苯氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)書1

1、海南大學(xué) 課程設(shè)計(jì)書 系（部、中心） 材料與化工學(xué)院 姓 名 劉茜 學(xué) 號 20100411310077 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班 級 10級2班 同組人員 王娜 林達(dá) 吳小雪 龍哲儒 課程名稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目名稱 苯-氯苯分離過程板式精餾塔設(shè)計(jì) 起止時(shí)間2013.05.15-2013.06.10 成 績 指導(dǎo)教師簽名 化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書（苯氯苯精餾裝置設(shè)計(jì)）一、設(shè)計(jì)題目試設(shè)計(jì)一座苯-氯苯連續(xù)精餾裝置,要求年產(chǎn)純度為99.5%的氯苯26000噸,塔頂餾出液中含氯苯不得高于2%,原料液含氯苯35%(以上均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。二、設(shè)計(jì)條件（一）精餾塔（1）塔頂壓力 4kpa（表）（2

2、）進(jìn)料熱狀態(tài) 自選(3)回流比 自選(4)塔底加熱蒸汽壓力 0.5mpa（表）(5)單板壓降 0.7kpa（6）全塔效率 et=54%（7）塔板類型篩板或浮閥塔板（f1型）（二）換熱器配置于精餾裝置中的預(yù)熱器 冷凝器 冷卻器 再沸器等選一設(shè)計(jì)（1）加熱介質(zhì)飽和水蒸汽0.3mpa（絕）；（2）冷卻介質(zhì)冷卻循環(huán)水，進(jìn)口溫度30，出溫度40；（3）換熱器允許壓降pa；（4）換熱器類型標(biāo)準(zhǔn)型列管式或板式換熱器。三、工作日每年工作300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。四、生產(chǎn)廠址海南洋浦工業(yè)開發(fā)區(qū)五、設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）選擇合適的精餾塔（1）精餾塔的物料衡算；（2）塔板數(shù)的確定；（3）精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)

3、的計(jì)算；（4）精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算；（5）塔板的主要工藝尺寸的計(jì)算；（6）塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算與塔板負(fù)荷性能圖；（7）精餾塔接管尺寸計(jì)算；（8）繪制精餾裝置工藝流程圖；（9）繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖；（10）對設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題討論。（二）選擇合適的換熱的（1）確定設(shè)計(jì)方案選擇換熱器類型；流動空間及流速的確定。（2）確定物性數(shù)據(jù)（3）估算傳熱面積（4）工藝結(jié)構(gòu)尺寸（5）換熱器核算（6）繪制換熱器設(shè)計(jì)示意圖；（7）對換熱器設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題討論。目錄第1章 緒 論1.1 精餾原理51.2 塔設(shè)備概述51.3 氯苯簡介6第2章 苯-氯苯分離精餾72.1 工藝流程72.2設(shè)備選型82.2

4、.1 塔設(shè)備的選型82.2.2 塔板的類型與選擇92.3 操作條件的選擇.10第3章 工藝計(jì)算103.1 全塔的物料衡算103.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率103.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量103.1.3 原料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率113.2 塔板數(shù)的確定113.2.1 理論板層數(shù)nt的求取113.2.2 實(shí)際板層數(shù)的求取133.3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算143.3.1 平均壓強(qiáng)143.3.2 平均溫度143.3.3 平均分子量143.3.4 平均密度153.3.5 液體的平均表面張力163.3.6 液體平均粘度計(jì)算17 3.3.7 氣、液負(fù)相體積

5、流量負(fù)荷計(jì)算173.4 精餾塔的塔體工藝尺寸的計(jì)算183.4.1 塔徑193.4.2 精餾塔有效高度193.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算203.5.1 溢流裝置計(jì)算203.5.2 塔板布置21 3.5.3 篩孔計(jì)算及其排列213.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算223.6.1 塔板壓降223.6.2 液面落差233.6.3 液沫夾帶233.6.4 漏液233.6.5 液泛233.7 塔板負(fù)荷性能圖243.7.1 精餾段塔板負(fù)荷性能圖24 3.8 塔附件的設(shè)計(jì)293.8.1 接管293.8.2 裙座30 3.8.3 塔板負(fù)荷性能圖30 3.8.4 塔總體高度的設(shè)計(jì)31第4章 換熱器的設(shè)計(jì)31 4.1 熱量衡

6、算.31 4.1.1 原料預(yù)熱的熱量衡算31 4.1.2 塔頂苯的熱量衡算32 4.1.3 再沸器的熱量衡算32 4.2換熱器（冷卻器）的計(jì)算33 4.2.1 塔頂苯的設(shè)計(jì)33 4.2.2 估算傳熱面積34 4.2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸34 4.3 換熱器核算.35 4.3.1 核算壓力降35 4.3.2 核算總傳熱系數(shù)37 4.5 對換熱器設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論39致 謝39參考文獻(xiàn)39第1章 總 論1.1 氯苯簡介 氯苯為無色液體，分子式為c6h5cl。具有苦杏仁味。第一次世界大戰(zhàn)期間主要用于生產(chǎn)軍用炸藥所需的苦味酸。1940年以來，大量用于生產(chǎn)滴滴涕(ddt)殺蟲劑。1960年后，d

7、dt逐漸被高效低殘毒的其他農(nóng)藥所取代，氯苯的需求量日趨下降。20世紀(jì)后期以后，氯苯主要用做乙基纖維素和許多樹脂的溶劑，生產(chǎn)多種其他苯系物的中間體，如硝基氯苯等。1.1.1物理性質(zhì) 分子式：c6h5cl；分子量：112.56；外觀與性狀：無色透明液體，具有不愉快的苦杏仁味。熔點(diǎn)：-45.2()：相對密度（水=1）：1.10；沸點(diǎn)：132.2（)；相對蒸氣密度（空氣=1）：3.9；飽和蒸氣壓：1.33(kpa)；臨界溫度：359.2()臨界壓力：4.52(mpa)；溶解性：不溶于水，溶于乙醇、乙醚、氯仿、二硫化碳、苯等多數(shù)有機(jī)溶劑。1.1.2 化學(xué)性質(zhì) 常溫下不受空氣、潮氣及光的影響，長時(shí)間沸騰則

8、脫氯。蒸氣經(jīng)過紅熱管子脫去氫和氯化氫，生成二苯基化合物。易燃，遇明火、高熱或與氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險(xiǎn)。與過氯酸銀、二甲亞砜反應(yīng)劇烈。1.1.3 基本用途 染料、醫(yī)藥工業(yè)用于制造苯酚、硝基氯苯、苯胺、硝基酚等有機(jī)中間體。橡膠工業(yè)用于制造橡膠助劑。農(nóng)藥工業(yè)用于制造ddt, 涂料工業(yè)用于制造油漆。 輕工工業(yè)用于制造干洗劑和快干油墨?；どa(chǎn)中用作溶劑和傳熱介質(zhì)。分析化學(xué)中用作化學(xué)試劑。1.2 苯簡介苯（benzene， c6h6)有機(jī)化合物，是組成結(jié)構(gòu)最簡單的芳香烴，在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，其密度小于水，具有強(qiáng)烈的芳香氣味?？扇?，有毒，為iarc第一類致癌物。苯不溶于水，易溶

9、于有機(jī)溶劑，本身也可作為有機(jī)劑。其碳與碳之間的化學(xué)鍵介于單鍵與雙鍵之間，稱大鍵，因此同時(shí)具有飽和烴取代反應(yīng)的性質(zhì)和不飽和烴加成反應(yīng)的性質(zhì)。苯的性質(zhì)是易取代，難氧化，難加成。苯是一種石油化工基本原料。苯的產(chǎn)量和生產(chǎn)的技術(shù)水平是一個(gè)國家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一。苯具有的環(huán)系叫苯環(huán)，是最簡單的芳環(huán)。苯分子去掉一個(gè)氫以后的結(jié)構(gòu)叫苯基，用ph表示。1.2.1 物理性質(zhì) 苯的沸點(diǎn)為80.1，熔點(diǎn)為5.5，在常溫下是一種無色、味甜、有芳香氣味的透明液體，易揮發(fā)。苯比水密度低，密度為0.88g/ml，但其分子質(zhì)量比水輕。苯難溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一種良好的有機(jī)溶劑，溶解有機(jī)分子和一些非極

10、性的無機(jī)分子的能力很強(qiáng),除甘油,乙二醇等多元醇外能與大多數(shù)有機(jī)溶劑混溶.除碘和硫稍溶解外,無機(jī)物在苯中不溶解.苯對金屬無腐蝕性。苯能與水生成恒沸物，沸點(diǎn)為69.25，含苯91.2%。因此，在有水生成的反應(yīng)中常加苯蒸餾，以將水帶出。在10-1500mmhg之間的飽和蒸氣壓可以根據(jù)安托萬方程計(jì)算lgp = a p/(c + t)參數(shù)：a = 6.91210，b = 1214.645，c = 221.205其中，p 單位為 mmhg，t 單位為 。1.2.2 化學(xué)性質(zhì) 苯參加的化學(xué)反應(yīng)大致有3種：一種是其他基團(tuán)和苯環(huán)上的氫原子之間發(fā)生的取代反應(yīng)；一種是發(fā)生在苯環(huán)上的加成反應(yīng)（注：苯環(huán)無碳碳雙鍵，而是

11、一種介于單鍵與雙鍵的獨(dú)特的鍵）；一種是普遍的燃燒（氧化反應(yīng)）（不能使酸性高錳酸鉀褪色）。1.2.3 基本用途脂肪、樹脂和碘等的溶劑。測定礦物折射指數(shù)。有機(jī)合成。光學(xué)純?nèi)軇?。高壓液相色譜溶劑、用作合成染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、照相膠片、以及石油化工制品的原料、清漆、硝基纖維素漆的稀釋劑、脫漆劑、潤滑油、油脂、蠟、賽璐珞、樹脂、人造革等溶劑。氯苯作為一種重要的基本有機(jī)合成原料，在生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，由苯液相氯化法制得的氯苯中含有一定量的苯，本設(shè)計(jì)為一連續(xù)精餾塔，用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯。1.3 精餾原理精餾是分離液體混合物最常用一種作，在化工、煉油等工業(yè)中應(yīng)用很廣。它通過汽、液兩相的直接接觸，利用組

12、分揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)的由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳質(zhì)過程。 精餾過程中，料液自塔的中部某適當(dāng)?shù)奈恢眠B續(xù)地加入塔內(nèi)，塔頂設(shè)有冷凝器將塔頂蒸汽冷凝為液體。冷凝液的一部分回入塔頂，稱為回流液，其余作為塔頂產(chǎn)品（餾出液）連續(xù)排出。在塔內(nèi)上半部（加料位置以上）上升蒸汽和回流液體之間進(jìn)行著逆流接觸和物質(zhì)傳遞。塔底部裝有再沸器（蒸餾釜）以加熱液體產(chǎn)生蒸汽，蒸汽沿塔上升，與下降的液體逆流接觸并進(jìn)行物質(zhì)傳遞，塔底連續(xù)排出部分液體作為塔底產(chǎn)品。塔的上半部分（加料位置以上）稱為精餾段，塔的下半部分包括再沸器（蒸餾釜）稱為提餾段。 精餾用于比較難分離的體系，用普通的精餾不能分

13、離的體系則可用特殊的精餾。特殊精餾是在物系中加入第三組分，改變被分離組分的活度系數(shù)，增大組分間的相對揮發(fā)度，達(dá)到有效分離的目的。1.4 塔設(shè)備概述塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一,他可以使氣(或汽)液或液液兩相緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各方面都有重大影響。塔設(shè)備中常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻和回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕和減濕等。最常見的塔設(shè)備為板式塔和填料塔兩大類。作為主要用于

14、傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得高的傳質(zhì)效率。此外，為滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還必須滿足以下要求： l 生產(chǎn)能力大：即單位塔截面可以通過較大的汽、液兩相流率，不會產(chǎn)生液泛等不正常的流動；l 效率高：汽、液兩相在塔內(nèi)流動時(shí)能保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或較大的傳質(zhì)速率；l 流動阻力小：流體通過塔設(shè)備的阻力降小，可以節(jié)省動力費(fèi)用，在減壓作時(shí)易于達(dá)到所要求的真空度；l 有一定的作彈性：當(dāng)汽、液相流率有一定波動時(shí)，兩相均能維持正常的流動，且不會使效率產(chǎn)生較大的變化；l 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，安裝檢修方便；l 能滿足物系某些工藝特性，如腐蝕性、熱敏性、起泡性等特殊要求

15、。 第2章 苯-氯苯分離精餾2.1 工藝流程連續(xù)精餾裝置流程如圖2-1所示圖2-1 連續(xù)精餾裝置流程圖首先，苯和氯苯的原料在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度，然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開了，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露點(diǎn)冷凝成液體，其中部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入苯的儲罐，而其中的另一部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再

16、沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說的過程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，完成苯與氯苯的分離。2.2設(shè)備選型2.2.1 塔設(shè)備的選型實(shí)現(xiàn)精餾過程的主體設(shè)備主要有填料塔和板式塔。填料塔屬于微分接觸型的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔內(nèi)以填料作為氣液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件。液體在填料表面呈膜狀自上而下流動，氣體呈連續(xù)相自下而上與液體作逆流流動，并進(jìn)行氣液兩相間的傳質(zhì)和傳熱。兩相的組分濃度或溫度沿塔高呈連續(xù)變化。板式塔是一種逐級（板）接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔內(nèi)以塔板作為基本構(gòu)件，氣體自塔底向上以鼓泡活噴射的形式穿過塔板上的液層，使氣-液相密切接觸而進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱，兩相的組分濃度呈階梯

17、式變化。填料塔與板式塔的主要區(qū)別見表2-1。表2-1 填料塔與板式塔的比較填料塔板式塔壓降小尺寸填料，壓降較大，而大尺寸填料及規(guī)整填料，則壓降較小較大空塔氣速小尺寸填料氣速較小，而大尺寸填料及規(guī)整填料則氣速可較大較大塔效率傳統(tǒng)的填料，效率較低，而新型亂堆及規(guī)整填料則塔效率較高較穩(wěn)定、效率較高液-氣比對液體量有一定要求較大持液量較小較大安裝、檢修較難較容易材質(zhì)金屬及非金屬材料均可一般用金屬材料造價(jià)新型填料，投資較大大直徑時(shí)造價(jià)較低綜合考慮上表各項(xiàng)，板式塔由于比填料塔性能穩(wěn)定、效率高、安裝檢修方便及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用板式塔。2.2.2 塔板的類型與選擇塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯(cuò)流式塔板和

18、逆流式塔板兩類，工業(yè)應(yīng)用以錯(cuò)流式塔板為主，常用的錯(cuò)流式塔板主要有泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等。其中泡罩塔是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為升氣管及泡罩。它的優(yōu)點(diǎn)是操作彈性較大，液氣比范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)效率及板效率較低。篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔。篩板的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓強(qiáng)低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干閥孔，每個(gè)閥孔裝有

19、一個(gè)可以上下浮動的閥片。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價(jià)低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點(diǎn)，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)較其他幾種塔型的塔板廣泛，是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。常用板式塔的性能比較見表2-2。表2-2 板式塔性能的比較塔型與泡罩塔相比的相對氣相負(fù)荷效率操作彈性85%最大負(fù)荷時(shí)的單板壓降/mm（水柱）與泡罩塔相比的相對價(jià)格可靠性泡罩塔1.0良超45801.0優(yōu)浮閥塔1.3優(yōu)超45600.7良篩板塔1.3優(yōu)良30500.7優(yōu)由表2-2看出，篩板塔在相對氣液相負(fù)荷、效率、可靠性以及價(jià)格方面都較其他兩種塔優(yōu)，因此本設(shè)計(jì)選用篩板塔，其特點(diǎn)如下：l 結(jié)

20、構(gòu)簡單、制造維修方便；l 生產(chǎn)能力大，比浮閥塔還高；l 塔板壓力降較低，適宜于真空蒸餾；l 塔板效率較高，但比浮閥塔稍低；l 合理設(shè)計(jì)的篩板塔可是具有較高的操作彈性，僅稍低與泡罩塔；l 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。根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)，本設(shè)計(jì)選用的是篩板塔。2.3 操作條件的選擇本設(shè)計(jì)的題目設(shè)計(jì)一座苯-氯苯連續(xù)精餾裝置,即需設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)精餾塔用來分離易揮發(fā)的苯和不易揮發(fā)的氯苯，具體工藝參數(shù)如下：處理量：26000噸/年料液組成（含氯苯）：35產(chǎn)品組成（氯苯純度）：99.5塔頂產(chǎn)品組成（含氯苯）：2操作壓力：塔頂壓強(qiáng)4kpa(表壓)進(jìn)料熱狀況和回流比自選塔底加熱蒸氣

21、壓力：0.5mpa（表壓)單板壓降：0.7kpa全塔效率： et=54%塔板類型篩板生產(chǎn)廠址：海南洋浦工業(yè)開發(fā)區(qū)設(shè)備年工作時(shí)間：300天（每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）水電供給：水源充足，供電正常第3章 工藝計(jì)算3.1 全塔的物料衡算 3.1.1 料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品含苯的摩爾分率苯和氯苯的相對摩爾質(zhì)量分別為78.11 kg/kmol和112.61kg/kmol。 3.1.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3.1.3 原料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率依題給條件：一年以300天，一天以24小時(shí)計(jì)，有：w26000t/a3611kg/h，全塔物料衡算： fdw0.35f0.02d0.995wf10669kg

22、/h f1066987.49121.9kmol/hd7058kg/h d705878.594kmol/hw3611kg/h w3611112.432.13kmol/h3.2 塔板數(shù)的確定3.2.1 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(jù)苯-氯苯的相平衡數(shù)據(jù)，利用泡點(diǎn)方程和露點(diǎn)方程求取依據(jù)，將所得計(jì)算結(jié)果列表如下： 表-1 相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算溫度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148205293400543719760兩相摩爾分率x10.6770.4420.2650.12

23、70.0190y10.9130.7850.6140.3760.0710本題中，塔內(nèi)壓力接近常壓（實(shí)際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數(shù)據(jù)，因?yàn)椴僮鲏毫ζx常壓很小，所以其對平衡關(guān)系的影響完全可以忽略。繪出t-x-y圖（圖3-1） 苯-氯苯混合液的t-x-y圖（圖3-1）2.確定操作的回流比r采用作圖法求最小回流比。在圖-1中對角線上，自點(diǎn)e（0.7281，0.7281）作垂線ef即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為ye=0.9350 xe=0.7281故最小回流比為考慮到精餾段操作線離平衡線較近，故取實(shí)際操作的回流比為最小回流比的2倍，即：3. 求精餾塔的汽、液相負(fù)荷: 精餾

24、段：l=rd=0.493089.81=44.28kmol/hv=(r+1)d=(0.4930+1)89.81=134.1kmol/h提餾段：l=44.28+121.9=166.2kmol/hv=v=134.1kmol/h4.求操作線方程精餾段操作線：提餾段操作線：提餾段操作線為過和(0.7281,0)兩點(diǎn)的直線。5.圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖3-2所示。苯-氯苯物系精餾分離理論塔板數(shù)的圖解（圖3-2）求解結(jié)果為塊（不含釜）。其中，精餾段塊，提餾段塊，第4塊為加料板位置。3.2.2 實(shí)際塔板數(shù)（根據(jù)老師給的全塔效率=0.54） 實(shí)際塔板數(shù)（近似取兩段效率相同） 精餾段：塊，取

25、塊 提餾段：塊，取塊 總塔板數(shù)塊。3.3 塔的精餾段操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.3.1平均壓強(qiáng)取每層塔板壓降為0.7kpa計(jì)算。塔頂：加料板：塔底：精餾段平均壓強(qiáng)：提餾段平均壓強(qiáng)：3.3.2 平均溫度依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法，計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中苯、氯苯的飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：塔頂溫度80加料板溫度88。塔底溫度131。精餾段平均溫度：。提餾段平均溫度：。3.3.3 平均分子量塔頂： ，（查相平衡圖）加料板：，（查相平衡圖） 塔底： ,精餾段：提餾段：t2=109.5液相組成：氣相組成： 3.3.4 平均密度1.液相平均密度 表3-2 組分的液相密度（kg

26、/m3）溫度，（）8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985純組分在任何溫度下的密度可由下式計(jì)算苯 ： 推薦：氯苯 ： 推薦：式中的t為溫度，塔頂：進(jìn)料板： 塔底： 精餾段：液相密度 氣相密度提餾段：液相密度2. 汽相平均密度3.3.5 液體的平均表面張力附： 表3-3 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(jì)算：由 用試差法計(jì)算出該溫度下兩組分的表面張力為

27、塔頂：；（80）進(jìn)料板：； （88） 精餾段： 提餾段的計(jì)算方法與此類似，故省略。3.3.6 液體的平均粘度塔頂：查化工原理附錄11，在80下有： 加料板： 精餾段：3.3.7 氣、液負(fù)相體積流量負(fù)荷計(jì)算 精餾段：氣相摩爾流率：氣相體積流量：氣相體積流量：液相回流摩爾流率：液相體積流量：液相體積流量:提餾段：氣相摩爾流率：v=v=134.1kmol/h氣相體積流量：氣相體積流量：液相回流摩爾流率：l=44.28+121.9=166.2kmol/h液相體積流量：液相體積流量:3.4 塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算3.4.1 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

28、塔氣速（即泛點(diǎn)氣速）查smith關(guān)聯(lián)圖，見圖3-3，得c20=0.07850圖3-3 smith 關(guān)聯(lián)圖負(fù)荷因子泛點(diǎn)氣速：m/s 3.取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 4.精餾段的塔徑圓整取，此時(shí)的操作氣速。塔截面積為:實(shí)際空塔氣速為：3.4.2 精餾塔有效高度 精餾段有效高度為： 提餾段有效高度為： 在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為800mm故精餾塔的高度為：4.95+2.25+0.8=8m3.5 塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.5.1 溢流裝置因塔徑d=1.2m2m時(shí)，可達(dá)100mm。安定區(qū)寬度：規(guī)定m時(shí)mm；m時(shí)mm；本設(shè)計(jì)取m，m。 （2）開孔區(qū)面積式中：3.5.3 篩孔計(jì)算及其排列取篩

29、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。每層塔板的篩孔數(shù)（孔）每層塔板的開孔率（應(yīng)在515%，故滿足要求）每層塔板的開孔面積氣體通過篩孔的氣速3.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算3.6.1 塔板壓降 (1)由查圖5-10得=0.7720 (2)氣體通過液層的阻力由下式計(jì)算 m/s 查表5-11，得=0.5750. （3）液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 由下式計(jì)算氣體通過每層塔板的液柱高度為氣體通過每層塔板的壓降為（滿足工藝要求）3.6.2 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本案例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3.6.3 液沫夾帶式中：=2.50.0

30、6=0.15m在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍中。3.6.4 漏液漏液點(diǎn)的氣速實(shí)際孔速=12.77m/s篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故在本設(shè)計(jì)中無明顯漏液3.6.5 液泛為防止降液管發(fā)生液泛，應(yīng)使降液管中的清液層高度苯氯苯物系屬于一般物系，取=0.5而板上不設(shè)進(jìn)口堰，則成立，故在本設(shè)計(jì)中不會產(chǎn)生液泛現(xiàn)象。3.7 塔板負(fù)荷性能圖3.7.1 精餾段塔板負(fù)荷性能圖1. 液沫夾帶線以氣為限，求關(guān)系如下 （3-1）式中：將已知數(shù)據(jù)代入式（7-1） （3-2）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依式（3-2）算出對應(yīng)的值列于下表：表3-4 精餾段液沫夾帶線0.00050.0050.010.0150.023.1382.6812.3

31、382.0511.795由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線1。2. 液泛線令 由 聯(lián)立 得 忽略，將與,與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得 式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3-5。表3-5 精餾段液泛線數(shù)據(jù)0.00050.005 0.008 0.01 0.0111.909 1.562 1.211 0.8352 0.5241由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線2。3. 液相負(fù)荷上限以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，得故 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線3。4. 漏液線=6.211m/s （3-3）整理得 （3-4）在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)ls值，依上式

32、計(jì)算出值，計(jì)算結(jié)果列于表3-6。表3-6 精餾段漏液線數(shù)據(jù)0.00050.0010.010.0150.020.52480.53530.62950.66300.6916由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線。5. 液相負(fù)荷下限線對于平直堰，去堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。取e=1.25則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線5。根據(jù)以上各線方程，可作出精餾段篩板負(fù)荷性能圖，如圖3-4所示 精餾段篩板負(fù)荷性能圖（圖3-4）在圖3上，作出操作點(diǎn)a，連接oa，即作出操作線。由圖看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖3-6查得1.815m3/s 0.545m3/s故操作彈性為篩板塔工藝設(shè)計(jì)結(jié)

33、算結(jié)果見表表3-7 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果序號項(xiàng)目精餾段1平均溫度 tm 842平均壓力 pm kpa107.43氣相流量 vs m3/s1.0304液相流量 ls m3/s0.0012175實(shí)際塔板數(shù)186塔徑 m1.27板間距 m0.458溢流形式單溢流9降液管形式弓形10堰長 m0.7211堰高 m0.0481712板上液層高度 m0.0613堰上液層高度 m0.0118314降液管底隙高度 m0.0211215安定區(qū)寬度 m0.07516邊緣區(qū)寬度 m0.04517開孔區(qū)面積 m20.798418篩孔直徑 m0.00519篩孔數(shù)目409820孔中心距 m0.01521開孔率 10.022空

34、塔氣速 m/s0.954823篩孔氣速 m/s12.7724穩(wěn)定系數(shù)2.05625精餾段每層塔板壓降 kpa70026負(fù)荷上限液泛控制27負(fù)荷下限漏液控制28液沫夾帶 ev (0.1kg液/kg氣)0.0111929氣相負(fù)荷上限 m3/s1.81530氣相負(fù)荷下限 m3/s0.545031操作彈性3.3003.8 塔附件的設(shè)計(jì)3.8.1. 接管（1） 進(jìn)料管進(jìn)料管的種類很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、t形進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管采取如下公式計(jì)算：d=進(jìn)料管內(nèi)液體的適宜速度由高位槽流入時(shí)為0.4-0.8，本設(shè)計(jì)取=0.8,(kg/m3） 根據(jù)常用管道查表應(yīng)選取。（2）回流管 采用直觀回流管，

35、只在重力作用下的速度為：0.2-0.5,本設(shè)計(jì)取,則 根據(jù)常用管道查表應(yīng)選取。（3） 塔釜出料管(-4)采用直管出料管，出料管內(nèi)液體的適宜速度為：0.5-1.0m/s,本設(shè)計(jì)取。則：=37.34mm。根據(jù)常用管道查表應(yīng)選取。(4) 塔頂蒸氣出料管采用直管出料管,常壓操作時(shí)，出料管內(nèi)氣體的適宜速度為：12-20m/s,本設(shè)計(jì)取20，則：根據(jù)常用管道查表應(yīng)選取。（5) 塔釜進(jìn)氣管采用直管進(jìn)氣管,常壓操作時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)氣體的適宜速度為：12-20m/s,本設(shè)計(jì)取20，則：根據(jù)常用管道查表應(yīng)選取。3.8.2 裙座 塔底采用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處生產(chǎn)的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備主要的支座形式，

36、為了制作方便，一般采用圓筒形。由于裙座內(nèi)徑大于800mm，所以裙座壁厚取16mm?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)經(jīng)：基礎(chǔ)環(huán)外經(jīng)： 圓整：1600mm,；基礎(chǔ)環(huán)系厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，裙座高度取3m。3.8.3 人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入任何一層塔板，由于設(shè)置人空處塔板間距較大，且人孔設(shè)備過多會使制造時(shí)塔體的彎曲度難于達(dá)到要求，一般三每隔6-8塊板取一人孔。本設(shè)計(jì)共18塊板需設(shè)三個(gè)人孔，每個(gè)孔直徑為450mm，設(shè)置人孔處，孔板間距為600mm，裙座上應(yīng)開2個(gè)人孔，直徑為450mm。人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓。3.8.4 塔總體高度的設(shè)計(jì)

37、 （1）塔頂空間高度的計(jì)算塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，通常取為（1.4-2.0）。如果塔體安裝了除沫器，則應(yīng)根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。本設(shè)計(jì)沒有安裝除沫器，則選=2=900mm=0.9m。 （2）塔底空間塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值由如下因素決定：l 塔底儲液空間依儲存液量停留38min（易結(jié)焦物料可縮短停留時(shí)間）而定；l 再沸器的安裝方式及安裝高度；l 塔底液面至最下層塔板之間要留有12m的間距。取儲存液量停留時(shí)間t=5min則塔底空間高度 m 取=1.8m。(3)塔體高度總結(jié)通過這次對精餾塔的設(shè)計(jì)，我們才發(fā)

38、現(xiàn)要想得到比較理想的結(jié)果，回流比的確定特別關(guān)鍵，回流比是表征精餾操作的一個(gè)重要控制參數(shù)，回流比的數(shù)值的大小影響著精餾操作的分離效果與能耗。第四章 換熱器的設(shè)計(jì)4.1熱量衡算4.1.1原料預(yù)熱的熱量衡算 原料從25預(yù)熱至88，溫度變化為：在定性溫度:下， 查得苯的比熱為: kj/(kg） 查得氯苯的比熱為: kj/(kg） 混合比熱為： (kg） 理論上所需的熱量為：考慮到熱量損失， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取q= 1.2q總1=1.21.119106=1.3428106kj/h4.1.2塔頂苯的熱量衡算考慮到塔頂氯苯極少，則按純苯計(jì)算1.冷凝階段 查表得苯的潛熱為： =393.9kj/kg 苯的相對分子質(zhì)量：

39、 則塔頂苯蒸氣冷凝放出的熱量為： 2.冷卻階段液體苯從80冷卻至50，溫度變化為 按定性溫度為時(shí)，查得苯的比熱為所以冷卻放出的熱量為： 4.1.3 再沸器的熱量衡算因?yàn)楦妆胶繕O少，幾乎全為氯苯，所以按純氯苯計(jì)算氯苯的潛熱 放出的熱量為考慮到熱量損失 取表3-8 熱量計(jì)算匯總表熱負(fù)荷 單位項(xiàng) 目kj/hw預(yù) 熱塔頂冷凝 塔頂冷卻 再沸器 4.2換熱器（冷卻器）的計(jì)算 換熱器選用固定管板式換熱器，規(guī)格。由于冷卻水容易結(jié)垢，為了方便水垢容易清洗，冷卻水走管程，苯走殼程。4.2.1塔頂苯的設(shè)計(jì)確定物性數(shù)據(jù)（1）苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù) 密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 黏度； s水在定性溫度下的物

40、性數(shù)據(jù)密度： 定壓比熱容： 導(dǎo)熱系數(shù)： 黏度： （2.）熱負(fù)荷計(jì)算忽略熱損失，冷卻水用量計(jì)算平均溫度差 苯 80 50 冷卻水 40 30 40 20計(jì)算 r ，p查得，因?yàn)?.8，選用單殼程可行。4.2.2估算傳熱面積參照化工原理上冊附錄 取，則4.2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸由于兩流體溫度差小于50，選用固定管板式換熱器。由固定管板式換熱 器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器型號為g325ii1.69.1。主要參數(shù)如下：外殼直徑 325mm 公稱壓力1.6mpa 公稱面積9.1管子尺寸 管子數(shù) 40 管長 3000mm管中心距 32mm 管程數(shù) 2 管子排列方式 正三角形管程流通面積 0.0031實(shí)際交換面積 采用此換熱面積的換熱器，要求過程的總傳熱系數(shù)為w/() 4.3 換