課程設(shè)計——苯-氯苯板式精餾塔的工藝設(shè)計

1、<p>　　課程設(shè)計題目一——苯-氯苯板式精餾塔的工藝設(shè)計</p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　設(shè)計一座苯-氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產(chǎn)純度為99.5%的氯苯20000t/a，塔頂餾出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯為42%（以上均為質(zhì)量%）。</p><p><b>　　二、操作條件<

2、;/b></p><p>　　1.塔頂壓強(qiáng)4kPa（表壓）；</p><p>　　2.進(jìn)料熱狀況，泡點進(jìn)料q=1；</p><p>　　3.回流比，R=1.5Rmin</p><p>　　4.塔釜加熱蒸汽壓力506kPa；</p><p>　　5.單板壓降不大于0.7kPa；</p><p&g

3、t;　　6.年工作日300天，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　三、設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　1設(shè)計方案的確定及工藝流程的說明；</p><p><b>　　2.塔的工藝計算；</b></p><p>　　3.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算；</p>&l

4、t;p>　　4.塔內(nèi)流體力學(xué)性能的設(shè)計計算；</p><p>　　5.塔板負(fù)荷性能圖的繪制；</p><p>　　6.塔的工藝計算結(jié)果匯總一覽表；</p><p>　　7.輔助設(shè)備的選型與計算；</p><p>　　8.生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制；</p><p>　　9.對本設(shè)計的評述或?qū)τ嘘P(guān)問題的

5、分析與討論。</p><p><b>　　四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1.組分的飽和蒸汽壓 單位：mmHg</p><p>　　表一 組分的飽和蒸汽壓</p><p>　　注：1 mmHg=133.322Pa</p><

6、;p>　　2.組分的液相密度 單位：kg/m3</p><p>　　表二 組分的液相密度</p><p>　　純組分在任何溫度下的密度可由下式計算：</p><p>　　苯 </p><p>　　氯苯 </p><

7、;p>　　注：式中的t為溫度，℃。</p><p>　　3.組分的表面張力 單位：mN/m</p><p>　　表三 組分的表面張力</p><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>

8、<p><b>　　4.氯苯的汽化潛熱</b></p><p>　　常壓沸點下的汽化潛熱為35.3×103kJ/kmol。純組分的汽化潛熱與溫度的關(guān)系可用下式表示：</p><p>　?。缺降呐R界溫度：）</p><p>　　5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。</p><p>　　一、設(shè)計方案的確定

9、及工藝流程的說明</p><p>　　原料液經(jīng)臥式列管式預(yù)熱器預(yù)熱至泡點后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用強(qiáng)制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至苯液貯罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜產(chǎn)品經(jīng)臥式列管式冷卻器冷卻后送入氯苯貯罐。</p><p><b>　　二、全塔的物料衡算</b></p><

10、p>　?。ㄒ唬┝弦杭八?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率</p><p>　　苯和氯苯的相對摩爾質(zhì)量分別為78.11和112.61kg/kmol。</p><p><b>　?。ǘ┢骄栙|(zhì)量</b></p><p>　　（三）料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率</p><p>　　依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，有：

11、</p><p><b>　　全塔物料衡算：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　三、塔板數(shù)的確定</b></p><p>　?。ㄒ唬├碚撍鍞?shù)的求取</p><p>　　苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法

12、（M·T法）求取，步驟如下：</p><p>　　（1）相平衡數(shù)據(jù)的求取</p><p>　　根據(jù)苯-氯苯的相平衡數(shù)據(jù)，利用泡點方程和露點方程求取。再依據(jù)，，將所得計算結(jié)果如下表：</p><p>　　表四 苯—氯苯的相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　本題中，塔內(nèi)壓力接近常壓（實際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因為操

13、作壓力偏離常壓很小，所以其對平衡關(guān)系的影響完全可以忽略。</p><p>　?。?）確定操作的回流比R</p><p>　　將表四中數(shù)據(jù)作圖得曲線及曲線。在圖上，因，查得，而，。故有：</p><p>　　圖一 苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解</p><p>　　圖二 苯-氯苯物系的溫度組成圖</p><p>　

14、　考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的1.5倍，即：</p><p><b>　?。?）求理論塔板數(shù)</b></p><p><b>　　精餾段操作線方程：</b></p><p>　　將xF帶入精餾段操作方程得：yF=0.926</p><p>　　提餾段操作線為過和

15、兩點的直線。</p><p><b>　　提餾段操作線方程：</b></p><p>　　圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段 塊，第5塊為加料板位置。 </p><p><b>　?。ǘ嶋H塔板數(shù)</b></p><p><b>　　1.全塔效率</b></p&

16、gt;<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(jìn)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(shù)平均值），在此平均溫度下查化工原理附錄11得：，。</p><p>　　2.實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）</p><p

17、><b>　　精餾段：塊，取塊</b></p><p><b>　　提餾段：塊，取塊</b></p><p><b>　　總塔板數(shù)塊。</b></p><p>　　四、塔的精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算</p><p><b>　?。ㄒ唬┢骄鶋簭?qiáng)<

18、/b></p><p>　　取每層塔板壓降為0.7kPa計算。</p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　平均壓強(qiáng)</b></p><p><b>　　（二）平均

19、溫度</b></p><p>　　查溫度組成圖得：塔頂為80℃，加料板為91℃。</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　（三）平均分子量</b></p><p>　　塔頂： ，（查相平衡圖）</p><p>　　加料板：，（查相平衡

20、圖）</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　（四）平均密度</b></p><p><b>　　1.液相平均密度</b></p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b&g

21、t;　　進(jìn)料板：</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　2.汽相平均密度</b></p><p>　?。ㄎ澹┮后w的平均表面張力</p><p><b>　　塔頂：；（80℃）</b></p><p>

22、;　　進(jìn)料板：；（88℃）</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p>　?。┮后w的平均粘度</p><p>　　塔頂：查化工原理附錄11，在80℃下有：</p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　精餾段：<

23、;/b></p><p>　　五、精餾段的汽液負(fù)荷計算</p><p><b>　　汽相摩爾流率</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　汽相體積流量</b></p><p><b>　　液相

24、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</b></p><p><b>　　冷凝器的熱負(fù)荷</b></p><p>　　六、塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p&g

25、t;<b>　　（一）塔徑</b></p><p>　　1.初選塔板間距及板上液層高度，則：</p><p>　　2.按Smith法求取允許的空塔氣速（即泛點氣速）</p><p>　　查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得</p><p><b>　　負(fù)荷因子</b></p><p>&

26、lt;b>　　泛點氣速：</b></p><p><b>　　3.操作氣速</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p>　　圓整取，此時的操作氣速。</p><p&g

27、t;　?。ǘ┧骞に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算</p><p><b>　　1.溢流裝置</b></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(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。</p><p>　　（1）溢流堰長（出口堰長）</p><p><b>　　取</b></p>&l

28、t;p><b>　　堰上溢流強(qiáng)度：，</b></p><p>　　滿足篩板塔的堰上溢流強(qiáng)度要求。</p><p><b>　?。?）出口堰高</b></p><p><b>　　對平直堰 </b></p><p>　　由及，查化工原理圖11-11得，于是：</p&

29、gt;<p><b>　　（滿足要求）</b></p><p>　?。?）降液管的寬度和降液管的面積</p><p>　　由，查化原下P147圖11-16得，即：</p><p><b>　　，，。</b></p><p>　　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p

30、><b>　　（滿足要求）</b></p><p>　?。?）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><p>　?。ú灰诵∮?.02~0.025m，本結(jié)果滿足要求）</p><p><b>　　2.塔板布置&

31、lt;/b></p><p>　?。?）塔板分塊，因D=800mm，根據(jù)表5—6將塔板分作3塊安裝；</p><p>　　（2）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(dá)100mm。</p><p>　　安定區(qū)寬度：規(guī)定m時mm；m時mm；</p><p&g

32、t;　　本設(shè)計取mm，mm。</p><p><b>　?。?）開孔區(qū)面積.</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　3.開孔數(shù)和開孔率</b></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。<

33、;/p><p>　　每層塔板的開孔數(shù)（個） </p><p>　　每層塔板的開孔率（應(yīng)在5~15%，故滿足要求）</p><p><b>　　每層塔板的開孔面積</b></p><p><b>　　氣體通過篩孔的孔速</b></p><p><b>　　4.精餾段的

34、塔高</b></p><p>　　四、塔板上的流體力學(xué)驗算</p><p>　?。ㄒ唬怏w通過篩板壓降和的驗算</p><p>　　1.氣體通過干板的壓降</p><p>　　式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。</p><p>　　2.氣體通過板上液層的壓降</p><p>　　式

35、中充氣系數(shù)的求取如下：</p><p>　　氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：</p><p><b>　　動能因子</b></p><p>　　查化圖5-35得（一般可近似取）。</p><p>　　3.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和</p><p>　　即有：，滿足設(shè)計的操作要求

36、。</p><p>　?。ǘ╈F沫夾帶量的驗算</p><p>　　式中：，驗算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　?。ㄈ┞┮旱尿炈?lt;/b></p><p><b>　　漏液點的氣速</b></p><p><b>　　式中：</b&

37、gt;</p><p>　　則有：篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p><b>　?。ㄋ模┮悍旱尿炈?lt;/b></p><p>　　為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的清液層高度</p><p>　　相對泡沫密度取，則有</p><p>　　即有：成立，故不會產(chǎn)生液泛。</p&

38、gt;<p>　　通過流體力學(xué)驗算，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若要做出最合理的設(shè)計，還需重選及，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。</p><p><b>　　八、塔板負(fù)荷性能圖</b></p><p>　?。ㄒ唬╈F沫夾帶線（1）</p><p><b>　　式中：</b></p><p>

39、;　　將已知數(shù)據(jù)代入式中得：</p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（1-1）算出對應(yīng)的值列于下表： </p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　　（二）液泛線（2）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（2-2）算出對應(yīng)的值列于下表：</p

40、><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）</p><p>　?。ㄈ┮合嘭?fù)荷上限線（3）</p><p>　　（四）漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（4）</p><p><b>　　漏液點氣速：</b></p><p><b>　　，整理得：</b></p><p

41、>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（4-4）算出對應(yīng)的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線（4）</p><p>　?。ㄎ澹┮合嘭?fù)荷下限線</p><p>　　取平堰堰上液層高度m，。</p><p>　　圖——精餾段塔板負(fù)荷性能</p><p>　?。┎僮骶€與操作彈性</p>

42、;<p><b>　　操作氣液比 </b></p><p>　　過（0,0）和（0.0003956,0.4974）兩點，在圖中做操作線.</p><p>　　操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最小負(fù)荷之比，從圖中可得：</p><p><b>　　操作彈性=</b></p>

43、;<p>　　九、精餾塔的設(shè)計計算結(jié)果匯總一覽表</p><p>　　精餾塔的設(shè)計計算結(jié)果匯總一覽表</p><p>　　提餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算</p><p>　　一、提餾段的物性及狀態(tài)參數(shù)</p><p><b>　　（一）平均壓強(qiáng)</b></p><p>　　取

44、每層塔板壓降為0.7kPa計算。</p><p><b>　　進(jìn)料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p><p><b>　　平均壓強(qiáng)</b></p><p><b>　?。ǘ┢骄鶞囟?lt;/b></p><p&

45、gt;　　查溫度組成圖得：加料板為91℃，塔底為131.92℃。</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　（三）平均分子量</b></p><p>　　加料板：，（查相平衡圖）</p><p>　　塔底： ，。（查相平衡圖）</p><p>&l

46、t;b>　　提餾段：</b></p><p><b>　?。ㄋ模┢骄芏?lt;/b></p><p><b>　　1.液相平均密度</b></p><p><b>　　進(jìn)料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p&

47、gt;<p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　2.汽相平均密度</b></p><p>　　（五）液體的平均表面張力</p><p>　　進(jìn)料板：；（91℃）</p><p>　　塔底：；（131.92℃）</p><p><b&

48、gt;　　精餾段：</b></p><p>　?。┮后w的平均粘度</p><p>　　塔頂：查化工原理附錄11有：</p><p>　　加料板： （0.18,0.27）</p><p><b>　　塔 底：</b></p><p><b>　　提餾段：</b&

49、gt;</p><p>　　二、提餾段的汽液負(fù)荷計算</p><p><b>　　汽相摩爾流率</b></p><p><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

50、流率</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　液相體積流量</b></p><p><b>　　再沸器的熱負(fù)荷</b></p><p>　?。ê雎詼囟葔毫ζ瘽摕岬挠绊懀?lt;/p><p>　　三

51、、塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p><b>　?。ㄒ唬┧?lt;/b></p><p>　　1.初選塔板間距及板上液層高度，則：</p><p>　　2.按Smith法求取允許的空塔氣速（即泛點氣速）</p><p>　　查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得</p><p><b>　　負(fù)

52、荷因子</b></p><p><b>　　泛點氣速：</b></p><p><b>　　m/s</b></p><p><b>　　3.操作氣速</b></p><p><b>　　取</b></p><p><

53、;b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p>　　為加工方便，圓整取，即上下塔段直徑保持一致，此時提餾段的操作氣速。</p><p>　?。ǘ┧骞に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算</p><p><b>　　1.溢流裝置</b></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，

54、且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。</p><p>　?。?）溢流堰長（出口堰長）</p><p><b>　　取</b></p><p>　　堰上溢流強(qiáng)度，滿足篩板塔的堰上溢流強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　（2）出口堰高</b></p><p><b>　　對平直堰<

55、;/b></p><p>　　由及，查化工原理圖11-11得，于是：</p><p><b>　　（滿足要求）</b></p><p>　?。?）降液管的寬度和降液管的面積</p><p>　　由，查化原下P147圖11-16得，即：</p><p><b>　　，，。</b

56、></p><p>　　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p>　?。?）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><p>　?。ú灰诵∮?.0

57、2~0.025m，本結(jié)果滿足要求）</p><p><b>　　2.塔板布置</b></p><p>　?。?）邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度</p><p>　　與精餾段同，即mm，mm。 </p><p>　　開孔區(qū)面積與精餾段同，即</p><p><b>　　3.開孔數(shù)和開孔率</

58、b></p><p><b>　　與精餾段同，即</b></p><p>　　每層塔板的開孔率（應(yīng)在5~15%，故滿足要求）</p><p><b>　　每層塔板的開孔面積</b></p><p><b>　　氣體通過篩孔的孔速</b></p><p&

59、gt;<b>　　4.提餾段的塔高</b></p><p>　　四、塔板上的流體力學(xué)驗算</p><p>　　（一）氣體通過篩板壓降和的驗算</p><p>　　1.氣體通過干板的壓降</p><p>　　式中孔流系數(shù)由查圖11-10得出，。</p><p>　　2.氣體通過板上液層的壓降<

60、/p><p>　　式中充氣系數(shù)的求取如下：</p><p>　　氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：</p><p><b>　　動能因子</b></p><p>　　查化原圖11-12得（一般可近似?。?。</p><p>　　3.氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降</p><

61、;p>　　4.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和</p><p><b>　　m</b></p><p>　　即有：，滿足設(shè)計的操作要求。</p><p>　?。ǘ╈F沫夾帶量的驗算</p><p>　　式中：，驗算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　?。ㄈ?/p>

62、漏液的驗算</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>　?。ㄋ模┮悍旱尿炈?lt;/b></p><p>　　為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的清液層高度</p><p>

63、;　　成立，故不會產(chǎn)生液泛。</p><p>　　通過流體力學(xué)驗算，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若要做出最合理的設(shè)計，還需重選及，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。</p><p><b>　　八、塔板負(fù)荷性能圖</b></p><p>　　（一）霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　?。?）</b>

64、;</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　將已知數(shù)據(jù)代入式（1）</p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（1-1）算出對應(yīng)的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）</p><p><b>　?。ǘ┮悍壕€（2）</b

65、></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式（2-2）算出對應(yīng)的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）</p><p>　?。ㄈ┮合嘭?fù)荷上限線（3）</p><p><b>　　（3-3）</b&

66、gt;</p><p>　?。ㄋ模┞┮壕€（氣相負(fù)荷下限線）（4）</p><p><b>　　漏液點氣速</b></p><p><b>　　，整理得：</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式算出對應(yīng)的值列于下表：</p><p>　　依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏

67、液線（4）</p><p>　?。ㄎ澹┮合嘭?fù)荷下限線（5）</p><p>　　取平堰堰上液層高度m，。</p><p>　?。┎僮骶€與操作彈性</p><p><b>　　操作氣液比 </b></p><p>　　過和兩點，在圖中做操作線.</p><p>　　操作