苯氯苯連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)：HEBEI UNITED UNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書GRADUATE DESIGN設(shè)計(jì)題目：10000t/a苯-氯苯連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 院： 指導(dǎo)教師： 摘 要氯苯作為一種重要的基本有機(jī)合成原料，在生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)為一連續(xù)精餾塔，用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯。本設(shè)計(jì)選用了效率、經(jīng)濟(jì)、安全等各個(gè)方面綜合性能較好的內(nèi)件產(chǎn)品，采用了板式精餾塔，塔板選用篩板。篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓強(qiáng)低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。本設(shè)計(jì)主要完成了工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容。工藝計(jì)算確定塔徑為0.6m，塔總高度為8.266m。

2、設(shè)備設(shè)計(jì)部分，確定筒體材料為16MnR，筒體名義厚度為8mm。標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭，公稱直徑為600mm，曲面高度175mm，直邊高度為25mm，厚度為8mm；液體和氣體進(jìn)出口接管法蘭都選用標(biāo)準(zhǔn)為HG20593-97的突面（RF）型板式平焊鋼管制法蘭(PL)；絲網(wǎng)除沫器選用SP型過濾網(wǎng)；本設(shè)計(jì)選用的是圓筒形裙座，直徑為600mm。最后進(jìn)行了筒體和封頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，各手孔和接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。筒體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以及水壓試驗(yàn)的校核，通過校核，確定本設(shè)計(jì)的塔體壁厚、高度等在設(shè)計(jì)壓力下均符合要求。關(guān)鍵詞：氯苯；精餾；篩板塔AbstractChlorobenzene as an important ba

3、sic organic synthesis raw material, widely used in production. The design for a continuous distillation, used for the separation of volatile benzene and less volatile chlorobenzene. The design chooses the integrated product of good synthesized function with efficiency, economic, security and other a

4、spects .It will be better that choosing rectifying tray Tower and sieve as tray. The sieve tower has mang advantages such as simple structure and low price, besides liquid drop on the surface of plate is small. It has a low pressure, but a larger capacity of production. At last gas in tower spreads

5、evenly with a higher efficiency of mass transfer. The design completes the process calculation which defines that the tower diameter is 600mm and the overall height is 8.266m, and equipment design which defines that the material of the barrel is 16MnR and the nominal thickness is 8mm. The design sel

6、ected the standard elliptic heads whose diameter is 600mm, surface height is 175mm, and straight flange height is 25mm. The piping flanges of import and export of liquid and gas are all used the RFPF according to HG 20593-97.The wire mesh demister selects the SP filter screen. This design uses a cyl

7、indrical skirt, diameter of 600mm. The cylinder and the head strength and stability calculation, the hand hole and over the opening Buqiang calculation. Cylinder intensity and stability as well as hydrostatic test check, by check, determine the design of the wall thickness of the tower body, height

8、under pressure to meet the requirements in design.Keywords: chlorobenzene, distillation, plate column目錄第1章 緒 論11.1 精餾塔國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀11.2 課題來源11.3 精餾原理11.4 塔設(shè)備概述21.5 氯苯簡介2第2章 苯-氯苯分離精餾42.1 工藝流程42.2 設(shè)備選型42.2.1 塔設(shè)備的選型52.2.2 塔板的類型與選擇52.3 操作條件的選擇6第3章 工藝計(jì)算83.1 計(jì)算準(zhǔn)備83.2 精餾塔的物料衡算83.2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率83.2.2 原料及

9、塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量83.2.3 物料衡算83.3 塔板數(shù)的確定93.3.1 理論板層數(shù)NT的求取93.3.2 實(shí)際板層數(shù)的求取103.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算113.4.1 操作壓力計(jì)算113.4.2 操作溫度計(jì)算113.4.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算123.4.4 平均密度計(jì)算123.4.5 液體平均表面張力計(jì)算143.4.6 液體平均粘度計(jì)算143.5 精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算153.5.1 塔徑的計(jì)算153.5.2 精餾塔有效高度計(jì)算183.6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算183.6.1 溢流裝置計(jì)算183.6.2 塔板布置213.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算233.7.1 塔

10、板壓降233.7.2 液面落差253.7.3 液沫夾帶253.7.4 漏液263.7.5 液泛273.8 塔板負(fù)荷性能圖273.8.1 精餾段塔板負(fù)荷性能圖273.8.2 提餾段塔板負(fù)荷性能圖31第4章 筒體設(shè)計(jì)364.1 材料選擇364.1.1 材料選擇依據(jù)364.1.2 材料選擇374.2 結(jié)構(gòu)形式374.3 筒體厚度確定374.3.1 計(jì)算準(zhǔn)備374.3.2 筒體厚度38第5章 封頭設(shè)計(jì)395.1 封頭形式選擇395.1.1 常見封頭型式395.2 封頭計(jì)算395.2.1 封頭材料405.2.2 封頭厚度的計(jì)算40第6章 開孔設(shè)計(jì)426.1 手孔的選擇426.2 管道內(nèi)徑計(jì)算分析426.

11、2.1 進(jìn)料管計(jì)算426.2.2 塔頂蒸汽出口管計(jì)算436.2.3 回流管計(jì)算436.2.4 釜液出口管計(jì)算436.2.5 氣體進(jìn)口管計(jì)算446.3 管道法蘭選擇44第7章 開孔補(bǔ)強(qiáng)457.1 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的選擇457.2 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算457.2.1 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積457.2.2 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍46第8章 裙座的選擇48第9章 輔助裝置及附件499.1 除沫器499.1.1 操作氣速的計(jì)算499.1.2 直徑DN的計(jì)算499.2 梯子手柄509.3 操作平臺(tái)與梯子509.4 吊柱50第10章 壓力試驗(yàn)5110.1 試驗(yàn)?zāi)康?110.2 試驗(yàn)壓力5110.3 校核試驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜應(yīng)力51第11章 塔設(shè)備

12、載荷計(jì)算5311.1 質(zhì)量載荷5311.1.1 筒體圓筒、封頭、裙座質(zhì)量m015311.1.2 塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量m025311.1.3 保溫層質(zhì)量m035311.1.4 平臺(tái)、扶梯質(zhì)量m045311.1.5 操作時(shí)物料質(zhì)量m055311.1.6 附件質(zhì)量ma5411.1.7 沖水質(zhì)量mw5411.1.8 偏心質(zhì)量me5411.1.9 各種質(zhì)量載荷：5411.2 風(fēng)載荷和風(fēng)彎矩5411.2.1.1 風(fēng)載荷計(jì)算示例5411.2.1.2 各段塔風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果5411.2.2 風(fēng)彎矩計(jì)算5511.2.3 地震彎矩計(jì)算5511.2.4 各種載荷引起的軸向應(yīng)力5611.3 塔體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核5

13、711.4 塔設(shè)備結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)59基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)59地腳螺栓計(jì)算60結(jié) 論61致 謝62參考文獻(xiàn)63第1章 緒 論1.1 精餾塔國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔

14、板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為篩板塔、浮閥塔及泡罩塔，而前者使用尤為廣泛。在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。它的應(yīng)用面廣、量大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔設(shè)備無論其投資費(fèi)還是所有消耗的鋼材重量，在整個(gè)過程裝備中所占的比例都相當(dāng)高，表1.1所示為幾個(gè)典型的實(shí)例。4圖1.1 塔設(shè)備的投資及重量在過程設(shè)備中所占得比例裝置名稱塔設(shè)備投資的比例%裝置名稱塔設(shè)備投資的比例%化工及石油化工25.460萬t，120萬t/a催化裂化48.9煤油及煤化工34.8530萬t/a乙烯25.3化纖44.94.5萬t/a丁二烯541.2 課題來源塔設(shè)

15、備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要,模擬了滿足生產(chǎn)需求的設(shè)計(jì)題目。1.3 精餾原理精餾是分離液體混合物最常用一種作，在化工、煉油等工業(yè)中應(yīng)用很廣。它通過汽、液兩相的直接接觸，利用組分揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)的由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳質(zhì)過程。 精餾過程中，料液自塔的中部某適當(dāng)?shù)奈恢眠B續(xù)地加入塔內(nèi)，塔頂設(shè)有冷凝器將塔頂蒸汽冷凝為液體。冷凝液的一部分回入塔頂，稱為回流液，其余作為塔頂產(chǎn)品（餾出液）連續(xù)排出。在塔內(nèi)上半部（加料位置以上）上升蒸汽和回流液體之間進(jìn)行著逆流接觸和物質(zhì)傳遞。塔底部裝有再沸器（蒸餾釜）以加熱液體產(chǎn)生蒸汽，蒸汽沿塔上升

16、，與下降的液體逆流接觸并進(jìn)行物質(zhì)傳遞，塔底連續(xù)排出部分液體作為塔底產(chǎn)品。塔的上半部分（加料位置以上）稱為精餾段，塔的下半部分包括再沸器（蒸餾釜）稱為提餾段。 精餾用于比較難分離的體系，用普通的精餾不能分離的體系則可用特殊的精餾。特殊精餾是在物系中加入第三組分，改變被分離組分的活度系數(shù)，增大組分間的相對(duì)揮發(fā)度，達(dá)到有效分離的目的。1.4 塔設(shè)備概述塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一,他可以使氣(或汽)液或液液兩相緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各方面都有重

17、大影響。塔設(shè)備中常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻和回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕和減濕等。最常見的塔設(shè)備為板式塔和填料塔兩大類。作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得高的傳質(zhì)效率。此外，為滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還必須滿足以下要求： l 生產(chǎn)能力大：即單位塔截面可以通過較大的汽、液兩相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正常的流動(dòng)；l 效率高：汽、液兩相在塔內(nèi)流動(dòng)時(shí)能保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或較大的傳質(zhì)速率；l 流動(dòng)阻力?。毫黧w通過塔設(shè)備的阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓作時(shí)易于達(dá)到所要求的真空

18、度；l 有一定的作彈性：當(dāng)汽、液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，且不會(huì)使效率產(chǎn)生較大的變化；l 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，安裝檢修方便；l 能滿足物系某些工藝特性，如腐蝕性、熱敏性、起泡性等特殊要求2。 1.5 氯苯簡介氯苯是無色透明易揮發(fā)的液體，有苦杏仁味。熔點(diǎn)-45.6，沸點(diǎn)131.6，相對(duì)密度1.107（20/4），折光率1.5248，閃點(diǎn)23，自燃點(diǎn)637.78，易燃。在空氣中爆炸極限為1.839.23%（體積）。不溶于水，易溶于醇、醚、苯和氯仿等。有毒，毒性中等。氯苯是一種重要的基本有機(jī)合成原料，用作染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、有機(jī)合成中間體。用于制造苯酚、硝基氯苯、二硝基氯苯、苯胺、硝基

19、酚及殺蟲劑滴滴涕等，也用作乙基纖維素和許多樹脂的溶劑。氯苯的下游產(chǎn)品中，硝基氯化苯是氯苯的主要消費(fèi)用戶，對(duì)硝基氯化苯是重要的染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥的中間體。以對(duì)硝基氯化苯為原料可以生產(chǎn)對(duì)硝基苯酚、對(duì)硝基苯胺、對(duì)氨基苯酚、對(duì)苯二胺、對(duì)氨基苯甲醚和對(duì)氨基苯乙醚等一系列有機(jī)化工產(chǎn)品。但由于用苯氯化法制氯苯后，苯和氯苯互溶，因此需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯。近年來，氯苯衍生物系列產(chǎn)品在染料、醫(yī)藥、助劑、農(nóng)藥等行業(yè)中應(yīng)用不斷拓展。且近兩年氯化苯國內(nèi)產(chǎn)能也穩(wěn)步增長，行業(yè)地位不斷加強(qiáng)，位居世界生產(chǎn)大國地位。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)目前供需仍保持平衡，且總產(chǎn)能仍略低于下游總需求(下游實(shí)際生產(chǎn)滿負(fù)荷

20、開工前提下)，并沒出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的現(xiàn)象。由于當(dāng)前國內(nèi)受宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境及行業(yè)環(huán)保治理等因素影響，市場(chǎng)反映出相對(duì)過?，F(xiàn)象，但是產(chǎn)品短期的相對(duì)過剩并不代表行業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)。作為氯化苯的上游產(chǎn)品焦化苯在國際市場(chǎng)已有獲利空間，未來焦化苯的出口增加，將形成對(duì)氯苯行業(yè)的有效支撐。并且據(jù)各外貿(mào)企業(yè)反饋的信息顯示，氯苯出口也有進(jìn)一步增長趨勢(shì)。因此，氯苯行業(yè)基礎(chǔ)穩(wěn)固，市場(chǎng)經(jīng)整理后將逐漸企穩(wěn)向好。第2章 苯-氯苯分離精餾2.1 工藝流程連續(xù)精餾裝置流程如圖2.1所示圖2.1 連續(xù)精餾裝置流程圖首先，苯和氯苯的原料在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，

21、又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(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。2.2 設(shè)備選型2.2.1 塔設(shè)備的選型實(shí)現(xiàn)精餾過程的主體設(shè)備主要有填料塔和板式塔。填料塔屬于微分接觸型的氣液傳質(zhì)設(shè)

22、備。塔內(nèi)以填料作為氣液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件。液體在填料表面呈膜狀自上而下流動(dòng)，氣體呈連續(xù)相自下而上與液體作逆流流動(dòng)，并進(jìn)行氣液兩相間的傳質(zhì)和傳熱。兩相的組分濃度或溫度沿塔高呈連續(xù)變化。板式塔是一種逐級(jí)（板）接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔內(nèi)以塔板作為基本構(gòu)件，氣體自塔底向上以鼓泡活噴射的形式穿過塔板上的液層，使氣-液相密切接觸而進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱，兩相的組分濃度呈階梯式變化。填料塔與板式塔的主要區(qū)別見表2.1所示。表2.1 填料塔與板式塔的比較填料塔板式塔壓降小尺寸填料，壓降較大，而大尺寸填料及規(guī)整填料，則壓降較小較大空塔氣速小尺寸填料氣速較小，而大尺寸填料及規(guī)整填料則氣速可較大較大塔效率傳統(tǒng)的填料，效率較

23、低，而新型亂堆及規(guī)整填料則塔效率較高較穩(wěn)定、效率較高液-氣比對(duì)液體量有一定要求較大持液量較小較大安裝、檢修較難較容易材質(zhì)金屬及非金屬材料均可一般用金屬材料造價(jià)新型填料，投資較大大直徑時(shí)造價(jià)較低綜合考慮上表各項(xiàng)，板式塔由于比填料塔性能穩(wěn)定、效率高、安裝檢修方便及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用板式塔。32.2.2 塔板的類型與選擇塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯(cuò)流式塔板和逆流式塔板兩類，工業(yè)應(yīng)用以錯(cuò)流式塔板為主，常用的錯(cuò)流式塔板主要有泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等。其中泡罩塔是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為升氣管及泡罩。它的優(yōu)點(diǎn)是操作彈性較大，液氣比范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點(diǎn)是

24、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)效率及板效率較低。篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔。篩板的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓強(qiáng)低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干閥孔，每個(gè)閥孔裝有一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥片。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價(jià)低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點(diǎn)，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)較其他幾種塔型的塔板廣泛，是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。常用板式塔的性能比較見表

25、2.2所示。表2.2 板式塔性能的比較塔型與泡罩塔相比的相對(duì)氣相負(fù)荷效率操作彈性85%最大負(fù)荷時(shí)的單板壓降/mm（水柱）與泡罩塔相比的相對(duì)價(jià)格可靠性泡罩塔1.0良超45801.0優(yōu)浮閥塔1.3優(yōu)超45600.7良篩板塔1.3優(yōu)良30500.7優(yōu)由表2.2看出，篩板塔在相對(duì)氣液相負(fù)荷、效率、可靠性以及價(jià)格方面都較其他兩種塔優(yōu)，因此本設(shè)計(jì)選用篩板塔，其特點(diǎn)如下：l 結(jié)構(gòu)簡單、制造維修方便；l 生產(chǎn)能力大，比浮閥塔還高；l 塔板壓力降較低，適宜于真空蒸餾；l 塔板效率較高，但比浮閥塔稍低；l 合理設(shè)計(jì)的篩板塔可是具有較高的操作彈性，僅稍低與泡罩塔；l 小孔徑篩板易堵塞，故不宜處理臟的、粘性大的和帶有

26、固體粒子的料液。根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)，本設(shè)計(jì)選用的是篩板塔。2.3 操作條件的選擇本設(shè)計(jì)的題目是苯-氯苯分離精餾塔設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯，采用連續(xù)操作方式，具體工藝參數(shù)如下：處理量：10000噸/年料液組成（含氯苯）：42產(chǎn)品組成（氯苯純度）：98塔頂產(chǎn)品組成（含氯苯）：2.5操作壓力：塔頂壓強(qiáng)4KPa(表壓)進(jìn)料熱狀況和回流比自選塔底加熱蒸氣壓力：0.5MPa（表壓)單板壓降：0.7KPa地震裂度：7度土質(zhì)情況：第二類場(chǎng)地土當(dāng)?shù)貧鈮?100kPa設(shè)備年工作時(shí)間：300天（每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）水電供給：水源充足，供電正常第3章 工藝計(jì)算3.1 計(jì)算準(zhǔn)備對(duì)于年產(chǎn)1

27、萬噸的氯苯精餾塔以每小時(shí)為計(jì)算基準(zhǔn)： 已知每天24小時(shí)不停工，年工作時(shí)間為300天（其中大修20天，中修10天，小修及事故處理5天），所以整個(gè)車間的單位時(shí)間處理能力為：3.2 精餾塔的物料衡算3.2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量 氯苯的摩爾質(zhì)量 3.2.2 原料及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3.2.3 物料衡算原料處理量 總物料恒算 苯物料恒算 聯(lián)立解得 3.3 塔板數(shù)的確定3.3.1 理論板層數(shù)NT的求取1、苯氯苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)1。查得苯-氯苯的氣液平衡數(shù)據(jù)，如表3.1所示，繪出xy圖，見圖3.1所示。表3.1 苯-氯苯的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度80.111

28、850.8180.957900.6780.911950.5430.8471000.4400.7821050.2760.6651100.1850.5631150.1310.4551200.08790.343 1250.04540.2001300.01150.0567131.75002、求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在圖3.1中對(duì)角線上，自點(diǎn)e（0.666，0.666）作垂線ef即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為：，圖3.1 圖解法求理論板層數(shù)故最小回流比為： （式3.1）取操作回流比為： （式3.2）3、求精餾塔的氣、液相負(fù)荷4、求操作線方程精餾段操作線方程為： （式

29、3.3）提餾段操作線方程為： （式3.4）5、圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖3.1所示。求解結(jié)果為：總理論板層數(shù) 進(jìn)料板位置 3.3.2 實(shí)際板層數(shù)的求取1、 全塔效率 依式：，根據(jù)塔頂、塔底液相組成查t-x-y圖，求得塔平均溫度為：，由表 3.5 所示及內(nèi)插知該溫度下苯和氯苯的粘度為： 該溫度下進(jìn)料液相平均粘度為： 則 2. 實(shí)際塔板數(shù)精餾段： 提餾段： 故實(shí)際塔板數(shù)：3.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.4.1 操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 塔底壓力 精餾段平均壓力 提餾段平均壓力 3.4.2 操作溫度計(jì)算表3.2 苯-氯苯安托尼常數(shù)安托尼系

30、數(shù)ABC苯15.90082788.51-52.36氯苯16.06763295.12-55.60苯-氯苯安托尼常數(shù)6如表3.2所示。根據(jù)操作壓力，通過泡點(diǎn)方程及安托因方程可得塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 塔底溫度 精餾段平均溫度 提餾段平均溫度 3.4.3 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算1、塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，查平衡曲線，見圖3.1所示，得：=0.9352、進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算查平衡曲線，見圖3.1所示，得：，3、塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算查平衡曲線，見圖3.1所示，得：，4、精餾段平均摩爾質(zhì)量5、提餾段平均摩爾質(zhì)量3.4.4 平均密度計(jì)算1、氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即： （式3.7） （式3.8）2

31、、液相平均密度計(jì)算液相平均密度依式3.9計(jì)算，即： （式3.9）（1）塔頂液相平均密度的計(jì)算由=82.5=355.65K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，故（2）進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算 由=95=368K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率（3）塔底液相平均密度的計(jì)算由=135=408.15K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，故精餾段液相平均密度為：提餾段液相平均密度為：3.4.5 液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依式3.10計(jì)算，即： （式3.10）1、塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由=82.5=355.65K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，2、進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算由=95=3

32、68K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，3、塔底液相平均表面張力的計(jì)算由=135=408.15K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，精餾段液相平均表面張力為：提餾段液相平均表面張力為：3.4.6 液體平均粘度計(jì)算液相平均粘度依式3.11計(jì)算，即： （式3.11）1、塔頂液相平均粘度的計(jì)算由=82.5=355.65K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，故：解出2、進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由=95=368K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，故：解出3、塔底液相平均粘度的計(jì)算由=135=408.15K，查化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)得：，故：解出精餾段液相平均表面張力為：提餾段液相平均表面張力為： 3.5 精餾塔的塔體工藝尺寸

33、的計(jì)算3.5.1 塔徑的計(jì)算1、精餾段塔徑精餾段氣、液相體積流率為： （式3.12） （式3.13）由 =C 式中C由式計(jì)算，其中由圖3.2所示查取，圖的橫坐標(biāo)為：初選板間距，取板上液層高度，故：查Smith關(guān)聯(lián)圖4，見圖3.2所示，得：C20=0.052圖3.2 Smith 關(guān)聯(lián)圖依式3.14校正物系表面張力為時(shí)的C （式3.14）最大空塔氣速 （式3.15）可取安全系數(shù)為0.70（0.60.8），則空塔氣速為 （式3.16）故 （式3.17）塔徑圓整為：0.6m塔截面積為： （式3.18）實(shí)際空塔氣速為： （式3.19）2、提餾段塔徑 精餾段氣、液相體積流率為： （式3.20） （式3.2

34、1）初選板間距，取板上液層高度，故：由 =C 式中C由式計(jì)算，其中由圖3.2所示查取，圖的橫坐標(biāo)為：查Smith關(guān)聯(lián)圖，見圖3.2所示，得：C20=0.047依式3.14校正物系表面張力為時(shí)的C最大空塔氣速：可取安全系數(shù)為0.70（0.60.8），則空塔氣速為：故 查壓力容器公稱直徑S,塔徑圓整為：0.6m為統(tǒng)一精餾段和提餾段塔徑，取為：D=0.6m塔截面積為：實(shí)際空塔氣速為：3.5.2 精餾塔有效高度計(jì)算1、 精餾段有效高度為： （式3.22）2、 提餾段有效高度為： （式3.23）3、塔底空間塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值由如下因素決定：l 塔底儲(chǔ)液空間依儲(chǔ)存液量停留38min（

35、易結(jié)焦物料可縮短停留時(shí)間）而定；l 再沸器的安裝方式及安裝高度；l 塔底液面至最下層塔板之間要留有12m的間距。取儲(chǔ)存液量停留5minW=5.09kmol/h，則塔底空間高度 （式3.24）取=1m。4、塔頂空間塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂?shù)拈g距。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，設(shè)計(jì)中通常取塔頂間距為（1.52.0）HT。若需要安裝除沫器，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂間距。本設(shè)計(jì)中因有除沫器，按其要求取塔頂空間高度=1.1m。封頭高度H=175mm。3.6 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算3.6.1 溢流裝置計(jì)算由于塔徑D=0.6m，故采用單溢流,內(nèi)弓形降液管，平行受液盤及平行溢流

36、堰，設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下：1、精餾段溢流裝置計(jì)算（1）溢流堰長對(duì)于單溢流 ,為0.65D，即：0.65×0.60.39m（2）出口堰高出口堰高由式3.26計(jì)算 （式3.26）選用平直堰，堰上液層高度由式3.27計(jì)算 （式3.27）近似取E=1，則：取板上清液層高度故（3）進(jìn)口堰高一般取=，即=0.055（4）降液管的寬度與降液管的面積由查圖3.3所示。圖3.3 弓形降液管的參數(shù)得，故為使液體中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)應(yīng)有足夠的停留時(shí)間。有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間不應(yīng)小于35s，對(duì)于高壓下操作的塔及易起泡的物系，停留時(shí)間應(yīng)更長一些。為此，在確定降液管尺寸后，應(yīng)

37、按式3.28驗(yàn)算降液管內(nèi)液體的停留時(shí)間。 （式3.28）由式3.29計(jì)算液體在降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積，即： （式3.29）符合要求。（5）降液管底隙高度降液管底隙高度由式3.30計(jì)算 （式3.30）取=0.08m/s(一般為=0.070.25m/s)，則：故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。2、提餾段溢流裝置計(jì)算（1）溢流堰長取=0.65D，即0.65×0.0.39m（2）出口堰高出口堰高由式3.26計(jì)算選用平直堰，堰上液層高度由式3.27計(jì)算近似取E=1，則：取板上清液層高度故（3）進(jìn)口堰高一般取=，即=0.049m（4）降液管的寬度與降液管的面積由查圖3.3所示，得：，故：液體在

38、降液管中停留時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積 符合要求。（5）降液管底隙高度降液管底隙高度由式3.30計(jì)算取=0.08m/s(一般為=0.070.25m/s)，則：故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。3.6.2 塔板布置因，故塔板采用整塊式。采用定距管式塔盤，公稱直徑DN=600-700mm的塔，塔節(jié)高度L=1200-1800mm，每個(gè)塔節(jié)中的塔盤數(shù)以5-6塊為宜取6塊，塔節(jié)數(shù)為3節(jié)。1、精餾段塔板布置（1）邊緣區(qū)寬度確定溢流堰前的安定區(qū)寬度進(jìn)口堰后的安定區(qū)寬度對(duì)于小塔，邊緣區(qū)寬度一般取3050mm故取，mm（2）開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積按式3.31計(jì)算，即： （式3.31）其中 （3）因本設(shè)計(jì)所處理的物系有腐蝕性

39、，故取的碳鋼板，取篩孔直徑=5mm篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：塔板上的篩孔數(shù)目n為： （式3.32）塔板上開孔區(qū)的開孔率為： （式3.33）在5%15%范圍內(nèi)，故開孔率符合要求。氣體通過篩孔的氣速為： （式3.34）2、提餾段塔板布置（1）邊緣區(qū)寬度確定取，m（2）開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積按式3.31計(jì)算其中 故 （3）因本設(shè)計(jì)所處理的物系有腐蝕性，故取的碳鋼板，取篩孔直徑=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：塔板上的篩孔數(shù)目n為：塔板上開孔區(qū)的開孔率為：（在5%15%范圍內(nèi)）氣體通過篩孔的氣速為：3.7 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算3.7.1 塔板壓降1、精餾段塔板壓降（1）干板阻力計(jì)

40、算干板阻力由式3.35計(jì)算，即： （式3.35）由，查圖3.4所示，得=0.79圖3.4 干篩孔的流量系數(shù)故 液柱（2）氣體通過液層的阻力計(jì)算氣體通過液層的阻力式3.36計(jì)算，即： （式3.36） （式3.37）查圖3.5所示，得圖3.5 充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖故 液柱（3）液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由式3.38計(jì)算 （式3.38）故 液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按式3.39計(jì)算 （式3.39）即 液柱氣體通過每層塔板的壓降為： （設(shè)計(jì)允許值）2、提餾段塔板壓降（1）干板阻力計(jì)算干板阻力由式3.35計(jì)算由，查圖3.4所示，得：=0.79故 液柱（2）氣體通過液層的阻力計(jì)算氣體通

41、過液層的阻力式3.36計(jì)算查圖3.5所示，得故 液柱（3）液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由式3.38計(jì)算即 液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按式3.39計(jì)算即 液柱氣體通過每層塔板的壓降為：（設(shè)計(jì)允許值）3.7.2 液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3.7.3 液沫夾帶1、精餾段液沫夾帶液沫夾帶量由式3.40計(jì)算，即： （式3.40）其中 m故 kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。2、提餾段液沫夾帶液沫夾帶量由式5-41計(jì)算其中 m即 kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣3.7.

42、4 漏液1、精餾段漏液對(duì)于篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由式3.41計(jì)算 （式3.41）即 實(shí)際孔速=9.34m/s>穩(wěn)定系數(shù)為： （式3.42）故在本設(shè)計(jì)中有一定漏液。2、提餾段漏液對(duì)于篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由式3.41計(jì)算即 穩(wěn)定系數(shù)為：故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液。3.7.5 液泛1、精餾段液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)服從式3.43的關(guān)系 （式3.43）苯氯苯物系屬一般物系，取=0.5，則： （式3.44） （式3.45）可由式3.46計(jì)算 （式3.46）即 液柱液柱=0.1775故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。2、提餾段液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)服從式3.43的關(guān)系而

43、可由式3.46計(jì)算即 液柱液柱=0.1745故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。3.8 塔板負(fù)荷性能圖3.8.1 精餾段塔板負(fù)荷性能圖1、漏液線由式3.41、式3.27、式3.26、式3.47 （式3.47）得 （式3.48）整理得 ： （式3.49）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)LS值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3.3所示。表3.3 精餾段漏液線數(shù)據(jù)0.00060.00150.1050.109由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。2、液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：由 （式3.50） （式3.51）故 整理得 （式3.52）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)LS值，依上式計(jì)算出VS值，計(jì)算結(jié)果列于表3.4所示。表3.4 精餾

44、段液沫夾帶線數(shù)據(jù)0.00060.00150.4740.411由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。3、液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，去堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。由式3.27得：取E=1，則：據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。4、液相負(fù)荷上限以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由式3.28得故 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。5、液泛線令 （式3.53）由式3.45、式3.39、式3.36 聯(lián)立得 （式3.54）忽略，將與,與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得 （式3.55） 式中 （式3.56） （式3.57） （式3.58） （式3-59）將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得：故 或 （式3.60）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3.5所示。表3.5 精餾段液泛線數(shù)據(jù)0.00060.00150.3610.301由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可