苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计

《化工原理课程设计》

学 校：西南石油大学 院 系：化学化工学院 专业年级：08级化学工程与工艺

姓 名： 李红利 0804040125

韩 伟 0804040126 李海峰 0804040120 程方圆 0804040101 严 格 0804040103 吴 芸 0804040104 熊 浩 0804040202

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

目 录

苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计任务 .................................................. 3 一．设计题目 ............................................................................................ 3 六．设计内容 ...................................................................................... 3 符号说明： ................................................................................................. 5 设计方案..................................................................................................... 8 一．设计方案的思考 .......................................................................... 8 二．设计方案的特点 ................................................................ 8 三．工艺流程....................................................................................... 8 一．设计方案的确定及工艺流程的说明 .......................................... 9 二．全塔的物料衡算 .......................................................................... 9 三．塔板数的确定 ............................................................................ 10 四．塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 ................ 13 五．精馏段的汽液负荷计算 ............................................................ 16 六．塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算 ........................................ 17 七．塔板负荷性能图 ........................................................................ 21 八．附属设备的的计算及选型 ........................................................ 25 筛板塔设计计算结果 .............................................................................. 35 设计评述 ................................................................................................... 36 一．设计原则确定 ............................................................................ 36 二．操作条件的确定 ........................................................................ 36 设计总结................................................................................................... 38

2

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计

苯-氯苯分离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.常压操作；

2.回流液温度为塔顶蒸汽的露点；

3.间接蒸汽加热，加热蒸气压力为5kgf/cm2； 4冷却水进口温度25℃

5.设备热损失为加热蒸汽供热量的5%；

三．塔板类型

筛板或浮阀塔板（F1型）。

四．工作日

每年300天，每天24小时连续运行。

五．厂址

厂址为西南地区。

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计算； 4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算； 5.塔板主要工艺尺寸的计算； 6.塔板的流体力学验算； 7.塔板负荷性能图； 8.精馏塔接管尺寸计算；

3

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

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（可根据实际情况选作）；

12.对设计过程的评述和有关问题的讨论。

七．设计基础数据

苯-氯苯纯组分的饱和蒸气压数据

温度，（℃） 80 760 148 90 100 110 120 130 131.8 pi?×0.133-1kPa 苯 氯苯 1025 1350 1760 2250 2840 2900 205 293 400 543 719 760 其他物性数据可查有关手册。

4

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

符号说明：

a ——填料的有效比表面积，㎡/m3 at——填料的总比表面积，㎡/m3 aw——填料的润湿比表面积，㎡/m3 Aa——塔板开孔区面积，m2 Af——降液管截面积，m2 A0——筛孔总面积，m2 At——塔截面积，m2

c0——流量系数，无因次

C——计算umax时的负荷系数，m/s d ——填料直径，m d0——筛孔直径，m D ——塔径，m

DL——液体扩散系数，m2/s DV——气体扩散系数，m2/s

ev——液沫夹带量，kg(液)/kg(气) E——液流收缩系数，无因次 ET——总板效率，无因次

F——气相动能因子，kg1/2/(s.m1/2) F0——筛孔气相动能因子， g——重力加速度，9.81m/s2 h——填料层分段高度，m HETP关联式常数

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，m 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——允许的最大填料层高度，m h0——降液管的低隙高度，m hOW——堰上液层高度，m hW——出口堰高度，m h’W——进口堰高度，m

hδ——与克服表面张力的压降相当的液柱高度，m液柱 H——板式塔高度，m

溶解系数，kmol/(m3·kPa) 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

5

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

进料板：σF,A?20.20mN/m；σF,B?25.34mN/m（88℃）

??A?B?20.20?25.34????F,m??????20.20mN/m ??x??x??20.20?0.298?25.34?0.702?BA?F?AB精馏段：?m??21.14?20.20?/2?20.67mN/m

氯苯的汽化潜热：

常压沸点下的汽化潜热为35.3×103kJ/kmol。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示：

r2r0.381?tc?t2????t?t???c1?0.38（氯苯的临界温度：tc?359.2?C）

（六）液体的平均粘度μL,m

塔顶：查化工原理附录11，在80℃下有：

μLD,m??μAxA?D??μBxB?D?0.315?0.986?0.445?0.014?0.317mPa?s

加料板：?LF,m?0.28?0.702?0.41?0.298?0.318mPa?s

mPa?s 精馏段：?L,m??0.317?0.318?/2?0.3175五．精馏段的汽液负荷计算

汽相摩尔流率V??R?1?D?1.548?151.69?234.82kmol/h 汽相体积流量Vs?VMV,m234.82?79.65??1.804m3/s

3600?V,m3600?2.883/h 汽相体积流量Vh?1.804m3/s?6494.4m液相回流摩尔流率L?RD?0.548?151.69?83.13kmol/h 液相体积流量Ls?LML,m83.13?84.29??0.00229m3/s

3600?L,m3600?850.193m3/s?8.24m/h 液相体积流量Lh?0.00229kW 冷凝器的热负荷Q?Vr??235.33?78.59??310?/3600?1593 16

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

六．塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算 （一）塔径

1.初选塔板间距HT?450mm及板上液层高度hL?60mm，则：

HT?hL?0.45?0.06?0.39m

2.按Smith法求取允许的空塔气速umax（即泛点气速uF）

?Ls???L???V????????s??V?0.5?0.00229??850.19??????1.8042.88????0.5?0.0218

查Smith通用关联图得C20?0.08

???负荷因子C?C20???20?泛点气速：

0.2?20.67??0.08???20?0.2?0.0805

umax?C?L??V?/?V?0.0805?850.19?2.88?/2.88?1.3808m/s

3.取安全系数为0.7，则空塔气速为

u?0.7umax?0.9665m/s

4.精馏段的塔径

D?4Vs/?u?4?1.804/3.14?0.9665?1.542m

圆整取D?1600mm，此时的操作气速u?0.9665m/s。 5.精馏塔有效高度的计算

精馏段有效高度为

Z精?（N精?1）（6?1）?0.45?2.25m HT?提馏段有效高度为

Z提?（N提?1）（11?1）?0.45?4.5m HT?在进料板上方开一人孔，其高度为600mm 故精馏塔的高度为

Z?Z精?Z提?2.25+4.5+0.6=7.35m

17

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

（二）塔板工艺结构尺寸的设计与计算 1.溢流装置

采用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）lw

取lw?0.6D?0.6?1.6?0.96m

堰上溢流强度Lh/lw?8.24/0.96?8.583m3/?m?h??100~130m3/?m?h?，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。 （2）出口堰高hw

hw?hL?how

对平直堰how?0.00284E?Lh/lw?2/3

2.5?8.24/0.962.5?9.13，查化工原理课程设计图5-5得由lw/D?0.6及Lh/lwE?1，于是：

how?0.00284?1??8.24/0.96?2/3?0.0119m?0.006m（满足要求） hw?hL?how?0.06?0.0119?0.0481m

（3）降液管的宽度Wd和降液管的面积Af

,Af/AT?0.056，即： 由lw/D?0.6，查化原下P147图11-16得Wd/D?0.11m2。 Wd?0.176m，AT?0.785D2?2.01m2，Af?0.11256液体在降液管内的停留时间

??AfHT/Ls?0.11256?0.45/0.00229?22.12s?5s（满足要求）

（4）降液管的底隙高度ho

液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的

??0.08m/s，则有： 流速uoho?

Ls0.00229??0.0298m（ho不宜小于0.02~0.025m，本结果满足要?0.96?0.08lwuo18

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

求） 2.塔板布置

（1）边缘区宽度Wc与安定区宽度Ws

边缘区宽度Wc：一般为50~75mm，D >2m时，Wc可达100mm。 安定区宽度Ws：规定D?1.5m时Ws?75mm；D?1.5m时Ws?100mm； 本设计取Wc?60mm，Ws?100mm。 （2）开孔区面积Aa

?2?1x??Aa?2?xR2?x2?Rsin?180R???0.524?? ?2?0.5240.742?0.5242??0.742sin?1?1800.740???1.408m2式中：x?D/2??Wd?Ws??0.8??0.176?0.100??0.524m

R?D/2?Wc?0.8?0.060?0.740m

3.开孔数n和开孔率φ

取筛孔的孔径do?5mm，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度δ?3mm，且取t/do?3.0。故孔心距t?3?5?15mm。

?1155?103??1155?103???每层塔板的开孔数n??2??Aa???152??1.408?7228（孔） t????每层塔板的开孔率φ?0.9070.907?2?0.101（φ应在5~15%，故满足要求） 23?t/do?每层塔板的开孔面积Ao??Aa?0.101?1.408?0.142m2 气体通过筛孔的孔速uo?Vs/Ao?1.804/0.142?12.70m/s （三）筛板的流体力学验算 1.塔板压降 (1)由

d0/??5/3?1.67查图5-10得c0=0.772

19

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

22?uo??V12.70?2.88??hc?0.051?0.0468m ???C????0.0510.772850.19???o?L (2)气体通过液层的阻力

h由下式计算

lh??h

u?VA?A

lLsaT?f1.804?0.95 m/s

2.01?0.11256F0?ua?Lv?0.952.88?1.61kg1/2/(s?m1/2)

查表5-11，得β=0.57.

h??hl??(hw?how)?0.57(0.0481?0.0119)?0.0342m液柱

（3）液体表面张力的阻力

h?计算

h?由下式计算

液体表面张力所产生的阻力

h???4?LL4?20.67?10?3??0.0020m液柱 850.19?9.81?0.005gd0气体通过每层塔板的液柱高度为

hp?hc?hl?h??0.0468?0.0342?0.0020?0.083m 液柱

气体通过每层塔板的压降为

?pp??Lghp?850.19?9.81?0.083?692.25Pa?0.69kPa?0.7kPa（满足工艺

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，故可忽略液面落差的影响。 3.液沫夹带

5.7?10?uaeV?????HT?hf?6?? ??3.2式中：hf?2.5hL=2.5×0.06=0.15

20

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

设计评述

一．设计原则确定

工程设计本身存在一个多目标优化问题，同时又是政策性很强的工作。设计者在进行工程设计时应综合考虑诸多影响因素，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。 1．满足工艺和操作的要求

所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。 2．满足经济上的要求

要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。 3．保证生产安全

生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。 二．操作条件的确定

结合课程设计的需要，对某些问题作具体阐述。 1. 操作压力

精馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应

36

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

在加压下进行精馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压精馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少精馏的能量消耗。对于本设计中要求分离的苯-氯苯物系，应采用常压操作。 2. 进料状态

进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。因此，本设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔。 3. 加热方式

精馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大，便可采用直接蒸汽加热。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。所以，本设计中采用间接蒸汽加热。 4. 冷却剂与出口温度

冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。综合考虑经济成本，本设计用常温水作冷却剂。 5. 热能的利用

精馏过程是组分反复汽化和反复冷凝的过程，耗能较多，如何节约和合理地利用精馏过程本身的热能是十分重要的。选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。

37

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

设计总结

作为一名化学工程与工艺专业大三的学生，一直进行着基础课程

的学习，《化工原理》就是其中一门工科类的基础课程，它更偏向于实际生产的运用，而我们学习的都是书本上的理论知识，对实际工业生产中设备的设计与计算并不熟悉，这次的课程设计就给了我们一次把书本中的知识联系到实践中去的机会，通过这次课程设计使我们充分认识到化工原理课程的重要性和实用性，也让我明白了书本上学习到的知识只是实际应用中的皮毛而已，有更多的实际生产问题是书本上的理论解决不了的。

化工原理课程设计的主要内容是进行有关工艺计算与设备的结构设计，还要求画出工艺流程图和设备主要构型图，它与一般的习题、大作业有着明显的不同，因为它涉及的知识范围更广，要求更高。资料、数据的收集，流程方案的确定，操作参数的选择，工艺和设备的计算等，单凭所学教科书是难以解决的，它要求设计小组中每个成员均要去查阅一定的资料、文献，并结合在化工原理课程中所学习过的理论知识及已修课程(如化学，物理化学，工程制图、分离技术等)的基础之上做综合运用。经过了为期数周的课程设计，可以说已经饱尝了辛酸与喜悦共进的滋味。

这次课程设计使我对精馏原理及其操作各方面有了较深入的了解并且参与了设计之后才知道，要设计好一个设备光是书上的公式还不够，还要查阅一些专门的手册和一定的实践经验，否则设计出来的设备仅仅是图纸而已，根本不能用于工业生产。在老师和同学的帮助，

38

08级化学工程与工艺化工原理课程设计

我们及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和灵活整合运用知识的能力 。虽然整体设计我基本满意，但由于缺乏经验难免会有不足之处，请老师批评指正。

39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v56f.html