1、化工原理課程設計說明書設計題目：苯-氯苯板式精餾塔工藝設計設 計 者: 日 期: 組 員： 指導老師： 設計成績： 畢業(yè)設計題目年產6萬噸氯苯精餾工段板式精餾塔設計一、設計題目試設計一座年產6萬噸的氯苯連續(xù)精餾塔，要求年產純度為99.8%的氯苯60000噸，塔頂餾出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯為38%（以上均為質量%）。設計區(qū)域符合西北地區(qū)的情況二、操作條件1.塔頂壓強4kPa（表壓）；2.進料熱狀況，泡點進料；3.回流比，2Rmin；4.塔釜加熱蒸汽壓力0.5MPa（表壓）；5.單板壓降不大于0.7kPa；6.年工作日300天，每天24小時連續(xù)運行。三、設計內容1.設計方案的確定及工

2、藝流程的說明；2.塔的工藝計算；3.塔和塔板主要工藝結構的設計計算；4.塔內流體力學性能的設計計算；5.塔板負荷性能圖的繪制；6.塔的工藝計算結果匯總一覽表；7.生產工藝流程圖及精餾塔工藝條件圖的繪制；8.對本設計的評述或對有關問題的分析與討論。四、基礎數(shù)據1.組分的飽和蒸汽壓（mmHg）溫度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯1482052934005437197602.組分的液相密度（kg/m3）溫度，（）8090100110120130苯817805793782770757氯苯10391028101810089979

3、85純組分在任何溫度下的密度可由下式計算苯 推薦：氯苯 推薦：式中的t為溫度，。3.組分的表面張力（mN/m）溫度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4雙組分混合液體的表面張力可按下式計算：（為A、B組分的摩爾分率）4.氯苯的汽化潛熱常壓沸點下的汽化潛熱為35.3103kJ/kmol。純組分的汽化潛熱與溫度的關系可用下式表示：（氯苯的臨界溫度：）5.其他物性數(shù)據可查化工原理附錄。目 錄一、前言1二、產品與設計方案簡介2（一）產品性質、質量指標2（二）設計方案簡介3（三）工藝流程及說明3三、工藝

4、計算及主體設備設計4（一）全塔的物料衡算41）料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率42）平均摩爾質量43）料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率4（二）塔板數(shù)的確定51）理論塔板數(shù)的求取52）實際塔板數(shù)7（三）塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據的計算71）平均壓強72）平均溫度73）平均分子量74）平均密度85）液體的平均表面張力86）液體的平均粘度9（四）精餾段的汽液負荷計算9（五）塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算91）塔徑92）塔板工藝結構尺寸的設計與計算10（六）塔板上的流體力學驗算121）氣體通過篩板壓降和的驗算122）霧沫夾帶量的驗算143）漏液的驗算144）液泛的驗算14（七）塔板負荷性能圖141）

5、霧沫夾帶線（1）142）液泛線（2）153）液相負荷上限線（3）164）漏液線（氣相負荷下限線）（4）165）液相負荷下限線（5）16（八）精餾塔的設計計算結果匯總一覽表18（九）精餾塔的附屬設備與接管尺寸的計算19（十）主要符號說明20四、對設計過程的評述和感受21苯-氯苯分離過程板式精餾塔設計計算書一、前言 課程設計是本課程教學中綜合性和實踐性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性、學習化工設計基本知識的初次嘗試。通過課程設計，要求學生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工工程設計的初步

6、訓練。通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度責任感的工作作風。課程設計是增強工程觀念，培養(yǎng)提高學生獨立工作能力的有益實踐。本設計采用連續(xù)精餾分離苯-氯苯二元混合物的方法。連續(xù)精餾塔在常壓下操作，被分離的苯-氯苯二元混合物由連續(xù)精餾塔中部進入塔內，以一定得回流比由連續(xù)精餾塔的塔頂采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯。氯苯純度不低于99.8%，塔頂產品苯純度不低于98%（質量分數(shù)）。高徑比很大的設備稱為塔器。塔設備是化工、煉油生產中最重要的設備之一。它

7、可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。常見的、可在塔設備中完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等。在化工或煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量質量生產能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面都有重大的影響。據有關資料報道，塔設備的投資費用占整個工藝設備投資費用的較大比例。因此，塔設備的設計和研究，受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。作為主要用于傳質過程的塔設備，首先必須使氣（汽）液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質效率。此外，為了滿足工業(yè)生產的需要，塔設備還得考

8、慮下列各項傳質效率。此外，為了滿足工業(yè)生產的需要，塔設備還得考慮下列各項要求：（1）生產能力大在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。（2）操作穩(wěn)定、彈性大。當塔設備的氣（汽）液負荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設備應保證能長期連續(xù)操作。（3）流體流動的阻力小。即流體通過塔設備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產中的動力消耗，以及降低經常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。（4）結構簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過程中的投資費用。（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調節(jié)和檢修

9、。事實上，對于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述所有要求，僅是在某些方面具有獨到之處根據設計任務書，此設計的塔型為篩板塔。篩板塔是很早出現(xiàn)的一種板式塔。五十年代起對篩板塔進行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設計方法。與泡罩塔相比，篩板塔具有下列優(yōu)點：生產能力大2040%，塔板效率高1015%，壓力降低3050%，而且結構簡單，塔盤造價減少40%左右，安裝、維修都較容易。從而一反長期的冷落狀況，獲得了廣泛應用。近年來對篩板塔盤的研究還在發(fā)展，出現(xiàn)了大孔徑篩板（孔徑可達2025mm），導向篩板等多種形式。篩板塔盤上分為篩孔區(qū)、無孔區(qū)、溢流堰及降液管等幾部分工業(yè)塔

10、常用的篩孔孔徑為38mm，按正三角形排列空間距與孔徑的比為2.55近年來有大孔徑（1025mm）篩板的，它具有制造容易，不易堵塞等優(yōu)點，只是漏夜點低，操作彈性小。篩板塔的特點如下：（1）結構簡單、制造維修方便。（2）生產能力大，比浮閥塔還高。（3）塔板壓力降較低，適宜于真空蒸餾。（4）塔板效率較高，但比浮閥塔稍低。（5）合理設計的篩板塔可是具有較高的操作彈性，僅稍低與泡罩塔。（6）小孔徑篩板易堵塞，故不宜處理臟的、粘性大的和帶有固體粒子的料液。二、產品與設計方案簡介（一）產品性質、質量指標產品性質：有杏仁味的無色透明、易揮發(fā)液體。密度1105g/cm3。沸點1316。凝固點-45。折射率152

11、16(25)。閃點294。燃點6378，折射率15246，粘度(20)0799mPas，表面張力332810-3Nm溶解度參數(shù)95。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多數(shù)有機溶劑，不溶于水。易燃，蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限1. 3-71(vol)。溶于大多數(shù)有機溶劑，不溶于水。常溫下不受空氣、潮氣及光的影響，長時間沸騰則脫氯。蒸氣經過紅熱管子脫去氫和氯化氫，生成二苯基化合物。有毒在體內有積累性，逐漸損害肝、腎和其他器官。對皮膚和粘膜有刺激性對神經系統(tǒng)有麻醉性，LD502910mgkg，空氣中最高容許濃度50mgm3。遇高溫、明火、氧化劑有燃燒爆炸的危險。質量指標：氯苯純度不低于99.8%，

12、塔頂產品苯純度不低于98%，原料液中苯38%。（以上均為質量分數(shù)）（二）設計方案簡介1.精餾方式：本設計采用連續(xù)精餾方式。原料液連續(xù)加入精餾塔中，并連續(xù)收集產物和排出殘液。其優(yōu)點是集成度高，可控性好，產品質量穩(wěn)定。由于所涉濃度范圍內乙醇和水的揮發(fā)度相差較大，因而無須采用特殊精餾。 2.操作壓力：本設計選擇常壓，常壓操作對設備要求低，操作費用低，適用于苯和氯苯這類非熱敏沸點在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。 3. 塔板形式：根據生產要求，選擇結構簡單，易于加工，造價低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降教低，在苯和氯苯這種黏度不大的分離工藝中有很好表現(xiàn)。 4.加料方式和加料熱狀態(tài)：設計采用

13、泡點進料，將原料通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。 5.由于蒸汽質量不易保證，采用間接蒸汽加熱。 6.再沸器，冷凝器等附屬設備的安排：塔底設置再沸器，塔頂蒸汽完全冷凝后再冷卻至泡點下一部分回流入塔，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲灌。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。（三）工藝流程及說明38%氯苯原料儲存原料預熱精餾再沸99.8%氯苯儲存分配冷凝冷卻98%苯儲存冷卻首先，苯和氯苯的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原

14、料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，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，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產品冷卻器中，停留一定的時間然后進入苯的儲罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與氯苯的分離。三、工藝計算及主體設備設計（一）全塔的物料衡算1）料液及塔頂?shù)桩a品含苯的摩爾分率苯和氯苯的相對摩爾質量分別為78.11和112.61kg/k

15、mol。2）平均摩爾質量3）料液及塔頂?shù)桩a品的摩爾流率依題給條件：一年以300天，一天以24小時計，有：，全塔物料衡算： （二）塔板數(shù)的確定1）理論塔板數(shù)的求取苯-氯苯物系屬于理想物系，可采用梯級圖解法（MT法）求取，步驟如下：1.根據苯-氯苯的相平衡數(shù)據，利用泡點方程和露點方程求取依據，將所得計算結果列表如下：溫度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760兩相摩爾分率x10.6770.4420.2650.1270.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710本題中，

16、塔內壓力接近常壓（實際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據，因為操作壓力偏離常壓很小，所以其對平衡關系的影響完全可以忽略。2.確定操作的回流比R將1.表中數(shù)據作圖得曲線及曲線。在圖上，因，查得，而，。故有：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：3.求理論塔板數(shù)精餾段操作線：提餾段操作線為過和兩點的直線。苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解苯-氯苯物系的溫度組成圖圖解得塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第5塊為加料板位置。2）實際塔板數(shù)1.全塔效率選用公式計算。該式適用于液相粘度為0.071.4mPas的烴類物系，式中的為全塔平均溫度下以進料

17、組成表示的平均粘度。塔的平均溫度為0.5(80+131.8)=106（取塔頂?shù)椎乃阈g平均值），在此平均溫度下查化工原理附錄11得：，。2.實際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同）精餾段：塊，取塊提餾段：塊，取塊總塔板數(shù)塊。（三）塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數(shù)據的計算1）平均壓強取每層塔板壓降為0.7kPa計算。塔頂：加料板：平均壓強2）平均溫度查溫度組成圖得：塔頂為80，加料板為89。3）平均分子量塔頂： ，（查相平衡圖）加料板：，（查相平衡圖）精餾段：4）平均密度1.液相平均密度塔頂：進料板：精餾段：2.汽相平均密度5）液體的平均表面張力塔頂：；（80）進料板：；（89）精餾段：6）液體的平均粘

18、度塔頂：查化工原理附錄11，在80下有：加料板：精餾段：（四）精餾段的汽液負荷計算汽相摩爾流率汽相體積流量汽相體積流量液相回流摩爾流率液相體積流量液相體積流量冷凝器的熱負荷（五）塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算1）塔徑1.初選塔板間距及板上液層高度，則：2.按Smith法求取允許的空塔氣速（即泛點氣速）查Smith通用關聯(lián)圖得負荷因子泛點氣速：m/s3.操作氣速取4.精餾段的塔徑圓整取，此時的操作氣速。2）塔板工藝結構尺寸的設計與計算1.溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。溢流堰長（出口堰長）取堰上溢流強度，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。出口堰高對平直堰

19、由及，查化工原理P111圖5-5得，于是：（滿足要求）降液管的寬度和降液管的面積由，查化原下P112圖5-7得，即：，。液體在降液管內的停留時間（滿足要求）降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：（不宜小于0.020.025m，本結果滿足要求）2.塔板布置邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度：一般為5075mm，D 2m時，可達100mm。安定區(qū)寬度：規(guī)定m時mm；m時mm；本設計取mm，mm。開孔區(qū)面積式中：3.開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應

20、在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速4.精餾段的塔高（六）塔板上的流體力學驗算1）氣體通過篩板壓降和的驗算1.氣體通過干板的壓降式中孔流系數(shù)由查P115圖5-10得出，。2.氣體通過板上液層的壓降式中充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速，對單流型塔板有：動能因子查化原P115圖5-11得（一般可近似?。?.氣體克服液體表面張力產生的壓降4.氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（不滿足工藝要求，需重新調整參數(shù)）?，F(xiàn)對塔板結構參數(shù)作重新調整如下：取mm，mm。開孔區(qū)面積式中：開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度，且取。故孔心距。每層塔板的

21、開孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的孔速氣體通過篩板壓降和的重新驗算氣體通過篩板的壓降（單板壓降）和（滿足工藝要求）2）霧沫夾帶量的驗算式中：，驗算結果表明不會產生過量的霧沫夾帶。3）漏液的驗算漏液點的氣速篩板的穩(wěn)定性系數(shù)（不會產生過量液漏）4）液泛的驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度成立，故不會產生液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出最合理的設計，還需重選及，進行優(yōu)化設計。（七）塔板負荷性能圖1）霧沫夾帶線（1） （1）式中：將已知數(shù)據代入式（1） （1-1）在操作范圍內，任取幾個值，依

22、式（1-1）算出對應的值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01814.4964.1443.8353.5753.429依據表中數(shù)據作出霧沫夾帶線（1）2）液泛線（2） （2） （2-2）在操作范圍內，任取幾個值，依式（2-2）算出對應的值列于下表：0.0009550.0050.010.0150.01813.5843.3633.0442.5912.217依據表中數(shù)據作出液泛線（2）3）液相負荷上限線（3） （3-3）4）漏液線（氣相負荷下限線）（4）漏液點氣速，整理得： （4-4）在操作范圍內，任取幾個值，依式（4-4）算出對應的值列于下表：0.0009550.0050.0

23、10.0150.01810.9270.9861.0351.0741.095依據表中數(shù)據作出漏液線（4）5）液相負荷下限線（5）取平堰堰上液層高度m，。 （5-5）操作氣液比 操作彈性定義為操作線與界限曲線交點的氣相最大負荷與氣相允許最小負荷之比，即：操作彈性=（八）精餾塔的設計計算結果匯總一覽表精餾塔的設計計算結果匯總一覽表項 目符 號單 位計 算 結 果精餾段提餾段平均壓強PmkPa108.1平均溫度tm84.5平均流量氣相m3/s1.999液相m3/s0.00220實際塔板數(shù)塊8板間距m0.55塔段的有效高度Zm3.85塔徑Dm1.6空塔氣速um/s0.995塔板液流型式單流型溢流裝置溢流

24、管型式弓形堰長m1.12堰高m0.0594溢流堰寬度m0.224底隙高度m0.0246板上清液層高度m0.070孔徑mm5孔間距mm15孔數(shù)n個7113開孔面積A0m20.140篩孔氣速m/s14.28塔板壓降kPa0.681液體在降液管中的停留時間S45.25降液管內清液層高度m0.153霧沫夾帶kg液/kg氣0.00822負荷上限霧沫夾帶控制負荷下限漏液控制氣相最大負荷m3/s3.44氣相最小負荷m3/s0.92操作彈性3.74（九）精餾塔的附屬設備與接管尺寸的計算1）料液預熱器根據原料液進出預熱器的熱狀況和組成首先計算預熱器的熱負荷Q ，然后估算預熱器的換熱面積A ，最后按換熱器的設計計

25、算程序執(zhí)行。2）塔頂全凝器全凝器的熱負荷前已算出，為1771.45循環(huán)水冷卻，進出口水溫可根據不同地區(qū)的具體情況選定后再按換熱器的設計程序做設計計算。3）塔釜再沸器因為飽和液體進料，故。即再沸器的熱負荷與塔頂全凝器相同。實際上由于存在塔的熱損失（一般情況下約為提供總熱量的510%）。再沸器屬于兩側都有相變的恒溫差換熱設備，故再沸器的設計計算與蒸發(fā)器同。4）精餾塔的管口直徑1.塔頂蒸汽出口管徑依據流速選取，但塔頂蒸汽出口流速與塔內操作壓力有關，常壓可取1220m/s。2.回流液管徑回流量前已算出，回流液的流速范圍為0.20.5m/s；若用泵輸送回流液，流速可取12.5 m/s。3.加料管徑料液由高位槽自流，流速可取0.40.8 m/s；泵送時流速可取1.52.5m/s。4.料液排出管徑塔釜液出塔的流速可取0.51.0m/s。5.飽和蒸汽管徑蒸汽流速：295kPa：2040 m/s；2950 kPa：80 m/s。（十）主要符號說明項目符 號項