《化工原理》課程設計---苯-氯苯分離板式精餾塔的設計

1、<p>　　《化工原理》課程設計</p><p>　　31000噸/年苯-氯苯分離板式精餾塔的設計</p><p><b>　　1.概述1</b></p><p>　　2.精餾塔的物料衡算4</p><p><b>　　3塔板數(shù)的確定5</b></p><p>

2、;　　4.精餾塔的工藝條件的計算8</p><p>　　4.1平均壓力的計算8</p><p>　　4.2 平均溫度的計算9</p><p>　　4.3平均摩爾質量的計算9</p><p>　　4.4平均密度的計算10</p><p>　　4.4.1 液相平均密度10</p><p&g

3、t;　　4.5液體的平均表面張力的計算10</p><p>　　4.6液體的平均粘度的計算11</p><p>　　4.7精餾段的汽液負荷計算12</p><p>　　5.精餾塔的塔體工藝尺寸計算12</p><p>　　5.1塔徑的計算 </p><p>　　5.2 精餾塔有效高度的計算</p&g

4、t;<p>　　6.塔板主要工藝尺寸的計算14</p><p>　　6.1溢流裝置的計算14</p><p>　　6.2塔板布置15</p><p>　　7.塔板的流體力學驗算16</p><p>　　7.1 塔板壓降16</p><p>　　7.2 液面落差17</p>&l

5、t;p>　　7.3 液沫夾帶17</p><p><b>　　7.4 漏液17</b></p><p><b>　　7.5 液泛18</b></p><p>　　7.6.霧沫夾帶量的驗算18</p><p>　　8.塔板負荷性能圖18</p><p>　　8

6、.1液沫夾帶線18</p><p><b>　　8.2液泛線19</b></p><p>　　8.3.液相負荷上限線20</p><p><b>　　8.4漏液線20</b></p><p>　　8.5.液相負荷下限線21</p><p>　　9. 精餾塔接管尺寸計

7、算22</p><p><b>　　9.1進料管22</b></p><p>　　9.2 出料管23</p><p>　　9.3. 回流液管23</p><p>　　10.設計注意事項23</p><p>　　11.精餾塔的設計計算結果匯總一覽表23</p><p

8、>　　12.心得體會25</p><p>　　13.結果討論25</p><p>　　14.主要符號說明25</p><p>　　15. 參考資料26</p><p><b>　　1.概述</b></p><p><b>　　1.1 技術來源</b></

9、p><p>　　目前，精餾塔的設計方法以理論與半經(jīng)驗半理論法為主，嚴格計算法對于連續(xù)精餾塔最常采用，此次計算也采用嚴格計算法。</p><p><b>　　1.2 設計任務</b></p><p>　　試設計一座苯－氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為_98%___的氯苯31000噸/年，塔頂餾出液中含氯苯不得高于__2%____，原料液中含苯__65

10、%____（以上均為質量分數(shù)）。</p><p>　　本設計任務為分離苯-氯苯混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾過程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。</p

11、><p>　　1.3 操作條件的確定</p><p>　　操作壓力 此設計產(chǎn)量大，提高壓力操作可以減少相體積流量，曾加塔的生產(chǎn)能力，因此可以選擇塔頂壓強4kPa（表壓），</p><p>　　加熱方式 精餾塔的設計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內有足夠的熱量供應；由于苯-氯苯體系中，苯是輕組分，氯苯由塔底排出，且氯苯的比熱較大，故可采用直接氯苯蒸

12、氣加熱，這時只需在塔底安裝一個鼓泡管，于是可省去一個再沸器，并且可以利用壓力較低的蒸汽進行加熱，無論是設備費用還是操作費用都可以降低。</p><p>　　熱能利用 精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。</p&

13、gt;<p>　　1.4塔板類型的選擇</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日300天，每天開動設備24小時計算，處理流量為4305.6kg/h，由于流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。</p><p>　　浮閥塔應用廣泛，對液體負荷變化敏感，不適宜處理易聚合或者含有固體懸浮物的物料浮閥塔涉及液體均布問題在氣液接觸需

14、冷卻時會使結構復雜板式塔的設計資料更易得到，而且更可靠。浮閥塔更適合 塔徑不很大，易氣泡物系，腐蝕性物系，而且適合真空操作。</p><p>　　1.5工藝流程及說明</p><p>　　首先，苯和氯苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合

15、物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的

16、加入。最終，完成苯與氯苯的分離。</p><p><b>　　工藝流程</b></p><p>　　2.精餾塔的物料衡算</p><p><b>　　2.1有關物性數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　液相物性的數(shù)據(jù)</b></p><p>　　表（

17、1）組分的液相密度（kg/m3） </p><p><b>　　氣相物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　表（2）組分的飽和蒸汽壓（mmHg）</p><p>　　2.2原料塔及塔頂產(chǎn)品的摩爾分率</p><p>　　苯相對摩爾質量分別為78.11kg/kmol</p><p>　　氯苯的相對

18、摩爾質量分別為112.61kg/kmol</p><p>　　2.3原料塔及塔頂、塔底的平均摩爾質量</p><p><b>　　2.4物料衡算</b></p><p>　　依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，</p><p>　　有：W′＝31000t/a＝4305.6kg/h，</p><

19、;p><b>　　全塔物料衡算：</b></p><p>　　聯(lián)立上兩式解得： </p><p><b>　　所以： </b></p><p><b>　　3塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　3.1理論塔板數(shù)（Nt）的確定</p><p&g

20、t;　　苯-氯苯屬于理想物系，可采用圖解法求理論塔板層數(shù)</p><p>　　3.1.1最小回流比的確定</p><p>　　用以上表（1）和表（2）數(shù)據(jù)用拉烏爾定律計算出苯和氯苯的相平衡數(shù)據(jù)為下表： </p><p><b>　　表（3）</b></p><p>　　根據(jù)表（3）的數(shù)據(jù)做圖得曲

21、線</p><p><b>　　圖3—1曲線圖</b></p><p>　　根據(jù)表（3）的數(shù)據(jù)做圖得曲線。</p><p>　　圖3-2苯—氯苯混合液的x—y圖</p><p>　　在圖上，因，查得，而，。</p><p><b>　　故有最小回流比為：</b></p&

22、gt;<p><b>　　取操作回流比為：</b></p><p>　　求精餾塔的汽、液相負荷</p><p>　　L=RD=0.492×104.6=51.46 kmol/h</p><p>　　V=(R+1)D=(0.492+1)×104.6=156.06 kmol/h</p><p&

23、gt;　　L′=L+F=51.46+143.2=194.66 kmol/h</p><p>　　V′=V=156.06 kmol/h </p><p>　　3.1.2 理論塔板數(shù)的確定</p><p><b>　　精餾段操作線：</b></p><p><b>　　提餾段操作線：</b></

24、p><p>　　提餾段操作線為過和兩點的直線。</p><p>　　圖3—3圖解法求理論板層數(shù)</p><p>　　采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖3—3，圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第4塊為加料板位置。</p><p>　　3.2實際塔板數(shù)的確定</p><p><b>　　3.2.1全塔效率&l

25、t;/b></p><p>　　選用公式計算。該式適用于液相粘度為0.07~1.4mPa·s的烴類物系，式中的為全塔平均溫度下以進料組成表示的平均粘度。</p><p>　　塔的平均溫度為0.5(80+131.8)=106℃（取塔頂?shù)椎乃阈g平均值），在此平均溫度下查：</p><p><b>　　所以：</b></p>

26、;<p><b>　　。</b></p><p>　　3.2.2實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）</p><p>　　精餾段實際塔板數(shù)位：</p><p><b>　　塊，</b></p><p><b>　　取塊</b></p><p>

27、　　提餾段實際塔板數(shù)為：</p><p><b>　　塊，</b></p><p><b>　　取塊</b></p><p><b>　　總塔板數(shù)為：</b></p><p><b>　　塊。</b></p><p>　　4.精餾塔

28、的工藝條件的計算 </p><p>　　4.1平均壓力的計算</p><p><b>　　每層塔板壓降為：</b></p><p><b>　　ΔP=0.7kPa</b></p><p><b>　　塔頂操作壓力為：</b></p><p><b&

29、gt;　　進料板壓力為：</b></p><p><b>　　精餾段平均壓力為：</b></p><p>　　4.2 平均溫度的計算</p><p><b>　　塔頂溫度為80℃，</b></p><p>　　進料板溫度為88℃。</p><p><b>

30、;　　精餾段平均溫度為：</b></p><p>　　4.3平均摩爾質量的計算</p><p>　　塔頂平均摩爾質量計算：</p><p>　　，（查相平衡圖） </p><p>　　加料板平均摩爾質量計算：</p><p><b>　　，（查相平衡圖）</b></p>

31、<p>　　精餾段平均摩爾質量計算：</p><p>　　4.4平均密度的計算</p><p>　　4.4.1 液相平均密度</p><p>　　表4-1 組分的液相密度（kg/m3）</p><p>　　塔頂液相平均密度的計算：</p><p>　　T=80℃時，查手冊得 </p>

32、<p><b>　　， </b></p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　進料板液相平均密度的計算：</p><p>　　T=88℃ 時，查手冊得 </p><p><b>　　，</b></p><p>

33、<b>　　所以：</b></p><p>　　精餾段液相平均密度的計算：</p><p>　　4.4.2汽相平均密度的計算</p><p>　　由理想氣體狀態(tài)方程計算，即</p><p>　　4.5液體的平均表面張力的計算</p><p>　　表4-2 組分的表面張力（mN/m）</p&

34、gt;<p>　　雙組分混合液體的表面張力可按下式計算：</p><p>　?。锳、B組分的摩爾分率）</p><p>　　塔頂液相平均表面張力的計算：</p><p>　　由T=80℃，查手冊得</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　所以：

35、</b></p><p>　　進料板液相平均表面張力的計算：</p><p>　　由T=88℃，查手冊得</p><p><b>　　；</b></p><p>　　精餾段液相平均表面張力：</p><p>　　4.6液體的平均粘度的計算</p><p>　　塔

36、頂液相平均粘度的計算：</p><p>　　由T=80℃時，查表得 µA=0.310mPa·s；µB=0.440mPa·s</p><p>　　解得：µLD，m=0.312mPa·s</p><p>　　進料板液相平均粘度的計算：</p><p>　　由T=在88℃時，查表得=0.3

37、46mpa·s ； =0.508 mpa·s</p><p>　　解得 =0.384 mpa·s</p><p>　　精餾段液相平均粘度的計算：</p><p>　　4.7精餾段的汽液負荷計算</p><p><b>　　汽相摩爾流率：</b></p><p>&

38、lt;b>　　汽相體積流量：</b></p><p><b>　　汽相體積流量：</b></p><p><b>　　液相回流摩爾流率：</b></p><p><b>　　液相體積流量：</b></p><p><b>　　液相體積流量：</

39、b></p><p><b>　　冷凝器的熱負荷：</b></p><p>　　5.精餾塔的塔體工藝尺寸計算</p><p><b>　　5.1塔徑的計算</b></p><p>　　1. 初選塔板間距及板上液層高度，則：</p><p>　　2.按Smith法求取允許

40、的空塔氣速（即泛點氣速）</p><p>　　Smith通用關聯(lián)圖 </p><p>　　查smith通用關聯(lián)圖得</p><p><b>　　負荷因子</b></p><p><b>　　泛點氣速：</b></p><p><b>　　m/s</b>&

41、lt;/p><p>　　3.取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為</p><p><b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p><b>　　圓整取，</b></p><p><b>　　塔的截面積AT=</b></p><p><b>　　此時

42、的操作氣速。</b></p><p>　　5.2 精餾塔有效高度的計算</p><p><b>　　精餾段有效高度為</b></p><p><b>　　提餾段有效高度為</b></p><p>　　在進料板上方開一人孔，其高度為800mm</p><p>&l

43、t;b>　　故精餾塔的高度為</b></p><p>　　2.8+2.8+0.8=6.4m</p><p>　　6.塔板主要工藝尺寸的計算</p><p>　　6.1溢流裝置的計算</p><p>　　采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。</p><p>　　6.1.

44、1溢流堰長（出口堰長）</p><p><b>　　取</b></p><p>　　堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。</p><p><b>　　6.1.2溢流堰高</b></p><p><b>　　由</b></p><p><b&

45、gt;　　對平直堰</b></p><p><b>　　由及，查得，</b></p><p><b>　　則：（滿足要求）</b></p><p>　　去板上清夜層高度為=60mm</p><p>　　6.1.3 降液管的寬度和降液管的面積</p><p><

46、;b>　　由，</b></p><p>　　化工原理課程設計P112的圖5-7得：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　液體在降液管

47、內的停留時間</p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p><b>　　故降液管設計合理</b></p><p>　　6.1.4降液管的底隙高度</p><p>　　液體通過降液管底隙的流速一般為0.07~0.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：</p>

48、<p>　　因為hw-h0=0.0529-0.0139=0.0390.006m</p><p>　　所以降液管底高度設計合理</p><p><b>　　6.2塔板布置</b></p><p>　　6.2.1邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度</p><p>　　邊緣區(qū)寬度：一般為50~75mm，D >2m時，可達1

49、00mm。</p><p>　　安定區(qū)寬度：規(guī)定m時，mm；</p><p><b>　　m時，mm；</b></p><p>　　本設計取mm，mm。</p><p>　　6.2.2開孔區(qū)面積</p><p><b>　　式中：</b></p><p&g

50、t;　　6.2.3開孔數(shù)和開孔率</p><p>　　取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。</p><p><b>　　每層塔板的開孔數(shù)：</b></p><p><b>　?。祝?lt;/b></p><p><b>　　每層塔板的開孔率：</b>&

51、lt;/p><p>　?。☉?~25%，故滿足要求）</p><p>　　每層塔板的開孔面積：</p><p>　　氣體通過篩孔的孔速：</p><p>　　6.2.4精餾段的塔高</p><p>　　7.塔板的流體力學驗算</p><p><b>　　7.1 塔板壓降</b&g

52、t;</p><p>　　氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)</p><p>　　(1)由查干篩孔的流量系數(shù)圖得=0.772</p><p>　　(2)氣體通過液層的阻力由下式計算</p><p><b>　　m/s</b></p><p>　　查充氣系數(shù)關聯(lián)圖得β=0.68.</p>

53、;<p>　?。?）液體表面張力的阻力計算</p><p>　　液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 由下式計算</p><p>　　氣體通過每層塔板的液柱高度為</p><p>　　氣體通過每層塔板的壓降為</p><p><b>　　（滿足工藝要求）</b></p><p><b>

54、;　　7.2 液面落差</b></p><p>　　對于篩板塔，液面落差很小，且本案例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。</p><p><b>　　7.3 液沫夾帶</b></p><p>　　式中：=2.5×0.06=0.15m</p><p>　　故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍

55、內。</p><p><b>　　7.4 漏液</b></p><p><b>　　漏液點的氣速</b></p><p>　　篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p><b>　　7.5 液泛</b></p><p>　　為防止降液管發(fā)生液泛

56、，應使降液管中的清液層高度</p><p>　　苯—氯苯物系屬于一般物系，取φ=0.5</p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　板上不設進口堰，則</b></p><p>　　成立，故不會產(chǎn)生液泛。</p><p>　　7.6.霧沫夾帶量的驗算&l

57、t;/p><p>　　式中：，驗算結果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　　8.塔板負荷性能圖</b></p><p><b>　　8.1液沫夾帶線</b></p><p>　　以氣為限，求關系如下</p><p><b>　?。?-1）</b

58、></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（8-1）</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　在操作范圍內，任取幾個值，依式（8-2）算出對應的值列于下表：</p><p><b>　　表8

59、-1</b></p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　　8.2液泛線</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　（8-4）</b></p><p>　　在操作范

60、圍內，任取幾個值，依式（8-4）算出對應的值列于下表：</p><p><b>　　表8-2</b></p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）</p><p>　　8.3.液相負荷上限線</p><p>　　以=4s作為液體在降液管中停留時間的下限，則</p><p><b>　

61、　以4</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　8.4漏液線</b></p><p><b>　　漏液點氣速</b></p><p>

62、;　　整理得： （8-6）</p><p>　　在操作范圍內，任取幾個值，依式（8-6）算出對應的值列于下表：</p><p><b>　　表8-3</b></p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線（4）</p><p>　　8.5.液相負荷下限線</p><p>　　取平堰堰上液層高度m，。&

63、lt;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　操作氣液比：Vs/Ls=1.19/0.0014=850</p><p>　　圖8-1浮閾塔負荷性能圖</p><p>　　由負荷性能圖8-1可知，</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)任務規(guī)定的氣液負荷，可知操作點P在正常的操作范圍內。連

64、接OP作出操作線，</p><p>　　由圖可知，該塔的霧沫夾帶及液相負荷下限，即由漏液所控制。由圖可讀得：</p><p>　　Vs,max=5.2m3/s</p><p>　　Vs,min=3.3m3/s</p><p>　　故操作彈性為：=1.58</p><p>　　9. 精餾塔接管尺寸計算 </

65、p><p><b>　　9.1進料管</b></p><p><b>　　進料體積流量：</b></p><p>　　取適宜的輸送速度，故</p><p>　　經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-64)，規(guī)格：</p><p>　　實際流速u=2.7m/s</p>

66、<p><b>　　9.2 出料管</b></p><p><b>　　釜殘液的體積流量：</b></p><p>　　取適宜的輸送速度，則</p><p>　　經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-64)，規(guī)格：</p><p>　　實際管內流速：Uw=1.4m/s</p>

67、;<p><b>　　9.3. 回流液管</b></p><p><b>　　回流液體積流量</b></p><p>　　利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度，那么</p><p>　　經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-64)，規(guī)格：</p><p>　　實際管內流速：=0.4

68、8m/s</p><p><b>　　10.設計注意事項</b></p><p>　　本塔設計按GB150《鋼制壓力容器》進行制造、試驗和驗收，接受國家質量技術監(jiān)督局《壓力容器安全技術監(jiān)督》監(jiān)督。焊接接頭形式及尺寸按有關標準選取，同時對有泄漏量要求容器做致密實驗，保證塔安全性及合理性。</p><p>　　11.精餾塔的設計計算結果匯總一覽表&

69、lt;/p><p><b>　　12.心得體會</b></p><p>　　本次課程設計在給定年處理量和原料液溫度的條件下設計苯的精餾塔，涉及到大量的資料查取計算和畫圖，要求有極好的邏輯分析能力，同時要有極好的理論基礎。在實際設計過程中，計算中要注意數(shù)據(jù)的合理選取，如回流比的選取直接影響到后面的計算結果，也就是要求有較好的工程意識。此次設計過程計算較為繁雜，要求要有較好的

70、工程計算能力，還有熟悉了化工過程中精餾過程的操作和塔體的認識也有了更為深刻的認識，也對Auto cad制圖有了更好的認識，總之在為期兩周的化工課程設計中，雖然辛苦但收獲頗豐，同時大大鍛練了實際操作能力。</p><p><b>　　13.結果討論</b></p><p>　　由上面的計算和塔裝配圖可知，此次設計過程的各計算結果及核算基本符合要求，同時在設計過程中也考慮

71、到技術的可行性和合理性以及經(jīng)濟的合理性，其中有關數(shù)據(jù)和零件按照標準，操作彈性也符合要求，基本達到此次設計要求，但是也是有一些不足之處，例如單板壓降偏高等等，但對有關的數(shù)據(jù)的核算以及參數(shù)的選擇也算合理，完成此次苯-氯苯分離板式精餾塔的設計。</p><p><b>　　14.主要符號說明</b></p><p><b>　　15. 參考資料</b>

72、</p><p>　　[1] 匡國柱，史啟才. 化工單元過程課程及設備課程設計. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.10</p><p>　　[2] 賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設計, 天津：天津大學出版社，2002.8</p><p>　　[3] 王靜康，伍宏業(yè). 化工過程設計,北京：化學工業(yè)出版社，2006.5 </p><p>　　[4