化工原理課程設(shè)計(jì)苯氯苯

1、第1章設(shè)計(jì)方案的確定2精餾操作221.3 操作條件的確定334 精餾塔加熱與冷卻介質(zhì)的確定44第2章 浮閥精餾塔的工藝設(shè)計(jì)5物料衡算566892.3 浮閥塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算1111112.4 塔板結(jié)構(gòu)及計(jì)算111112131416第3章 精餾裝置的附屬設(shè)備設(shè)計(jì)19原料預(yù)熱器19設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)及自我總結(jié)26附錄A符號(hào)說(shuō)明27附錄B帶控制點(diǎn)的工藝流程圖29第1章 設(shè)計(jì)方案的確定1.1 精餾操作本次設(shè)計(jì)的物系是苯和氯苯，由于兩物系的沸點(diǎn)不同，加熱后會(huì)造成氣液兩相，利用兩組分的相對(duì)揮發(fā)度的不同可將兩組分分離。因此本次設(shè)計(jì)采用板式精餾塔操作完成分離任務(wù)。精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用

2、的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有時(shí)加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。典型的精餾設(shè)備是連續(xù)精餾裝置，包括精餾塔、塔底再沸器、塔頂全凝器/冷凝器。工藝流程的確定首先，苯和氯苯的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開(kāi)了，氣相混合物在精餾塔中上

3、升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與苯的分離。 本設(shè)計(jì)采用浮閥塔。浮閥塔是在泡罩塔和篩板塔基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，由于它兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔型。浮閥塔具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）生產(chǎn)能力由于浮閥塔板具有較大的開(kāi)孔率，故

4、其生產(chǎn)能力比泡罩塔的大20%40%,與篩板塔相近。2）操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，故維持正常操作所容許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比泡罩塔和篩板塔都寬。3）塔板效率高，因上升其他以水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)而霧沫夾帶量較小，板效率較高。4）氣體壓強(qiáng)降及液面落差較小，因?yàn)闅庖毫鬟^(guò)浮閥塔板時(shí)所遇阻力較小，故氣體壓強(qiáng)降及板上的液面落差都比泡罩塔小。5）塔造價(jià)低，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，浮閥塔造價(jià)較為一般，為泡罩塔的60%80%，為篩板塔的120%130%。F1型浮閥塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，應(yīng)用最為普遍，為定型產(chǎn)品，閥片帶有三個(gè)腿，插入閥孔內(nèi)將各推腳底外翻，用以限制操作時(shí)閥片在板上升起

5、的最大高度，閥片周圍有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開(kāi)啟高度。任務(wù)說(shuō)明本次設(shè)計(jì)任務(wù)為苯-氯苯物系連續(xù)精餾浮閥塔的設(shè)計(jì)，即需設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔用來(lái)分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計(jì)一板式塔，板空上安裝浮閥，具體工藝參數(shù)如下： 原料苯含量：質(zhì)量分率= 34% 產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品組成不低于96%塔頂輕組分回收率98%1.3 操作條件的確定1操作壓力的確定在精餾操作中，壓力的影響非常大。當(dāng)壓力增大的時(shí)候，混合液的相對(duì)揮發(fā)度減小，這樣有可能會(huì)使得汽相和液相的組成越來(lái)越接近，分離越來(lái)越難；而當(dāng)壓力減小的時(shí)候，混合液的相對(duì)揮發(fā)度增大，值偏離1的程度越大，分離越容易。但是要保持精餾塔

6、在低壓下操作，這對(duì)設(shè)備的要求相當(dāng)高，會(huì)使總的設(shè)備費(fèi)用大幅度增加。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要充分考慮這兩個(gè)方面的影響，我們一般采用的是常壓精餾。如果在常壓下無(wú)法完成操作，可以在一定條件下進(jìn)行小幅度的減壓或者增壓來(lái)改變混合液的相對(duì)揮發(fā)度，實(shí)現(xiàn)精餾分離。對(duì)于甲醇水二元混合物系統(tǒng)在常壓的情況下，相對(duì)揮發(fā)度的差異很大，容易分離。因此在考慮多方面因素之后，本設(shè)計(jì)采用的常壓精餾，即塔頂?shù)牟僮鲏毫刂圃?01.325kpa下。由于本設(shè)計(jì)精餾塔不是很高，故可近似忽略每層塔板的壓降。在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中，將全塔近似看做是在恒壓下操作。進(jìn)料的熱狀況精餾操作中的進(jìn)料方式一般有冷液加料、泡點(diǎn)進(jìn)料、汽液混合物進(jìn)料、飽和蒸汽進(jìn)料和過(guò)熱蒸汽

7、加料五種。本設(shè)計(jì)采用的是泡點(diǎn)進(jìn)料。這樣不僅對(duì)塔的操作穩(wěn)定較為方便，不受廈門四季變化的溫度影響，而且在恒摩爾流假設(shè)下，精餾段與提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，因此塔徑基本相等，在制造上比較方便1.3.3 精餾塔加熱與冷卻介質(zhì)的確定在實(shí)際加熱中，由于飽和水蒸氣冷凝的時(shí)候傳熱的膜系數(shù)很高，可以通過(guò)改變蒸汽壓力準(zhǔn)確控制加熱溫度。因此，本設(shè)計(jì)是以150 總壓是500kpa的飽和水蒸汽作為加熱介質(zhì)。水蒸氣容易獲取，環(huán)保清潔不產(chǎn)生環(huán)境污染，并且不容易使管道腐蝕，成本降低。 冷卻介質(zhì)一般有水和空氣。在選擇冷卻介質(zhì)的過(guò)程中，要充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r。錦州市地處東北，屬季風(fēng)氣候。二月最冷, 平均氣溫-10；八月份最

8、熱，平均氣溫30。因此，考慮選用25的冷卻水，升溫15，冷卻器出口溫度40。熱能的利用情況本設(shè)計(jì)選用的是間接蒸汽加熱。間接蒸汽加熱是通過(guò)再沸器使釜液部分汽化，維持原來(lái)的濃度，重新再進(jìn)入塔底。使上升蒸汽與回流下來(lái)的冷液再進(jìn)行熱質(zhì)交換。這樣減少了理論板數(shù)，從而降低了成本。 本次設(shè)計(jì)的工藝操作條件如下： 常壓精餾，塔頂全凝，塔底直接加熱，泡點(diǎn)進(jìn)料，泡點(diǎn)回流，R=（1.12）。第2章 浮閥精餾塔的工藝設(shè)計(jì)2.1 物料衡算1. 料液及塔頂產(chǎn)品含苯的摩爾分率根據(jù)工藝的操作條件可知： 料液流量=9027.778 kg/h苯和氯苯的相對(duì)分子質(zhì)量分別為3877.486 kg/h、5150.292 kg/h料液中

9、易揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 42.6%； 摩爾分率為塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)取為 96%，摩爾分率為 2.平均分子量 kg/kmol kg/kmol kg/kmol 3、物料衡算 由公式 可得 kmol/h kmol/h kmol/h實(shí)際塔板數(shù)的計(jì)算回流比的選擇，85，90，100，110，120時(shí)苯和氯苯的飽和蒸汽壓 運(yùn)用試差法可求出，溫度/859095100110120x0y0表2-2-1苯和氯苯蒸汽表根據(jù)t-x-y圖如下求得 因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，所以進(jìn)料熱狀態(tài) q=1 = =0.426 氣液平衡方程得 2-2-1圖 t-x-y 最小回流比回流比 取2.2.2理論塔板數(shù)和實(shí)際塔板數(shù)的確定（1） 最小理論塔板數(shù)

10、的確定（2） 理論塔板數(shù)的確定（3） 加料板位置的確定 由精餾段與提留段操作線公式 可得 由下面兩個(gè)公式迭代 最終得到 ， 第四塊板為加料板，即精餾段板數(shù)為3，提留段板數(shù)為4.15 全塔效率 , mpa/s %（4） 實(shí)際塔板數(shù)的確定精餾段： 層 提留段： 層2.2.3工藝條件物性數(shù)據(jù)（1） 平均分子量 精餾段： ， kg/kmol kg/kmol 進(jìn)料： , 精餾段平均分子量： kg/kmol kg/kmol（2） 平均密度 液相密度 精餾： 加料： 精餾段平均液相密度： 氣相密度 （3） 液體表面張力 mN/m mN/m mN/m mN/m 精餾 mN/m 進(jìn)料 mN/m 精餾段平均張力：

11、 mN/m（4） 液體粘度 mpa/s mpa/s mpa/s mpa/s 精餾 mpa/s 進(jìn)料 mpa/s 精餾段平均粘度： mpa/s（5） 精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算 kmol/h /s kmol/h /s /s 浮閥塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算塔的有效高度和板間距的初選根據(jù)所設(shè)計(jì)的分離的物系，選取m ，塔徑取板上液層高度 mm 查圖得到 ,校正到表面張力為23.75 mN/m 時(shí)， mN/m m/s 取安全系數(shù)為0.70時(shí)，m/s 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整為1.2 m，則空塔氣速為 0.803 m/s。 塔板結(jié)構(gòu)及計(jì)算塔板參數(shù)本次設(shè)計(jì)中浮閥塔采用單溢流，弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰和受液盤（1） 溢流裝置選用單溢流

12、單溢流型塔板溢流堰長(zhǎng)一般取（0.60.8D）,本塔取m出口堰高（2） 平直堰 m m（3） 弓形降液管寬度和面積：根據(jù)與、的關(guān)系查圖可得 , m m驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即 s 所以符合要求。（4） 降液管底隙高度 取液體通過(guò)降液管底隙的流速 m ， m 所以符合要求。（5） 塔板布置 m 采用分板式塔板浮閥數(shù)目與排列浮閥數(shù)目與排列(1)取邊緣寬度 m ,安定區(qū)域?qū)挾?m 鼓泡區(qū)域面積 m m m(2)閥孔取, 閥孔氣速： m/s所以每層板上開(kāi)孔數(shù)： 因此需開(kāi)孔126個(gè)。浮閥排列港市采用等腰三角形叉排，取同一橫排的孔心距 m m考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式板的支承與銜接也要占去一部

13、分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用85 mm，而應(yīng)小于此值，故取 m按 mm, mm,以等腰三角形叉排方式作圖（見(jiàn)本例附圖），排的閥數(shù)130個(gè)。按重新核算孔數(shù)及閥孔動(dòng)能因數(shù)： m/s 閥孔動(dòng)能因數(shù)的變化不大，仍在912范圍內(nèi)。塔板開(kāi)孔率塔板流體力學(xué)驗(yàn)算(1)氣體通過(guò)浮閥塔的壓強(qiáng)降 即， 干板阻力： m/s m液柱板上充氣液層阻力：本設(shè)備分離本設(shè)備分離苯和氯苯的混合液，即液相為碳?xì)浠衔?，可取充氣系?shù) m液柱 液體表面張力所造成的阻力：阻力很小，忽略不計(jì)因此，與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨葹?m液柱 圖2-4-2塔板流體力學(xué)驗(yàn)算(1)氣體通過(guò)浮閥塔的壓強(qiáng)降 即， 干板阻力： m/s

14、 m液柱板上充氣液層阻力：本設(shè)備分離本設(shè)備分離苯和氯苯的混合液，即液相為碳?xì)浠衔?，可取充氣系?shù) m液柱 液體表面張力所造成的阻力：阻力很小，忽略不計(jì)因此，與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨葹?m液柱 kpa 所以符合條件。 (2)淹塔 為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度， 與氣體通過(guò)塔板的壓強(qiáng)降所相當(dāng)?shù)囊褐叨?m液柱, 液體通過(guò)降液管的壓頭損失：因不設(shè)進(jìn)口堰，故 m液柱 板上液層高度： m, 則 m，取 m 符合防止淹塔的要求。(3)霧沫夾帶 取物性數(shù)據(jù) 泛點(diǎn)率 泛點(diǎn)率 板上液體流徑長(zhǎng)度 m 板上液流面積 m2 泛點(diǎn)率 泛點(diǎn)率 計(jì)算的結(jié)果都在80%以下，故可知霧

15、沫夾帶量能夠滿足0.1 kg(液)、kg/（氣）的要求。.4塔板負(fù)荷性能圖(1)霧沫夾帶線 泛點(diǎn)率 按泛點(diǎn)率80%計(jì)算如下 泛點(diǎn)率 整理得m3/s (2) 液泛線 = 由此式確定液泛線，忽略式中， 因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則、等都為定值，而與又有如下關(guān)系，即 ，式中閥孔數(shù)N與孔徑亦為定值，因此可將上式簡(jiǎn)化成與的如下關(guān)系式：，即 ，在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)，依此式算出值列于本例附表中表2-4-4-關(guān)系表/m3/s0.005/m3/s據(jù)表中數(shù)據(jù)做出液泛線。(3)液相符合上限線 液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時(shí)間不低于3至5s,依液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間為 以 s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下

16、限，則， m3/s(4)漏液線 對(duì)于F1型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則 m3/s(5)液相負(fù)荷下限線 取堰上液層高度 m 取,則 m3/s(6)操作彈性 所以符合性能圖如下圖2-4-4 負(fù)荷性能圖第3章 精餾裝置的附屬設(shè)備設(shè)計(jì)3.1 原料預(yù)熱器3.1.1 初選和初算預(yù)熱器的規(guī)格(1)計(jì)算熱負(fù)荷和飽和蒸汽流量 , 選用0.9Mpa的飽和蒸汽加熱物料，則 kj/kg 水蒸氣流量為 kg/h (2)初選預(yù)熱器的規(guī)格。根據(jù)兩流體的情況，假設(shè),故 m2 ，由于 50 ，因此需考慮熱補(bǔ)償。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中選定F500 有關(guān)參數(shù)見(jiàn)本例附表 表3-1-1 換熱器殼徑/mm公稱壓強(qiáng)/Mpa公稱

17、面積/m2管程數(shù)5004管子尺寸/mm管長(zhǎng)/mm管子總數(shù)管子排列方法4500192 正方形斜轉(zhuǎn)45°實(shí)際傳熱面積 m2 若選擇該型號(hào)的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為核算壓強(qiáng)降 (1)管程壓強(qiáng)降 m2 m/s (完全湍流) 設(shè)管壁粗糙度 mm，由關(guān)系圖中查的=0.34 , pa pa pa 符合要求 (2)殼程壓強(qiáng) , 管子為正方形斜轉(zhuǎn)45°排列， 取折流板間距 m 殼程流通面積 m2 m/s pa pa pa 計(jì)算表明，管程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足題設(shè)要求。3.1.3 核算總傳熱系數(shù)(1)管程對(duì)流傳熱系數(shù) (2) 殼程對(duì)流傳流系數(shù) ， m/s2 , , , =10056 污垢

18、熱阻 (3) 總傳熱系數(shù) 3.2 管路設(shè)計(jì) (1) 塔頂蒸汽出口管徑 kmol/h kg/m3 m3/s m/s m(2) 釜液排除管口 kmol/h , kg/m3 m3/s m/s m (3) 回流液管徑 kmol/h (4) 進(jìn)料管徑 kmol/h , m3/s m控制方案離心泵的流量控制控制泵的出口閥門開(kāi)度（直接節(jié)流）控制原理：改變控制閥壓降從而改變工作點(diǎn)，關(guān)小控制閥壓降增加，流量下降壓頭上升。特點(diǎn)：控制閥安裝在泵出口，可防止氣縛和氣蝕。節(jié)流裝置安裝在閥上游，有利于提高測(cè)量精度。通過(guò)控制泵出口閥來(lái)控制流量的方法如圖1所示。當(dāng)干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時(shí)，控制器發(fā)出控制

19、信號(hào)，閥門動(dòng)作，控制結(jié)果是流量回到設(shè)定值。 圖1參考文獻(xiàn) 1 陳敏恒等.化工原理（下冊(cè)）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000 2 時(shí)鈞等主編.化學(xué)工程手冊(cè)，上卷.北京：化學(xué)工程出版社，19963 譚天恩，麥本熙，丁慧華編.化工原理（下冊(cè)）.第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19904 機(jī)械工程手冊(cè)、化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)編.機(jī)械工程手冊(cè)（第12卷 通用設(shè)備卷）.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19975 柴誠(chéng)敬等.化工原理課程學(xué)習(xí)指導(dǎo).天津：天津大學(xué)出版社，20036刁玉瑋, 王立業(yè), 喻建良. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ). 大連, 大連理工出版社, 2006, 127賈紹義. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津, 天津大

20、學(xué)出版社, 20028蔡紀(jì)寧, 張秋翔. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000 設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)及自我總結(jié)這次化工原理課設(shè)是我學(xué)到了許多東西，先說(shuō)說(shuō)在課設(shè)過(guò)程中遇到的學(xué)習(xí)上的問(wèn)題吧！在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，我還發(fā)現(xiàn)由于沒(méi)有及時(shí)將所得結(jié)果總結(jié)，以致在后面的計(jì)算中不停地來(lái)回翻查數(shù)據(jù)，這會(huì)浪費(fèi)了大量時(shí)間。由此，我在每章節(jié)后及時(shí)地列出數(shù)據(jù)表，方便自己計(jì)算也方便讀者查找。在一些應(yīng)用問(wèn)題上，我直接套用了書上的公式或過(guò)程，并沒(méi)有徹底了解各個(gè)公式的出處及用途，對(duì)于一些工業(yè)數(shù)據(jù)的選取，也只是根據(jù)范圍自己選擇的，并不一定符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。因此，一些計(jì)算數(shù)據(jù)有時(shí)并不是十分準(zhǔn)確的，只是擁有一個(gè)正確的范圍及趨勢(shì)

21、，而并沒(méi)有更細(xì)地追究下去，因而可能存在一定的誤差，影響后面具體設(shè)備的選型。如果有更充分的時(shí)間，我想可以進(jìn)一步再完善一下的。說(shuō)完學(xué)習(xí)，再說(shuō)一說(shuō)自己課設(shè)即將結(jié)束的這個(gè)時(shí)候，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，也讓我對(duì)自己的專業(yè)有了更加感性和理性的認(rèn)識(shí)，這對(duì)我的繼續(xù)學(xué)習(xí)是一個(gè)很好的指導(dǎo)方向，我了解了工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握了化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，增強(qiáng)了分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，還使我樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)更尤為重要。最后，我還要感謝我的指導(dǎo)老師老師對(duì)我的教導(dǎo)與幫助，感謝同學(xué)們的相互支持。尤其是當(dāng)我遇到不會(huì)的東西的時(shí)候，老師總