化工原理苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計.doc
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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??;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(yàn)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?。?)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(shí)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(shí)際板層數(shù) 提餾段實(shí)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(shí)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(xiàng)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(xiàng)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(shí)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(shí)際,與具體項(xiàng)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(shí)際,又讓我們懂得了在實(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn),從實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn),培養(yǎng)實(shí)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- 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