化工原理 课程设计题目

课程设计题目一——苯－氯苯板式精馏塔的工艺设计

一、设计题目

设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.8%的氯苯10000t/a，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%）。

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，4min；

4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa(表压)；

5.单板压降不大于0.7kPa；

6.年工作日300天，每天24小时连续运行。

三、设计内容

1.设计方案的确定及工艺流程的说明；

2.塔的工艺计算；

3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算；

4.塔内流体力学性能的设计计算；

5.塔板负荷性能图的绘制；

6.塔的工艺计算结果汇总一览表；

7.辅助设备的选型与计算；

8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制；

9.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。

四、基础数据

p（mmHg）

1.组分的饱和蒸汽压

i

2.组分的液相密度ρ（kg/m3）

纯组分在任何温度下的密度可由下式计算

苯 t A 187.1912-=ρ 推荐：t A 1886.113.912-=ρ

氯苯 t B 111.11127

-=ρ 推荐：t B 0657.14.1124-=ρ 式中的t 为温度，℃。 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.氯苯的汽化潜热

常压沸点下的汽化潜热为35.3×103kJ/kmol 。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示：

38

.01238.01

2⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=t t t t r

r c c （氯苯的临界温度：C ︒=2.359c t ）

5.其他物性数据可查阅化工原理附录。

苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书

一、设计方案的确定及工艺流程的说明

原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。流程图（附后）。

二、全塔的物料衡算

（一）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和112.5kg/kmol 。

702.05

.112/3878/6278

/62=+=

F x

986.05

.112/278/9878

/98=+=D x

00288.05

.112/8.9978/2.078

/2.0=+=W x

（二）平均摩尔质量

()kg/kmol 8.2885.112702.01702.0.78=⨯-+⨯=F M ()kg/kmol 8.4785.112986.01986.078=⨯-+⨯=D M

()kg/kmol 4.1125.11200288.0100288.078=⨯-+⨯=W M

（三）料液及塔顶底产品的摩尔流率

依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：h 42.75kmol/t/a 10000==F M W ，全塔物料衡算：

W

D F W

D F 00288.0986.0702.0+=+= ⇒

h

12.35kmol/kmol/h 0.430kmol/h

5.742===W D F

三、塔板数的确定

（一）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 ~

依据()()

B A B t p p p p x --=/，t A p x p y /

=，将所得计算结果列表1如下：

表1

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，所以其对y x ~平衡关系的影响完全可以忽略。

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

931.0=q y ，而702.0==F x xq ，986.0=D x 。故有：

24.0702

.0931.0931

.0986.0=--=--=

xq yq yq x R D m

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4倍，即：

96.024.044=⨯==m R R

3.求理论塔板数 精馏段操作线：503.0490.011+=+++=

x R x x R R

y D

提馏段操作线：y=1.207x-5.97010-4

由图解法求理论板层数，如图1

图1 图解法求理论塔板数

总理论板层数N T=9.5(包括再沸器)

进料板位置N F=5

（二）.实际板层数的求取

精馏段实际板层数N精=4/0.52=7.69≈8

提馏段实际塔板数N提=5.5/0.52=8.65≈9

四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

精馏段

1.操作压力计算

塔顶操作压力P D=101.3+4=105.3kPa

每层塔板压降△P=0.7kPa

进料板压力P F=105.3+0.7×8=110.9kPa

精馏段平均压力

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、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：

塔顶温度t D=80℃