精餾塔工藝設(shè)計(jì)

1、一、苯-氯苯板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書（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)構(gòu)尺寸的確定（ 2）塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算（

2、 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、對本設(shè)計(jì)的評述或?qū)τ嘘P(guān)問題的分析與討論（四）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1 .組分的飽和蒸汽壓pi°(mmHg溫度,(C)80.1859095100105苯757.62889.261020.91185.651350.41831.7氯米147.44179.395211.35253.755296.16351.355溫度,(C)110115120125130131.75苯23132638.52964335537464210氯米406.55477.125547.7636.505725.317602 .組分的

3、液相密度p(kg/m3)溫度，(C)6080100120140苯836.6815.0792.5768.9744.1氯米1064.01042.01019.0996.4972.93 .組分的表面張力6(mN/rm溫度，(C)6080100120140苯23.7421.2718.8516.4914.17氯米25.9623.7521.5719.4217.324 .液體粘度wmmPa?S溫度，（C）6080100120140苯0.3810.3080.2550.2150.184氯苯0.5150.4280.3630.3130.2745 .Antoine常數(shù)組分ABC苯6.0231206.35220.24氯苯

4、7.13382182.68293.767、苯-氯苯板式精儲塔的工藝計(jì)算書（精儲段部分）（一）設(shè)計(jì)方案的確定及工藝流程的說明原料液經(jīng)臥式列管式預(yù)熱器預(yù)熱至泡點(diǎn)后送入連續(xù)板式精儲塔（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)精微流程為原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱后到指定的溫度后，送入精儲塔的進(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)的傳遞過程。操作時，連續(xù)地從再沸器取

5、出部分液體作為塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海糠忠后w汽化，產(chǎn)生上升蒸氣，依次通過各層塔板。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（儲出液）。（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摩爾質(zhì)量分別為78.11kg/kmol和112.6kg/kmolXf=0.6930.61/78.110.61/78.110.39/112.62 .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小時計(jì)，有：3643210000.989D二二58.62kmolh,33024'全塔物料衡算：

6、F=DW=F=84.22kmol/hXfF=XdDXwWW=25.6kmol/h（三）塔板數(shù)的確定1 .理論塔板數(shù)Nt的求取2）確定操作的回流比R將1）表中數(shù)據(jù)作圖得xy曲線及t-xy曲線。在xy圖上，因q=0,e（0.693,0.693）查得yq=0.693,Xq=0.31。故有:X D y q min 一yq - Xq0. 989 - 0. 6930. 693 - 0. 31=0. 7624 ; R = 2Rmin = 1.5253）求理論塔板數(shù)（圖解法）精微段操作線：y二rx-4=0.604x392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)Np1）全塔效率Et選用E

7、t=0.17-0.61610g即公式計(jì)算。該式適用于液相粘度為0.071.4mPas的炫類物系，式中的即為全塔平均溫度下以進(jìn)料組成表示的平均粘度。塔的平均溫度為0.5（80+129）=104.5C（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：%=0.246mPas,睦=0.352mPa，s。2）實(shí)際塔板數(shù)Np（近似取兩段效率相同）精微段：Np1=3/0.51=6塊提儲段：Np1=2.5/0.51=5塊（四）塔的精微段操作工藝條件及相關(guān)物性數(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：pD=77.314=81.31kPa加料板：pF=81.310.76=85.5

8、1kPa塔底：pW=85.510.75=89.01kPa精微段平均壓強(qiáng)pm=（81.31-85.51）/2=83.41kPa提儲段平均壓強(qiáng)pm=（89.0185.51）/2=87.26kPa2 .平均溫度tmP=Pa%+Pb%和lgPA-'C兩式聯(lián)立由試差法求得td=73.35C；tf=83.76C;tw=125.79C精微段平均溫度:提儲段平均溫度:3.平均分子量M m?=? =73.35+83.762125.79+83.762=78.55 C=104.715 C塔頂：V1=Xd=0.989,X1=0.93（查相平衡圖）加料板：y=0.725,Xf=0.38（查相平衡圖）塔底：yw=

9、0.075,Xw00.014精微段：MVm=(78.4987.59)/2=83.04kg/kmol提儲段：MVm=(87.59110.01)/2=98.8kg/kmol4.平均密度加1)液相平均密度Mm塔頂：tD=73.35CPA=822.2Kg/m3PB=1049.3Kg/m3進(jìn)料板：tF=83.76CPA=810.8Kg/m3PB=1037.7Kg/m3塔底：tw=83.76761.7Kg/m3；-B=989.6Kg/m3精微段:Lm=(824.9947.2)/2=886.05Kg/m3提儲段:Lm=(947.2-986.6)/2=966.9Kg/m32)汽相平均密度W,m精微段:PmMm

10、RTm84. 8183. 048. 314 (78. 55273. 15)=2. 38Kg/ m3提儲段:PmMVm _84. 8199. 36RTm - 8. 314 (104.71273. 15)2. 76Kg / m5 .液體的平均表面張力塔頂：t d = 73. 35 C ;仃da = 22. 09mN/ m/B = 24. 44mN/ m進(jìn)料板：t F = 83. 76 C ;仃FA = 20. 82mN/ m crFB = 23. 34mN / m塔底：tW= 125.79 °C;oWA = 15. 82mN/ m 仃WB = 18. 77mN/ m精微段： Lm= (2

11、4.44 21.59)/ 2 = 21. 86mN/ m提儲段： (21.59 18.77)/ 2 = 20. 18mN/ m6 .液體的平均粘度比戶塔頂：t d = 73. 35 C da = 0. 332mpa -s b = 0. 457mpa s加料板：tf=83.76CNfa=0.298mpasNfb=0.416mpa.s塔底：tf=125.79c,%a=0.206mpas,%b=0.302mpas精微段：Lm=（0.3330.334）/2=0.3335mpas提儲段：Lm-（0.3340.3003）/2=0.317mpas（五）精儲段的汽液負(fù)荷計(jì)算汽相摩爾流率V=（R1）D=2.52

12、558.62=148.02Kmol/h汽相體積流量Vs=-VMV=148.0283.04=1.43m3/s3600；-Vm36002.38液相回流摩爾流率L=RD=1.52558.62=89.40Kmol/h液相體積流量Ls=LMLm=啰.”一9°-9=0.0025m3/s3600PLm3600886.05（六）塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算1.塔徑1）初選塔板間距Ht=400mm及板上液層高度兒=50mm,則：2）按Smith法求取允許的空塔氣速Umax（即泛點(diǎn)氣速Uf）查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得C20=0.075負(fù)荷因子C=C20（芫）0.2=0.075（21崇）0.2=0.076

13、3泛點(diǎn)氣速：886.05-2.38umax=0.07631.47m/sm/s2.383）操作氣速取u=0.7Umax=0.71.47=1.029m/s4）精儲段的塔徑圓整取D=1400mm塔截面積為At =三D2422(1.4) = 1.539m此時的操作氣速u1. 42=0. 935m/ s。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，且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。溢流堰長（出口堰長）lw取lw=0.6D=0.61.4=0.84m出口堰高h(yuǎn)w?=0.6?=13.92?查得 E=1.02降液管的寬度Wd和降液管的面積Af由lw/D=0.66,

14、查化原下P147圖11-16得W/D=0.1,A/A=0.055,即:W=0.14m,A=0.055m2液體在降液管內(nèi)的停留時間3600A HtLs= 13.55 a 5s (滿足要求)降液管的底隙高度ho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uO=0.1m/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WS=0.09mWC=0.04m開孔區(qū)面積Aa式中：x=D/2-WdWS=0.47m3）開孔數(shù)n和開孔率小取篩孔白孔徑do=5mm,正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度A3mm,且取t/do=

15、3.0。故孔心品巨t=35=15mm。每層塔板的開孔數(shù)n1158A0=5769 (孔)每層塔板的開孔率Q-090："07=0.101（小應(yīng)在515%故滿足要求）t/do3氣體通過篩孔的孔速Uo= 12. 54m/ s A)4）精儲段的塔高乙Z精=(N精-1)叫=(6-1)0.4=2m；（七）塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓降1）氣體通過干板的壓降hc、,2 hc =0.051 u0-j J Co = 0.84 。2）氣體通過板上液層的壓降幾動能因子Fo-0.9832.38-1.52Kg/(sm1/2)查化原圖得一：=0.603）氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降h。4）氣體通過篩板的壓降（

16、單板壓降）hp和中p俎=PLghP=0.539Kpa<0.7Kpa（滿足工藝要求）。2,霧沫夾帶量ev的驗(yàn)算驗(yàn)算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。3 .漏液的驗(yàn)算漏液點(diǎn)的氣速Uomuomin=4.4C0（0.00560.I3hl=h二）不L/飛一二7.16m/s<11.07m/s篩板的穩(wěn)定性系數(shù)K=*=1.75（1.5）（無漏液）U0min4 .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HdE（Ht+hw）取邛=0.5;邛(Ht+兒)=0.218mHdw（Ht+hw成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精儲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

17、需重選Ht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”一仃 ht2.5hL 一Ua3.2(1)式中：Ua=Vs=0.688VsA-A將已知數(shù)據(jù)代入式(1)2/3Us=2.90517.55Ls(1-1)在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依式（1-1）算出對應(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）?=?+?+?,、2?0Hi=6。（？+?）=0.0216+0.4584?3?=0.002012?=0.0236+0.015?+0.4544?3?=0.153（缶）2Vs2=

18、11.976-17066.7Ls2-81.23Ls2/3（2-2）在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依式（2-2）算出對應(yīng)的Vs值列于下表:3.液相負(fù)荷上限線（3）0.0010.00150.0020.00253.343.303.263.22依據(jù)表中數(shù)據(jù)彳出液泛線（2）Ls,max=HlAl=0.00847m3/s（3-3）4.漏液線（氣相負(fù)荷下限線）（4）22一整理得：Vs,min=0.555+6.66Ls3（4-4）在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依式（4-4）算出對應(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)彳出漏液線（4）

19、5.液相負(fù)荷下限線（5）取平堰堰上液層高度上卬=0.006mLSmin=0.000716m3/s（5-5）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Vs,min之比，即：操作彈性=Vmx=25=3.06Vj,min0.8三、塔的提儲段操作工藝條件（五）提儲段的汽液負(fù)荷計(jì)算汽相摩爾流率V'=V-（1q）F=63.8Kmol/h汽相體積流量Vs=5"=0.634m3/s3600：Vm液相回流摩爾流率L'=L=89.4Kmol/h液相體積流量Ls=LMLm=0.0027m3/s3600：1m（六）塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算1.塔徑1）

20、初選塔板間距Ht=500mnM板上液層高度從=60mm,則：2）按Smith法求取允許的空塔氣速Umax（即泛點(diǎn)氣速Uf）查Smith通用關(guān)聯(lián)圖得C20=0.09負(fù)荷因子C=C2o（）0.2=0.09（2°8）0.2=0.09022020泛點(diǎn)氣速：3）操作氣速取u=0.7umax=0.71.687=1.181m/s4）精儲段的塔徑圓整取D=1000mm塔截面積為AT=-D2=-（1.0）2=0.785m244此時的操作氣速u=0-634=0.81m/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、弓形降液管、平形受液盤，且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。溢流堰長

21、（出口堰長）lw取lw=0.7D=0.7m出口堰高h(yuǎn)whw=>-how=0.06-0.0169=0.0431m降液管的寬度Wd和降液管的面積Af由lw/D=0.7,查化原下P147圖11-16彳#Wd/D=0.139,Af/A=0.09,即：w=0.139m,A=0.065m2液體在降液管內(nèi)的停留時間AAA-Hr=13>5s（滿足要求）Ls降液管的底隙高度ho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uo=0.08m/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 .塔板分塊因D=1000故塔板分3塊2 .邊緣區(qū)寬度Wa=Ws,=0.0

22、65mWc=0.035m開孔區(qū)面積Aa式中：x=D/2-WdWs=0.7-0.17360.065=0.311m3）開孔數(shù)n和開孔率小取篩孔白孔徑d0=5mm,正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度A3mm,且取t/do=3.0。故孑心品巨t=35=15mm。每層塔板的開孔數(shù)n=*%=2731（孔）每層塔板的開孔率心工竺4=組”=0.101（小應(yīng)在515%故滿足要求）t/do3氣體通過篩孔的孔速u0=%=11.81m/sA4）精儲段的塔高乙（七）塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓降1）氣體通過干板的壓降hcJ/巴、-hc=0.051-0-7-Co=0.84。0八Pl12）氣體通過板上液層的壓降hi動能因

23、子F0=0.968.2.76=1.61Kg/（sm1/2）查化原圖得；0=0.603）氣體克服液體表面張力產(chǎn)生的壓降h。4）氣體通過篩板的壓降（單板壓降）hp和中pPp=PLghp=0.626Kpa<0.7Kpa（滿足工藝要求）。2 .霧沫夾帶量e的驗(yàn)算驗(yàn)算結(jié)果表明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。3 .漏液的驗(yàn)算篩板的穩(wěn)定性系數(shù)K = 士 = 1.58 （大于1.5 ,不會產(chǎn)生過量液漏）漏液點(diǎn)的氣速UomU0min4 .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HdW（Ht+hw）HdW（Ht+hw成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學(xué)驗(yàn)算，可認(rèn)為精儲段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適，若

24、要做出最合理的設(shè)計(jì)，還需重選Ht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 " uaILHT -2.5hL(1)式中:UaAt - Af1.527Vs將已知數(shù)據(jù)代入式（1）2 /3Vs=1.618.672LS（1-1）在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依式（1-1）算出對應(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（1）2 .液泛線Hthw=hphwhowhd?=?+?+?2?H1=0(?+?)=0.058+0.5077?3?=0.00207(已算出)2?=0.0275+0.0715?+0.51?3?=0.153(?)2=136?Vs2=2.2-1486Ls2-14.78Ls2/3(2-2)在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依式(2-2)算出對應(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)彳出液泛線（2）3 .液相負(fù)荷上限線(3),HTAf3Lsmax=T-f=0.008125m3/s(3-3),4 .漏液線(氣相負(fù)荷下限線)(4)整理得：2c，,Vs2=0.131+1.52