化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 43 頁理 工 大 學(xué)化工課程設(shè)計說明書作 者 : 學(xué) 號：學(xué)院 (系 ): 化工學(xué)院專 業(yè) : 化學(xué)工程與工藝題 目 : 苯-氯苯精餾系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)者： 評閱者： 年 月化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 43 頁化工課程設(shè)計任務(wù)書一 設(shè)計題目苯——氯苯精餾系統(tǒng)設(shè)計二 設(shè)計任務(wù)1 處理能力：150000 噸/年；2 進料組成：苯含量 50%(質(zhì)量，下同)；3 工藝要求：塔頂氯苯含量不高于 2%，塔底苯含量不高于 1%；4 操作條件：常壓，泡點進料；5 設(shè)備型式：浮閥塔。三 設(shè)計內(nèi)容1 設(shè)計方案的確定和流程說明2 精餾塔的工藝設(shè)計3 精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計4 精餾塔的強度設(shè)計5 其他主要設(shè)備的選型四 設(shè)計要求1 設(shè)計說明書一份；2 設(shè)計圖紙：a 工藝流程圖一張(采用 AutoCAD 繪制)；b 主要設(shè)備總裝配圖一張(A1)；3 答辯。五 設(shè)計完成時間2007.9.3～2007.9.28化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 43 頁目錄前言 1流程的確定及設(shè)計方案 11 塔板類型 12 加料方式 13 進料狀況 14 塔頂冷凝方式 25 回流方式 26 加熱方式 27 操作壓力 2一 精餾塔的設(shè)計計算 31 基本數(shù)據(jù) 31.1 全塔物料衡算 31.2 各種定性溫度 41.3 密度 41.4 粘度 .61.5 表面張力 .71.6 相對揮發(fā)度 92 回流比的確定 92.1 最小回流比 92.2 實際回流比 103 各段氣液流量 134 塔板數(shù)的確定 144.1 理論塔板數(shù) 144.2 實際塔板數(shù) 155 塔徑的初步設(shè)計 16二 塔板的設(shè)計計算 171 溢流裝置 171.1 堰長 lw 171.2 出口堰高 hw .171.3 降液管 182 塔板的設(shè)計 182.1 浮閥的數(shù)目與排列 192.2 氣體通過浮閥塔板的壓降 hp 212.3 液泛 222.4 霧沫夾帶 223 塔的負荷性能圖 243.1 霧沫夾帶線 243.2 漏液線 253.3 液相下限 253.4 液相上限 25化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 43 頁3.5 液泛線 25三 塔附件 291 接管 291.1 進料管 291.2 回流管 291.3 塔釜出料管 301.4 塔頂蒸汽出料管 301.5 塔釜進氣管 301.6 法蘭的選擇 302 塔頂?shù)踔?313 除沫器 314 筒體與封頭 324.1 筒體 324.2 封頭 335 裙座 336 人孔 346.1 人孔 346.2 補強 34四 塔的總體高度 351 塔頂部空間高度 HD 352 進料板高度 HF 353 設(shè)置有人孔的塔板間距 HP 364 封頭高度 H1 365 裙座高度 H2 366 塔底空間高度 HB 367 總高度 H 36五 塔所受的載荷 361 重力載荷 361.1 筒體重量 361.2 塔板重量 361.3 保溫層重量 371.4 扶梯與平臺 371.5 塔總重估算 372 風(fēng)載荷 37六 塔的其它附屬設(shè)備 381 原料預(yù)熱器的選擇 382 泵的選取 383 冷凝器和再沸器 39參考文獻 41課程設(shè)計小結(jié)…………………………………………………………………………42化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 43 頁前言塔設(shè)備是化學(xué)工業(yè)，石油化工，生物化工，制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡形式或噴射形式通過塔板上的液層，正常條件下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，它具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，壓降低，操作彈性大，持液量小等優(yōu)點，被廣泛的使用。本設(shè)計的目的是分離苯—氯苯混合液，且處理量較大，故選用板式塔。流程的確定及設(shè)計方案1 塔板類型精餾塔的塔板類型共有三種：泡罩塔板，篩孔塔板，浮閥塔板。浮閥塔板具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，造價低等優(yōu)點，且開孔率大，生產(chǎn)能力大，閥片可隨氣流量大小而上下浮動，故操作彈性大，氣液接觸時間長，因此塔板效率高。本設(shè)計采用浮閥塔板。2 加料方式加料方式共有兩種：高位槽加料和泵直接加料。采用泵直接加料，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，而且可以引入自動控制系統(tǒng)來實時調(diào)節(jié)流量及流速。故本設(shè)計采用泵直接加料。3 進料狀況進料方式一般有兩種：冷液進料及泡點進料。對于冷液進料，當(dāng)進料組成一定時，流量也一定，但受環(huán)境影響較大；而采用泡點進料，不僅較為方便，而且不受環(huán)境溫度的影響，同時又能保證精餾段與提餾段塔化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 43 頁徑基本相等，制造方便。故本設(shè)計采用泡點進料?；?工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 43 頁4 塔頂冷凝方式苯與氯苯不反應(yīng)，且容易冷凝，故塔頂采用全凝器，用水冷凝。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后的回流液和產(chǎn)品無需進一步冷卻，選用全凝器符合要求。5 回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。本設(shè)計處理量較大，所需塔板數(shù)多，塔較高，為便于檢修和清理，回流冷凝器不適宜塔頂安裝，故采用強制回流。6 加熱方式加熱方式分為直接蒸氣和間接蒸氣加熱。直接蒸氣加熱在一定回流比條件下，塔底蒸氣對回流液有稀釋作用，從而會使理論塔板數(shù)增加，設(shè)備費用上升。故本設(shè)計采用間接蒸氣加熱方式。7 操作壓力苯和氯苯在常壓下相對揮發(fā)度相差比較大，因此在常壓下也能比較容易分離，故本設(shè)計采用常壓精餾。化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 43 頁化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 43 頁一 精餾塔的設(shè)計計算1 基本數(shù)據(jù)1.1 全塔物料衡算苯摩爾質(zhì)量——78.11kg/kmol；氯苯摩爾質(zhì)量——112.5kg/kmol原料液組成 xF（摩爾分數(shù)，下同）：xF= =0.59=59% （1—1）0.5/7812.?塔頂組成 xD：x D= =0.986=98.6% （1－2）9././5塔底組成 xW：x W= =0.0143=1.43% （1－3）.01781.原料液的平均摩爾質(zhì)量 M：M=0.59×78.11+(1-0.59)×112.5=92.21kg/kmol （1－4）進料量 F：F=150000000/7200kg/h=20833.33/92.21=225.9kmol/h物料衡算式：F=D+W （1－5）FxF=DxD +WxW （1－6）其中 D 為塔頂產(chǎn)品流量，kmol/h;W 為塔釜殘液流量，kmol/h聯(lián)立解得：D=133.9kmol/h, W=92.05kmol/h表 1：苯，氯苯不同溫度下的飽和蒸汽壓 溫度 80 90 100 110 120 130 131.8苯 kpa 101.08 136.325 179.55 234.08 299.25 377.72 385.7氯苯 kpa 19.684 27.265 38.969 53.2 72.219 95.627 101.08表 2：t-x-y 溫度 80 90 100 110 120 130 131.8x 1 0.697 0.44 0.266 0.128 0.02 0y 1 0.914 0.786 0.615 0.3786 0.075 0化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 43 頁[1][1]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 43 頁1.2 各種定性溫度圖 1：t-x-y利用圖 1 中數(shù)據(jù)，采用圖解法求得以下溫度進料溫度 tF： tF=93.32℃同理求得：塔頂溫度 tD=130.5℃ 塔底溫度 tW=80.4℃則精餾段平均溫度 t 1= =111.91℃FDt2?提餾段平均溫度 t 2= =86.86℃W1.3 密度表 3：苯，氯苯不同溫度下的液相密度 kg/m 3溫度 80 90 100 110 120 130苯 817 805 793 782 770 757氯苯 1039 1028 1018 1008 997 985化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 43 頁[2]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 43 頁對于混合液體的密度 （其中 a 為質(zhì)量分率） （1－7）ABLa1???對于混合氣體的密度 （其中 M 為平均摩爾質(zhì)量）（1－8）0VTp2.4（1）精餾段t1=111.91℃液相組成 x1: x1=23.67%氣相組成 y1: y1=57.55%則液相平均摩爾質(zhì)量ML1=0.2367×78.11+(1-0.2367)×112.5=104.36kg/kmol （1－9）氣相平均摩爾質(zhì)量MV1=0.5755×78.11+(1-0.5755)×112.5=92.71kg/kmol （1－10）由表 3 數(shù)據(jù) 得 ρ 苯 =779.6 kg/m31201.907872????苯同理 得 ρ 氯 =1005.8 kg/m3.9-氯aA=78.11x1/［78.11x 1+112.5 (1-x1)］=0.1772 （1－11）aB=1- aA=0.8228得 ρ L1=956.63kg/m3L10.72.8965????=2.936 kg/m300V1V1TpM273.59.1.4.4()???（2）提餾段t2=86.86℃液相組成 x2: x2=77.22%氣相組成 y2: y2=94.36%則液相平均摩爾質(zhì)量ML2=0.7722×78.11+(1-0.7722)×112.5=85.94kg/kmol （1－12）化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 43 頁[3][3]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 43 頁則氣相平均摩爾質(zhì)量MV2=0.9436×78.11+(1-0.9436)×112.5=80.05kg/kmol （1－13）由表 3 數(shù)據(jù) 得 ρ 苯 ， =808.77 kg/m3'90-86.-0517???苯同理 得 ρ 氯 ， =1031.45 kg/m3'-.-8239氯aA=78.11x2/［78.11x 2+112.5(1-x2)］=0.7018aB=1- aA=0.29823L2L210.78.9864.kg/m1345??????=2.711 kg/m300V2V2TpM7.150.()??1.4 粘度表 4：苯，氯苯不同溫度下的黏度 mpa.s 溫度 -20 0 20 40 60 80 100苯 0.638 0.485 0.381 0.308 0.255氯苯 1.44 1.05 0.804 0.635 0.515 0.428 0.363120 140 160 180 200 220 240 2600.215 0.184 0.161 0.140 0.120 0.103 0.086 0.0710.313 0.274 0.243 0.217 0.196 0.179 0.157 0.137利用內(nèi)差法求得精餾段與提餾段平均溫度下苯與氯苯的粘度t1=111.91℃化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 43 頁得 μ 苯 =0.3067mPa.s1201.90.5.25????苯[2]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 43 頁得 μ 氯 =0.4265mPa.s1201.90.3-636????氯則精餾段粘度 μ 1=μ 苯 x1+μ 氯 (1- x1)=0.3091mPa.s （1－14）t2=86.86℃得 μ 苯 ， =0.1975 mPa.s'10-86.-80.533???苯得 μ 氯 ， =0.2913 mPa.s'-.-.4242氯則提餾段粘度 μ 2=μ 苯 ’x2+μ 氯 ’(1- x2)=0.2904mPa.s （1－15）1.5 表面張力表 5：苯，氯苯不同溫度下的表面張力 mM/m 溫度 60 80 100 120 140 160 180苯 23.74 21.27 18.85 16.49 14.17 11.92 9.737氯苯 25.96 23.75 21.57 19.42 17.32 15.25 13.23二元有機物—水溶液表面張力可用下列各式計算: （1－16） 1/41/41/4mswso?????注： （1－17） （1－18）oxV+wooxV+??（1－19） （1－20）sws??so（1－21） （1－22）qoBlg() 2/32/3owVqQ0.41()T?????????化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 43 頁A=B+Q （1－23） （1－24） （1－25）2swoAlg????????swo???[1][3]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 43 頁式中下角標(biāo)，w,o,s 分別代表水，有機物及表面部分，x w,xo 指主體部分的摩爾分數(shù)，v w,vo 指主體部分的摩爾體積， σ w, σ o分別為純水，有機物的表面張力，q 值決定于有機物的型式及分子大小。所以對于苯—氯苯體系，q=1。（1）精餾段120-1.91017.dyn.cm6.4985-85??????苯苯1-.2.5.7-2?氯氯vw=mw/ρ w=M 氯 /ρ L1=112.5×103/812.24=22.19cm3/mol （1－26）vo=mo/ρ o=M 苯 /ρ V1=78.11/1.0086=31.77cm3/mol （1－27）xo= x1=44.47% xw=1- xo=55.53%wo(0.47)2.190.873???????Blg0.872.59??2/32/3.651.Q.1610.474.92.1? ????????? ????? ?A=B+Q=-0.0595-0.410=-1.005聯(lián)立方程組 sw+ so=1 2swoAlg?????????得 sw=0.09 so=0.91則 σ m11/4=0.09×63.5881/4+0.91×17.8651/4 得 σ m1=20.95 dyn.cm-1（2）提餾段' 1'10-1.9-020.35dyn.cm6.498585?????苯苯 ' 1'2-.-.48727?氯氯V‘w=mw/ρ w=M 氯 /ρ L2=112.5×103/925.69=19.47cm3/mol （1－28）化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 43 頁[2]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 43 頁V‘o=mo/ρ o=M 甲 /ρ V1=78.11/0.7747=41.36cm3/mol （1－29）xo= x2=6.97% xw=1- xo=93.03%'w'o(10.697).46.283???????Blg6.2830.79?/32/3.1.Q0.4 0.49714.2.5? ????????? ????? ?A=B+Q=0.798-0.294=0.504聯(lián)立方程組 sw+ so=12swoAlg?????????得 ’sw=0.761 ’so=0.239則 σ m21/4=0.761×60.4971/4+0.239×16.3041/4 得 σ m2=21.33 dyn.cm-11.6 相對揮發(fā)度(1)精餾段XA= x1=23.67% xB=1- XA=76.33%由 x-y 圖查得：y A=57.55% yB=42.45%則 α 1= =4.372 （1－30）Bx(2)提餾段XA= x2=77.22% xB=1- XA=22.78%由 x-y 圖查得：y A=94.36% yB=5.64%則 α 2= =4.936 （1－31）Bx2 回流比的確定2.1 最小回流比化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 43 頁化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 43 頁圖 2：苯—氯苯的平衡曲線圖由表 1 中數(shù)據(jù)做出苯—氯苯的平衡曲線如圖 1 所示，可知此平衡 曲線為非正常曲線，塔中各段相對揮發(fā)度相差較大， 故采用圖解法計算最小回流比及理論塔板數(shù)。 從點（x F,xF）向平衡曲線作切線，交縱坐標(biāo)于一點,該點即為最小回流比條件下精餾段操作線的截距。即 Dminmin0.712R0.385R????2.2 實際回流比在實際操作中，常取最小回流比的（1.1~2.0）倍作為實際回流比，在本設(shè)計系統(tǒng)中，經(jīng)過核算，考慮到設(shè)備費用與操作費用，實際回流比取 1.2~2.0 倍的最小回流比。 即：R = k× min表 6：實際回流 R 的取值k 1.2 1,4 1.6 1.8 2.0R 0.462 0.539 0.616 0.693 0.770化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 43 頁[4]化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 43 頁分別以表 6 中的 R 值作圖，求出各自的塔板數(shù)。圖3：R = 1.2 min圖 4：R = 1.4 minR圖 5：R = 1.6 min化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 43 頁化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 43 頁圖 6：R = 1.8 min圖 7：R = 2.0 minR繼續(xù)作 R-R(N+1)圖圖 8：R-R(N+1)圖化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 43 頁化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 43 頁得到最佳回流比：R = 0.612113 各段氣液流量（1）精餾段液相流量 L：L=R×D= 0.61211×0.0372=0.0228kmol/s （1－32）氣相流量 V：V=（R+1）D= （0.61211+1）×0.0372=0.06kmol/s（1－33）液相體積流量 L1： （1－34）3L1M04.36280.4m/s95????氣相體積流量 V1： （1－35）3V1.7.9/（2）提餾段由前言中所述，本系統(tǒng)為泡點進料，則：液相流量 L’：L ’=L+qF=0.0855kmol/s （1－36）氣相流量 V’：V ’=V=0.06kmol/s （1－37 ）液相體積流量 L2： （1－38）' 3L2M85.940.85m/s62????氣相體積流量 V2： （1－39）' 3V27/1化 工 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 43 頁表 5 精餾段，提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果匯總