化工原理課程設計(苯-氯苯分離精餾塔——浮閥塔設計)

. 整理文檔 課程設計說明書 課程設計名稱課程設計名稱 化工原理課程設計 課程設計題目課程設計題目 苯-氯苯混合液浮閥式精餾塔設計 姓姓 名名 學學 號號 專專 業(yè)業(yè) 班班 級級 指導教師指導教師 提交日期提交日期 . 整理文檔 化工原理課程設計任務書化工原理課程設計任務書 ( (一一) )設計題目設計題目 苯苯- -氯苯連續(xù)精餾塔的設計氯苯連續(xù)精餾塔的設計 ( (二二) )設計任務及操作條件設計任務及操作條件 設計任務設計任務 (1)原料液中含氯苯 35% (質量)。 (2)塔頂餾出液中含氯苯不得高于 2(質量)。 (3)年產純度為 99.8的氯苯噸 41000 噸 操作條件操作條件 (1)塔頂壓強 4KPa(表壓)，單板壓降小于 0.7KPa。 (2)進料熱狀態(tài) 自選。 (3)回流比 R=（1.1-3）Rmin。 (4)塔底加熱蒸汽壓強 506 KPa(表壓) 設備型式設備型式 F1 型浮閥塔 設備工作日：每年 330 天，每天 24 小時連續(xù)運行。 （三）設計內容（三）設計內容 1） 設計說明書的內容 1) 精餾塔的物料衡算； 2) 塔板數(shù)的確定； 3) 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據的計算； 4) 精餾塔的塔體工藝尺寸計算； 5) 塔板主要工藝尺寸的計算； 6) 塔板的流體力學驗算； . 整理文檔 7) 塔板負荷性能圖； 8) 對設計過程的評述和有關問題的討論。 9) 輔助設備的設計與選型 2設計圖紙要求： 1) 繪制工藝流程圖 2) 繪制精餾塔裝置圖 （四）參考資料（四）參考資料 1物性數(shù)據的計算與圖表 2化工工藝設計手冊 3化工過程及設備設計 4化學工程手冊 5化工原理 苯、氯苯純組分的飽和蒸汽壓數(shù)據 其他物性數(shù)據可查有關手冊。 . 整理文檔 目錄目錄 前前 言言.6 6 1設計方案的思考.6 2.設計方案的特點.6 3工藝流程的確定.6 一設備工藝條件的計算一設備工藝條件的計算.8 8 1設計方案的確定及工藝流程的說明.8 2全塔的物料衡算.8 2.1 料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率.8 2.2 平均摩爾質量.8 2.3 料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率.8 3塔板數(shù)的確定.9 3.1 理論塔板數(shù)的求取.9 T N 3.2 確定操作的回流比 R.10 3.3 求理論塔板數(shù).11 3.4 全塔效率.12 T E 3.5 實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）.13 p N 4操作工藝條件及相關物性數(shù)據的計算.13 4.1 平均壓強.13 m p 4.2 平均溫度.14 m t 4.3 平均分子量.14 m M 4.4 平均密度.15 m 4.5 液體的平均表面張力.16 m . 整理文檔 4.6 液體的平均粘度.17 mL , 4.7 氣液相體積流量.18 6 主要設備工藝尺寸設計.19 6.1 塔徑.19 7 塔板工藝結構尺寸的設計與計算.20 7.1 溢流裝置.20 7.2 塔板布置.23 二二 塔板流的體力學計算塔板流的體力學計算.2525 1 塔板壓降.25 2 液泛計算.27 3 霧沫夾帶的計算.28 4 塔板負荷性能圖.30 4.1 霧沫夾帶上限線.30 4.2 液泛線.31 4.3 液相負荷上限線.32 4.4 氣體負荷下限線（漏液線）.33 4.5 液相負荷下限線.33 三三 板式塔的結構與附屬設備板式塔的結構與附屬設備.3535 1 塔頂空間.35 2 塔底空間.36 3 人孔數(shù)目.36 4 塔高.36 浮閥塔總體設備結構簡圖：浮閥塔總體設備結構簡圖：.3737 5 接管 .38 5.1 進料管.38 5.2 回流管.38 5.3 塔頂蒸汽接管.39 5.4 釜液排出管.39 5.5 塔釜進氣管.40 6 法蘭 .40 7 筒體與封頭.41 7.1 筒體.41 7.2 封頭.41 7.3 裙座.41 8 附屬設備設計 .41 8.1 泵的計算及選型.41 8.2 冷凝器.42 8.3 再沸器.43 四四 計算結果總匯計算結果總匯.4444 五五 結束語結束語.4545 . 整理文檔 六六 符號說明：符號說明：.4545 前前 言言 1 1設計方案的思考設計方案的思考 通體由不銹鋼制造，塔節(jié)規(guī)格 25100mm、高度 0.51.5m，每段塔節(jié)可 設置 12 個進料口/測溫口，亦可結合客戶具體要求進行設計制造各種非標產 品。整個精餾塔包括：塔釜、塔節(jié)、進料罐、進料預熱器、塔釜液儲罐、塔頂 冷凝器、回流比控制器、產品儲罐等。塔壓降由變送器測量，塔釜上升蒸汽量 可通過采用釜液溫度或靈敏板進行控制，塔壓可采用穩(wěn)壓閥控制，并可裝載自 動安全閥。為使塔身保持絕熱操作，采用現(xiàn)代化儀表控制溫度條件，并可在室 溫300范圍內任意設定。同時，為了滿足用戶的科研需要，每一段塔節(jié)內的 溫度、塔釜液相溫度、塔頂氣相溫度、進料溫度、回流溫度、塔頂壓力、塔釜 壓力、塔釜液位、進料量等參數(shù)均可以數(shù)字顯示。 2. 2.設計方案的特點設計方案的特點 浮閥塔由于氣液接觸狀態(tài)良好，霧沫夾帶量小(因氣體水平吹出之故)，塔板 效率較高，生產能力較大。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 冷卻時會使結構復雜板式塔的設計資料更易得到，便于設計和對比，而且更可 靠。浮閥塔更適合，塔徑不是很大，易氣泡物系，腐蝕性物系，而且適合真空 操作。 . 整理文檔 3 3工藝流程工藝流程的確定的確定 原料液由泵從原料儲罐中引出，在預熱器中預熱后送入連續(xù)板式精餾塔 F1 型浮閥塔） ，塔頂上升蒸汽流采用強制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流 液，其余作為產品經冷卻至后送至產品槽；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣 相流，塔釜殘液送至廢熱鍋爐。 以下是浮閥精餾塔工藝簡圖 . 整理文檔 一設備工藝條件的計算一設備工藝條件的計算 1 1設計方案的確定及工藝流程的說明設計方案的確定及工藝流程的說明 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（q=1） ，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， 其余部分經產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，塔底產品經 冷卻后送至儲罐。 2 2全塔的物料衡算全塔的物料衡算 2.12.1 料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率 苯和氯苯的相對摩爾質量分別為 78.11 kg/kmol 和 112.61kg/kmol。 728 . 0 61.112/3511.78/65 11.78/65 F x 986 . 0 61.112/211.78/98 11.78/98 D x 00288 . 0 61.112/ 8 . 9911.78/2 . 0 11.78/2 . 0 W x . 整理文檔 2.22.2 平均摩爾質量平均摩爾質量 ol87.50kg/km壓112.610.728)壓(1壓0.72878.11壓 MF kg/kmol59.7861.112986 . 0 1986 . 0 11.78 D M kg/kmol 5 . 11261.11200288 . 0 100288 . 0 11.78 W M 2.32.3 料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率 依題給條件：一年以 330 天，一天以 24 小時計，有： ,全塔物料衡算：hkg/77.517624h)/(33041000000kgW, 釜液處理量 hkmolW/02.46 5 . 112 77.5176 總物料衡算 WDF 苯物料衡算 WDF00288 . 0 986 . 0 728 . 0 聯(lián)立解得 kmol/h 129.34 D kmol/h 175.36 F 3 3塔板數(shù)的確定塔板數(shù)的確定 3.13.1 理論塔板數(shù)理論塔板數(shù)的求取的求取 T N 苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法（MT 法）求取，步驟 T N 如下： 1.根據苯-氯苯的相平衡數(shù)據，利用泡點方程和露點方程求取yx 依據，將所得計算結果列表如下： BABt ppppx/ tA pxpy/ 表 3-1 相關數(shù)據計算 溫度/ 8090100110120130140 . 整理文檔 苯 760102513501760225028402900 i p 氯苯 148205293400543719760 x10.6770.4420.2650.1270.0190 兩相 摩爾 分率 y10.9130.7850.6140.3760.0710 相對 揮發(fā) 度 o A o B P P 5.1351 35 5 4.6075 094.4 4.1436 46 3.9499 3 3.8157 89 本題中，塔內壓力接近常壓（實際上略高于常壓） ，而表中所給為常壓下的 相平衡數(shù)據，因為操作壓力偏離常壓很小，所以其對平衡關系的影響完全yx 可以忽略。 平均相對揮發(fā)度，則，汽液平衡方程為：436 . 4 x x x x y 436 . 3 1 436 . 4 ) 1(1 3.23.2 確定操作的回流比確定操作的回流比 R R 將表 3-1 中數(shù)據作圖得曲線。yx . 整理文檔 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 x y y=x f(x) 圖 3-1 苯氯苯混合液的 xy 圖 在圖上，因，查得，而，。故yx 1q926 . 0 e y728 . 0 Fe xx986 . 0 D x 有： 303 . 0 728 . 0 926 . 0 926 . 0 986 . 0 ee eD m xy yx R 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 2.485 倍，即：753 . 0 303 . 0 485 . 2 485 . 2 m RR 求精餾塔的汽、液相負荷 kmol/h 97.39129.340.753RDL kmol/h 226.77129.341)(0.7531)D(RV kmol/h 272.75175.3697.39FLL ， kmol/h 226.77VV ， . 整理文檔 3.33.3 求理論塔板數(shù)求理論塔板數(shù) 精餾段操作線：568. 0430 . 0 11 x R x x R R y D 提餾段操作線：000584 . 0 203 . 1 x V W x V L y xw 提餾段操作線為過和兩點的直線。00288. 0 ,00288 . 0 881. 0 ,737. 0 采用圖解法求理論板層數(shù),在 x-y 圖上作平衡曲線和對角線，并依上述方法作精 餾段操作線和提鎦段。從開始，在精餾段操作線與平衡線之)986. 0 ,986 . 0 ( D x 間繪由水平線和鉛垂線構成的梯級。當梯級跨過兩操作線交點時，)890. 0 ,737 . 0 (d 則改在提鎦段與平衡線之間繪梯級，直至梯級的鉛垂線達到或越過點 為止。用 Excel 作圖，各梯級的坐標如下：)00288. 0 ,002888 . 0 ( W x 表 3-2 相關數(shù)據計算 xy 精餾段 0.9860.986 0.943440.986 0.943440.9677184 0.8730630.9677184 0.8730630.937488 0.7627760.937488 0.7627760.8901142 提鎦段 0.628830.8901142 0.628830.7558743 . 整理文檔 0.4005070.7558743 0.4005070.4812013 0.1719810.4812013 0.1719810.2062848 0.0538910.2062848 0.0538910.0642218 0.0135890.0642218 0.0135890.0157384 0.0030680.0157384 0.0030680.0030813 x0.002880.0024730.010878 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 x y f(x) 精餾段 提鎦段 y=x 水平鉛錘線 圖 3-2 苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解 . 整理文檔 按上法圖解得到： 總理論板層數(shù) 塊（包括再沸器）9 T N 加料板位置 4 F N 3.43.4 全塔效率全塔效率 T E 選用公式計算。該式適用于液相粘度為 mT Elog616 . 0 17 . 0 0.071.4mPas 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 m 均粘度。 查圖一，由=0.986 =0.00288 查得塔頂及塔釜溫度分別為：DxWx =80.43 =138.48，tD W t 全塔平均溫度 =(+)/2=(80.43+138.48)/2=109.5 m ttD W t 根據表 3-4 表 3-4 苯-氯苯溫度粘度關系表 溫度 20406080100120140 苯 粘度 mPas 0.6380.4850.3810.3080.2550.2150.184 氯苯 粘度 mPas 0.750.560.440.350.280.240. 利用差值法求得：，。smPa24 . 0 A smPa261 . 0 B 25 . 0 728. 0126 . 0 728 . 0 24 . 0 1 FBFAm xx 53. 025 . 0 log616 . 0 17 . 0 log616 . 0 17 . 0 mT E 3.53.5 實際塔板數(shù)實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）（近似取兩段效率相同） p N 精餾段：塊，取塊66 . 5 53 . 0 /3 1 p N6 1 p N . 整理文檔 提餾段：塊，取塊21.1353. 0/7 2 p N14 2 p N 總塔板數(shù)塊20 21 ppp NNN 4 4操作工藝條件及相關物性數(shù)據的計算操作工藝條件及相關物性數(shù)據的計算 4.14.1 平均壓強平均壓強 m p 取每層塔板壓降為 0.7kPa 計算。 塔頂：kPa 3 . 1054 3 . 101 D p 加料板：kPa 5 . 10967 . 0 3 . 105 F p 塔底： kPa 3 . 119147 . 0 5 . 109 W p 精餾段平均壓強kPa 4 . 1072/ 5 . 109 3 . 105p 提鎦段平均壓強kPa 4 . 1142/ 3 . 119 5 . 109 p 4.24.2 平均溫度平均溫度 m t 利用表 3-1 數(shù)據，由拉格朗日差值法可得 塔頂溫度 , 1986 . 0 80 677 . 0 1 9080 D t 43.80 D t 加料板 ， 1737 . 0 80 677 . 0 1 9080 F t 14.88 F t 塔底溫度 ， 019 . 0 00288 . 0 130 0019 . 0 140130 W t 48.138 W t 精餾段平均溫度 29.842/14.8843.80 m T 提鎦段平均溫度 3 . 1132/14.8848.138 m T . 整理文檔 4.34.3 平均分子量平均分子量 m M 精餾段： 29.84 m T 液相組成：， 1 8029.84 1677 . 0 8090 1 x 861 . 0 1 x 氣相組成：， 1 8029.84 1913 . 0 8090 1 y 963 . 0 1 y 所以kmolkgML/91.82861 . 0 161.112861 . 0 11.78 kmolkgMV/39.79963 . 0 161.112963 . 0 11.78 提鎦段： 3 . 113 m T 液相組成：， 265 . 0 110 3 . 113 0127 . 0 265 . 0 120110 2 x 219 . 0 2 x 氣相組成：， 614 . 0 110 3 . 113 376 . 0 614 . 0 120110 2 y 535 . 0 2 y 所以 kmolkgML/ 5 . 105219 . 0 161.112219 . 0 11.78 kmolkgMV/15.94535 . 0 161.112535 . 0 11.78 4.44.4 平均密度平均密度 m 4.4.1 液相平均密度 mL , 表 4-1 組分的液相密度（kg/m3） 溫度， （） 8090100110120130140 苯 817805793782770757745 氯苯 1039102810181008997985975 純組分在任何溫度下的密度可由下式計算 苯 ： 推薦：t A 187 . 1 912t A 1886 . 1 13.912 . 整理文檔 氯苯 ： 推薦：t B 111 . 1 1127 t B 0657 . 1 4 . 1124 式中的 t 為溫度， 塔頂： 3 , kg/m 5 . 81643.801886 . 1 13.9121886 . 1 13.912t ALD 3 , kg/m 7 . 103843.800657 . 1 4 . 11240657 . 1 4 . 1124t BLD 3 , , kg/m 0 . 820 7 . 1038 02 . 0 5 . 816 98. 01 mLD BLD B ALD A mLD aa 進料板： 3 , kg/m 4 . 80714.881886 . 1 13.9121886 . 1 13.912t ALF 3 , kg/m 5 . 103014.880657 . 1 4 . 11240657 . 1 4 . 1124t BLF 3 , , kg/m 6 . 871 5 . 1030 34 . 0 4 . 807 66 . 0 1 mLF BLF B ALF A mLF aa 塔底： 3 , kg/m 5 . 777 3 . 1131886 . 1 13.9121886 . 1 13.912t ALW 3 , kg/m 7 . 10033 .1130657 . 1 4 .11240657. 1 4 . 1124t BLW 3 , , kg/m 1 . 1003 7 . 1003 998 . 0 5 . 777 002 . 0 1 mLW BLW B ALW A mLW aa 精餾段： 3 kg/m 8 . 8452/ 6 . 871 0 . 820 L 提鎦段： 3 kg/m 4 . 9372/ 1 . 1003 6 . 871 L 4.4.2 汽相平均密度 mV , 精餾段： 3, kg/m87 . 2 29.84273314 . 8 39.79 4 . 107 m mVm v RT Mp 提鎦段： 3 , kg/m35 . 3 3 . 113273314 . 8 15.94 4 . 114 m mVm v RT Mp 4.54.5 液體的平均表面張力液體的平均表面張力 m 表 5-1 組分的表面張力 溫度 8085110115120131 . 整理文檔 A 苯 21.220.617.316.816.315.3 B 氯苯 26.125.722.722.221.620.4 液體平均表面張力依下式計算，即 iiLm x 塔頂液