化工原理課程設(shè)計---苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計

1、<p>　　課程設(shè)計題目——苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計</p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　某化工廠每天需將75噸含苯45%的苯—氯苯混合物用連續(xù)蒸餾方法分離成含苯96%的餾出液及含氯苯98%的釜液(均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù))供有機(jī)合成之用。試設(shè)計一精餾塔來完成該分離任務(wù)；原料溫度為20℃。</p><p>

2、;<b>　　二、操作條件</b></p><p>　　1.塔頂壓強(qiáng)4kPa（表壓）；</p><p><b>　　2.20℃進(jìn)料；</b></p><p>　　3.回流比自定（取2.4Rmin）；</p><p>　　4.塔釜加熱蒸汽壓力506kPa（表壓）；</p><p&g

3、t;　　5.單板壓降不大于0.7kPa；</p><p>　　6.每天24小時連續(xù)運(yùn)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

4、.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算；</p><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.設(shè)計計算結(jié)果一覽表；</p><p>　　7.生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制；</p><p>　　8.對本設(shè)計的評述或?qū)τ嘘P(guān)問題的分析與討論。<

5、;/p><p><b>　　四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1.組分的飽和蒸汽壓（mmHg）</p><p>　　注：1mmHg=133.322Pa</p><p>　　2.組分的液相密度（kg/m3）</p><p>　　純組分在任何溫度下的密度可由下式計算</p><

6、p>　　苯 </p><p>　　氯苯 </p><p>　　式中的t為溫度，℃。</p><p>　　3.組分的表面張力（mN/m）</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><

7、p><b>　　4.氯苯的汽化潛熱</b></p><p>　　常壓沸點(diǎn)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>　　（氯苯的臨界溫度：）</p><p>　　5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。</p><p>　　一、設(shè)計方案及工藝流程&l

8、t;/p><p>　　首先，苯和氯苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到進(jìn)料溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。塔中氣相混合物在精餾塔中上升到塔頂上方的冷凝器中，降溫到泡點(diǎn)溫度使液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進(jìn)入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中,即回流。而液相混合物在精餾塔中下降至塔底，一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再

9、沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說的過程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與氯苯的分離。</p><p><b>　　二、全塔物料衡算</b></p><p>　　（1）料液及塔頂?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。&

10、lt;/p><p><b>　　平均摩爾質(zhì)量</b></p><p>　?。?）料液及塔頂、底產(chǎn)品的摩爾流率</p><p>　　依題給條件：一天以24小時計，有：，全塔物料衡算：</p><p><b>　　三、塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　1.理論塔板數(shù)的求取&l

11、t;/p><p>　　苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法（M·T法）求取，步驟如下：</p><p>　?。?）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(diǎn)方程和露點(diǎn)方程求?。ㄒ妶D1）</p><p>　　依據(jù)，，將所得計算結(jié)果列表如下：</p><p>　　本題中，塔內(nèi)壓力接

12、近常壓（實(shí)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?yàn)椴僮鲏毫ζx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>　　a.將上表中數(shù)據(jù)作圖得曲線（見圖2）</p><p>　　時，泡點(diǎn)溫度為95.4℃，℃</p><p>　　查化工原理附錄得比熱容：</p>

13、<p>　　汽化熱：苯：393.9kJ/kg 氯苯：325kJ/kg</p><p><b>　　原料液汽化熱：</b></p><p>　　b.將上表中數(shù)據(jù)作圖得曲線</p><p><b>　　，斜率為：</b></p><p>　　在圖上定出：。q線過點(diǎn)e且與x~y曲線交于點(diǎn)，

14、如圖，，，。</p><p>　　回流比為時，q線與精餾段操作線交點(diǎn)在x~y曲線上，即交于f點(diǎn)。</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　（3）求理論塔板數(shù)</b></p><p>　　精餾段操作線： </p><p>　　提餾段操作線為

15、過c，d兩點(diǎn)的直線。</p><p>　　圖解得塊（不含塔釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第5塊為加料板位置。</p><p><b>　　2.實(shí)際塔板數(shù)</b></p><p><b>　?。?）全塔效率</b></p><p>　　選用公式計算。該式適用于液相粘度為0.07~1.4mPa

16、3;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得：，。</p><p>　　2.實(shí)際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）</p><p><b>　　精餾段： 塊</b></p><p&g

17、t;<b>　　提餾段： 塊</b></p><p><b>　　總塔板數(shù) 塊</b></p><p>　　四、塔的精餾段、提餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算</p><p><b>　　（1）平均壓強(qiáng)</b></p><p>　　取每層塔板壓降為0.7kPa計算。<

18、/p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p><p><b>　　平均壓強(qiáng)：</b></p><p><b>　?。?）平均溫度&l

19、t;/b></p><p>　　查溫度組成圖得：塔頂為80℃，塔底為95.4℃，加料板為95.4℃。</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　（3）平均分子量</b></p><p&g

20、t;<b>　　(4）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>　　進(jìn)料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b><

21、/p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　2.汽相平均密度</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：

22、</b></p><p>　?。?）液體的平均表面張力</p><p>　　塔頂：； （80℃）</p><p>　　進(jìn)料板：； （95.4℃）</p><p>　　塔底：； （131.8℃）</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p&

23、gt;<b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　液體的平均粘度</b></p><p>　　查得在80℃、95.4℃、131.8℃下苯和氯苯的黏度分別為：</p><p><b>　　，（80℃）</b></p><p><b>　　，（95.4℃）&

24、lt;/b></p><p><b>　　，（131.8℃）</b></p><p><b>　　塔頂：</b></p><p><b>　　加料板：</b></p><p><b>　　塔底：</b></p><p><

25、;b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</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>

26、<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</b></p><p><b>　　冷凝器的熱負(fù)荷</b&g

27、t;</p><p>　　六、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>　　液相回流摩爾流

28、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>　　七、精餾段塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p>

29、<b>　　1）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(diǎn)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><

30、b>　　泛點(diǎn)氣速：</b></p><p><b>　　3.操作氣速，取</b></p><p><b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p><b>　　圓整取，操作氣速：</b></p><p>　　2）塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算</p&g

31、t;<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>　　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。&

32、lt;/p><p><b>　　出口堰高</b></p><p><b>　　對平直堰</b></p><p><b>　　由及，查得，于是：</b></p><p><b>　　（不滿足要求）</b></p><p><b>

33、;　　對齒形堰</b></p><p><b>　　取，則（滿足要求）</b></p><p>　　降液管的寬度和降液管的面積</p><p><b>　　由，查得，即：</b></p><p><b>　　，，。</b></p><p>　

34、　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p><b>　　降液管的底隙高度</b></p><p>　　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>

35、<b>　　2.塔板布置</b></p><p>　　塔板直徑為1m，分3塊安裝。</p><p>　　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>　　

36、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>　　浮閥個數(shù)n及排列</b></p><p>　　取F1型浮閥，其閥孔的孔徑，初取閥孔動能因子，故閥孔的孔速</p><

37、p><b>　　閥孔個數(shù)</b></p><p>　　擬定塔板采用碳鋼且按等腰三角形叉排，板厚，且mm，mm。</p><p>　　作等腰三角形叉排時時，，按推薦尺寸，此處取。</p><p>　　根據(jù)初步估算提高的孔心距、孔數(shù)n=29個，叉排高度h=110mm在塔板上布置浮閥，實(shí)得浮閥個數(shù)為38個。如圖1</p><

38、p><b>　　則閥孔氣速：</b></p><p>　　因（在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)）</p><p><b>　　4.精餾段的塔高</b></p><p>　　八、提餾段塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算</p><p><b>　　1）塔徑</b></p><

39、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(diǎn)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><b>　　泛點(diǎn)氣速：</b></p><p&g

40、t;<b>　　3.操作氣速，取</b></p><p><b>　　4.精餾段的塔徑</b></p><p>　　圓整取，此時操作氣速：</p><p>　　2）塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算</p><p><b>　　1.溢流裝置</b></p><p&

41、gt;　　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>　　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>　　出口堰高</b></p>&

42、lt;p><b>　　對平直堰</b></p><p><b>　　由及，查得，于是：</b></p><p><b>　?。M足要求）</b></p><p>　　降液管的寬度和降液管的面積</p><p><b>　　由，查得，即：</b><

43、;/p><p><b>　　，，。</b></p><p>　　液體在降液管內(nèi)的停留時間</p><p><b>　　（滿足要求）</b></p><p><b>　　降液管的底隙高度</b></p><p>　　取液體通過降液管底隙的流速，則有：</

44、p><p>　　（不宜小于0.02~0.025m，本結(jié)果滿足要求）</p><p><b>　　2.塔板布置</b></p><p>　　塔板直徑為1m，分3塊安裝。</p><p>　　邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度，取mm，mm。</p><p><b>　　開孔區(qū)面積</b><

45、;/p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　浮閥個數(shù)n及排列</b></p><p>　　取F1型浮閥，其閥孔的孔徑，初取閥孔動能因子，故閥孔的孔速</p><p><b>　　閥孔個數(shù) 個</b></p><p>　　擬定

46、塔板采用碳鋼且按等腰三角形叉排，板厚，且mm，mm。</p><p>　　作等腰三角形叉排時時，，按推薦尺寸，此處取。</p><p>　　根據(jù)初步估算提高的孔心距、孔數(shù)n=55個，叉排高度h=65mm在塔板上布置浮閥，實(shí)得浮閥個數(shù)為57個。如圖2</p><p><b>　　則閥孔氣速：</b></p><p>　　因

47、（在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)）</p><p><b>　　4.精餾段的塔高</b></p><p>　　九、精餾段塔板流動性校核</p><p><b>　　(1)塔板壓降校核</b></p><p>　　1．氣體通過干板的壓降</p><p><b>　　臨界孔速</

48、b></p><p>　　因，故應(yīng)在浮閥全開狀態(tài)下計算干板壓降。</p><p>　　2．氣體通過板上液層的壓降</p><p>　　3．克服表面張力的壓降(一般情況下可不考慮)</p><p>　?。@然此項很小可忽略）</p><p>　　4．氣體通過篩板的壓降(單板壓降)和</p><p

49、><b>　　（滿足設(shè)計要求）</b></p><p>　?。?）霧沫夾帶量校核</p><p><b>　　板上液流長度Z</b></p><p>　　根據(jù)及HT＝0.35m查圖（化工原理課程設(shè)計5-37），得。再根據(jù)表（化工原理課程設(shè)計5-13）取K＝0.85。</p><p>　　泛點(diǎn)率

50、小于80%，故不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　?。?）漏液校核</b></p><p>　　當(dāng)閥孔的動能因子Fo小于5時將會發(fā)生嚴(yán)重漏液，故漏液點(diǎn)的孔速可按Fo＝5計算</p><p>　　穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p>　?。?）降液管液泛校核</p><p>

51、;　　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>　　成立，故不會產(chǎn)生降液管液泛。</p><p>　　十、提餾段塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算</p><p><b>　　(1)塔板壓降校核</b></p><p>　　1．氣體通過干板的壓降</p><p><b>　　臨界

52、孔速</b></p><p>　　因，故應(yīng)在浮閥全開狀態(tài)下計算干板壓降。</p><p>　　2．氣體通過板上液層的壓降</p><p>　　3．克服表面張力的壓降(一般情況下可不考慮)</p><p>　?。@然此項很小可忽略）</p><p>　　4．氣體通過篩板的壓降(單板壓降)和</p>

53、<p><b>　?。M足設(shè)計要求）</b></p><p>　　（2）霧沫夾帶量校核</p><p><b>　　板上液流長度Z</b></p><p>　　根據(jù)及HT＝0.35m查圖（化工原理課程設(shè)計5-37），得。再根據(jù)表（化工原理課程設(shè)計5-13）取K＝0.85。</p><p&g

54、t;　　泛點(diǎn)率大于80%，會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。</p><p><b>　　（3）漏液校核</b></p><p>　　當(dāng)閥孔的動能因子Fo小于5時將會發(fā)生嚴(yán)重漏液，故漏液點(diǎn)的孔速可按Fo＝5計算</p><p>　　穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）</p><p>　?。?）降液管液泛校核</p><

55、;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>　　成立，故不會產(chǎn)生降液管液泛。</p><p>　　通過流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若要做出更合理的設(shè)計，還需重選及，重復(fù)上述計算步驟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　　十一、精餾段塔板負(fù)荷性能圖</p><p><b>　

56、　1過量霧沫夾帶線</b></p><p>　　令泛點(diǎn)率，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入得</p><p>　　整理得到 </p><p>　　2降液管液泛線(氣相負(fù)荷上限線)</p><p>　　降液管發(fā)生液泛的條件為：</p&

57、gt;<p>　　3漏液線(氣相負(fù)荷下限線)</p><p>　　當(dāng)動能因子時會產(chǎn)生嚴(yán)重漏液，故取計算漏液點(diǎn)氣速，前已算出，故</p><p><b>　　4液相負(fù)荷下限線</b></p><p>　　取堰上液層高度m，。</p><p><b>　　5液相負(fù)荷上限線</b></

58、p><p>　　取得液相最大負(fù)荷流量</p><p><b>　　6操作線及操作彈性</b></p><p><b>　　操作氣液比 </b></p><p>　　操作彈性定義為操作線與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最小負(fù)荷之比，即：</p><p><b>

59、　　操作彈性=</b></p><p>　　精餾段塔板負(fù)荷性能圖</p><p>　　十二、提餾段塔板負(fù)荷性能圖</p><p><b>　　1過量霧沫夾帶線</b></p><p>　　令泛點(diǎn)率，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入得</p><p>　　整理得到

60、 </p><p>　　2降液管液泛線(氣相負(fù)荷上限線)</p><p>　　降液管發(fā)生液泛的條件為：</p><p>　　3漏液線(氣相負(fù)荷下限線)</p><p>　　當(dāng)動能因子時會產(chǎn)生嚴(yán)重漏液，故取計算漏液點(diǎn)氣速，前已算出，故</p><p>

61、<b>　　4液相負(fù)荷下限線</b></p><p>　　取堰上液層高度m，。</p><p><b>　　5液相負(fù)荷上限線</b></p><p>　　取得液相最大負(fù)荷流量</p><p><b>　　6操作線及操作彈性</b></p><p>　　操

62、作氣液比 </p><p>　　操作彈性定義為操作線與界限曲線交點(diǎn)的氣相最大負(fù)荷與氣相允許最小負(fù)荷之比，即：</p><p><b>　　操作彈性=</b></p><p>　　提餾段塔板負(fù)荷性能圖</p><p>　　精餾塔的附屬設(shè)備與接管尺寸的計算</p><p><b>

63、　　1）料液預(yù)熱器</b></p><p>　　根據(jù)原料液進(jìn)出預(yù)熱器的熱狀況和組成首先計算預(yù)熱器的熱負(fù)荷Q ，然后估算預(yù)熱器的換熱面積A ，最后按換熱器的設(shè)計計算程序執(zhí)行。</p><p><b>　　2）塔頂全凝器</b></p><p>　　全凝器的熱負(fù)荷前已算出，為254.25。一般采用循環(huán)水冷卻，進(jìn)出口水溫可根據(jù)不同地區(qū)的具

64、體情況選定后再按換熱器的設(shè)計程序做設(shè)計計算。</p><p><b>　　3）塔釜再沸器</b></p><p>　　因?yàn)轱柡鸵后w進(jìn)料，故。即再沸器的熱負(fù)荷與塔頂全凝器相同。實(shí)際上由于存在塔的熱損失（一般情況下約為提供總熱量的5~10%）。再沸器屬于兩側(cè)都有相變的恒溫差換熱設(shè)備，故再沸器的設(shè)計計算與蒸發(fā)器同。</p><p>　　4）精餾塔的管

65、口直徑</p><p>　　1.塔頂蒸汽出口管徑</p><p>　　依據(jù)流速選取，但塔頂蒸汽出口流速與塔內(nèi)操作壓力有關(guān)，常壓可取12~20m/s。</p><p><b>　　2.回流液管徑</b></p><p>　　回流量前已算出，回流液的流速范圍為0.2~0.5m/s；若用泵輸送回流液，流速可取1~2.5 m/s

66、。</p><p><b>　　3.加料管徑</b></p><p>　　料液由高位槽自流，流速可取0.4~0.8 m/s；泵送時流速可取1.5~2.5m/s。</p><p><b>　　4.料液排出管徑</b></p><p>　　塔釜液出塔的流速可取0.5~1.0m/s。</p>