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1、化工原理课程设计说明书（报告）北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY设计题目苯-氯苯二元物系板式连续精馏塔 设计者：班级 化工0901 姓名 学号 ：日期 2012年9月20日 指导教师： 设计成绩： 日期 一、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书（一）设计题目设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.7%的苯36432吨，塔底馏出液中含苯1%，原料液中含苯为65%（以上均为质量百分数）。（二）操作条件1.塔顶压强4kPa（表压）2.进料热状况：饱和蒸汽进料3.回流比：R=2Rmin4.单板压
2、降不大于0.7kPa（三）设计内容设备形式：筛板塔设计工作日：每年330天，每天24小时连续运行厂址：青藏高原大气压约为77.31kpa的远离城市的郊区设计要求1.设计方案的确定及流程说明2.塔的工艺计算3.塔和塔板主要工艺尺寸的确定（1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学验算（3）塔板的负荷性能图绘制（4）生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制4、塔的工艺计算结果汇总一览表5、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论（四）基础数据1.组分的饱和蒸汽压（mmHg）温度，（）8090100110120130131.8苯760102513501760225028402900氯苯148
3、2052934005437197602.组分的液相密度（kg/m3）温度，（）8090100110120130苯817805793782770757氯苯1039102810181008997985纯组分在任何温度下的密度可由下式计算苯 推荐：氯苯 推荐： 式中的t为温度，。3.组分的表面张力（mN/m）温度，（）8085110115120131苯21.220.617.316.816.315.3氯苯26.125.722.722.221.620.4双组分混合液体的表面张力可按下式计算：5.其他物性数据可查化工原理附录。二、苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）（一）设计方案的确定及工艺流程的
4、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。典型的连续精馏流程为原料液经预热器加热后到指定的温度后，送入精馏塔的进料板，在进料上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部
5、分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。（二）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 kg/kmol和112.6kg/kmol2.平均摩尔质量3.料液及塔顶底产品的摩尔流率依题给条件：一年以330天，一天以24小时计，有：，全塔物料衡算： （三）塔板数的确定1.理论塔板数的求取2）确定操作的回流比R将1）表中数据作图得曲线及曲线。在图上，因q=0， e（0.728,0.728）查得，。故有：;3）求理论塔板数(图解法)精馏段操作线：总理论板层数：9.5(包括再沸器)进料板位层：62.实际塔板数1）全塔效率
6、选用公式计算。该式适用于液相粘度为0.071.4mPas的烃类物系，式中的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(80.15+129.63)=104.89（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录得：，。2）实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块 提馏段：块（四）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1.平均压强取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶：加料板：平均压强2.平均温度和 两式联立3.平均分子量塔顶： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段：4.平均密度1）液相平均密度塔顶： 进料板：精馏段：2）汽相平均密度5.液体的平均表面张力塔
7、顶：；进料板：； 精馏段：6.液体的平均粘度塔顶：加料板：精馏段：（五）精馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量（六）塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距及板上液层高度，则：2）按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3）操作气速取4）精馏段的塔径圆整取塔截面积为此时的操作气速。2.塔板工艺结构尺寸的设计与计算1）溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）取出口堰高降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P147图11-16得，即：，液体
8、在降液管内的停留时间（满足要求）降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：故降液管设计合底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度为2） 塔板布置1.塔板分块 因D=1600 故塔板分4块2.边缘区宽度 开孔区面积式中：3）开孔数和开孔率取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。每层塔板的开孔数（孔）每层塔板的开孔率（应在515%，故满足要求）气体通过筛孔的孔速 4）精馏段的塔高；在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m,故精馏塔的有效高度为：（七）塔板上的流体力学验算1.塔板压降1）气体通过干板的压降 。 2）气体
9、通过板上液层的压降 动能因子查化原图得3）气体克服液体表面张力产生的压降4）气体通过筛板的压降（单板压降）和（满足工艺要求）。2.雾沫夹带量的验算 验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液点的气速11.07m/s筛板的稳定性系数（无漏液）4.液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。（八）塔板负荷性能图1.液沫夹带线（1） （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.00
10、060.00150.00300.00453.2953.1823.0372.915依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线（2） （2-2）在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.0045 10.179.7079.0658.474依据表中数据作出液泛线（2）3.液相负荷上限线（3） （3-3）4.漏液线（气相负荷下限线）（4）整理得： （4-4）在操作范围内，任取几个值，依式（4-4）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00450.9570.9811.0111.035依据表中数据作出漏液线（4）5.液相负荷
11、下限线（5）取平堰堰上液层高度m （5-5）操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=三、塔的提馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算1.平均压强取每层塔板压降为0.7kPa计算。塔顶：加料板：平均压强2.平均温度和 两式联立3.平均分子量塔底： ，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）提馏段：4.平均密度1）液相平均密度塔底： 进料板：提馏段：2）汽相平均密度5.液体的平均表面张力 塔底： 进料板： 提馏段：6.液体的平均粘度塔底：加料板：提馏段：（五）精馏段的汽液负荷计算汽相摩尔流率汽相体积流量液相回流摩尔流率液相体积流量（六）塔和塔板主要工艺结构
12、尺寸的计算1.塔径1）初选塔板间距及板上液层高度，则：2）按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速：3）操作气速取4）精馏段的塔径圆整取塔截面积为此时的操作气速。2.塔板工艺结构尺寸的设计与计算1）溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。溢流堰长（出口堰长）取出口堰高m降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P147图11-16得，即：，液体在降液管内的停留时间（满足要求）降液管的底隙高度液体通过降液管底隙的流速一般为0.070.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：故降液管设计合底隙高度设计合理选用凹形
13、受液盘，深度为3） 塔板布置1.塔板分块 因D=1000 故塔板分3块2.边缘区宽度 开孔区面积式中：3）开孔数和开孔率取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。每层塔板的开孔数（孔）每层塔板的开孔率（应在515%，故满足要求）气体通过筛孔的孔速4）精馏段的塔高（七）塔板上的流体力学验算1.塔板压降1）气体通过干板的压降 。 2）气体通过板上液层的压降动能因子查化原图得3）气体克服液体表面张力产生的压降4）气体通过筛板的压降（单板压降）和（满足工艺要求）。2.雾沫夹带量的验算 验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。3.漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液
14、漏）4.液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。（八）塔板负荷性能图1.雾沫夹带线（1） （1）式中：将已知数据代入式（1） （1-1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00451.2621.2021.1251.060依据表中数据作出雾沫夹带线（1）2.液泛线 （2） （2-2）在操作范围内，任取几个值，依式（2-2）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00
15、451.5241.4451.3041.165依据表中数据作出液泛线（2）3.液相负荷上限线（3） （3-3）4.漏液线（气相负荷下限线）（4）整理得： （4-4）在操作范围内，任取几个值，依式（4-4）算出对应的值列于下表：0.00060.00150.00300.00450.3310.3420.3550.366依据表中数据作出漏液线（4）5.液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m （5-5）操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=四、精馏塔的设计计算结果汇总一览表精馏塔的设计计算结果汇总一览表项 目符 号单 位计 算 结 果精馏段提馏段平均压强k
16、Pa84.8191.11平均温度84.18108.92平均流量m3/s1.42 0.627m3/s0.002450.00266实际塔板数块109板间距m0.400.40塔段的有效高度m7.6 7.6塔径m1.601.0空塔气速m/s0.9910.856塔板液流型式单溢流单溢流溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长m1.056 0.66堰高m0.0440.043溢流堰宽度m0.1980.124底隙高度m0.0290.033板上清液层高度m0.0600.060孔径mm55孔间距mm1515孔数个65202731开孔面积m21.270.532筛孔气速m/s10.9111.66塔板压降kPa0.4850.685降液管内清液层高度m0.1820.181雾沫夹带kg液/kg气0.00940.0148负荷上限雾沫夹带控制雾沫夹带控制负荷下限漏液控制漏液控制气相最大负荷m3/s2.8381.060气相最小负荷m3/s0.9850.341操作弹性2.8813.109参考文献：1. 陈敏恒、从德滋、方图南等编，化工原理上、下册（第二版），北京：化学工业出版社2. 化学工程手册编委会编，化学工程手册（第二版），化学工业出版社3. 潘国昌，化工设备设计，清华大学出版社4.杨祖荣等编，化工原理，化学工业出版社
