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课程设计说明书

课程名称：化工原理

设计题目：苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计院系：化学与环境工程学院

学生姓名：李翠丽

学号： 05040018

专业班级： 09应用化学（2）班

指导教师：张楠

11 月 10 日

课程设计任务书

苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计

一、设计题目

试设计一座苯—氯苯连续精馏塔，要求原料液处理量为2.6t/h, 氯苯纯度为99.8%,塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为38%（以上均为质量分数）。

二、操作条件

1.塔顶压强4kPa（表压）；

2.进料热状况，泡点进料；

3.回流比，2R min；

4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa（表压）；

5.单板压降不大于0.7kPa；

三、设计内容

1.精馏塔的物料衡算；

2.塔板数的确定；

3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；

4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算；

5.塔板主要工艺尺寸的计算；

6.塔板的流体力学验算；

7.塔板负荷性能图；

8.精馏塔接管尺寸计算；

9.绘制生产工艺流程图；

10.绘制精馏塔设计条件图；

11.绘制塔板施工图（可根据实际情况选作）； 12.对设计过程的评述和有关问题的讨论。 四、基础数据

1.组分的饱和蒸汽压οi p （mmHg ）

2.组分的液相密度ρ（kg/m 3）

纯组分在任何温度下的密度可由下式计算

苯t A 187.1912-=ρ 氯苯t B 111.11127-=ρ 式中的t 为温度，单位为℃。

3.组分的表面张力σ(mN/m)

双组分混合液体的表面张力m σ可按下式计算：

A

B B A B

A m x x σσσσσ+=

（B A x x 、为A 、B 组分的摩尔分率）

4.其它物性数据可查化工原理附录。

摘 要：课程设计是化工原理课程设计教学中综合性和实践性较强

的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。经过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，惊醒融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工课程设计的初步训练。经过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决问题的能力。同时，经过课程设计，还能够使学生树立正确的设计思想，培养提高学生独立工作能力的有益实践。又由于塔设备在石油、化工、医药、煤炭等行业中广泛，其合理的设计受到极大关注，因此塔设计课程时间必不可少。

关键词：塔板数溢流液泛压降漏液等

目录

一、设计背景 (1)

二、设计方案 (2)

（一）产品性质、质量指标 (2)

（二）设计方案简介 (2)

（三）工艺流程及说明 (3)

三、工艺计算及主体设备设计 (3)

（一）全塔的物料衡算 (4)

1）料液及塔顶底产品含苯的摩尔分

率 (4)

2）平均摩尔质

量 (4)

3）料液及塔顶底产品的摩尔流

率 (4)

（二）塔板数的确定 (4)

1）理论塔板数的求

取 (4)

2）实际塔板

数 (5)

（三）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 (7)

1）平均压强 (7)

2）平均温度 (7)

3）平均分子量 (7)

4）平均密度 (8)

5）液体的平均表面张

力 (8)

6）液体的平均粘

度 (9)

（四）精馏塔塔体工艺尺寸计算 (9)

1）塔径的计

算 (9)

2）精馏塔有效高度的计算 (10)

（五）塔板主要工艺结构尺寸的计算 (10)

（六）塔板上的流体力学验算 (12)

1）气体经过筛板压降和的验

算 (12)

2）液沫夹带量的验

算 (13)

3）漏液的验

算 (13)

4）液泛的验

算 (13)

（七）塔板负荷性能图 (13)

1）液沫夹带线

（1） (13)

2）液泛线

（2） (14)

3）液相负荷上限线

（3） (15)

4）漏液线（气相负荷下限线）

（4） (15)

5）液相负荷下限线

（5） (15)

（八）精馏塔的设计计算结果汇总一览表 (17)

（九）精馏塔的附属设备与接管尺寸的计算 (18)

（十）主要符号说明 (19)

四、结果与结论 (20)

五、收获与致谢 (20)

1.设计背景

课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。经过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。经过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，经过课程设计，还能够使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。

本设计采用连续精馏分离苯-氯苯二元混合物的方法。连续精馏塔在常压下操作，被分离的苯-氯苯二元混合物由连续精馏塔中部进入塔内，以一定得回流比由连续精馏塔的塔顶采出含量合格的

苯，由塔底采出氯苯。氯苯纯度不低于99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%（质量分数）。

高径比很大的设备称为塔器。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。常见的、可在塔设备中完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。另外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。

在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量质量生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。

作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相充分接触，以获得较高的传质效率。另外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项传质效率。另外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：

（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。

（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。而且塔设备应保证能长期连续操作。

（3）流体流动的阻力小。即流体经过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以及降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还使系统无法维持必要的真空度。

（4）结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这能够减少基建过程中的投资费用。

（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述所有要求，仅是在某些方面具有独到之处．

根据设计任务书，此设计的塔型为筛板塔。筛板塔是很早出现的一种板式塔。五十年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大20－40%，塔板效率高10－15%，压力降低30－50%，而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板（孔径可达20－25mm），导向筛板等多种形式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分．工业塔常见的筛孔孔径为3－8mm，按正三角形排列．空间距与孔径的比为 2.5－5．近年来有大孔径（10－25mm）筛板的，它具有制造容易，不易堵塞等优点，只是漏夜点低，操作弹性小。

筛板塔的特点如下：

（1）结构简单、制造维修方便。

（2）生产能力大，比浮阀塔还高。

（3）塔板压力降较低，适宜于真空蒸馏。

（4）塔板效率较高，但比浮阀塔稍低。

（5）合理设计的筛板塔可是具有较高的操作弹性，仅稍低于泡罩塔。

（6）小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、粘性大的和带有固体粒子的料液。

2.设计方案

2.1产品性质﹑质量指标

产品性质：有杏仁味的无色透明、易挥发液体。密度1．105g/cm3。沸点131．6℃。凝固点-45℃。折射率1．5216(25℃)。闪点29．4℃。燃点637．8℃，折射率1．5246，粘度(20℃)0.799mPa·s，表面张力33．28×10-3N／m．溶解度参数δ＝9.5。溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等大多数有机溶剂，不溶于水。易燃，蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1..3％-7.1％(vol)。溶于大多数有机溶剂，不溶于水。常温下不受空气、潮气及光的影响，长时间沸腾则脱氯。蒸气经过红热管子脱去氢和氯化氢，生成二苯基化合物。有毒，在体内有积累性，逐渐损害肝、肾和其它器官。对皮肤和粘膜有刺激性，对神经系统有麻醉性，LD502910mg／kg，空气中最高容许浓度50mg／m3。遇高温、明火、氧化剂有燃烧爆炸的危险。

质量指标：氯苯纯度99.8%，塔顶产品苯纯度不低于98%，原料液中苯38%

（以上均为质量分数）

2.2设计方案简介

1.精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。

2.操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于苯和氯苯这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。

3. 塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在苯和氯苯这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。

4.加料方式和加料热状态：设计采用泡点进料，将原料经过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。

5.由于蒸汽质量不易保证，采用间接蒸汽加热。

6.再沸器，冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至泡点下一部分回流入塔，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

2.3工艺流程及说明

首先，苯和氯苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，经过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与氯苯的分离。

3. 方案实施

（一）全塔的物料衡算

1)料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率

苯和氯苯的相对摩尔质量分别为78.11和112.56kg/kmol 。

56

.112/3811.78/6211

.78/62+=

F x =0.702

003.056

.112/8.9911.78/2.011.78/2.0=+=W x

2)平均摩尔质量

()kg/kmol 38.8856.112702.01702.011.78=?-+?=F M

()kg/km ol 59.7856.112986.01986.011.78=?-+?=D M ()kg/km ol 46.11256.112003.01003.011.78=?-+?=W M

3)物料衡算

原料处理量 F ＝2600/88.38＝29.42kmol/h 总物料衡算 F ＝D ﹢W 29.42＝D ﹢W 苯物料衡算 29.42×0.702＝0.986D ﹢0.003W

D ＝20.92kmol/h W ＝8.50kmol/h

(二)塔板数的确定 1.理论塔板数T N 的求取

苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法（M ·T 法）求取T N ，步骤如下：

(1)根据苯-氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取y x ~

986 . 0 56

. 112/ 2 11 . 78 / 98 11 . 78 / 98 D x

依据()()οοοB A B t p p p p x --=/，t A p x p y /ο=，将所得计算结果列表如

下：

本题中，塔内压力接近常压（实际上略高于常压），而表中所给为常压下的相平衡数据，因为操作压力偏离常压很小，因此其对y x ~平衡关系的影响完全能够忽略。 (2)确定操作的回流比R

将 1.表中数据作图得y x ~曲线及y x t ~-曲线。在y x ~图上，因1=q ，查得922.0=e y ，而702.0==F e x x ，986.0=D x 。故有：

2909.0702

.0922.0922

.0986.0=--=--=

e e e D m x y y x R

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：5818.02909.022=?==m R R (3)求精馏塔的气、液相负荷

L=RD=0.5818×20.92=12.17kmol/h V=(R+1)D=(0.5818+1)×20.92=33.09kmol/h L ′=L+F=12.17+29.42=41.59kmol/h

V ′=V=33.09kmol/h (4)求理论塔板数

精馏段操作线：623.0368.01

1+=+++=

x R x x R R

y D 提馏段操作线：00074.026.1'

'''

-=-=x V x W x V L y W

0.0

0.20.40.6

0.8

1.0

Y

X

苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解

苯-氯苯物系的温度组成图

图解得5.10=T N 块（包括再沸器）。其中，精馏段3块，提馏段

5.72=T N 块，第

4块为加料板位置。

2.实际塔板数p N (1)全塔效率T E

选用m T E μlog 616.017.0-=公式计算。该式适用于液相粘度为0.07~1.4mPa ·s 的烃类物系，式中的m μ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0.5×(80+131.8)=106℃（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：s m Pa ?=24.0A μ，

s m Pa ?=34.0B μ。

()()270.0702.0134.0702.024.01=-?+?=-+=F B F A m x x μμμ

52.0270.0log 616.017.0log 616.017.0=-=-=m T E μ

(2|)实际塔板数p N （近似取两段效率相同）

精馏段：77.552.0/31==p N 块，取61=p N 块 提馏段：42.1452.0/5.72==p N 块，取N p2=14块 总塔板数N P =N P1+N P2=20块。

（三）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 （1）平均压强m p

取每层塔板压降为0.7kPa 计算。 塔顶：kPa 3.10543.101=+=D p 加料板：kPa 5.10967.03.105=?+=F p 平均压强()kPa 4.1072/5.1093.105=+=m p （2）平均温度m t

查温度组成图得：塔顶为80℃，加料板为89℃。

()5.842/8980=+=m t ℃

（3）平均分子量m M

塔顶： 986.01==D x y ，934.01=x （查相平衡图）

()kg/kmol 59.7856.112986.0111.78986.0,=?-+?=m VD M ()kg/kmol 38.8056.112934.0111.78934.0,=?-+?=m LD M

加料板：901.0=F y ，644.0=F x （查相平衡图）

()kg/kmol 52.8156.112901.0111.78901.0,=?-+?=m VF M ()kg/kmol 37.9056.112644.0111.78644.0,=?-+?=m LD M

精馏段：()kg/kmol 06.802/52.8159.78,=+=m V M

()kg/kmol 38.852/37.9038.80,=+=m L M

(4)平均密度m ρ