填料塔设计(共29页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 目 录 第一章 前言 4 1.1 塔设备简介4 1.2 设计方案的确定 4 1.2.1 装置流程4 1.2.2 加料方式 4 1.2.3 进料状况4 1.2.4 加热方式4 1.2.5 工艺流程 4 第二章 苯和氯苯的物理性质 5 2.1 苯和氯苯的物理性质 5 2.2 苯和氯苯气液相平衡数据 5 2.3 组成饱和蒸汽压 6 2.4 液相密度 6 2.5 液相黏度6 2.6 温度表面张力 7 第三章 苯氯苯填料塔设计计算 7 3.1 精馏塔物料衡算 7 3.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 7 3.1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 7 3.1.3

2、 料液及塔顶底产品的摩尔流量 8 3.2 塔板数的确定 8 3.2.1 进料热状况的求取 83.2.2 确定操作的回流比R 10 3.2.3 理论塔板数的求取 10 3.2.4 精馏塔操作线方程11 3.3 实际塔板数 11 3.3.1 全塔效率11 3.3.2 实际塔板数12 3.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算12 3.4.1 操作压力计算12 3.4.2 操作温度计算 12 3.4.3 平均摩尔质量计算12 3.4.4 平均密度计算 13 3.4.5 液体平均比表面张力计算15 3.4.6 液体粘度 16第四章 塔体工艺尺寸计算18 4.1 填料的选择18 4.2 塔径的确定19

3、 4.3 填料层高度计算21 4.4 填料层压降21第五章 校核22专心-专注-专业 5.1 载点、泛点校核22 5.2 液体喷淋密度的验算22第六章 附属设备及主要附件的选型计算23 6.1 冷凝器23 6.2 加热器23 6.3 填料支撑装置24 6.4 填料压紧装置24 6.5 液体分布装置24 6.5.1 液体分布器的选型24 6.5.2 分布点密度计算24 6.5.3 布液计算24 6.6 除沫器25第七章 填料塔设计结果汇总25 7.1 物料衡算表25 7.2 精馏塔工艺条件及有关物性数据表25 7.3 塔主要设计参数表27第八章 设计过程的评述和讨论27 8. 1 过程评述与讨论

4、27 8. 2 结束语27 8.3 符号说明28参考文献29 第一章 前言 1.1塔设备简介 塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，最常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。填料塔是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔底和对方在塔内对传质起关键作用的填料等组成，本设计采用填料精馏塔分离苯和氯苯，且所用填料为散装填料。 1.2设计方案的确定 1.2.1装置流程本任务是分离苯氯苯混合物。对二元混合物的分离，应采用连续精馏流程，本设计采用填料塔连续精馏。1.2.2加料方式 本任务采用高位槽加料方式，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。1.2.3进料状况设计中采

5、用冷液进料，冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用，同时理论板数也相应减少。1.2.4加热方式采用间接蒸汽加热，比直接蒸汽加热要好，使釜液部分汽化，维持原来的温度以减少理论板数。1.2.5工艺流程 在圆筒塔底的下部，设置一层支撑板，支撑板上填充一定高度的填料。液体由上部入口管进入经分布器喷淋至填料上，在填料的空隙中通过，并润湿填料表面形成流动的液膜液体流经填料后经排出管取出。液体再填料层中有顷向于塔壁的流动，故填料层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分器，以利于液体的重新分布。气体在支撑板下方入口管进入塔内，在压强差的推动下，通过填料间的空隙由塔的顶部排出管排出。填料层

6、内气液两相呈逆流流动，相际间的传质通常是在填料表面的液体与气相间的界面上进行，两相的组成沿塔高连续变化。工艺流程草图如下：35%氯苯原料储存原料预热精馏再沸98%氯苯 储存分配冷凝冷却98%苯储存冷却 第二章 苯和氯苯的物理性质 2.1苯和氯苯的物理性质表1.1苯和氯苯的物理性质项目分子式相对分子质量沸点临界温度/。c临界压力/kpa苯 （A）C6H67811801288568334氯苯（B）C6H5 Cl112.56131.8359.24520 2.2苯氯苯气液相平衡数据 表1.2苯氯苯的气液相平衡数据沸点温度t苯的组成沸点温度t苯的组成液相气相液相气相80.11.0001.0001200.

7、1270.376900.6770.9131300.0191000.4420.785131.80.0000.0001100.2652.3组成饱和蒸汽压 表1.3苯氯苯的组成饱和蒸气压温度8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760 2.4液相密度 表1.4 苯氯苯的液相密度温度8090100110120130苯817805793782770757氯苯10391028101810089979852.5液相黏度表1.5苯氯苯液体粘度温度()6080100120140苯（MP.S）0.3810.3080

8、.2550.2150.184氯苯（MP.S）0.5150.4280.3630.3130.274 2.6温度表面张力表1.6苯-氯苯温度表面张力关系表温度020406080100120140氯苯表面张力32.830.4928.2125.9623.7521.5719.4217.32苯表面张力 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.4914.17 第三章 苯氯苯填料塔设计计算3.1精馏塔物料衡算（以轻组分计算）3.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量 = 氯苯的摩尔质量 = 3.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3.1.3料液及塔顶底产品的摩尔流量

9、要求年处理苯氯苯混合液10万吨/年，（开工率300天/年，24小时/天）原料处理量： 总物料衡算： F=D+W (1)易挥发组分物料衡算： 0.728F=0.986D+0.0286W (2)联立(1)、（2）得 D=115.98 W=42.79 3.2塔板数的确定 3.2.1进料热状况的求取 利用平衡数据在坐标纸上会平衡曲线及对角线，如图3-2所示。在图上定出点、点和点 由图3-2查出进料组成时溶液的泡点为平均温度 已知操作条件下苯的汽化热为，氯苯的汽化热为 = 液体比热容温度关联式 对苯： 计算可得 对氯苯： 计算可得 故原料液的平均比热容为： 所以 从点作斜率为的直线，即得线。线与平衡线交

10、于点 3.2.2确定操作的回流比R 最小回流比： 考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2倍，即：利用平衡数据，在直角坐标系上会平衡曲线及对角线，如图32所示，在图上顶点出点、点和点三点。精馏段操作线截距在轴上定点出，连接，即得到精馏段操作线；交线方程于一点，连接，即得到提馏段操作线。 3.2.3理论塔板数的求取 (1). 苯氯苯物系属于理想物系，自点开始在操作线和平衡线之间绘梯级，图解求取理论板数。 总理论板层数 块 取块(不包括再沸器） 精馏段 块 提馏段 块 第块为加料板位置 3.2.4精馏塔操作线方程 精馏段操作线方程 馏段操作线方程 3.3实际塔板数 3.

11、3.1全塔效率选用公式计算，该式适用于液相粘度的烃类物系，式中的为全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度。塔的平均温度为（取塔顶底的算术平均值），查液体年度共线图得： 故 3.3.2实际塔板数（近似取两段效率相等） 精馏段 块 取块 提馏段 块 取块 块 3.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 3.4.1操作压力计算塔底压力为 每层塔板压降 进料板压力塔顶操作压力 精馏段平均压力 提馏段平均压力 3.4.2操作温度计算 依据操作压力，由泡点方程通过试差法，计算出泡点温度，其中苯、氯苯的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算结果如下：塔顶温度： 进料板温度： 塔底温度： 精馏段平均温度： 提馏段平

12、均温度： 全塔平均温度： 3.4.3平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由查平衡曲线图得 进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板得查平衡曲线图得 塔底平均摩尔质量计算 由图解理论板得，查平衡曲线得精馏段平均摩尔质量计算 提馏段平均摩尔质量 3.4.4平均密度计算（1）气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即精馏段： 提馏段： （2）液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 由苯氯苯温度密度关系表，可做出其液相密度图，做出其液相密度图如下： 表341苯氯苯温度密度关系表 表达式为 当时， 当时， 当时， 由 得知 塔顶： 进料板:液相的质量分率: 塔底：所以精馏段液相的平均密度： 提馏

13、段液相的平均密度： 3.4.5液体平均比表面张力计算 根据下表表342苯-氯苯温度表面张力关系表温度020406080100120140氯苯表面张力 32.830.4928.2125.9623.7521.5719.4217.32苯表面张力 31.6028.8026.2523.7421.2718.8516.4914.17已知 由化学手册液体表面张力图查得：当时， 当时， 当时， 精馏段平均表面张力： 提馏段平均表面张力： 3.4.6液体粘度 表343苯氯苯温度粘度关系表温度()6080100120140苯（）0.3810.3080.2550.2150.184氯苯（）0.5150.4280.363

14、0.3130.274 根据上表由化学手册液体粘度共线图查得 塔顶时， 得 进料板时， 得 塔底时， 得 精馏段液相平均粘度为 提馏段液相平均粘度为 全塔液相平均粘度为 表344 苯、氯苯Antoine常数数据表ABC温度范围（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 又塔顶和塔底平均温度为 ,纯组分的饱和蒸汽压和温度的关系通常可用安托尼方程表示，即式中、

15、为组分的安托尼常数，由上表可查得。 对苯：满足 得对氯苯：满足 得则此温度下的相对挥发度为根据奥康奈尔关联法 即总板效率 第四章 塔体工艺尺寸计算 4.1填料的选择 由于瓷制鲍尔环具有生产能力大，阻力低，效率高，操作弹性大，造价低 廉等特点，故选此作为特点。选取公称直径为，外径高：的乱堆瓷制鲍尔环，其比表面积，空隙率，堆积密度 ，干填料因子：，湿填料因子： 查有机液体的相对密度共线图与有机液体的相对粘度共线图可得到（忽略液体体积变化） 项目 温度 黏度 密度 液体摩尔 质量 蒸汽摩尔 质量 塔顶 81.3 0.308 818.99 78.59 80.52 加料处 91.3 0.277 882.

16、92 89.48 81.38 塔釜 131.3 0.202 975.330 112.15111.574.2塔径的确定 （1）精馏段： 根据 又塔内气体常压操作，假设压强为 查Eckert(埃克特）通用关联图， 得 其中，湿填料因子为 一般空塔气速为泛点气速的倍，这里取 则空塔气速： 塔内上升蒸气的体积流量： 精馏塔塔径： 圆整到 （2）提馏段： 查Eckert(埃克特）通用关联图， 得 其中湿填料因子为 一般空塔气速为泛点气速的倍，这里取 则空塔气速： 提馏段塔径: 圆整到又两直径相差不是很大，则圆整到 4.3填料层高度计算 采用等板高度法计算填料层高度 查资料可知，瓷制鲍尔环每米的等板高度

17、精馏段填料层高度为： 提馏段高度填料层为： 设计取精馏段填料层高度为，提馏段高度填料层为。总填料层高度 工业上，取填料层分段高度为，而填料层总高度为，故填料层需分段。 4.4填料层压降 采用Eckert通用关联图计算填料层压降，查图得精馏段: 提馏段： 填料层总压降为： 第五章 校核 5.1 载点、泛点校核 载点是填料层中气液两相交互作用是否显著的分界点，填料在载点前后分别具有不同的流体力学性质。在载点后，随气速增大，填料被流体充分润湿，相际接触面增大，传质得以加强，是填料塔的正常操作。 泛点：填料塔在液泛区操作极不稳定，压降大，轴向返混严重，传质效率低下，因此泛点气速是填料塔正常操作的极限气

18、速，填料塔的正常操作一定要严格控制在泛点气速以下。 这个尺寸的填料塔的操作载点的经验值一般在左右，泛点的经验值一般在左右，本次设计气速在载点和泛点之间，符合设计要求。 5.2液体喷淋密度的验算 精馏段：液体喷淋密度 为使填料能获得良好润湿，塔内喷淋量应不低于某一极限值，此值为最小喷淋密度，对瓷制鲍尔环，其为散装填料，有 液体体积流量 又 故提馏段： 液体体积流量 又 故 经上面校核，填料塔直径取合理。第六章 附属设备及主要附件的选型计算6.1冷凝器 本设计冷凝器采用重力回流直立或管壳式冷凝器。对蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管

19、壳式冷凝器，被冷凝气走管间，以便于及时排出冷凝器冷却水循环与气体方向相反，及逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。查化工手册，得到：对于低沸点有机物，冷凝介质为水时，传热系数为，故取冷凝器传热系数 湖南夏季最高平均水温，升温逆流： 传热面积：冷凝器选型如下： 表4-1-1 冷凝器的选型参数值表公称直径/管程数管数 管长 换热面积 公称直径 1 0.66.2加热器 选用U型管加热器，经处理后，放在塔釜内。蒸汽选择饱和水蒸气，传热系数 6.3填料支撑装置 填料支撑装置的作用支撑塔内填料床层。常用的支撑装置由栅板型、孔管型、驼峰型等。本设计采用散装填料

20、，选用孔管型。6.4填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料层发生松动和跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。本设计采用散装填料，选用压紧网板。6.5液体分布装置 6.5.1液体分布器的选型液体分布器的选型多样，有喷头式、盘式、槽式或槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。槽盘式分布器时近年来新开发的新型分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结果紧凑，气液分布均匀，阻力小，操作弹性高达，适用于各种液体喷淋量。本设计采用槽盘式分布器。 6.5.2分布点密度计算按埃克特通用关联图的散装填料精馏塔分布点密度推荐值，对瓷制鲍尔环填料，喷

21、淋点密度为点，因该塔液相负荷较大设计取喷淋点密度为点。分布液点数：点点6.5.3布液计算本设计为重力型液体分布器中的多孔型，其布液工作的公里未开孔上方的液的高度。多孔型液体分布器布液能力计算公式为：液体流量 孔流系数： 通常 取 这里取开孔上方的液位高度故孔径 设计取6.6除沫器为确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。 第七章 填料塔设计结果汇总7.1物料衡算数据表 附表1 物料衡算计算结果 序号 项目 数值 1 原料液流量（） 2 气相产品流量（） 3 液相产品流量（） 4 原料液摩尔分数 5 气相产品摩尔分数 6 液相产品摩尔分数 7.2精馏塔工艺条件及有关物性数据表 附表2精馏

22、塔工艺条件及有关物性数据计算结果 序号 项目 数值 1 精馏段平均压力 592.23 2 提馏段平均压力 597.83 3 精馏段平均温度 86.3 4 提馏段平均温度 111.33 5 精馏段气相平均摩尔质量 80.00 6 精馏段液相平均摩尔质量 85.00 7 提馏段气相平均摩尔质量 86.48 8 提馏段液相平均摩尔质量 100.82 9 精馏段气相平均密度 2.87 10 精馏段液相平均密度 850.96 11 提馏段气相平均密度 3.49 12 提馏段液相平均密度 929.13 13 精馏段液体表面张力 20.80 14 提馏段液体表面张力 19.70 15 精馏段液体平均粘度 0

23、.293 16 提馏段液体平均粘度 0.240 17 精馏段气相流量 84.032 18 精馏段液相流量 1.774 19 提馏段气相流量 6.031 20 提馏段液相流量 8.710 21 实际塔板数 16 22 有效段高度 8.0 23 塔径 1.2 24 板间距 0.4 7.3塔主要设计参数表 附表3填料塔主要设计参数 填料层盖度/ 填料层压降/冷凝器换热面积/加热器换热面积/ 8.0 6937.632 14.73 24.77进料管管径选型 塔顶蒸汽接管管径选型 塔釜出料接管管型 第五章 设计过程的评述和讨论8.1 过程评述与讨论 本次课程设计为化工原理课程设计，要求通过给定的生产操作条

24、件自行设计一套苯氯苯物系的精馏分离的填料塔设备，并对所设计的塔设备进行合理的优化和改进。通过两周的努力，反复计算和优化，终于设计出一套比较完善的填料塔设备。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，且操作弹性大，生产能力强，达到了预期的目的。因此，本次课程设计非常成功。8.2结束语 课程设计使我们对化工原理课程所学知识有了更深的理解，让我们认识到了理论知识对工作实践的重要的知道意义，学会理论联系实际。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切又教材和教师安排。因此，课程设计给了我们更大的发挥空间。让我们发挥主观能动性独立的查资料，找数据，设计实验方案，并将理论知

25、识应用到实践中去。同时，这次课程设计也让我们认识到了工业上计算机的广泛用途。通过这次课程设计提高了我们的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更重要的是，该课程设计需要我们充分发挥团队合作精神，组员之间必须紧密合作，相互配合，才可能在有限的时间内设计出最优的设计方案。总之，这次课程设计既是对我们课程知识的考核，又是对我们思考问题、解决问题能力的考核，更是对我们人格品德的考验，课程设计让我们受益匪浅；次设计中我学到了很多知识，同时使我认识到理论于实践的结合有多重要，也使我在潜意识中慢慢形成了一种模式：纯理论主义与纯经验主义都是不可取的，只有联系实际、活学活用才是对自己、对社会有用的。8.3符号说明

26、:塔顶馏出液流量，； :塔径，；:进料热状况参数；:回流比；:空塔气速，；：泛点气速，；：塔内上升蒸气流量，；：塔内上升蒸气流量，；：釜残液（塔底产品）流量，；：液相中易挥发组分的摩尔分数；：气相中易挥发组分的摩尔分数；：塔有效高度，；：塔板序号；：相对挥发度；：填料直径，；：液流收缩系数，量纲为一；：进料流量，；：重力加速度，；：塔高，或；：板间距，；：板上液层高度，；:塔内下降液体的流量，；:液体流量，； :理论塔板数； :操作压强，或；:压强降，或； 参考文献 1.化工原理（下），天津大学出版社，夏清、贾绍义，2005年 2.化工原理课程设计，天津大学出版社，贾绍义、柴诚敬，2002年 3.化工流体流动与传热，化学工业出版社，柴诚敬、张国亮，2004年 4.化工传质与分离过程，化学工业出版社，贾绍义、柴诚敬，2005年 5. 塔器，化学工业出版社，俞晓梅、袁孝竞，2010年