苯氯苯分離過程篩板式精餾塔設計

1、課 程 設 計 說 明 書課程名稱： 化工原理課程設計 設計題目：苯-氯苯分離過程篩板式精餾塔設計院 系： 化學與環(huán)境工程學院 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： 2010年11月19日課 程 設 計 任 務 書 設計題目苯-氯苯分離過程篩板式精餾塔設計 學生姓名所在院系化學與環(huán)境工程學院專業(yè)、年級、班08級應用化學 設計要求： 年產99.8的氯苯2.6萬t，塔頂餾出液氯苯含量不低于2，原料液含氯苯38（以上均 為質量分數）； 塔頂壓力 4kPa（表壓）； 進料熱狀況 自選； 回流比 自選； 塔底加熱蒸汽壓力 0.5Mpa（表壓）； 單板壓降 0.7kPa 塔板類型 篩板 工作日 每

2、年300天，每天24小時連續(xù)運行學生應完成的工作：1. 1.搜集整理苯、氯苯的相關物性資料；2. 2.完成苯氯苯連續(xù)精餾塔的工藝設計；3. 3.完成精餾塔設備的工藝尺寸設計；4. 4.用A1圖紙繪制精餾塔設計條件圖； 5.編寫設計說明書。參考文獻閱讀： 1.熊潔羽.化工制圖 北京：化學工業(yè)出版社，2007 2.刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設備機械基礎 （第六版） 大連：大連理工出版社，2006 3.天津大學化工學院，柴誠敬主編.化工原理 上冊.第1版.北京：高等教育出版社，20054.天津大學化工學院，柴誠敬主編.化工原理 下冊.第1版.北京：高等教育出版社，20065.賈紹義，柴誠敬主編.化

3、工原理課程設計（第一版） 天津：天津大學出版社，2002 工作計劃： 11月8日 搜集整理相關物性資料11月9-11日 完成苯氯苯連續(xù)精餾塔的完整工藝設計 11 11月12日 課程設計說明書編寫及繪圖準備 11月15日-19日 繪制精餾塔設計條件圖，完成課程設計說明書編寫 任務下達日期：2010年11月5日 任務完成日期：2010年11月19日指導教師（簽名）： 學生（簽名）： 課程設計題目：苯-氯苯分離過程篩板式精餾塔設計一、設計題目試設計一座苯氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產純度為99.8%的氯苯2.6萬噸，塔頂餾出液中含氯苯不得高于2%，原料液中含氯苯為38%（以上均為質量分數）。二、操作條件1

4、.塔頂壓強:4kPa（表壓）；2.進料熱狀況:泡點進料；3.回流比:R=2Rmin；4.塔釜加熱蒸汽壓力 0.5MPa（表壓）；5.單板壓降不大于0.7kPa；三、塔板類型 篩板式。四、工作日每年300天，每天24小時連續(xù)運行。五、設計內容1.精餾塔的物料衡算；2.塔板數的確定；3.精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算；4.精餾塔的塔體工藝尺寸的計算；5.塔板主要工藝尺寸的計算；6.塔板的流體力學驗算；7.塔板負荷性能圖；8.繪制生產工藝流程圖；9繪制精餾塔設計條件圖；10對設計過程的評述和有關問題的討論。六、基礎數據1.組分的飽和蒸汽壓（mmHg）溫度，（）80901001101201301

5、31.8苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.組分的液相密度（kg/m3）溫度，（）8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985純組分在任何溫度下的密度可由下式計算苯 推薦：氯苯 推薦：式中的t為溫度，。3.組分的表面張力（mN/m）溫度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.44.其他物性數據可查化工原理附錄。摘 要：課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實

6、踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性、學習化工設計基本知識的初次嘗試。通過課程設計，要求學生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工工程設計的初步訓練。通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度責任感的工作作風。課程設計是增強工程觀念，培養(yǎng)提高學生獨立工作能力的有益實踐。又由于塔設備在石油、化工、醫(yī)藥、煤炭等行業(yè)中應用廣泛，其合理的設計受到極

7、大關注，所以塔課程設計實踐必不可少。關鍵詞：質量分率；塔板；塔板效率；工藝尺寸目 錄一、設計背景1二、產品與設計方案簡介2（一）產品性質、質量指標3（二）設計方案簡介3（三）工藝流程及說明3三、工藝計算及主體設備設計4（一）精餾塔的物料衡算41）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率42）原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量53）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾流率5（二）塔板數的確定51）理論塔板數的確定52）實際塔板數7（三）精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算81）操作壓力的計算82）操作溫度的計算83）平均摩爾質量計算84）平均密度計算105）液相平均表面張力106）液相平均粘度計算11四、精餾

8、段的塔體工藝尺寸的計算11（一）塔徑的計算11（二） 精餾塔有效高度的計算11五、塔板工藝結構尺寸的設計與計算12（一）溢流裝置12（二）塔板布置13（三）開孔率n和開孔率13六、塔板上的流體力學驗算14（一）氣體通過篩板壓降和的驗算14（二）霧沫夾帶量的驗算15（三）漏液的驗算15（四）液泛的驗算15七、塔板負荷性能圖 16（一）. 漏液線（氣相負荷下限線） 16（二）. 液沫夾帶線 16（三）. 液相負荷下限線 17（四）. 液相負荷上限線 17（五）. 液泛線 17八、篩板式精餾塔設計計算結果19九、主要符號說明20十、結果與結論21十一、收獲與致謝21苯-氯苯分離過程板式精餾塔設計計算

9、書一、設計背景課程設計是本課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性、學習化工設計基本知識的初次嘗試。通過課程設計，要求學生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工工程設計的初步訓練。通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度責任感的工作作風。課程設計是增強工程觀念，培養(yǎng)提高學生獨立工作能力的有益實踐。本設計采用連續(xù)精餾分離苯-

10、氯苯二元混合物的方法。連續(xù)精餾塔在常壓下操作，被分離的苯-氯苯二元混合物由連續(xù)精餾塔中部進入塔內，以一定得回流比由連續(xù)精餾塔的塔頂采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯。氯苯純度不低于99.8%，塔頂產品苯純度不低于98%（質量分數）。高徑比很大的設備稱為塔器。塔設備是化工、煉油生產中最重要的設備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。常見的、可在塔設備中完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等。在化工或煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量質量生產能力和消耗定額

11、，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面都有重大的影響。據有關資料報道，塔設備的投資費用占整個工藝設備投資費用的較大比例。因此，塔設備的設計和研究，受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。作為主要用于傳質過程的塔設備，首先必須使氣（汽）液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質效率。此外，為了滿足工業(yè)生產的需要，塔設備還得考慮下列各項傳質效率。此外，為了滿足工業(yè)生產的需要，塔設備還得考慮下列各項要求：（1）生產能力大在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現象。（2）操作穩(wěn)定、彈性大。當塔設備的氣（汽）液負荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設備應保證能

12、長期連續(xù)操作。（3）流體流動的阻力小。即流體通過塔設備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產中的動力消耗，以及降低經常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。（4）結構簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中的投資費用。（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調節(jié)和檢修。事實上，對于現有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述所有要求，僅是在某些方面具有獨到之處根據設計任務書，此設計的塔型為篩板塔。篩板塔是很早出現的一種板式塔。五十年代起對篩板塔進行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設計方法。與泡罩塔相比，篩板塔具有下列優(yōu)點：生產能力大20

13、40%，塔板效率高1015%，壓力降低3050%，而且結構簡單，塔盤造價減少40%左右，安裝、維修都較容易。從而一反長期的冷落狀況，獲得了廣泛應用。近年來對篩板塔盤的研究還在發(fā)展，出現了大孔徑篩板（孔徑可達2025mm），導向篩板等多種形式。篩板塔盤上分為篩孔區(qū)、無孔區(qū)、溢流堰及降液管等幾部分工業(yè)塔常用的篩孔孔徑為38mm，按正三角形排列空間距與孔徑的比為2.55近年來有大孔徑（1025mm）篩板的，它具有制造容易，不易堵塞等優(yōu)點，只是漏夜點低，操作彈性小。篩板塔的特點如下：（1）結構簡單、制造維修方便。（2）生產能力大，比浮閥塔還高。（3）塔板壓力降較低，適宜于真空蒸餾。（4）塔板效率較高，

14、但比浮閥塔稍低。（5）合理設計的篩板塔可是具有較高的操作彈性，僅稍低與泡罩塔。（6）小孔徑篩板易堵塞，故不宜處理臟的、粘性大的和帶有固體粒子的料液。二、產品與設計方案簡介（一）、產品性質、質量指標產品性質：有杏仁味的無色透明、易揮發(fā)液體。密度1105g/cm3。沸點1316。凝固點-45。折射率15216(25)。閃點294。燃點6378，折射率15246，粘度(20)0799mPa·s，表面張力3328×10-3Nm溶解度參數95。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多數有機溶劑，不溶于水。易燃，蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限1. 3-71(vol)。溶于大多數有機溶劑，不

15、溶于水。常溫下不受空氣、潮氣及光的影響，長時間沸騰則脫氯。蒸氣經過紅熱管子脫去氫和氯化氫，生成二苯基化合物。有毒在體內有積累性，逐漸損害肝、腎和其他器官。對皮膚和粘膜有刺激性對神經系統(tǒng)有麻醉性，LD502910mgkg，空氣中最高容許濃度50mgm3。遇高溫、明火、氧化劑有燃燒爆炸的危險。質量指標：氯苯純度不低于99.8%，塔頂產品苯純度不低于98%，原料液中苯38%。（以上均為質量分數）（二）設計方案簡介1）.精餾方式：本設計采用連續(xù)精餾方式。原料液連續(xù)加入精餾塔中，并連續(xù)收集產物和排出殘液。其優(yōu)點是集成度高，可控性好，產品質量穩(wěn)定。由于所涉濃度范圍內乙醇和水的揮發(fā)度相差較大，因而無須采用特

16、殊精餾。 2）.操作壓力：本設計選擇常壓，常壓操作對設備要求低，操作費用低，適用于苯和氯苯這類非熱敏沸點在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。 3）. 塔板形式：根據生產要求，選擇結構簡單，易于加工，造價低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降教低，在苯和氯苯這種黏度不大的分離工藝中有很好表現。 4）.加料方式和加料熱狀態(tài)：設計采用泡點進料，將原料通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。 5）.由于蒸汽質量不易保證，采用間接蒸汽加熱。 6）.再沸器，冷凝器等附屬設備的安排：塔底設置再沸器，塔頂蒸汽完全冷凝后再冷卻至泡點下一部分回流入塔，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲灌。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底

17、產品經冷卻后送至儲罐。（三）工藝流程及說明首先，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，混合物中只有液相混合物，此時液相混合物在精餾塔中下降。由塔底產生的氣相混合物上升到塔頂上方的全凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的部分液態(tài)停留一定的時間然后進入苯的儲罐，最后作為塔頂產品（餾出液）采出，而其中的另一部分液態(tài)重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。38%氯苯原料儲存原料預熱精餾再沸99.8%氯苯儲存分配冷凝冷卻98%苯儲存冷卻液相混合物就從塔底一部分進入再沸器中，在再沸

18、器中被加熱產熱的氣體重新回到精餾塔中而產生的液體則作為附殘液采出。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加入。最終，完成苯與氯苯的分離。3、 工藝計算及主體設備設計(一)精餾塔的物料衡算1）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率苯和氯苯的相對摩爾質量分別為78.11和112.56kg/kmol。2）原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量3）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾流率依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，有：，全塔物料衡算：（二）塔板數的確定1）理論塔板層數的確定苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法求取，步驟如下：1.由手冊查得苯-氯苯的氣液平衡數據，繪出圖，如

19、下圖一；圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段8塊，第4塊為加料板位置。2.確定操作的回流比R將1.表中數據作圖得曲線及曲線。在圖上，因q=1，查得，而，。故有：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倍，即：3.求精餾塔的氣液相負荷L=RD=0.5818790.4=45.99；V=(R+1)D=(0.5818+1)79.04=125.03；L=L+F=157.14Kmol/hV=V=125.03 Kmol/h4.求操作線方程精餾段操作線：提餾段操作線為過（0.00288,0.00288）和兩點的直線。求全塔效率：圖一（苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數的圖解）把=

20、0.986、=0.702、=0.02909代入上式中得=0.5818由全塔效率公式 =0.702×0.16+0.298×0.205=0.175把、代入全塔效率公式得，=0.5062）實際塔板數精餾段實際板層數提留段實際板層數：（三）精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算以精餾段為例進行計算1).操作壓力的計算塔頂操作壓力：每層塔板壓降：進料板壓力：精餾段平均壓力：2).操作溫度的計算依據操作壓力，由泡點方程通過試差法算出泡點溫度，其中苯和氯苯的飽和蒸汽壓，由安托尼方程計算，計算結果如下：通過圖二（溫度組成圖）易讀取塔頂溫度：通過試差得加料板溫度為91.8精餾段平均溫度：3).

21、平均摩爾質量計算塔頂平均摩爾質量計算：由，查平衡曲線（見圖1），得圖二（溫度組成圖）進料板平均摩爾質量計算：由圖解理論板（見圖1），得 查平衡曲線（見圖1），得 精餾段平均摩爾質量計算：4）.平均密度計算1.氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即2.液相平均密度計算液相平均密度依計算，即 由查得： 由查得： 進料板液相密度精餾段液相平均密度為5).液相平均表面張力塔頂液相的平均表面張力：（80.4）;進料板液相的平均表面張力：(91.8)；精餾段液相的平均表面張力：6).液相平均粘度計算塔頂液相平均粘度計算：（80.4） 解出 進料板液相平均粘度計算 （91.8） 解出 精餾段液相平均粘度

22、計算 四、精餾塔的塔體工藝尺寸計算（一）.塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為計算取板間距，板上液層高度，則故查表可得： 取安全系數為0.7，則空塔氣速為按標準塔徑圓算后為 塔截面積為 實際空塔氣速為 （二）.精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為 Z精=(N-1)H=(6-1)×0.4=2.0m提餾段有效高度為 Z提=(N-1)H=(16-1)×0.4=6.0m在進料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾塔的有效高度為 Z=+0.8=2.0+6.0+0.8=8.8m五塔板工藝結構尺寸的設計與計算（一）.溢流裝置采用單溢流弓形降液管、凹形受液盤，且不設進進口堰。溢流堰長（出口

23、堰長）取溢流堰高度對平直堰 近似取E=1降液管的寬度和降液管的面積由，查圖得，即：，液體在降液管內的停留時間故降液管設計合理。降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：故降液管底系高度設計合理（二）.塔板布置邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度：一般為50-75mm，D >2m時，可達100mm。安定區(qū)寬度確定取mm，mm。開孔區(qū)面積式中：（三）.開孔數和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數（孔）每層塔板的開孔率（應在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速六塔

24、板上的流體力學驗算（一）.氣體通過篩板壓降和的驗算1）.氣體通過干板的阻力壓降 由 查圖5-10得出，液柱式中為孔流系數。2）.氣體通過板上液層的壓降液柱式中充氣系數的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：動能因子查化原P115圖5-11得（一般可近似?。?。3）.氣體克服液體表面張力產生的壓降液柱4）.氣體通過每層篩板的壓降（單板壓降）和（設計允許值）（二）.霧沫夾帶量的驗算故在本設計中液沫的夾帶量在允許的范圍內（三）.漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數故在本設計中無明顯漏液。（四）.液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度成立，故在本設計中不會發(fā)生液泛現

25、象。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。七、塔板負荷性能圖（一）.漏液線（氣相負荷下限線）漏液點氣速 ，整理得：在操作范圍內，任取幾個值，依式算出對應的值列于下表：0.00060.00150.00300.00450.496520.51110.529220.54396依據表中數據作出漏液線1（二）.液沫夾帶線式中： 將已知數據代入式得：在操作范圍內，任取幾個值，依式算出對應的值列于下表：0.00060.00150.00300.00451.764581.680021.571351.48023.液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液

26、層高度=0.006 m作為最小液體負荷標準由=；取E=1,得據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下下限線34.液相負荷上限線作出與氣體流量無關的垂直液相負荷線45.液泛線=+; =+； =；=+(-1)=(+1)+忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得a=b-c-d;式中 a = b =+(-1) c =0.153/() d =2.84將有關數據代入得a =0.04348; b =0.14519;c =468.064; d =1.321故-30.381785在操作范圍內，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：0.00060.00150.00300.00453.5843.363

27、3.0442.591依據表中數據作出液泛線5依據以上各方程，可作出篩板塔的負荷性能圖如下圖三。在負荷性能圖上，做出操作點A，連接OA,即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為霧沫夾帶控制，下限為漏液控制。由下圖三可查得故操作彈性為圖三（篩板塔的符合性能圖）八、篩板塔設計計算結果項 目符 號單 位計 算 結 果平均壓強PmkPa107.4平均溫度tm86.1平均流量氣相m3/s0.966液相m3/s0.00127全塔效率0.506實際塔板數塊22板間距m0.4塔段的有效高度Zm8.8塔徑Dm1.2空塔氣速um/s0.864實際空塔氣速m/s0.854塔板液流型式單溢流型溢流裝置溢流管型式弓形

28、堰長m0.72堰高m0.0503降液管寬度m0.132底隙高度m0.02511板上清液層高度m0.06孔徑mm5孔間距mm15孔數n個4154開孔區(qū)面積Aam20.809開孔面積A0m20.0815篩孔氣速m/s11.84塔板壓降kPa0.649液體在降液管中的停留時間S19.65降液管內清液層高度m0.139霧沫夾帶kg液/kg氣0.0164負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷m3/s1.6氣相最小負荷m3/s0.5操作彈性3.2九、主要符號說明項目符   號項目符 號平均壓強Pm每層塔板壓降平均溫度tm安定區(qū)寬度平均流量氣相Vs邊緣區(qū)寬度液相Ls液相摩爾分數

29、x實際塔板數N氣相摩爾分數y板間距HT空隙率塔的有效高度Z篩板厚度塔徑D表面張力空塔氣速u密度溢流裝置堰長lw開孔率堰高hw最大值max（下標）弓形降液管寬度Wd最小值min（下標）弓形降液管底隙高度ho氣相V（下標）板上清夜層高度hL液相L（下標）孔徑do理論板層數孔間距t塔頂空間高度孔數n塔底空間高度開孔面積A0裙座高度篩孔氣速uo總板效率塔板壓降hp氣相最大負荷Vs，max液體在降液管中停留時間氣相最小負荷Vs，min降液管內清液層高度Hd霧沫夾帶十、結果與結論（一）結果：精餾塔塔體設計采用篩板塔板，共22塊塔板，能夠完成年產純度為99.8%的氯苯2.6萬噸，塔頂餾出液中含氯苯不高于2%，原料液中含氯苯為38%（以上均為質量%）的生產任務，并且具有較好的操作彈性。（二）結論： 1）. 操作壓力：本設計選擇常壓，常壓操作對設備要求低，操作費用低，適用于苯和氯苯這類非熱敏沸點在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。 2）. 塔板形式：根據生產要求，選擇結構簡單，易于加工，造價低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降教低，在苯和氯苯這種黏度不大的分離工藝中有很好表現。 3）.加料方式和加料熱狀態(tài)：設計采用泡點進料，將原料通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。 4）.由于蒸汽質量不易保證，采用間接蒸