板式精馏塔课程设计

天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告1《化工原理》课程设计报告苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计学院专业班级学号姓名合作者指导教师天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告2化工原理设计任务书一、设计题目:苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计二、设计任务1）进精馏塔的原料液中含氯苯为38%（质量百分比，下同），其余为苯。2）塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。3）生产能力为日产纯度为99.8%的氯苯Z吨产品。年工作日300天，每天24小时连续运行。（设计任务量为3.5吨/小时）三、操作条件1.塔顶压强4kPa（表压）；2.进料热状况，自选；3.回流比，自选；4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa；5.单板压降不大于0.7kPa；6.设备型式：自选7．厂址天津地区四、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五行数据的计算；4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5.塔板的主要工艺尺寸计算；6.塔板的流体力学计算；7.塔板负荷性能图；8.精馏塔接管尺寸计算；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；12.对设计过程的评述和有关问题的讨论天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告3五、基础数据1.组分的饱和蒸汽压ip（mmHg）温度，（℃）8090100110120130131.8ip苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.组分的液相密度ρ（kg/m3）温度，（℃）8090100110120130ρ苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯tA187.1912ρ氯苯tB111.11127ρ式中的t为温度，℃。3.组分的表面张力σ（mN/m）温度，（℃）8085110115120131σ苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4双组分混合液体的表面张力mσ可按下式计算：ABBABAmxxσσσσσ（BAxx、为A、B组分的摩尔分率）4.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：38.01212ttttrrcc（氯苯的临界温度：C2.359ct）5.其他物性数据可查化工原理附录。天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告4目录一、设计方案的确定及流程说明.............................................................................5二、精馏塔的物料衡算............................................................................................6三、塔板数的确定...................................................................................................6四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.....................................................10五、塔径和塔高的初步计算...................................................................................12六、溢流装置的计算..............................................................................................13七、塔板设计.........................................................................................................14八、流体力学性能校核..........................................................................................15九、塔板负荷性能图..............................................................................................18十、板式塔结构与附属设备...................................................................................23十一、附属设备设计.................................................................................................25十二、设计结果一览表..............................................................................................28十三、个人重新设计.................................................................................................29十四、设计评述.........................................................................................................30十五、参考文献.........................................................................................................30十六、符号说明.........................................................................................................31十七、附图................................................................................................................32天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告5一、设计方案的确定及流程说明1.操作压力蒸馏操作可在常压，加压，减压下进行。应该根据处理物料的性能和设计总原则来确定操作压力。例如对于热敏感物料，可采用减压操作。本次设计为一般物料因此，采用常压操作。2.进料状况进料状态有五种：过冷液，饱和液，气液混合物，饱和气，过热气。但在实际操作中一般将物料预热到泡点或近泡点，才送入塔内。这样塔的操作比较容易控制。不受季节气温的影响，此外泡点进料精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造上也叫方便。本次设计采用泡点进料即q=1。3.加热方式蒸馏釜的加热方式一般采用间接加热方式，若塔底产物基本上就是水，而且在浓度极稀时溶液的相对挥发度较大。便可以直接采用直接加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热，在釜内只需安装鼓泡管，不需安装庞大的传热面，这样，操作费用和设备费用均可节省一些，然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断涌入，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。塔釜中易于挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍微有增加。但对有些物系。当残液中易挥发组分浓度低时，溶液的相对挥发度大，容易分离故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。4.冷却方式塔顶的冷却方式通常水冷却，应尽量使用循环水。只有要求的冷却温度较低，考虑使用冷却盐水来冷却。本实验用循环水。因此，根据上叙设计方案的讨论及设计任务书的要求，本设计采用常压操作，泡点进料，间接蒸汽加热以及水冷的冷却方式。本设计任务为分离苯—氯苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏方法，设计中采用泡点进料，将混合料液经预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升器采用全凝器冷凝后，部分回流。其余部分作为塔顶产品经冷却后送入储罐。该物系属于易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜部分采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送入储罐。工艺流程图见附图。天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告6二、精馏塔的物料衡算1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量MA=78.11Kg/Kmol氯苯的摩尔质量MB=112.56Kg/KmolxF=0.6278.11⁄0.6278.11⁄+0.38112.56⁄=0.702xD=0.9878.11⁄0.9878.11⁄+0.02112.56⁄=0.985xw=0.00278.11⁄0.00278.11⁄+0.998112.56⁄=0.002892.原料液及塔顶、塔底的平均摩尔质量MF=0.702*78.11+(1-0.702)*112.56=88.38Kg/KmolMD=0.985*78.11+(1-0.985)*112.56=78.63Kg/KmolMW=0.00289*78.11+(1-0.00289)*112.56=112.46Kg/Kmol3.物料衡算塔底产品量W=3500/112.46=31.12Kmol/h总物料衡算F=D+W苯物料衡算F*0.702=0.985D+0.00289W联立解得F=107.98Kmol/hD=76.86Kmol/h物料衡算结果如表1所示：表1物料衡算结果流量组成（苯）质量流量Kg/h摩尔流量Kmol/h质量分率摩尔分率进料9543.3107.980.620.702塔顶6043.576.860.980.985塔底350031.120.0020.00289三、塔板数的确定1.理论板层数NT的求取苯-氯苯属理想物系，可采用图解法求理论板数。①由已知苯-氯苯物系的饱和蒸汽压数据计算苯-氯苯的气液相平衡数据，绘出x-y图。天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告7表2常压下苯-氯苯的气液相平衡数据温度,℃PA0,mmHgPB0,mmHgPA0,atmPB0,atmxyα=PA0/PB0807601481.0000.1951.0001.0005.1359010252051.3490.2700.6770.9135.00010013502931.7760.3860.4420.7854.60811017604002.3160.5260.2650.6134.40012022505432.9610.7140.1270.3764.14413028407193.7370.9460.0190.0723.950131.829007603.8161.0000.0000.0003.816计算过程举例：t=100℃x=(P-PB0)/(PA0-PB0)=(760-293)/(1350-293)=0.442y=PA0x/P=1350*0.442/760=0.785α=PA0/PB0=1350/293=4.608②求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图1-1中对角线上，自点e(0.702,0.702)作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为：yq=0.914xq=0.702故最小回流比为：Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=(0.985-0.914)/(0.914-0.702)=0.335取操作回流比为：R=2Rmin=2*0.335=0.67③求精馏塔的气液负荷L=RD=0