填料塔設(shè)計 2

1、 目 錄 第一章 前言 4 1.1 塔設(shè)備簡介4 1.2 設(shè)計方案的確定 4 1.2.1 裝置流程4 1.2.2 加料方式 4 1.2.3 進料狀況4 1.2.4 加熱方式4 1.2.5 工藝流程 4 第二章 苯和氯苯的物理性質(zhì) 5 2.1 苯和氯苯的物理性質(zhì) 5 2.2 苯和氯苯氣液相平衡數(shù)據(jù) 5 2.3 組成飽和蒸汽壓 6 2.4 液相密度 6 2.5 液相黏度6 2.6 溫度表面張力 7 第三章 苯氯苯填料塔設(shè)計計算 7 3.1 精餾塔物料衡算 7 3.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 7 3.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 7 3.1.3 料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流

2、量 8 3.2 塔板數(shù)的確定 8 3.2.1 進料熱狀況的求取 83.2.2 確定操作的回流比R 10 3.2.3 理論塔板數(shù)的求取 10 3.2.4 精餾塔操作線方程11 3.3 實際塔板數(shù) 11 3.3.1 全塔效率11 3.3.2 實際塔板數(shù)12 3.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算12 3.4.1 操作壓力計算12 3.4.2 操作溫度計算 12 3.4.3 平均摩爾質(zhì)量計算12 3.4.4 平均密度計算 13 3.4.5 液體平均比表面張力計算15 3.4.6 液體粘度 16第4章 塔體工藝尺寸計算18 4.1 填料的選擇18 4.2 塔徑的確定19 4.3 填料層高度計算2

3、1 4.4 填料層壓降21第五章 校核22第 1 頁 共 29 頁 5.1 載點、泛點校核22 5.2 液體噴淋密度的驗算22第六章 附屬設(shè)備及主要附件的選型計算23 6.1 冷凝器23 6.2 加熱器23 6.3 填料支撐裝置24 6.4 填料壓緊裝置24 6.5 液體分布裝置24 6.5.1 液體分布器的選型24 6.5.2 分布點密度計算24 6.5.3 布液計算24 6.6 除沫器25第七章 填料塔設(shè)計結(jié)果匯總25 7.1 物料衡算表25 7.2 精餾塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)表25 7.3 塔主要設(shè)計參數(shù)表27第八章 設(shè)計過程的評述和討論27 8. 1 過程評述與討論27 8. 2 結(jié)

4、束語27 8.3 符號說明28參考文獻29 第一章 前言 1.1塔設(shè)備簡介 塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，最常見的塔設(shè)備為板式塔和填料塔兩大類。填料塔是一類用于氣液和液液系統(tǒng)的微分接觸傳質(zhì)設(shè)備，主要由圓筒形塔底和對方在塔內(nèi)對傳質(zhì)起關(guān)鍵作用的填料等組成，本設(shè)計采用填料精餾塔分離苯和氯苯，且所用填料為散裝填料。 1.2設(shè)計方案的確定 1.2.1裝置流程本任務(wù)是分離苯氯苯混合物。對二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程，本設(shè)計采用填料塔連續(xù)精餾。1.2.2加料方式 本任務(wù)采用高位槽加料方式，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。1.2.3進料狀況設(shè)計中采用冷液進料，冷液進

5、料，當組成一定時，流量一定，對分離有利，節(jié)省加熱費用，同時理論板數(shù)也相應(yīng)減少。1.2.4加熱方式采用間接蒸汽加熱，比直接蒸汽加熱要好，使釜液部分汽化，維持原來的溫度以減少理論板數(shù)。1.2.5工藝流程 在圓筒塔底的下部，設(shè)置一層支撐板，支撐板上填充一定高度的填料。液體由上部入口管進入經(jīng)分布器噴淋至填料上，在填料的空隙中通過，并潤濕填料表面形成流動的液膜液體流經(jīng)填料后經(jīng)排出管取出。液體再填料層中有頃向于塔壁的流動，故填料層較高時，常將其分段，兩段之間設(shè)置液體再分器，以利于液體的重新分布。氣體在支撐板下方入口管進入塔內(nèi)，在壓強差的推動下，通過填料間的空隙由塔的頂部排出管排出。填料層內(nèi)氣液兩相呈逆流流

6、動，相際間的傳質(zhì)通常是在填料表面的液體與氣相間的界面上進行，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。工藝流程草圖如下：35%氯苯原料儲存原料預(yù)熱精餾再沸98%氯苯 儲存分配冷凝冷卻98%苯儲存冷卻 第二章 苯和氯苯的物理性質(zhì) 2.1苯和氯苯的物理性質(zhì)表1.1苯和氯苯的物理性質(zhì)項目分子式相對分子質(zhì)量沸點臨界溫度/。c臨界壓力/kpa苯 （A）C6H67811801288568334氯苯（B）C6H5 Cl112.56131.8359.24520 2.2苯氯苯氣液相平衡數(shù)據(jù) 表1.2苯氯苯的氣液相平衡數(shù)據(jù)沸點溫度t苯的組成沸點溫度t苯的組成液相氣相液相氣相80.11.0001.0001200.1270.3769

7、00.6770.9131300.0191000.4420.785131.80.0000.0001100.2652.3組成飽和蒸汽壓 表1.3苯氯苯的組成飽和蒸氣壓溫度8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760 2.4液相密度 表1.4 苯氯苯的液相密度溫度8090100110120130苯817805793782770757氯苯10391028101810089979852.5液相黏度表1.5苯氯苯液體粘度溫度()6080100120140苯（MP.S）0.3810.3080.2550.215

8、0.184氯苯（MP.S）0.5150.4280.3630.3130.274 2.6溫度表面張力表1.6苯-氯苯溫度表面張力關(guān)系表溫度020406080100120140氯苯表面張力32.830.4928.2125.9623.7521.5719.4217.32苯表面張力 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.4914.17 第三章 苯氯苯填料塔設(shè)計計算3.1精餾塔物料衡算（以輕組分計算）3.1.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率苯的摩爾質(zhì)量 = 氯苯的摩爾質(zhì)量 = 3.1.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3.1.3料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流量要求年處理苯氯苯混

9、合液10萬噸/年，（開工率300天/年，24小時/天）原料處理量： 總物料衡算： F=D+W (1)易揮發(fā)組分物料衡算： 0.728F=0.986D+0.0286W (2)聯(lián)立(1)、（2）得 D=115.98 W=42.79 3.2塔板數(shù)的確定 3.2.1進料熱狀況的求取 利用平衡數(shù)據(jù)在坐標紙上會平衡曲線及對角線，如圖3-2所示。在圖上定出點、點和點 由圖3-2查出進料組成時溶液的泡點為平均溫度 已知操作條件下苯的汽化熱為，氯苯的汽化熱為 = 液體比熱容溫度關(guān)聯(lián)式 對苯： 計算可得 對氯苯： 計算可得 故原料液的平均比熱容為： 所以 從點作斜率為的直線，即得線。線與平衡線交于點 3.2.2確

10、定操作的回流比R 最小回流比： 考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實際操作的回流比為最小回流比的2倍，即：利用平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標系上會平衡曲線及對角線，如圖32所示，在圖上頂點出點、點和點三點。精餾段操作線截距在軸上定點出，連接，即得到精餾段操作線；交線方程于一點，連接，即得到提餾段操作線。 3.2.3理論塔板數(shù)的求取 (1). 苯氯苯物系屬于理想物系，自點開始在操作線和平衡線之間繪梯級，圖解求取理論板數(shù)。 總理論板層數(shù) 塊 取塊(不包括再沸器） 精餾段 塊 提餾段 塊 第塊為加料板位置 3.2.4精餾塔操作線方程 精餾段操作線方程 餾段操作線方程 3.3實際塔板數(shù) 3.3.1全塔效率選用

11、公式計算，該式適用于液相粘度的烴類物系，式中的為全塔平均溫度下以進料組成表示的平均粘度。塔的平均溫度為（取塔頂?shù)椎乃阈g(shù)平均值），查液體年度共線圖得： 故 3.3.2實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相等） 精餾段 塊 取塊 提餾段 塊 取塊 塊 3.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算 3.4.1操作壓力計算塔底壓力為 每層塔板壓降 進料板壓力塔頂操作壓力 精餾段平均壓力 提餾段平均壓力 3.4.2操作溫度計算 依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法，計算出泡點溫度，其中苯、氯苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算結(jié)果如下：塔頂溫度： 進料板溫度： 塔底溫度： 精餾段平均溫度： 提餾段平均溫度： 全塔平均

12、溫度： 3.4.3平均摩爾質(zhì)量計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算 由查平衡曲線圖得 進料板平均摩爾質(zhì)量計算 由圖解理論板得查平衡曲線圖得 塔底平均摩爾質(zhì)量計算 由圖解理論板得，查平衡曲線得精餾段平均摩爾質(zhì)量計算 提餾段平均摩爾質(zhì)量 3.4.4平均密度計算（1）氣相平均密度計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算，即精餾段： 提餾段： （2）液相平均密度計算 液相平均密度依下式計算，即 由苯氯苯溫度密度關(guān)系表，可做出其液相密度圖，做出其液相密度圖如下： 表341苯氯苯溫度密度關(guān)系表 表達式為 當時， 當時， 當時， 由 得知 塔頂： 進料板:液相的質(zhì)量分率: 塔底：所以精餾段液相的平均密度： 提餾段液相的平均密度：

13、 3.4.5液體平均比表面張力計算 根據(jù)下表表342苯-氯苯溫度表面張力關(guān)系表溫度020406080100120140氯苯表面張力 32.830.4928.2125.9623.7521.5719.4217.32苯表面張力 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.4914.17已知 由化學(xué)手冊液體表面張力圖查得：當時， 當時， 當時， 精餾段平均表面張力： 提餾段平均表面張力： 3.4.6液體粘度 表343苯氯苯溫度粘度關(guān)系表溫度()6080100120140苯（）0.3810.3080.2550.2150.184氯苯（）0.5150.4280.3630.3130.27

14、4 根據(jù)上表由化學(xué)手冊液體粘度共線圖查得 塔頂時， 得 進料板時， 得 塔底時， 得 精餾段液相平均粘度為 提餾段液相平均粘度為 全塔液相平均粘度為 表344 苯、氯苯Antoine常數(shù)數(shù)據(jù)表ABC溫度范圍（K）苯6.019071204.682-53.072279-3776.068321236.034-48.99353-4226.36071466.083-15.44420-521氯苯6.104161431.83-55.515335-4056.629881897.415.21405-597 又塔頂和塔底平均溫度為 ,純組分的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系通?？捎冒餐心岱匠瘫硎?，即式中、為組分的安托尼常數(shù)

15、，由上表可查得。 對苯：滿足 得對氯苯：滿足 得則此溫度下的相對揮發(fā)度為根據(jù)奧康奈爾關(guān)聯(lián)法 即總板效率 第四章 塔體工藝尺寸計算 4.1填料的選擇 由于瓷制鮑爾環(huán)具有生產(chǎn)能力大，阻力低，效率高，操作彈性大，造價低 廉等特點，故選此作為特點。選取公稱直徑為，外徑高：的亂堆瓷制鮑爾環(huán)，其比表面積，空隙率，堆積密度 ，干填料因子：，濕填料因子： 查有機液體的相對密度共線圖與有機液體的相對粘度共線圖可得到（忽略液體體積變化） 項目 溫度 黏度 密度 液體摩爾 質(zhì)量 蒸汽摩爾 質(zhì)量 塔頂 81.3 0.308 818.99 78.59 80.52 加料處 91.3 0.277 882.92 89.48

16、81.38 塔釜 131.3 0.202 975.330 112.15111.574.2塔徑的確定 （1）精餾段： 根據(jù) 又塔內(nèi)氣體常壓操作，假設(shè)壓強為 查Eckert(?？颂兀┩ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖， 得 其中，濕填料因子為 一般空塔氣速為泛點氣速的倍，這里取 則空塔氣速： 塔內(nèi)上升蒸氣的體積流量： 精餾塔塔徑： 圓整到 （2）提餾段： 查Eckert(?？颂兀┩ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖， 得 其中濕填料因子為 一般空塔氣速為泛點氣速的倍，這里取 則空塔氣速： 提餾段塔徑: 圓整到又兩直徑相差不是很大，則圓整到 4.3填料層高度計算 采用等板高度法計算填料層高度 查資料可知，瓷制鮑爾環(huán)每米的等板高度 精餾段填料層高度為

17、： 提餾段高度填料層為： 設(shè)計取精餾段填料層高度為，提餾段高度填料層為?？偺盍蠈痈叨?工業(yè)上，取填料層分段高度為，而填料層總高度為，故填料層需分段。 4.4填料層壓降 采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降，查圖得精餾段: 提餾段： 填料層總壓降為： 第五章 校核 5.1 載點、泛點校核 載點是填料層中氣液兩相交互作用是否顯著的分界點，填料在載點前后分別具有不同的流體力學(xué)性質(zhì)。在載點后，隨氣速增大，填料被流體充分潤濕，相際接觸面增大，傳質(zhì)得以加強，是填料塔的正常操作。 泛點：填料塔在液泛區(qū)操作極不穩(wěn)定，壓降大，軸向返混嚴重，傳質(zhì)效率低下，因此泛點氣速是填料塔正常操作的極限氣速，填料塔的正常操

18、作一定要嚴格控制在泛點氣速以下。 這個尺寸的填料塔的操作載點的經(jīng)驗值一般在左右，泛點的經(jīng)驗值一般在左右，本次設(shè)計氣速在載點和泛點之間，符合設(shè)計要求。 5.2液體噴淋密度的驗算 精餾段：液體噴淋密度 為使填料能獲得良好潤濕，塔內(nèi)噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此值為最小噴淋密度，對瓷制鮑爾環(huán)，其為散裝填料，有 液體體積流量 又 故提餾段： 液體體積流量 又 故 經(jīng)上面校核，填料塔直徑取合理。第六章 附屬設(shè)備及主要附件的選型計算6.1冷凝器 本設(shè)計冷凝器采用重力回流直立或管殼式冷凝器。對蒸餾塔的冷凝器，一般選用列管式，空冷凝螺旋板式換熱器。因本設(shè)計冷凝器與被冷凝流體溫差不大，所以選用管殼式冷凝器，被冷凝

19、氣走管間，以便于及時排出冷凝器冷卻水循環(huán)與氣體方向相反，及逆流式。當氣體流入冷凝器時，使其液膜厚度減薄，傳熱系數(shù)增大，利于節(jié)省面積，減少材料費。查化工手冊，得到：對于低沸點有機物，冷凝介質(zhì)為水時，傳熱系數(shù)為，故取冷凝器傳熱系數(shù) 湖南夏季最高平均水溫，升溫逆流： 傳熱面積：冷凝器選型如下： 表4-1-1 冷凝器的選型參數(shù)值表公稱直徑/管程數(shù)管數(shù) 管長 換熱面積 公稱直徑 1 0.66.2加熱器 選用U型管加熱器，經(jīng)處理后，放在塔釜內(nèi)。蒸汽選擇飽和水蒸氣，傳熱系數(shù) 6.3填料支撐裝置 填料支撐裝置的作用支撐塔內(nèi)填料床層。常用的支撐裝置由柵板型、孔管型、駝峰型等。本設(shè)計采用散裝填料，選用孔管型。6.

20、4填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作用下填料層發(fā)生松動和跳動，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、金屬壓緊器等不同的類型。本設(shè)計采用散裝填料，選用壓緊網(wǎng)板。6.5液體分布裝置 6.5.1液體分布器的選型液體分布器的選型多樣，有噴頭式、盤式、槽式或槽盤式等。工業(yè)應(yīng)用以管式、槽式及槽盤式為主。槽盤式分布器時近年來新開發(fā)的新型分布器，它兼有集液、分液及分氣三種作用，結(jié)果緊湊，氣液分布均勻，阻力小，操作彈性高達，適用于各種液體噴淋量。本設(shè)計采用槽盤式分布器。 6.5.2分布點密度計算按?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖的散裝填料精餾塔分布點密度推薦值，對瓷制鮑爾環(huán)填料，噴淋點密度為點，因該

21、塔液相負荷較大設(shè)計取噴淋點密度為點。分布液點數(shù)：點點6.5.3布液計算本設(shè)計為重力型液體分布器中的多孔型，其布液工作的公里未開孔上方的液的高度。多孔型液體分布器布液能力計算公式為：液體流量 孔流系數(shù)： 通常 取 這里取開孔上方的液位高度故孔徑 設(shè)計取6.6除沫器為確保氣體的純度，減少液體的夾帶損失，選用除沫器。 第七章 填料塔設(shè)計結(jié)果匯總7.1物料衡算數(shù)據(jù)表 附表1 物料衡算計算結(jié)果 序號 項目 數(shù)值 1 原料液流量（） 2 氣相產(chǎn)品流量（） 3 液相產(chǎn)品流量（） 4 原料液摩爾分數(shù) 5 氣相產(chǎn)品摩爾分數(shù) 6 液相產(chǎn)品摩爾分數(shù) 7.2精餾塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)表 附表2精餾塔工藝條件及有關(guān)物

22、性數(shù)據(jù)計算結(jié)果 序號 項目 數(shù)值 1 精餾段平均壓力 592.23 2 提餾段平均壓力 597.83 3 精餾段平均溫度 86.3 4 提餾段平均溫度 111.33 5 精餾段氣相平均摩爾質(zhì)量 80.00 6 精餾段液相平均摩爾質(zhì)量 85.00 7 提餾段氣相平均摩爾質(zhì)量 86.48 8 提餾段液相平均摩爾質(zhì)量 100.82 9 精餾段氣相平均密度 2.87 10 精餾段液相平均密度 850.96 11 提餾段氣相平均密度 3.49 12 提餾段液相平均密度 929.13 13 精餾段液體表面張力 20.80 14 提餾段液體表面張力 19.70 15 精餾段液體平均粘度 0.293 16 提

23、餾段液體平均粘度 0.240 17 精餾段氣相流量 84.032 18 精餾段液相流量 1.774 19 提餾段氣相流量 6.031 20 提餾段液相流量 8.710 21 實際塔板數(shù) 16 22 有效段高度 8.0 23 塔徑 1.2 24 板間距 0.4 7.3塔主要設(shè)計參數(shù)表 附表3填料塔主要設(shè)計參數(shù) 填料層蓋度/ 填料層壓降/冷凝器換熱面積/加熱器換熱面積/ 8.0 6937.632 14.73 24.77進料管管徑選型 塔頂蒸汽接管管徑選型 塔釜出料接管管型 第5章 設(shè)計過程的評述和討論8.1 過程評述與討論 本次課程設(shè)計為化工原理課程設(shè)計，要求通過給定的生產(chǎn)操作條件自行設(shè)計一套苯氯苯物系的精餾分離的填料塔設(shè)備，并對所設(shè)計的塔設(shè)備進行合理的優(yōu)化和改進。通過兩周的努力，反復(fù)計算和優(yōu)化，終于設(shè)計出一套比較完善的填料塔設(shè)備。其各項操作性能指標均能符合工藝生產(chǎn)技術(shù)要求，且操作彈性大，生產(chǎn)能力強，達到了預(yù)期的目的。因此，本次課程設(shè)計非常成功。8.2結(jié)束語 課程設(shè)計使我們對化工原理課程所學(xué)知識有了更深的理解，讓我們認識到了理論知識對工作實踐的重要的知道意義，學(xué)會理論聯(lián)系實際。課程設(shè)計要求我們完全依靠自己的能