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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用化工原理课程设计苯 - 氯苯板式精馏塔的工艺设计工艺运算书目 录名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用苯- 氯苯板式精馏塔的工艺设计 苯- 氯苯分别过程板式精馏塔设计任务一设计题目设计一座苯 - 氯苯连续精馏塔,要求年产纯度为99.8%的氯苯 50000t ,塔顶馏出液中含氯苯不高于 2%；原料液中含氯苯为 38%以上均为质量 %）；二操作条件1. 塔顶压强 4kPa；5. 单板压降不大于 0.7kPa；三塔板类型筛板
2、或浮阀塔板 F1型）；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 四工作日每年 300 天,每天 24 小时连续运行；五厂址厂址为天津地区；六设计内容 1. 精馏塔的物料衡算；2. 塔板数的确定；3. 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的运算；4. 精馏塔的塔体工艺尺寸运算；5. 塔板主要工艺尺寸的运算；6. 塔板的流体力学验算；7. 塔板负荷性能图；8. 精馏塔接管尺寸运算；9. 绘制生产工艺流程图；10. 绘制精馏塔设计条件图；11. 绘制塔板施工图 可依据实际情形选作）；12. 对设计过程的评述
3、和有关问题的争论；七设计基础数据苯- 氯苯纯组分的饱和蒸气压数据温度, /kg,m 2/s DV气体扩散系数, m 2/s夹量,kg液 ev液沫E液流收缩系数,无因次ET总板效率,无因次加分速度,9.81m/s2F气相动能因子, kg1/2/s.m1/2 F0筛孔气相动能因子,g重力h填料层段高度,m HETP关联式常数m h1进口堰与降液管间的水平距离,m hc与干板压降相当的液柱高度,m液柱hd与液体流过降液管的压降相当的液柱高度,hf塔板上鼓泡层高度, m hl与板上液层阻力相当的液柱高度,m液柱 hL板上清液层高度, m hmax答应的最大填料层高度,m h0降液管的低隙高度, m h
4、OW堰上液层高度, m hW出口堰高度, m 名师归纳总结 hW进口堰高度, m 表面张力的压降相当的液柱高度,m液柱h 与克服H板式塔高度, m 第 4 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 溶解系数, kmol/m3 kPa个人资料整理仅限学习使用HB塔底空间高度, m Hd降液管内清液层高度,m HD塔顶空间高度, m HF进料板处塔板间距,m HOG气相总传质单元高度,m HP人孔处塔板间距, m HT塔板间距, m H1封头高度,H2裙座高度,HETP等系板,高度h.,m kG气膜吸收数2 kmol/m.kPa）kL液膜速吸收系数
5、,m/h K稳固系数,无因次KG气膜吸取系数kmol/m 2.h.kPa）体积流量,m 3/h lW堰长, m 无Lh液体Ls液体体积流量,m 3/h Lw润湿率,m 3/mh）m相平衡常数,因次n筛孔数目NOG气相总传质单元数,操理作论压板力层数NTP,Pa P压力降, Pa PP气体通过每层筛板的压降,r 鼓泡区半径, m Pa u空塔气速, m/s uF泛点气速, m/s u0气体通过筛孔的速度,m/s u0,min漏液点气速, m/s u0液体通过降液管底隙的 速m 3/m 2度,m/s U液体喷淋密度,.h）UL液体质量通量,2 /m.h）Umin最小液体喷通淋密度,m 3/m 22
6、/m.h）Uv气体质量量,.h）Vh气体体积流量, m 3/hVs气体质体积流量,m 3/h wL液体量流量,/h wV气体质量流量, /h Wc边缘无效区宽度, m 名师归纳总结 Wd弓形降液管宽度, m ,液相相摩尔筛板分,数xX液摩尔比y气相体摩尔分数Y气摩尔比Z填料层；高度,m 充气系数无因次厚度m 空隙液率内,留无时因,次液体在降管停间s 第 5 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 密孔,粘 3 kg/m个人资料整理仅限学习使用力.,s 度,Pa度表面张N/m 开率或孔流系数,无因次填料因子,l/m 液体密度校正系数,无因次下最
7、液大标max的min最小的L相V气相设计方案一设计方案的摸索通体由不锈钢制造,塔节规格 25100mm、高度 0.5 1.5m,每段塔节可设置 12 个进料口/ 测温口,亦可结合客户详细要求进行设计制造各种非标产品；整个精馏塔包括：塔釜、塔节、进料罐、进料预热器、塔釜液储罐、塔顶冷凝器、回流比掌握器、产品储罐等；塔压降由名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 变送器测量,塔釜上升蒸汽量可通过采纳釜液温度或灵敏板进行掌握,塔压可采纳稳压阀控制,并可装载自动安全阀；为使塔身保持绝热操作,采纳现代化
8、外表掌握温度条件,并可在室 温 300范畴内任意设定；同时,为了满意用户的科研需要,每一段塔节内的温度、塔釜液 相温度、塔顶气相温度、进料温度、回流温度、塔顶压力、塔釜压力、塔釜液位、进料量等参 数均可以数字显示；二设计方案的特点 浮阀塔应用广泛,对液体负荷变化敏锐,不相宜处理易聚合或者含有固体 悬浮物的物料浮阀塔涉及液体均布问题在气液接触需冷却时会使结构复杂板式塔的设计资料更易得到,而且更牢靠；浮阀塔更适合 作；三工艺流程塔径不很大,易气泡物系,腐蚀性物系,而且适合真空操原料液由泵从原料储罐中引出,在预热器中预热后送入连续板式精馏塔 筛板塔）,塔顶上升蒸汽流采纳强制循环式列管全凝器冷凝后一部
9、分作为回流液,其余作为产品经冷却至后送至产品槽；塔釜采纳热虹吸立式再沸器供应气相流,塔釜残液送至废热锅炉；苯- 氯苯板式精馏塔的工艺运算书一设计方案的确定及工艺流程的说明本设计任务为分别苯- 氯苯混合物；对于二元混合物的分别,应采纳连续精馏过程；设计中采纳泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内；塔顶上升蒸汽采纳全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐；该物系属易分别物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的 塔底产品经冷却后送至储罐；二全塔的物料衡算一）料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率2 倍；塔釜采纳间接蒸汽加热,名师归纳总结 苯和氯苯的
10、相对摩尔质量分别为78.11 kg/kmol和 112.61kg/kmol ；第 7 页,共 22 页苯的摩尔质量：=78kg/kmol 氯苯的摩尔质量：=112.61kg/kmol - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用二）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量三）料液及塔顶底产品的摩尔流率 物料衡算、原料处理量. 总物料衡算：笨物料衡算：联立解得： D=37.04mol/h W=41.6kmol/h 三塔板数的确定一）理论塔板数的求取MT 法）求取,步骤如下：苯- 氯苯物系属于抱负物系,可采纳梯级图解法1. 依据苯 - 氯苯的相
11、平稳数据,利用泡点方程和露点方程求取依据表 3-1 ,将所得运算结果列表如下：131.相关数据运算温度, ）80 90 100 110 120 130 8 苯760 1025 1350 1760 2250 2840 2900 氯苯148 205 293 400 543 719 760 两相x 1 0.670.440.260.120.010 7 2 5 7 9 摩尔0 1 0.910.780.610.370.07分率y 3 5 4 6 1 此题中,塔内压力接近常压实际上略高于常压）,而表中所给为常压下的相平稳数据,名师归纳总结 由于操作压力偏离常压很小,所以其对平稳关系的影响完全可以忽视；第 8
12、 页,共 22 页2. 确定操作的回流比R 将表 3-1 中数据作图得曲线；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-1 苯氯苯混合液的 xy 图在图中对角线上自点0.47,0.47 ）作垂线即为进料线 q 线）该线与平稳线的交点坐标为：故最小回流比：操作回流比：精馏塔的气液相负荷3. 求理论塔板数求操作线方程：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 3-2 苯- 氯苯物系精馏分别理论塔板
13、数的图解图解得块不含釜）；其中,精馏段块,提馏段块,第 4 块为加料板位置；二）实际塔板数1. 采纳图解法求理论塔板层数 总理论塔板数：进料板位置：实际板层数的求取 精馏段实际板数：提馏段实际板数：四塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的运算一）平均压强塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 二）平均温度依据操作压力,由泡点方程通过试差法,运算出泡点温度,其中苯、氯苯的饱和蒸汽压由安托尼方程运算,运算结果如下：塔顶温度进料板温度精馏段平均温度三）平均分子量名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料
14、整理 仅限学习使用塔顶平均摩尔质量运算：由 查平稳曲线得进料板平均摩尔质量运算由图解理论板得：精馏段平均摩尔质量：四）平均密度由抱负气体状态方程运算即：液相平均密度运算：塔顶液相平均密度运算：由,查手册得进料板液相平均密度运算：由,查手册得进料板液相的质量分数运算：精馏段液相平均密度为：五）液体的平均表面张力附：表 4-2 组分的表面张力mN/m）120 131 温度, ）80 85 110 115 苯21.2 20.6 17.3 16.8 16.3 15.3 氯苯26.1 25.7 22.7 22.2 21.6 20.4 双组分混合液体的表面张力可按下式运算：为 A、B组分的摩尔分率）计塔顶
15、液相平均表面张力运算：由,查手册得名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进料板平均表面张力：由个人资料整理仅限学习使用,查手册得精馏段平均表面张力：六）液体的平均粘度1. 液相平均粘度运算：由,查手册得进料板平均粘度运算：由,查手册得精馏段平均表面粘度：五精馏段的汽液负荷运算精馏段的气液相体积流率为：六塔和塔板主要工艺结构尺寸的运算一）塔径1. 初选塔板间距 及板上液层高度,就：2. 按 Smith 法求取答应的空塔气速 即泛点气速）查 Smith 通用关联图得负荷因子名师归纳总结 - - - - - - -第 12
16、 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 泛点气速：m/s 3. 取安全系数为 0.7 ,就空塔气速为4. 精馏段的塔径圆整取,此时的操作气速；5. 精馏塔有效高度的运算 精馏段有效高度为提馏段有效高度为在进料板上方开一人孔,其高度为 600mm 故精馏塔的高度为 2.25+4.5+0.6=7.35m 二）塔板工艺结构尺寸的设计与运算 1. 溢流装置 采纳单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盘,且不设进口内堰； 1 ）溢流堰长 出口堰长）取堰上溢流强度,满意筛板塔的堰上溢流强度要求； 2 ）出口堰高对平直堰由及,查化工原理课程设计
17、图5-5 得,于是：满意要求） 3 ）降液管的宽度 和降液管的面积名师归纳总结 由,查化原下 P147图 11-16 得；,即：第 13 页,共 22 页,- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 液体在降液管内的停留时间满意要求） 4 ）降液管的底隙高度液 体 通 过 降 液 管 底 隙 的 流 速 一 般 为 0.070.25m/s , 取 液 体 通 过 降 液 管 底 隙 的 流 速,就有： 不宜小于 0.020.025m,本结果满意要求）2. 塔板布置 2m时,安定区宽度：规定m时mm；m时本设计取mm,mm； 2 ）开孔
18、区面积式中：3. 开孔数 和开孔率取 筛 孔 的 孔 径, 正 三 角 形 排 列 , 筛 板 采 用 碳 钢 , 其 厚 度, 且 取；故孔心距；每层塔板的开孔数孔）每层塔板的开孔率应在 515%,故满意要求）每层塔板的开孔面积气体通过筛孔的孔速 由查图 5-10 得=0.772 第 14 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2 气体通过液层的阻力由下式运算个人资料整理仅限学习使用 m/s 查表 5-11 ,得 =0.57. 3 ）液体表面张力的阻力 运算液体表面张力所产生的阻力 由下式运算气体通过每层塔板的液柱高度为气体通过每层塔板的
19、压降为 满意工艺要求）2. 液面落差 对于筛板塔,液面落差很小,且本案例的塔径和液流量均不大,故可忽视液面落差的影 响；3. 液沫夹带式中：=2.5 0.06=0.15 在本设计中液沫夹带量在答应范畴中；4. 漏液 漏液点的气速名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用筛板的稳固性系数 不会产生过量液漏）5. 液泛为防止降液管发生液泛,应使降液管中的清液层高度苯氯苯物系属于一般物系,取 =0.5 而板上不设进口堰,就成立,故不会产生液泛；七塔板负荷性能图1. 液沫夹带线 1）以气为限,求关系如下
20、 7-1）式中：将已知数据代入式 7-1） 7-2）名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在操作范畴内,任取几个个人资料整理仅限学习使用值,依式 7-2）算出对应的值列于下表：表 7-1 0.0005 0.005 1）0.01 0.015 0.02 4.396 3.929 3.579 3.286 3.024 依据表中数据作出雾沫夹带线2. 液泛线 2） 7-3） 7-4）在操作范畴内,任取几个值,依式 7-4）算出对应的值列于下表：表 7-2 0.0005 0.005 0.01 0.015 0.02 3.385 3.
21、069 2.675 2.11 1.1 依据表中数据作出液泛线 2）3. 液相负荷上限线 3）以名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理仅限学习使用） 7-54. 漏液线 气相负荷下限线） 4）漏液点气速整理得：在操作范畴内,任取几个 7-6值列于下表：）值,依式 7-6）算出对应的表 7-3 0.0005 0.001 0.01 0.015 0.63 0.65 0.87 0.96 依据表中数据作出漏液线 4）5. 液相负荷下限线 5）取平堰堰上液层高度m,； 7-7）名师归纳总结 - - - - - - -第
22、 18 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 7-1 精馏段 筛板负荷性能图在负荷性能图上,作出操作点A,连接 OA,即作出操作线；由图可看出,该筛板的操作上线为液泛掌握,下限为漏液掌握；由上图查得故操作弹性为： V Vs,max=3.17m 3/s s,min=0.65m 3/s =4.88 八附属设备的的运算及选型 一）塔体总高度板式塔的塔高如图 8-1 所示,塔体总高度 式中 H D塔顶空间, m；HB塔底空间, m；HT塔板间距, m；HT 开有人孔的塔板间距,m；HF进料段高度, m；名师归纳总结 Np实际塔板数；第 19 页
23、,共 22 页 S人孔数目 不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用二）塔顶空间 HD塔顶空间 见图 8-1 ）指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离；为利于出塔气体夹带的液滴沉降,其高度应大于板间距,通常取HD为 1.5 2.0 ）HT；如图 8-1 塔高示意图需要安装除沫器时,要依据除沫器的安装要求确定塔顶空间；三）人孔数目 人孔数目依据塔板安装便利和物料的清洗程度而定；对于处理不需要常常清洗的物料,可名师归纳总结 隔 810 块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需常常清洗,就每隔46 块塔板开
24、一个人孔；人孔直径通常为450mm本设计取 600mm）；第 20 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 8-1 板式塔总体结构简图四）塔底空间 HB名师归纳总结 - - - - - - -塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距；其值视详细情形而定：当进料有15 分钟缓冲时间的容量时,塔底产品的停留时间可取35 分钟,否就需有1015 分钟的储量,以保证塔底料液不致流空；塔底产品量大时,塔底容量可取小些,停留时间可取35 分钟；对易结焦的第 21 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 物
25、料,停留时间应短些,一般取个人资料整理仅限学习使用11.5 分钟；精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、直接 蒸汽鼓管、物料输送管及泵等；前四种设备本质上属换热器,并多采纳列管式换热器,管线和 泵属输送装置；下面简要介绍；和 b所示；将冷凝器与精馏塔作成一体；这种布局的优点是上升蒸汽压降较 小,蒸汽分布匀称,缺点是塔顶结构复杂,不便修理,当需用阀门、流量计来调剂时,需较大 位差,须增大塔顶板与冷凝器间距离,导致塔体过高；该型式常用于减压精馏或传热面较小场合；图 8-2 冷凝器的型式 2. 自流式 如图 8-2c）所示；将冷凝器装在塔顶邻近的台架上,靠转变台架的高度来获得回流和采 出所需的位差；3. 强制循环式 如图 8-2d）、 e）所示；当冷凝器换热面过大时,装在塔顶邻近对造价和修理都是不利 的,故将冷凝器装在离塔顶较远的低处,用泵向塔供应回流液；名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 22 页