苯-氯苯混合液筛板式精馏塔设计

课程名称：化工原理课程设计设计题目：苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计院系：化学生物与材料科学学院专业：化学工程与工艺学生姓名：专业班级：080531—3指导教师：***设计时间：2011年6月课程设计任务书设计题目苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计目录一、设计背景 (1)二、产品与设计方案简介 (2)（一）产品性质、质量指标 (3)（二）设计方案简介 (3)（三）工艺流程及说明 (3)三、工艺计算及主体设备设计 (4)（一）精馏塔的物料衡算 (4)1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (4)2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (5)3）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔流率 (5)（二）塔板数的确定 (5)1）理论塔板数的确定 (5)2）实际塔板数 (7)（三）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (8)1）操作压力的计算 (8)2）操作温度的计算 (8)3）平均摩尔质量计算 (8)4）平均密度计算 (10)5）液相平均表面张力 (10)6）液相平均粘度计算 (11)四、精馏段的塔体工艺尺寸的计算 (11)（一）塔径的计算 (11)（二）精馏塔有效高度的计算 (11)五、塔板工艺结构尺寸的设计与计算 (12)（一）溢流装置 (12)（二）塔板布置 (13)（三）开孔率n和开孔率 (13)六、塔板上的流体力学验算 (14)（一）气体通过筛板压降h和p pΔ的验算 (14)p（二）雾沫夹带量e的验算 (15)v（三）漏液的验算 (15)（四）液泛的验算 (15)七、塔板负荷性能图 (16)（一）.漏液线（气相负荷下限线） (16)（二）.液沫夹带线 (16)（三）.液相负荷下限线 (17)（四）.液相负荷上限线 (17)（五）. 液泛线 (17)八、筛板式精馏塔设计计算结果 (19)九、主要符号说明 (20)十、结果与结论 (21)十一、收获与致谢 (21)苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计计算书一、设计背景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。

此外，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。

此外，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。

此外，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。

并且塔设备应保证能长期连续操作。

（3）流体流动的阻力小。

即流体通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。

这可以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．工业塔常用的筛孔孔径为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，仅稍低与泡罩塔。

（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。

二、产品与设计方案简介（一）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、肾和其他器官。

对皮肤和粘膜有刺激性．对神经系统有麻醉性，LD2910mg／kg，空气中最高容许浓度50mg／m3。

遇高温、明火、氧化剂有50燃烧爆炸的危险。

质量指标：氯苯纯度不低于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）（二）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，压降教低，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，将原料通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灌。

塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

（三）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，通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，混合物中只有液相混合物，此时液相混合物在精馏塔中下降。

由塔底产生的气相混合物上升到塔顶上方的全凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的部分液态停留一定的时间然后进入苯的储罐，最后作为塔顶产品（馏出液）采出，而其中的另一部分液态重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。

液相混合物就从塔底一部分进入再沸器中，在再沸器中被加热产热的气体重新回到精馏塔中而产生的液体则作为附残液采出。

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。

三、工艺计算及主体设备设计(一)精馏塔的物料衡算1）原料液及塔顶、塔底产品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 。

若令塔顶馏出液中含氯苯不得高于2%，原料液中含氯苯为38%（以上均为质量分数）。

则702.056.112/38.011.78/62.011.78/62.0=+=F x 986.056.112/2.011.78/98.011.78/98.0=+=D x2）原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量()kg/km ol 376.8856.112702.01702.011.78=⨯-+⨯=F M()kg/km ol 592.7856.112986.01986.011.78=⨯-+⨯=D M00288.056.112/998.011.78/002.011.78/002.0=+=W x()kg/km ol 46.11256.11200288.0100288.011.78=⨯-+⨯=W M3）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔流率依题给条件：一年以365天，一天以24小时计，有：h Kmol W /2.1556.1122436510101.534=⨯⨯⨯⨯=，全塔物料衡算： WD F W D F 00288.0986.0702.0+=+= ⇒ h15.20kmol/kmol/h 2.437kmol/h2.652===W D F（二）塔板数的确定1）理论塔板层数T N 的确定苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法求取T N ，步骤如下：1.由手册查得苯-氯苯的气液平衡数据，绘出y x ~图，如下图一；图一（苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解）图解得10111=-=T N 块（不含釜）。

其中，精馏段31=T N 块，提馏段8块，第4块为加料板位置。

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922.0q =y ，而702.0q ==F x x ，986.0=D x 。

故有：2909.0702.0922.0922.0986.0=--=--=q q q D in 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=⨯==in m R R3.求精馏塔的气液相负荷L=RD=0.5818⨯37.42=21.77kmol/h ；V=(R+1)D=(0.5818+1)⨯37.42=59.19kmol/h ；L ’=L+F=21.77+52.62=74.39Kmol/hV ’=V=59.19Kmol/h4.求操作线方程 精馏段操作线：623.0368.011+=+++=x R x x R R y D 提馏段操作线为过()00288.0,00288.0和()882.0,702.0两点的直线。