苯-氯苯分离浮阀板式精馏塔设计书

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1、苯-氯苯分离浮阀板式精馏塔设计书一苯-氯苯分离过程浮阀板式精馏塔设计任务1.1设计题目 设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为98%的氯苯3.2万吨/年，塔顶馏出液中苯含量不低于98%，塔底馏出液中苯含量不高于0.2%，原料液中含苯65%（以上均为质量%）。1.2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.塔底加热蒸汽压力0.5MPa(表压)；5.单板压降不大于0.7kPa；1.3塔板类型浮阀塔板（F1型）。1.4工作日每年330天，每天24小时连续运行。1.5厂址厂址为天津地区。1.6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

2、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；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。二、塔的工艺计算已知参数：苯、氯苯混合液处理量，F5000kg/h；回流比R（自选）；进料热状况，；塔顶压强，；单板压降不大于。已知数据如下表所示：表3-1 苯和氯苯的物理性质项目分子式分子量M（g/mol）沸点（K）临界温度tC（）临界压强PC（atm）苯A氯苯B78.114112.559353.3404.95

3、62.1632.448.344.6表3-2 苯和氯苯的饱和蒸汽压温 度 ( )8090100110120130131.8,mmHg760102513501760225028402900，mmHg148205293400543719760X10.6770.4420.2650.1270.01930y10.9130.7850.6130.3760.07220表3-3 液体的表面张力（）温度()8090100110120130苯，mN/m21.220.617.316.816.315.3氯苯，mN/m26.125.722.722.221.620.4表3-4 苯与氯苯的液相密度温度()80901001101

4、20130苯,kg/817805793782770757氯苯,kg/1039102810181008997985表3-5 液体粘度温度()6080100120140苯（mP.s）0.3810.3080.2550.2150.184氯苯（mP.s）0.5150.4280.3630.3130.2742.1塔的物料衡算1）料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分率2）平均分子量 2.2、全塔物料衡算总物料衡算 （1） 易挥发组分物料衡算 （2）联立上式（1）、（2）解得： 2.3塔板数的确定.1塔板数的计算在本设计中，苯氯苯属于理想物系，可用图解法计算理论板数。其计算方法如下：（1）根据苯氯苯的气液平衡数据作x

5、-y图及t -x-y图（如下图所示）。通过气液平衡关系计算，计算结果列于上表3-2，通过表在t -x-y图直角坐标系中做出平衡曲线和对角线，并标出c点（、）、e点（、）、a点（、）三点；（2）求最小回流比及操作回流比。因气液混合进料（液：气1：2）即，所以其q线方程为：，在x-y图中对角线上自点e作出进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为（），此即最小回流比时操作线与平衡线的交点坐标。依最小回流比计算式：。取操作回流比：。精馏段操作线方程：其截距为0.493即点，连接点和点可以作出精馏段操作线方程，与q线交于点，连接点、点可作出提馏段操作线方程。按照常规的图解法作梯级可得：层（不包括再沸器）

6、，其中精馏段理论板数为3层，提馏段为5层（不包括再沸器），第4层为加料板图如上图所示 .2 全塔效率依式：，根据塔顶、塔底液相组成查t-x-y图，求得塔平均温度为：，由表 3-5 及内插知该温度下苯和氯苯的粘度为： 该温度下进料液相平均粘度为： 则 .3 实际塔板数精馏段： 提馏段： 故实际塔板数：（层）.4操作压强塔顶压强，取每层板的压降为0.7kPa，则进料板的压强为：，塔底压强为：，故精馏段平均操作压强为：，提馏段平均操作压强为： .5 温度根据操作压强,经计算得塔顶,，进料板温度，塔底：，则精馏段的平均温度：，提馏段的平均温度：。.6 平均分子量塔顶：， 进料板：，塔底： , 则精馏段

7、平均分子量：，提馏段平均分子量：， .7 平均密度1）液相密度根据主要基础数据表3-4，由内插法得：塔顶：，塔底：，加料板：，由（为质量分率）故塔顶： ，即；塔底：，即；进料板，由加料板液相组成，故故精馏段平均液相密度：提馏段平均液相密度：2） 气相密度 .8. 液体表面张力根据主要基础数据表3-3，由内插法得：,，,，。 暂此则精馏段平均表面张力：提馏段平均表面张力：.9 液体粘度 根据主要基础数据表3-5，由内插法得：,，,， ,。 故精馏段平均液相粘度： 提馏段平均液相粘度： 三、塔和塔板主要工艺尺寸的设计精馏段：提馏段： 3.1 塔径塔板间距HT的选定很重要，可参照下表所示经验关系选取

8、。表6 板间距与塔径关系塔径DT，m0.30.50.50.80.81.61.62.02.44.02.4板间距HT，mm200300300350350450450600500800=600图4-1 SMITH 关联图根据上表，初选板间距，取板上液层高度，故；精馏段：查史密斯关联图，可得。依式 校正物系表面张力为时可取安全系数为0.7（安全系数0.60.8），则故。按标准,塔径圆整为1.2m,则空塔气速为：提馏段： 查史密斯关联图，可得；依式校正物系表面张力为时可取安全系数为0.7（安全系数0.60.8），则故。按标准,塔径圆整为1.2m,则空塔气速为：3.2 溢流装置选用单溢流、弓形降液管、平行

9、受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。各项计算如下：1)溢流堰长：单溢流取（0.6-0.8）D，取堰长为0.65D，即2)出口堰高：由，精馏段：提馏段：查液流收缩系数计算可知：为1.020,由得，精馏段：故；查液流收缩系数计算可知：为1.028,因此可得，提馏段： 故3)降液管的宽度与降液管的面积：由查弓形降液管的宽度与面积得：，, ，利用式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即s（5s，符合要求）4)降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速则降液管底隙高度为：精馏段 提馏段3.3 塔板分布及浮阀数目及排列3.3.1 塔板分布 选用F1型重阀，阀孔直径d0=39mm，底边孔中心距t=75m

10、m3.3.2 浮阀数目与排列3.3.2.1 精馏段取阀孔动能因子 ，则孔速 m/s每层塔板上浮阀数目为 块取边缘区宽度 m，破沫区宽度 m计算塔板上的鼓泡区面积，即：其中 =0.733 浮阀排列方式采用等腰三角叉排，取同一个横排的孔心距，则排间距： mm 考虑到孔径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用90mm，而应小于此值。故取t=65mm=0.065m按t=75mm，t=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数105个 按N=105个重新核算孔速及阀孔动能因数，=12.16 阀孔动能因数变化因数不变，仍在913范围内，塔板开孔率 。

11、图4-2阀孔排列方式3.3.2 提馏段 取阀孔动能因子=12，则 m/s每层塔板上的浮阀数目为 块按t=75 mm，估算排间距， mm取 mm，排得阀数为53块。按53块重新核算孔速及阀孔动能因数， m/s 阀孔动能因数变化不大，开孔率=浮阀排列方式如图所示：图4-3 提馏段阀孔排列方式3.4 塔板的流体力学计算3.4.1 气相通过浮阀塔板的压降 可根据计算1 精馏段 1）干板阻力 m/s 因 故=0.047 m 2）表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： m Pa2 提馏段 1）干板阻力 m/s因 故=0.042 m/s2）板上充气液层阻力 取

12、m 3）表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：m Pa3.5 淹塔 为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度：即。3.5.1 精馏段1 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 m2 液体通过降液管的塔头损失 m3板上液层高度 0.07m ，则 m 取=0.5，已选定 m,m 则 所以符合防淹塔的要求。3.5.2 提馏段1 单板压降所相当的液柱高度m2 液体通过降液管的压头损失： m3 板上液层高度：0.07m ，则 m 取=0.5，则 m，可见 所以符合防淹塔的要求。3.6 物沫夹带 3.6.1 精馏段 泛点率= 泛点=板上流体流经长度： m板

13、上流经面积： 查物料系数K=1.0，泛点负荷性能系数图。泛点率：泛点率：对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上可知，物沫夹带能够满足的需求。3.6.2 提馏段取物料系数K=1.0，泛点负荷性能系数图泛点率：泛点率：由计算知，符合要求。3.7塔板负荷性能图 3.7.1 物沫夹带线 泛点率=据此可作业负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点泛80%计算。1 精馏段0.8=整理得： （7-2）由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内作取两个值，算出,作出雾沫夹带线（1）2 提馏段：0.8=整理得： 3.7.2 液泛线由此确定液泛线，忽略式中 而 1 精馏段整理得：2 提馏段整理得：

14、3.8 液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3-5s，液体降液管内停留时间 s。以s作为液体降液管内停留时间的下限，则： 3.9 液漏线对于 型重阀，依=5作为规定气 体最小负荷的标准，则3.9.1 精馏段 3.9.2 提馏段 3.10 液相负荷下限性 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为气相流量无关的竖直线。取E=1则 由以上4.5-4.10可作出负荷性能图，图如下：由塔板负荷性能图可看出：1） 在任务规定的气液负荷下的操作p处在操作区内的适中位置。2） 塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带线控制，操作下限由漏液控制；3） 按固定的液气比，由图可查出塔板

15、的气相负荷上限=0.651，气相负荷下限0.4226 。所以：精馏段操作弹性为：0.651/0.4226=1.5405；提馏段操作弹性为：0.006/0.0006=10. 图 4-3 精馏段负荷性能图（H表示液泛线，I表示液沫夹带线，J表示液漏线，C表示负荷下限，E代表负荷上限，下同。）图 4-4 提馏段负荷性能图四、塔的附属设备选型4.1 接管 4.1.1 进料管 进料管的要求很多，有直管进料管、弯管进料管、丁型进料管。本设计采用直管进料管，管径如下： 取=1.6m/s ，=87.71C4.1.2 回流管 采用直管回流管，取 m/s，L=24.94kmol/h4.1.3 塔釜出料管取 m/s

16、,直管出料=130.00， ，4.1.4 塔顶蒸汽出料管直管出气，取出口气速：u=20 m/s， 。4.1.5 塔釜进气管采用直管，取气速u=23m/s, ， 4.2 除沫器 当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫剂，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫剂有折流板式除沫剂，丝网除沫器以及程流出沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、重量轻，空隙大及使用方便等优点。 设计气速选取： 系数=0.107 m/s 除沫器直径D=m4.3 裙座 塔底端用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主

17、要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。基础环内坏径其中取基础环的内外径与裙座截面内径的差为200mm考虑到腐蚀余量取，考虑到再沸器，裙裾高度取3 m，地角螺栓直径取M30.4.4人孔 人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔10-20块塔板才设一个人孔，本塔中共17块塔板，需设置2个人孔，每个孔直径为450 mm，在设置人孔处，塔间距为600 mm，裙座应开两个人孔，直径为450 mm，人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法

18、兰相同，本设计也是如此。4.5 塔总体高度的计算4.5.1 塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板间的距离为600 mm，塔顶部空间高度为1200 mm。4.5.2 塔的底部空间高度 塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5 min。 m 4.5.3 塔总体高度 m m4.6 附属设备设计 4.6.1 冷凝器的选择因塔顶馏出液几乎为纯苯，故其焓可近似按纯苯计算，则全凝器的热负荷为 有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为： 。本设计取 K=700=2926取进口（冷却水）温度为t1=20(夏季)冷却

19、水出口温度一般不超过40，否则易结垢，取出口温度t2=35。出料液温度：80（饱和气）80饱和液）冷却水温度：20 35 逆流操作： ， 传热面积：4.6.2 再沸器的选择再沸器的热负荷为,因塔顶釜残液几乎为纯氯苯，故其焓可近似按纯氯苯计算，即 。 则对饱和液体进料 选用150的饱和水蒸气加热，传热系数取K=2931 K。料液温度：131.8131.8，热流温度150150。 逆流操作：换热面积：4.7筒体与封头 4.7.1 筒体塔体材料选用16MnR、设计条件下的许用应力为：。圆筒厚度为： 4.7.2 封头封头厚度为： 选用标准椭圆形封头，所以K=1,因为钢板最小厚度不得小于，所以取圆筒和封

20、头的厚度为4mm加上厚度的负偏差，腐蚀欲量等于6.25mm。最后取厚度为的标准钢板。取厚度为的标准钢板。五、塔的各项指标校验5.1塔设备质量载荷计算5.1.1筒体圆筒、封头、裙座质量圆筒质量： 封头质量：裙座质量： =+=2120+148+447=2715kg说明：（1）塔体圆筒总高度为 （2）查的DN1000mm，厚度8mm的圆筒质量149kg/m （3）查的DN1000mm，厚度8mm的椭圆形封头质量74.1kg/m （4）裙座高度3m（厚度按8mm计）。5.1.2、塔内构件质量 （查得浮阀塔盘质量为75kg/m2）5.1.3、保温层质量5.1.4平台、扶梯质量说明：平台质量；笼式扶梯质量

21、；笼式扶梯总高；平台数量n=6。5.1.5操作时物料质量说明：物料密度,封头容积，塔釜圆筒部分深度=0.29m，塔板层数N=17，塔板上液层高度 5.1.6附件质量按经验去附件质量为5.1.7充水质量5.1.8塔体操作时质量： Kg各种质量载荷汇总全塔的操作质量/kg全塔最小质量/kg水压试验时最大质量/kg5.2 风载荷及风弯矩5.2.1 风载荷，=0.7，塔高14.37 m，取1.7，查得此地区=。 值如下：对于m段，查表：=1.0 对于1020m 段，=20-10=10m 查表 ：=1.25 塔体有效直径=，对于斜梯取=200mm，其最大值为计算塔段中有四层平台，每层平台迎风面积为0.5

22、。 mm为简化计算且偏安全计，各段均取： mm塔体各断风力：310m： 1020m： 5.2.2 风弯矩把截面划分为00截面为裙座基座截面，11截面为裙座人孔处截面，22截 面为裙座塔体焊缝处截面。 11截面弯矩： 式中： -塔体22截面到标高10m处的距离 -对应于段的风力11截面弯矩: 22截面弯矩:5.3各种载荷引起的轴向应力5.3.1计算压力引起的轴向应力 其中，)5.3.2操作质量引起的轴向应力截面0-0 令裙座厚度 ;。截面1-1 截面2-2 其中，。5.3.3最大弯矩引起的轴向应力。截面1-1 截面2-2 5.4塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核5.4.1塔体的最大组合轴向拉应力

23、校核截面2-2 塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作是的2-2截面上，其中；K=1.2；K 满足要求5.4.2塔体与裙座的稳定校核截面2-2塔体2-2截面上的最大组合轴向压应力满足要求。 其中，A=查得（16MnR,110）B=118MPa,K=1.2 。2 截面1-1塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中，A=查得（Q135-AR,110）B=110MPa,K=1.2 5.5 焊缝强度 裙裾与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力为： 水压试验时塔的强度和稳定性验算：水压试验时，塔体1-1截面的强度条件： 由于苯和氯苯对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定压力，故选用16Mn

24、R。式中： 因此满足水压试验强度满足要求。5.5.2水压试验时裙裾底部1-1截面的强度和稳定性验算 式中：， 由于因此满足强度与轴向稳定性要求。六、设计结果概要及汇总浮阀塔工艺设计计算结果总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强、各段平均温度、平均流量气相、液相、实际塔板数、块611板 间 距HTm0.450.45塔 径、mm1.21.2空塔气速、塔板溢流形式-单溢流型单溢流型溢流装置溢流管型式-平顶弓形溢流堰平顶弓形溢流堰堰 长m0.780.65堰 高m溢流堰宽度m0.125底隙高度m0.043阀孔阀孔数目N个6374孔 径m0.39孔 心 距tm0.0750.075阀孔气速、m/s

25、8.228.69开孔率-单板压强降-0.70.7气相最大负荷0.6510.004气相最小负荷0.4226操作弹性-2.98748.0八、总结在这个设计过程中，我们首先写策划书和查阅资料，查找数据和表图。由于自己的信息检索能力不强，在刚开始查找苯氯苯的相平衡数据时一度进入了茫然状态，只觉得大海捞针，却什么都查不到。随着最小回流比的确定，一切都步入了正轨。然而，问题又随之而来，排版，格式，字体，表格，行间距等等问题，都让这个平时从不接触word的我们一次一次有了挫败的感觉。一次次的查阅资料，请教同学，这才发现，平时不注意的office也有这么大的学问。辛苦是必然的，当然，还有莫大的成就感。这毕竟是我们几个人辛苦的成果。在本次设计任务中，我们有了解决真正工程问题的感觉，认识到各种经验公式对工程设计的重要性。这使我们将以前的学习中学习到的理论知识成功的运用到了实际工程的设计当中。