻力h提馏段uFβh液体表面张力引起的阻力精馏段h提馏段h由以上各项分别计算得精馏段和提馏段的塔板压降精馏段h∆p=0.0892×835.5×9.81=731(Pa)<0.9kPa提馏段h∆均满足设计任务书给定的要求2漏液精馏段漏液点气速实际孔速u稳定系数K=11.27/7.13=1.58>1.5提馏段漏液点气速u实际孔速u稳定系数K3液沫夹带精馏段鼓泡层高度h根据Hunt关联式算得液沫夹带量e提馏段鼓泡层高度h液沫夹带量e精馏段和提馏段液沫夹带量均位于允许范围内。4液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从关系式Hd≤φ(H精馏段φ(hH满足H提馏段φhH满足H故精馏段和提馏段均不会发生液泛。八、塔的负荷性能图1漏液线V带入数据得，精馏段漏液线方程V提馏段漏液线方程V液沫夹带线以eV=0.1为ehh以上各式联立求得精馏段液沫夹带线方程V提馏段液沫夹带线方程V3液泛线由HHhhh以上各式联立，得精馏段液泛线方程V提馏段液泛线方程V4液相负荷下线对于平直堰，取堰上液层高度howh精馏段L提馏段L图2精馏段负荷性能图5液相负荷上线精馏段和提馏段液体在降液管中停留时间τ的下限分别取10s和8s，由L可得，精馏段L提馏段L由上述五条线可分别作出精馏段和提馏段的负荷性能图。图3提馏段负荷性能图接管尺寸计算1进料管道进料体积流量q利用泵输送料液，取液体流速u=2m/s则管径d=选用ϕ133mm×4mm的无缝钢管，实际流速u=塔顶回流液管道塔顶回流液体积流量q利用泵输送回流液，取液体流速u=1.8m/s则管径d=选用ϕ108mm×4mm的无缝钢管，实际流速u=3塔底料液排出管道塔底产品体积流量q取液体流速u=0.8m/s则管径d=选用ϕ325mm×8mm的无缝钢管，实际流速u=4塔顶蒸气出口管道塔顶蒸气体积流量q取气体流速u=30m/s则管径d=选用ϕ630mm×9mm的无缝钢管，实际流速u=5塔底蒸气进口管道塔底蒸气体积流量q取气体流速u=30m/s则管径d=选用ϕ630mm×9mm的无缝钢管，实际流速u=十、辅助设备计算1原料预热器将20℃的原料液预热至泡点温度（91.2℃），加热介质采用113℃饱和水蒸汽（），冷凝液在饱和温度下流出。选定原料液走管程，加热蒸汽走壳程。壳程加热蒸汽定性温度T管程流体定性温度t根据定性温度查取有关物性数据。水的汽化潜热r水蒸气的密度ρ=0.83kg/苯及氯苯的恒压热容CC则原料液的恒压热容C原料液的质量流量q则热流量为Q平均传热温差∆加热蒸汽用量q设总传热系数K=1000W/(传热面积A考虑15%面积裕度，则A=68.7选用ϕ25mm×u单管程换热管数n所需换热管长度为L=圆整为6m。可按单管程设计，换热管数N=2回流冷凝器塔顶蒸气为℃的饱和蒸汽，冷却水进出口温度分别设为20℃和30℃。冷却水走管程，塔顶蒸气走壳程。壳程蒸汽定性温度T管程流体定性温度t根据定性温度查取有关物性数据。冷却水的比热C苯及氯苯的蒸发潜热rr则塔顶蒸气的蒸发潜热r蒸气的质量流量q则热流量为Q平均传热温差∆冷却水用量q设总传热系数K=800W/(传热面积A考虑15%面积裕度，则A=2928.1选用ϕ25mm×u单管程换热管数n所需换热管长度为L=圆整为。采用单管程结构，换热管数N=9383塔釜再沸器塔釜液温度℃，采用℃的饱和蒸汽加热（）。根据温度查取有关物化性质。水的汽化潜热r水蒸气的密度ρ=3.1686kg/苯及氯苯的蒸发潜热rr则塔顶蒸气的蒸发潜热r釜液质量流量q热流量Q设总传热系数K=900W/(传热面积A=拟用ϕ25mm×2.5mm碳钢换热管，管长L=6mN=设计结果一览表项目符号单位计算数据精馏段提馏段精馏塔平均温度t℃平均压力pkPa气相流量Vsm3/s液相流量Lsm3/s实际塔板数N1913（不含再沸器）塔板间距HTm塔高Hm30塔径Dm空塔气速um/s塔板溢流类型单溢流单溢流降液管类型弓形降液管凹形受液盘弓形降液管凹形受液盘溢流堰长度lwm溢流堰高度hwm溢流堰宽度Wdm堰上液层高度howm续表项目符号单位计算数据精馏段提馏段降液管底隙高度hom板上液层高度hLm筛孔直径d0mm55孔中心距tmm筛孔数n4511543645开孔率φ%开孔区面积Aam2筛孔气速u0m/s单板压降∆kPa降液管中停留时间τs液沫夹带量eVkg液/kg气稳定系数K液相负荷上限Lsmaxm3/s液相负荷下限Ls,minm3/s气相最大负荷Vs,maxm3/s气相最小负荷Vs,minm3/s操作弹性辅助设备预热器热负荷MW预热器换热面积m2预热器换热管径mmϕ25mm预热器换热管长m6预热器换热管数146冷凝器热负荷MW冷凝器换热面积m2冷凝器换热管径mmϕ25mm冷凝器换热管长m冷凝器换热管数938再沸器热负荷MW再沸器换热面积m2再沸器换热管径mmϕ25mm续表项目符号单位计算数据再沸器换热管长m6再沸器换热管数1579接管进料管管径mmϕ133mm×4mm塔顶回流管管径mmϕ108mm×4mm釜液排出管管径mmϕ325mm×8mm塔顶蒸气出口管径mmϕ630mm×9mm塔底蒸气进口管径mmϕ630mm×9m