精餾塔工藝設(shè)計(jì).doc

1、一、苯-氯苯板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（一）設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一座苯 - 氯苯連續(xù)精餾塔， 要求年產(chǎn)純度為 98.5%的苯 36432 噸，塔底餾出液中含苯 1%，原料液中含苯為 61%（以上均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） 。（二）操作條件1. 塔頂壓強(qiáng) 4kPa（表壓） 2. 進(jìn)料熱狀況：飽和蒸汽進(jìn)料3. 回流比： R=2Rmin4.單板壓降不大于0.7kPa（三）設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)備形式：篩板塔設(shè)計(jì)工作日：每年330 天，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行廠址：青藏高原大氣壓約為 77.31kpa 的遠(yuǎn)離城市的郊區(qū)設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)方案的確定及流程說(shuō)明2. 塔的工藝計(jì)算3. 塔和塔板主要工藝尺寸的確定（ 1）塔高、塔徑及塔板結(jié)

2、構(gòu)尺寸的確定（ 2）塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算（ 3）塔板的負(fù)荷性能圖繪制（ 4）生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制4、塔的工藝計(jì)算結(jié)果匯總一覽表5、對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述或?qū)τ嘘P(guān)問(wèn)題的分析與討論（四）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1. 組分的飽和蒸汽壓 pi （mmHg）溫度，（）80.1859095100105苯757.6889.21020.1185.13501831.726965.4147.4179.3211.3253.7296.351.35氯苯495555165溫度，（）110115120125130131.7523132638.2964335537464210苯5氯苯406.5477.1547.7636.5725.7

3、6052505312. 組分的液相密度 （kg/m3 ）溫度，（）6080100120140836.6815.0792.5768.744.苯911064.1042.1019.996.972.氯苯000493. 組分的表面張力 （mN/m）溫度，（）608010012014016.414.1苯23.7421.2718.859719.417.3氯苯25.9623.7521.57224. 液體粘度 （ mPa?s）溫度，（）6080100120140苯0.3810.3080.2550.2150.184氯苯0.5150.4280.3630.3130.2745.Antoine常數(shù)組分ABC苯6.0231

4、206.35220.24氯苯7.13382182.68293.767二、苯 - 氯苯板式精餾塔的工藝計(jì)算書(shū)（精餾段部分）（一）設(shè)計(jì)方案的確定及工藝流程的說(shuō)明原料液經(jīng)臥式列管式預(yù)熱器預(yù)熱至泡點(diǎn)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。典型的連續(xù)精餾流程為原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱后到指定的溫度后，送入精餾塔的進(jìn)料板，在進(jìn)料上與自塔上部下降的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每層板上，回流液體與上升蒸氣互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的

5、傳遞過(guò)程。操作時(shí)，連續(xù)地從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海?，部分液體汽化，產(chǎn)生上升蒸氣，依次通過(guò)各層塔板。塔頂蒸氣進(jìn)入冷凝器中被全部冷凝，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)冷卻器后被送出作為塔頂產(chǎn)品（餾出液） 。（二）全塔的物料衡算1. 料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率苯和氯苯的相對(duì)摩爾質(zhì)量分別為78.11 kg/kmol 和 112.6kg/kmolx F0. 61/ 78. 110.6930. 61 / 78. 110. 39 / 112. 62. 平均摩爾質(zhì)量3. 料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率依題給條件：一年以 330天，一天以24 小時(shí)計(jì)，有：3643210000.

6、 989D33058 . 62 kmol h ，24FD WF84. 22kmol/h全塔物料衡算：xD DxwWW25.6kmol/hx f F（三）塔板數(shù)的確定1. 理論塔板數(shù) N T 的求取2）確定操作的回流比R將 1）表中數(shù)據(jù)作圖得 x y 曲線及 tx y 曲線。在 x y 圖上，因 q=0，e（0.693,0.693）查得 y q0. 693 ， x q0. 31 。故有：Rminx Dyq0. 9890. 693y qxq0. 6930. 7624 ; R2Rmin1. 5250. 313）求理論塔板數(shù) ( 圖解法 )精餾段操作線： yRx D0. 604x 0. 392xR1R

7、 1總理論板層數(shù)： 6.5( 包括再沸器 )進(jìn)料板位層： 42. 實(shí)際塔板數(shù) N p1）全塔效率 ET選 用 ET 0.17 0.616 log m公式計(jì)算。該式適用于液相粘度為0.071.4mPas 的烴類物系，式中的 為全塔平均溫度下以進(jìn)料組成表示m的平均粘度。塔的平均溫度為0.5(80+129)=104.5 （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：A0. 246mPa s ，B0. 352mPa s 。2）實(shí)際塔板數(shù) N p （近似取兩段效率相同）精餾段： Np13 / 0. 516 塊提餾段： Np12. 5 / 0. 515 塊（四）塔的精餾段操作工藝條件及相關(guān)物

8、性數(shù)據(jù)的計(jì)算1. 平均壓強(qiáng) pm取每層塔板壓降為0.7kPa 計(jì)算。塔頂： pD77.31 4 81.31kPa加料板： pF81. 310. 7685. 51kPa塔底： pW85. 510. 7589. 01kPa精餾段平均壓強(qiáng)提餾段平均壓強(qiáng)pm( 81. 3185. 51) / 283. 41kPapm( 89. 0185. 51) / 287. 26kPa2. 平均溫度 t mPPA xAPB xB 和lg PAB兩式聯(lián)立由試差法求得tCt D73. 35 ；t F83. 76 ；t W125. 79 精餾段平均溫度： ? =?提餾段平均溫度： ? =?73.35+83.762125.

9、79+83.762= 78.55 = 104.715 3. 平均分子量 M m塔頂： y 1x D 0. 989， x1 0. 93 （查相平衡圖）加料板： y F0. 725 ， x F0. 38 （查相平衡圖）塔底： yW0. 075 ， xW0. 014精餾段：Vm( 78. 4987. 59) / 283. 04kg/kmolM提餾段：Vm( 87. 59110. 01) / 298. 8kg/kmolM4. 平均密度 m1）液相平均密度 L ,m塔頂： t D73. 35A822 . 2Kg /m3B1049. 3Kg / m3進(jìn)料板： t F83.76 A810. 8Kg / m3

10、B1037. 7Kg / m3塔底： t w83. 76A 761. 7Kg / m3B989. 6Kg / m3精餾段：提餾段：LmLm( 824. 9947. 2)/2886.05Kg /m3( 947. 2986. 6)/2966.9Kg /m32）汽相平均密度 V ,m精餾段：提餾段：PmMvm84. 8183. 04Kgm3Vmm8. 314( 78. 55273. 15)2.38 /RTVmPmMvm84. 8199.362. 76/3RT8. 314( 104. 71273. 15)Kgmm5. 液體的平均表面張力 m塔頂： t D73. 35 ；DA22. 09mN / mDB

11、24. 44mN / m進(jìn)料板： t F83. 76 ；塔底： t W125. 79 ；FAWA20. 82mN / m15. 82 mN / mFBWB23. 34mN / m18. 77mN / m精餾段：Lm ( 24. 4421. 59) / 221. 86mN/ m提餾段：Lm ( 21. 5918. 77) / 220. 18mN / m6. 液體的平均粘度 L,m塔頂： t D73. 35 DA0. 332mpasDB0. 457mpas加料板： t F83. 76 FA0. 298mpa sFB0. 416mpa s塔底： t F125. 79 ， FA0. 206mpas ，

12、 FB0. 302mpa s精餾段：提餾段：LmLm( 0. 3330.334) /20. 3335mpas( 0. 3340.3003) /20. 317mpas（五）精餾段的汽液負(fù)荷計(jì)算汽相摩爾流率 V ( R1)D2. 52558. 62148. 02Kmol / hVM148. 0283. 043Vm汽相體積流量 Vs1. 43m /s3600 Vm36002. 38液相回流摩爾流率 LRD1. 52558. 6289. 40Kmol / h液相體積流量 LsLMLm89. 4090. 00. 0025m3/ s3600 Lm3600886. 05（六）塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算1

13、. 塔徑1）初選塔板間距 H T400mm 及板上液層高度hL50mm，則：2）按 Smith 法求取允許的空塔氣速u(mài)m ax （即泛點(diǎn)氣速 uF ）查 Smith 通用關(guān)聯(lián)圖得 C200. 075負(fù)荷因子 C C20(L )0.20. 075 ( 21.86)0. 20. 07632020泛點(diǎn)氣速：886. 052. 38s m/sumax 0. 07632. 381. 47m /3）操作氣速取u0. 7umax0. 71. 471. 029m/ s4）精餾段的塔徑圓整取 D1400mm塔截面積為 ATD2( 1. 4)21.539m244此時(shí)的操作氣速 u1. 42。0. 935m / s

14、2. 0112. 塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算1）溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盤(pán)，且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。溢流堰長(zhǎng)（出口堰長(zhǎng)）l w取l w0. 6D0.6 1.40. 84m出口堰高 hw?= 0.6?2.5 = 13.92? 查得 E=1.02?降液管的寬度 Wd和降液管的面積 Af由lw/ D0. 66，查化原下 P圖 11-16 得W / D 0. 1, Af / AT0. 055 ，147d即：Wd0. 14 m， Af0. 055m2液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間3600AfHT13. 55 5s （滿足要求）Ls降液管的底隙高度ho液體通過(guò)降液管底隙的流速一般為0

15、.070.25m/s ，取液體通過(guò)降液管底隙的流速 uo0. 1m/s ，則有：故降液管設(shè)計(jì)合底隙高度設(shè)計(jì)合理2）塔板布置1. 塔板分塊因 D=1400故塔板分 4 塊2. 邊緣區(qū)寬度開(kāi)孔區(qū)面積W0. 09m0. 04msWcAa式中： xD / 2WW0.47mds3）開(kāi)孔數(shù) n 和開(kāi)孔率 取篩孔的孔徑 d o 5mm ，正三角形排列， 篩板采用碳鋼， 其厚度 3mm ，且取 t / do 3.0 。故孔心距 t 3 5 15mm 。每層塔板的開(kāi)孔數(shù)每層塔板的開(kāi)孔率n1158 A05769 （孔）t 20.9070.9070.101t / d o232（應(yīng)在 515%，故滿足要求）Vs12.

16、 54m / s氣體通過(guò)篩孔的孔速 u0A04）精餾段的塔高 Z1Z精 （N精 - 1）HT (6 1)0.42m；（七）塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算1. 塔板壓降1）氣體通過(guò)干板的壓降hcu02hcVCo0.84。0.051C 0L2）氣體通過(guò)板上液層的壓降h1動(dòng)能因子 F00. 983 2. 381. 52Kg /( sm1 / 2 )查化原圖得0. 603）氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降h4）氣體通過(guò)篩板的壓降（單板壓降）hp 和ppPpL ghP0. 539Kpa0. 7Kpa （滿足工藝要求）。2. 霧沫夾帶量 ev 的驗(yàn)算驗(yàn)算結(jié)果表明不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的霧沫夾帶。3. 漏液的驗(yàn)算漏液點(diǎn)的氣速 u

17、omuo minC0( 0. 00560. 13hlh)L/V7. 16ms 11.07m/s4. 4/篩板的穩(wěn)定性系數(shù) Ku01. 75(1. 5)（無(wú)漏液）u0 min4. 液泛的驗(yàn)算為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的清液層高度H d H Thw取=0.5 ； ( HThw )0. 218mH d H Thw 成立，故不會(huì)產(chǎn)生液泛。通過(guò)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，若要做出最合理的設(shè)計(jì)，還需重選H T 及 hL ，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（八）塔板負(fù)荷性能圖1. 液沫夾帶線（ 1）5.7 10 6ua3.2（1）ev2.5hLH TVs0. 688Vs式中： uaAfAT

18、將已知數(shù)據(jù)代入式（ 1）2 / 3us2. 90517. 55Ls（1-1 ）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)L s 值，依式（ 1-1 ）算出對(duì)應(yīng)的 Vs 值列于下表：0.0010.00150.0020.00252.732.672.622.58依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（1）2. 液泛線（ 2）? = ?+? + ? ?1?H1 =0 (?2?3+ ?) = 0.0216 + 0.4584? = 0.0020122? = 0.0236 + 0.015? + 0.4544? 3?)2? = 0.153( ? +?0Vs211. 97617066. 7Ls 281. 23Ls 2 / 3（2-2 ）在操作

19、范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls 值，依式（ 2-2 ）算出對(duì)應(yīng)的 Vs 值列于下表：0.0010.00150.0020.00253.343.303.263.22依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）3. 液相負(fù)荷上限線（ 3）Ls , maxHT Af0. 00847 m3 /s（3-3 ）4. 漏液線（氣相負(fù)荷下限線） （4）V20. 555 6. 66L2（4-4 ）整理得：3S, mins在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)L s 值，依式（ 4-4 ）算出對(duì)應(yīng)的 Vs 值列于下表：0.0010.00150.0020.00250.7880.8010.8130.823依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出漏液線（4）5. 液相負(fù)荷下限線（ 5）

20、取平堰堰上液層高度 how 0.006 mLsmin0. 0007163/s（5-5 ）m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Vs, max 與氣相允許最小負(fù)荷 V s,min 之比，即：操作彈性 =Vs , max2. 453. 06Vs , min0. 8三、塔的提餾段操作工藝條件（五）提餾段的汽液負(fù)荷計(jì)算汽相摩爾流率 V V ( 1q)F 63. 8Kmol/ h汽相體積流量 VsV MVm0. 634m3 / s3600 Vm液相回流摩爾流率 L L89. 4Kmol/ h液相體積流量 LsL MLm0. 0027m3 / s3600 Lm（六）塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)

21、算1. 塔徑1）初選塔板間距 HT500mm及板上液層高度hL60mm ，則：2）按 Smith 法求取允許的空塔氣速u(mài)m ax （即泛點(diǎn)氣速 uF ）查 Smith 通用關(guān)聯(lián)圖得 C200. 09負(fù)荷因子 C C20(L )0.20.09 (20. 18)0. 20. 09022020泛點(diǎn)氣速：3）操作氣速取u0. 7umax0. 71. 6871. 181m/ s4）精餾段的塔徑圓整取 D1000mm塔截面積為 ATD 2(1.0)20.785m244此時(shí)的操作氣速 u0. 6340. 81m / s 。0. 7852. 塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算1）溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰

22、、弓形降液管、平形受液盤(pán)，且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。溢流堰長(zhǎng)（出口堰長(zhǎng)）l w取l w0. 7D0. 7m出口堰高 hwhwhLhow0.06 0.0169 0.0431m降液管的寬度 Wd 和降液管的面積 Af由w/D0. 7，查化原下 P 圖 11-16得 dfT0. 09，l147W / D0. 139, A/ A即：W0. 139m， Af0. 065m2d液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間Af HT135s （滿足要求）LS降液管的底隙高度ho液體通過(guò)降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s ，取液體通過(guò)降液管底隙的流速 uo0. 08m/s ，則有：故降液管設(shè)計(jì)合底隙高度設(shè)計(jì)合理3）塔板布置1.

23、塔板分塊因 D=1000故塔板分 3 塊2. 邊緣區(qū)寬度開(kāi)孔區(qū)面積WaWs 0.065m Wc0.035mAa式中： xD / 2WdWs0.70.17360.0650.311m3）開(kāi)孔數(shù) n 和開(kāi)孔率 取篩孔的孔徑 d o5mm ，正三角形排列， 篩板采用碳鋼， 其厚度 3mm ，且取 t / do 3.0 。故孔心距 t3515mm 。1.155A02731（孔）每層塔板的開(kāi)孔數(shù) nt 2每層塔板的開(kāi)孔率 0.9070.9070.101（ 應(yīng)在 515%，故滿足要求）t / d o232氣體通過(guò)篩孔的孔速 u011. 81m/sVsA04）精餾段的塔高 Z1（七）塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算1.

24、塔板壓降1）氣體通過(guò)干板的壓降 hc2hc 0.051 u0VCo0.84。C 0L2）氣體通過(guò)板上液層的壓降hl動(dòng)能因子 F00. 968 2. 76 1. 61Kg /( s m1 / 2 )查化原圖得0. 6003）氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降h4）氣體通過(guò)篩板的壓降（單板壓降）hp 和ppPpL ghP0. 626Kpa0. 7Kpa （滿足工藝要求）。2. 霧沫夾帶量 ev 的驗(yàn)算驗(yàn)算結(jié)果表明不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的霧沫夾帶。3. 漏液的驗(yàn)算漏液點(diǎn)的氣速 uom篩板的穩(wěn)定性系數(shù) Ku01. 58（大于 1.5，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量液漏）u0 min4. 液泛的驗(yàn)算為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的

25、清液層高度 H d H T hw H d H T hw 成立，故不會(huì)產(chǎn)生液泛。通過(guò)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，若要做出最合理的設(shè)計(jì)，還需重選H T 及 hL ，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（八）塔板負(fù)荷性能圖1. 霧沫夾帶線（ 1）5.7 10 6ua3.2（1）evH T2.5hL式中： uaVs1. 527VsATAf將已知數(shù)據(jù)代入式（ 1）Vs 1. 61 8. 672Ls2 / 3（1-1 ）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls 值，依式（ 1-1 ）算出對(duì)應(yīng)的 Vs 值列于下表：0.0010.0020.0030.00451.521.471.431.37依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出霧沫夾帶線（

26、1）2. 液泛線 H Thwhphwhowhd?= ? +? + ?1?H = (? +?2?3) = 0.058 + 0.5077?10? = 0.00207（已算出）?22?3? = 0.0275 + 0.0715? + 0.51?22? = 0.153(?)= 136? +? 0Vs22. 2 1486Ls 214. 78Ls 2 / 3（2-2 ）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls 值，依式（ 2-2 ）算出對(duì)應(yīng)的 Vs 值列于下表：0.0010.00150.00300.00451.431.421.371.33依據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2）3. 液相負(fù)荷上限線（ 3）HT Af3（3-3）Ls , max0. 008125 m /s4. 漏液線（氣相負(fù)荷下限線） （4）整理得：2Vs20. 1