化工原理课程设计

《化工原理》课程设计报告精馏塔设计学院专业班级学号姓名指导教师天津大学2012级本科生《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....................................................3二．操作条件....................................................3三．塔设备型式..................................................3四．工作日......................................................3五．厂址........................................................3六．设计内容....................................................3设计方案.................................................4一．工艺流程....................................................4二．操作压力....................................................4三．进料热状态...................................................4四．加热方式.....................................................4精馏塔工艺计算书.........................................5一．全塔的物料衡算..............................................5二．理论塔板数的确定............................................5三．实际塔板数的确定............................................7四．精馏塔工艺条件及相关物性数据的计算..........................8五．塔体工艺尺寸设计...........................................10六．塔板工艺尺寸设计...........................................12七．塔板流体力学检验...........................................14八．塔板负荷性能图.............................................17九．接管尺寸计算...............................................19十．附属设备计算...............................................21设计结果一览表..........................................24设计总结................................................26参考文献................................................26天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计3苯-氯苯精馏塔的工艺设计苯-氯苯分离过程精馏塔设计任务一．设计题目设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.6%的氯苯140000t，塔顶馏出液中含氯苯不高于0.1%。原料液中含氯苯为22%（以上均为质量%）。二．操作条件1.塔顶压强自选；2.进料热状况自选；3.回流比自选；4.塔底加热蒸汽压强自选；5.单板压降不大于0.9kPa；三．塔板类型板式塔或填料塔。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.设计方案的确定及流程说明2.精馏塔的物料衡算；3.塔板数的确定；4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；5.精馏塔主要工艺尺寸；天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计46.精馏塔塔板的流体力学验算；7.精馏塔塔板负荷性能图；8.精馏塔辅助设备选型与计算；9.设计结果概要或设计一览表；10.带控制点的生产工艺流程图及精馏塔的工艺条件图；11.设计总结和评述；设计方案的确定一、工艺流程苯和氯苯原料液经换热器由塔釜液预热至泡点连续进入精馏塔内，塔顶蒸气经塔顶冷凝器冷凝后，一部分馏分回流，一部分馏分作为产物连续采出；塔底液的一部分经塔釜再沸器气化后回到塔底，另一部分连续采出。塔顶设置全凝器，塔釜设置再沸器，进料及回流液的输送采用离心泵。本设计采用筛板塔，因其结构简单、易于加工、造价低廉，且具有处理能力大、塔板效率高、压降较低、适用于黏度不大的物系的分离等优点。二、操作压力精馏过程按操作压力可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。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的综合考虑。一般优先使用常压精馏，对热敏性物料或混合物泡点过高的物系，宜采用减压精馏。对于沸点低、在常压下为气态的物料，应在加压下进行精馏在本方案所涉及的浓度范围内，苯和氯苯的相对挥发度相差较大，易于分离，而且苯和氯苯在操作条件下均非热敏性物质，因此选用普通的常压精馏，并采取连续操作的方式。三、进料热状态进料热状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的关系。q值增加，则冷凝器负荷降低，再沸器负荷增加。对于低温精馏，采用较高q值更经济；对于高温精馏，当D/F值较大时，宜采用较小的q值；当D/F值较大时，宜采用q值较大的气液混合物。本方案采用泡点进料。四、加热方式塔釜的加热方式通常分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。当塔底产物近于纯水且在浓度很低时溶液的相对挥发度仍较大时，可采用直接蒸汽加热。本方案采用间接蒸汽加热，塔釜设置再沸器。饱和水蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此本方案采用饱和水蒸气作为加热剂。天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计5精馏塔工艺计算书一、全塔的物料衡算苯的摩尔质量氯苯的摩尔质量进料及塔顶、塔底产品中苯的摩尔分数进料及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量塔底产品量根据总物料衡算式及苯的物料衡算式联立求得天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计6二、理论塔板数的确定苯-氯苯属理想体系，采用图解法求理论板数。由手册查得不同温度下苯和氯苯的饱和蒸气压数据，根据查阅气象资料可知天津地区年平均气压为101.6kPa。计算塔顶压力对应的汽液平衡数据，绘制x-y图。图1图解法求理论板数本工艺采用泡点进料，进料热状况q=1。q线与平衡曲线的交点坐标为xq=0.836，yq=0.961。最小回流比取操作回流比天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计7精馏段气相及液相负荷提馏段气相及液相负荷精馏段操作线方程提馏段操作线方程采用图解法求理论板数。求解结果为总理论板数NT=16，其中精馏段理论板数NT,精=9，提馏段理论板数NT,提=6（不含再沸器），进料板位置NF=10。设全塔效率ET=0.5，则精馏段实际板数N精=9/0.5=18，提馏段实际板数N提=6/0.5=12，总板数N=18（不含再沸器）。三、实际塔板数的确定前已得出，塔顶压力则塔底压力由Antoine方程及泡点方程通过试差法分别计算塔顶和塔底的温度（泡点）。天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计8计算得塔顶温度塔底温度则全塔平均温度由手册查得此温度下苯的黏度氯苯的黏度。进料液的黏度相对挥发度通过O’connell法估算全塔效率该数值低于假设值，故通过迭代重新计算。最终得到满足精度要求的全塔效率值按此值计算得精馏段实际板数N精=19，提馏段实际板数N提=13，总板数N=32（不含再沸器）。四、精馏塔的工艺条件及相关物性数据的计算1操作压力根据塔顶压力及单板压降，可计算进料板压力及塔底压力精馏段平均压力天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计9提馏段平均压力2操作温度前已求得塔顶温度通过前文所述的泡点温度计算方法求取下，对应的进料板泡点温度以及下，对应的塔底泡点温度精馏段平均温度提馏段平均温度3平均摩尔质量塔顶查平衡曲线得气相平均摩尔质量液相平均摩尔质量进料板由图解法已知第10块理论板为进料板。查平衡曲线得对应的气液相组成为天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计10气相平均摩尔质量液相平均摩尔质量塔底查平衡曲线得气相平均摩尔质量液相平均摩尔质量精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量4密度精馏段气相平均密度提馏段气相平均密度由手册查得塔顶（）天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计11则进料板（）苯的质量分数则塔底（）则精馏段液相平均密度提馏段液相平均密度5表面张力塔顶（）则进料板（）则天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计12塔底（）则精馏段平均表面张力提馏段平均表面张力五、塔体工艺尺寸设计1塔径精馏段气液相流量分别为取塔板间距，板上液层高度，则查Smith关联图得，则负荷因子最大允许气速天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计13取安全系数为0.6，则空塔气速提馏段气液相流量分别为取塔板间距，板上液层高度，则查Smith关联图得，则负荷因子最大允许气速取安全系数为0.6，则空塔气速天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计14按标准塔径圆整，取。塔截面积为精馏段实际空塔气速提馏段实际空塔气速2塔高塔板间距HT取0.80m。塔顶空间高度HD取2倍塔板间距，即1.60m。塔底空间高度HB按下式计算。塔釜储液高度其中，塔釜料液停留时间取30min，查手册可知DN3200mm的封头容积为0.635m3。塔底页面至最下层塔板间距h2取2.065m，则全塔开6个人孔，分别位于塔顶、第7块板、第13块板、进料板、第26块板和塔釜，塔板间距可保证足够的工作空间。塔的有效高度六、塔板工艺尺寸设计1溢流装置塔径为3.2m，故选用单溢流弓形降液管及凹形受液盘。天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计15精馏段取，则溢流堰堰长选用平直堰，Francis公式中液流收缩系数近似取。堰上层液高度堰高度由查手册得到降液管宽度与塔径之比及降液管截面积与塔截面积之比则液体在降液管中的停留时间故降液管设计合理取液体通过降液板底隙的流速，则底隙高度提馏段取，则溢流堰堰长选用平直堰，Francis公式中液流收缩系数近似取。堰上层液高度堰高度天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计16由查得则停留时间故降液管设计合理取液体通过降液板底隙的流速，则底隙高度2板面组成因塔径较大，采用分块式塔板，塔板分为7块。安定区宽度取，边缘区宽度取。开孔区面积Aa用下式计算精馏段同理，可算得提馏段3筛孔设计天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计17选取厚度的碳钢塔板，筛孔直径。精馏段和提馏段的筛孔均按正三角形排列，取筛孔中心距。精馏段筛孔数目开孔率气体通过阀孔的气速同理可得提馏段七、塔板流体力学检验1塔板压降塔板压降包括干板阻力、板上液层的有效阻力及液体表面张力引起的阻力。干板阻力由查得流量系数。则精馏段干板阻力同理，提馏段干板阻力气体通过液层的阻力精馏段以塔截面面积与降液区面积之差为基准计算的气体速度天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计18气相动能因子查手册得，充气系数，则板上液层的有效阻力提馏段液体表面张力引起的阻力精馏段提馏段由以上各项分别计算得精馏段和提馏段的塔板压降精馏段提馏段均满足设计任务书给定的要求2漏液精馏段漏液点气速天津大学2012级本科生《化工原理》课程设计19实际孔速稳定系数提馏段漏液点气速实际孔速稳定系数3液沫夹带精馏段鼓泡层高度根据Hunt关联式算得液沫夹带量提馏段鼓泡层高度液沫夹带