化工原理苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計.doc

前 言塔設(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)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)備的性能對于整個裝置的產(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：1、生產(chǎn)能力大；2、操作穩(wěn)定，彈性大；3、流體流動阻力小；4、結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量少，制造和安裝容易；5、耐腐蝕和不易阻塞，操作方便，調(diào)節(jié)和檢修容易。目 錄苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計.3設(shè)計內(nèi)容及要求 .3一、設(shè)計方案的確定 4二、精餾塔的物料衡算 4三、塔板數(shù)的確定 . 5四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算7五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算.9六、塔板主要工藝尺寸的計算11七、篩板的流體力學(xué)驗算 .13八、塔板負(fù)荷性能圖 .15總 結(jié) .21參考文獻(xiàn) .22設(shè)計任務(wù)書（一）題目試設(shè)計一座苯氯苯連續(xù)精餾塔，要求每日產(chǎn)純度98.8%的苯90噸，塔頂餾出液中含苯不得高于0.2%，原料液中含苯32%（以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。（二）操作條件（1）塔頂壓強(qiáng) 5kPa（表壓）；（2）進(jìn)料熱狀況 泡點(diǎn)；（3）回流比 R=1.4Rmin；（4）單板壓降 0.7 kPa；（5）加熱蒸汽 低壓蒸汽；（6）全塔效率 ET=52%；（7）建廠地址 南京地區(qū)。設(shè)計計算書一、設(shè)計方案的確定本任務(wù)是分離苯氯苯混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程，本設(shè)計采用板式塔連續(xù)精餾。設(shè)計中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送進(jìn)精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分冷卻后送至儲物罐。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1.4倍，且在常壓下操作。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲物罐。二、精餾塔物料衡算（以輕組分計算）1原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量 氯苯的摩爾質(zhì)量 2原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3物料衡算原料處理量 總物料衡算 苯物料衡算 聯(lián)立解得 三、塔板數(shù)的確定1理論板數(shù)NT的求取（1）由手冊查得苯氯苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出xy圖，見圖。8090100110120130131.8101.33136.66179.99234.60299.99378.65386.6519.7327.3339.0753.3372.4095.86 101.331.0000.6770.4420.2650.1270.0190.0001.0000.9130.7850.6130.3760.0720.000（2）求最小回流比及操作回流比。采用作圖法求最小回流比。在圖中對角線上，自點(diǎn)e（0.404,0.404）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yq=0.754故最小回流比為取操作回流比為 （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 提餾段操作線方程 （5）圖解法求理論板層數(shù)如附圖1，將x=0.404帶入精餾段操作線方程，得出y=0.655，在圖中找出該點(diǎn)記為d，連接ad兩點(diǎn)即得精餾段操作線；在對角線上找到c點(diǎn)（0.003，0.003），連接cd兩點(diǎn)即得提餾段操作線。自a點(diǎn)開始在操作線和平衡線之間作階梯線。求解結(jié)果為：總理論板層數(shù) 進(jìn)料板位置 2 實際板層數(shù)的求解（試差法）假設(shè)總板效率ET=0.52精餾段實際板層數(shù) 提餾段實際板層數(shù) （不包括再沸器）四、精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1操作壓力的計算塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 精餾段平均壓力 2操作溫度的計算依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法計算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、氯苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算。苯、氯苯Antoine常數(shù)數(shù)據(jù)表ABC溫度范圍（K）苯6.019071204.682-53.072279-3776.068321236.034-48.99353-4226.36071466.083-15.44420-521氯苯6.104161431.83-55.515335-4056.629881897.415.21405-597塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 精餾段平均溫度 3平均摩爾質(zhì)量的計算塔頂：由，查平衡曲線得 進(jìn)料板：由圖理論板得，查平衡曲線得 精餾段平均摩爾質(zhì)量 4平均密度的計算（1）氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，得精餾段 （2）液相平均密度計算 塔頂時， 進(jìn)料板時， 精餾段液相平均密度為 5液相平均表面張力的計算液相平均表面張力依下式計算，即 塔頂時，查得 進(jìn)料板時，查得 精餾段液相平均表面張力為 6. 液體平均粘度計算液相平均粘度依下式計算，即 塔頂時， 進(jìn)料板時， 精餾段液相平均表面張力為 五、精餾塔的塔體工藝尺寸計算 1塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為 由式中C由公式計算，其中可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出，圖的橫坐標(biāo)為 取板間距，板上液層高度，則 由史密斯關(guān)系圖得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=0.7m塔截面積為實際空塔氣速為2精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為 提餾段有效高度為 在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m故精餾塔的有效高度為 六、塔板主要工藝尺寸的計算1 溢流裝置的計算因塔徑D=0.7m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：（1） 堰長（2） 堰高由選用平直堰，堰上液層高度由弗蘭西斯公式求得（近似取E=1） 區(qū)板上清液層高度故 （3）弓形降液管的寬度和截面積當(dāng)時，查表得 依照公式驗算液體在降液管中停留時間，即 故降液管設(shè)計合理。（5）降液管底隙高度 取 則 故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度。2塔板布置（1）塔板的分塊因，故塔板采用整塊式（2） 邊緣區(qū)寬度確定取。（3） 開孔面積計算開孔區(qū)面積 其中，（4） 篩孔計算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為 篩孔數(shù)目n為開孔率為氣體通過閥孔的氣速為七、篩板的流體力學(xué)驗算1塔板壓降（1） 干板阻力計算干板阻力由公式計算，即 由，查圖得故(2)氣體通過液層的阻力由下式計算 查圖得=0.62 （3）液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計算氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算，即氣體通過每層塔板的壓降為（設(shè)計允許值）2.液面落差對于篩板塔，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液沫夾帶液沫夾帶量由下式計算，即其中故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。4漏液對篩板塔，漏液點(diǎn)的氣速可由下式計算實際孔速穩(wěn)定性系數(shù)為故在本設(shè)計中無明顯漏液。5.液泛為防止降液管發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應(yīng)服從以下關(guān)系，即苯氯苯物系屬于一般物系，取，則而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，可由下式計算，即則液柱液柱故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。八、塔板負(fù)荷性能圖1.漏液線由 得 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依式上式計算出值，列于下表。 0.0006 0.0015 0.00300.0045 0.142 0.147 0.1540.159由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。2.液沫夾帶線以氣為限，求關(guān)系如下由 故 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，列于下表。0.00060.00150.00300.00450.57450.53610.48680.4455由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。3.液相負(fù)荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。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)荷上限線以=4s作為液體在降液管中停留時間的下限，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 由 ；聯(lián)立得 忽略，將的關(guān)系式帶入上式，并整理得 故 或 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，列于下表0.00060.00150.00300.00450.4790.4480.3800.271由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖所示。在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由上圖查得 故操作彈性為所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總表如下所示。 序號項目數(shù)值1平均溫度tm，88.82平均壓力Pm，kPa108.633氣相流量Vs，（m/s）0.2774液相流量Ls，（m/s）0.00065實際塔板數(shù)226有效段高度Z，m8.87塔徑，m0.78板間距，m0.409溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m0.46212堰高，m0.052113板上液層高度，m0.0614堰上液層高度，m0.0079415降液管底隙高度，m0.01916安定區(qū)寬度，m0.06517邊緣區(qū)寬度，m0.03518開孔區(qū)面積，m0.23219篩孔直徑，m0.00520孔中心距，m0.01521篩孔數(shù)目119122開孔率， %10.123空塔氣速，m/s0.71924篩孔氣速，m/s11.8225穩(wěn)定系數(shù)1.9526每層塔板壓降，Pa681.527負(fù)荷上限液沫夾帶控制28負(fù)荷下限漏液控制29液沫夾帶eV，(kg液/kg氣)0.130氣相負(fù)荷上限，m/s0.55531氣相負(fù)荷下限，m/s0.14132操作彈性3.936總 結(jié)兩個周的化工原理課程設(shè)計已經(jīng)圓滿結(jié)束。這要感謝我們的指導(dǎo)老師張老師和李老師對我們悉心的指導(dǎo)，感謝同學(xué)給予我的幫助。通過本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合設(shè)計的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識，所以我們就上網(wǎng)，圖書館找資料。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。在設(shè)計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。驗算的時候只要一個不合格，那么必須全部重來，不斷的改正，不斷地吸取教訓(xùn)，才能不斷的進(jìn)步，得到最終的設(shè)計成果。通過該課程設(shè)計，全面系統(tǒng)的理解了精餾塔的一般原理和基本實現(xiàn)方法。把死板的課本知識變得生動有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。把學(xué)過的精餾塔的知識強(qiáng)化，能夠把課堂上學(xué)的知識通過自己設(shè)計的精餾塔表示出來，加深了對理論知識的理解。以前對與精餾塔認(rèn)識是模糊的，概念上的，現(xiàn)在通過自己動手做實驗，從實踐上認(rèn)識了精餾塔是如何運(yùn)行的，各個部件之間的關(guān)系，對精餾塔原理的認(rèn)識更加深刻。在這次課程設(shè)計中，我就是按照實驗指導(dǎo)的思想來完成。加深了理解精餾塔的內(nèi)部功能及內(nèi)部實現(xiàn)，培養(yǎng)實踐動手能力。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計還存在一些瑕疵，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，結(jié)果固然重要，但過程才是最讓人受益匪淺的。參考文獻(xiàn)1.化工流體流動與傳熱，化學(xué)工業(yè)出版社，柴誠敬、張國亮，2004年2.化工傳質(zhì)與分離過程，化學(xué)工業(yè)出版社，賈紹義、柴誠敬，2005年3.化工原理課程設(shè)計，天津大學(xué)出版社，賈紹義、柴誠敬，2002年4化工原理（下），天津大學(xué)出版社，夏清、陳常貴，2005年5石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，盧煥章，1982年