苯氯苯板式精馏塔的基本工艺设计.doc

化工原理课程设计

苯-氯苯板式精馏塔工艺
设计任务书
设 计 者 冯文宇
学 院 食品与生物工程学院
班 级 生工091
指引教师 邢进
成 绩
完毕时间 年 6月 21日

目录
第1章：设计任务书…………………………………………………………………………4
1.1设计题目……………………………………………………………………………4
1.2设计条件……………………………………………………………………………4
1.3设计规定……………………………………………………………………………4
1.4设计流程……………………………………………………………………………5
第2章：基本数据……………………………………………………………………………6
第3章：苯—氯苯板式精馏塔工艺计算…………………………………………………8
3.1设计方案拟定及工艺流程阐明………………………………………………8
3.2全塔物料衡算……………………………………………………………………8
3.2.1料液及塔顶产品含苯摩尔分率……………………………………………8
3.2.2平衡摩尔质量…………………………………………………………………8
3.2.3料液及塔顶产品摩尔流率…………………………………………………8
3.3塔板数拟定………………………………………………………………………9
3.3.1理论塔板数NT求取…………………………………………………………9
3.3.2实际塔板数NP…………………………………………………………………12
3.4塔精馏段操作工艺条件及有关物性数据计算……………………………12
3.4.1平均压强Pm……………………………………………………………………12
3.4.2平均温度tm……………………………………………………………………13
3.4.3平均分子量Mm………………………………………………………………13
3.4.4平均密度ρm……………………………………………………………………14
3.4.5液体平均张力σm……………………………………………………………14
3.4.6液体平均粘度μl,m…………………………………………………………14
3.5精馏段汽夜负荷计算…………………………………………………………14
3.6塔和塔板重要工艺构造尺寸计算……………………………………………15
3.6.1塔径……………………………………………………………………………15
3.6.2塔板工艺构造尺寸设计与计算……………………………………………16
3.6.2.1溢流装置……………………………………………………………………16
3.6.2.2塔板布置……………………………………………………………………17
3.6.2.3开孔数n和开孔率φ………………………………………………………17
3.6.2.4提馏段塔高Z1……………………………………………………………18
3.7塔板上流体力学验算…………………………………………………………18
3.7.1气体通过筛板压降hp和△Pp验算…………………………………………18
3.7.2雾沫夹带量ev验算…………………………………………………………20
3.7.3漏液验算……………………………………………………………………20
3.7.4液泛验算……………………………………………………………………20
3.8塔板负荷性能图…………………………………………………………………21
3.8.1雾沫夹带线……………………………………………………………………21
3.8.2液泛线…………………………………………………………………………21
3.8.3液相负荷上限线………………………………………………………………22
3.8.4漏液线…………………………………………………………………………23
3.8.5液相负荷下限线………………………………………………………………23
3.9精馏塔设计计算成果汇总一览表……………………………………………24
3.10精馏塔附属设备与接管尺寸计算…………………………………………25
3.10.1料液预热器……………………………………………………………………25
3.10.2塔顶全凝器……………………………………………………………………26
3.10.3塔釜再沸器……………………………………………………………………26
3.10.4精馏塔管口直径……………………………………………………………26
第4章：塔提馏段操作工艺条件及有关物性数据计算……………………………27
4.1提馏段物性及状态参数…………………………………………………………27
4.1.1平均压强Pm……………………………………………………………………27
4.1.2平均温度tm……………………………………………………………………27
4.1.3平均分子量Mm………………………………………………………………27
4.1.4平均密度ρm……………………………………………………………………28
4.1.5液体平张力σm………………………………………………………………28
4.1.6液体平均粘度μl,m……………………………………………………………29
4.2提馏段汽夜负荷计算……………………………………………………………29
4.3塔河塔顶重要工艺构造尺寸计算………………………………………………29
4.3.1塔径……………………………………………………………………………30
4.3.2塔板工艺构造尺寸设计与计算……………………………………………30
4.3.2.1溢流装置……………………………………………………………………30
4.3.2.2塔板装置……………………………………………………………………31
4.3.2.3开孔数n和开孔率φ………………………………………………………31
4.3.2.4提馏段塔高Z2……………………………………………………………32
4.4塔板上流体力学验算……………………………………………………………32
4.4.1气体通过筛板压降hp和△Pp验算…………………………………………32
4.4.2雾沫夹带量ev验算…………………………………………………………33
4.4.3漏液验算……………………………………………………………………33
4.4.4液泛验算……………………………………………………………………33
4.5塔板负荷性能图……………………………………………………………………34
4.5.1雾沫夹带线……………………………………………………………………34
4.5.2液泛线…………………………………………………………………………35
4.5.3液相负荷上限线………………………………………………………………36
4.5.4漏液线…………………………………………………………………………36
4.5.5液相负荷下限线………………………………………………………………38
第5章：精馏塔工艺条件图…………………………………………………………………
第6章：设计评述及有关问题讨论……………………………………………………… 40
第7章：参照文献………………………………………………………………………… 41

第1章
课程设计题目一——苯-氯苯板式精馏塔工艺设计
1、设计题目
设计一座苯-氯苯持续精馏塔，规定年产纯度为99.8%氯苯48000t/a，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为35%（以上均为质量%）。
2、操作条件
1.塔顶压强4kPa（表压）；
2.进料热状况，自选；
3.回流比，自选；
4.塔釜加热蒸汽压力506kPa；
5.单板压降不不不大于0.7kPa；
6.年工作日330天，每天24小时持续运营。
3、设计内容
1.设计方案拟定及工艺流程阐明；
2.塔工艺计算；
3.塔和塔板重要工艺构造设计计算；
4.塔内流体力学性能设计计算；
5.塔板负荷性能图绘制；
6.塔工艺计算成果汇总一览表；
7.辅助设备选型与计算；
8.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图绘制；
9.对本设计评述或对关于问题分析与讨论。
4、设计流程

设计流程
塔板数拟定

塔和塔板重要工艺构造尺寸计算

塔板上流体力学验算
塔板负荷性能图

精馏塔附属设备与接管尺寸计算

依照计算画出精馏塔

拟定设计方案

第2章
1、基本数据
1.组分饱和蒸汽压（mmHg）
温度，（℃）
80
90
100
110
120
130
131.8

苯
760
1025
1350
1760
2250
2840
2900
氯苯
148
205
293
400
543
719
760
2.组分液相密度（kg/m3）
温度，（℃）
80
90
100
110
120
130

苯
817
805
793
782
770
757
氯苯
1039
1028
1018
1008
997
985
纯组分在任何温度下密度可由下式计算
苯 推荐：
氯苯 推荐：
式中t为温度，℃。
3.组分表面张力（mN/m）
温度，（℃）
80
85
110
115
120
131

苯
21.2
20.6
17.3
16.8
16.3
15.3
氯苯
26.1
25.7
22.7
22.2
21.6
20.4
双组分混合液体表面张力可按下式计算：
（为A、B组分摩尔分率）
4.氯苯汽化潜热
常压沸点下汽化潜热为35.3×103kJ/kmol。纯组分汽化潜热与温度关系可用下式表达：
（氯苯临界温度：）
5.其她物性数据可查化工原理附录。

第3章

精馏段苯-氯苯板式精馏塔工艺计算
1、设计方案拟定及工艺流程阐明
原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入持续板式精馏塔（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某些作为回流液，别的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。

图1 板式精馏塔工艺流程简图
工艺流程：如图1所示。原料液由高位槽通过预热器预热后进入精馏塔内。操作时持续从再沸器中取出某些液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液某些汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中所有冷凝或某些冷凝，然后进入贮槽再通过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，别的某些通过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔持续稳定进行，流程中还要考虑设立原料槽。产品槽和相应泵,有时还要设立高位槽。为了便于理解操作中状况及时发现问题和采用相应办法，常在流程中恰当位置设立必要仪表。例如流量计、温度计和压力表等，以测量物流各项参数。

2、全塔物料衡算
（1）料液及塔顶底产品含苯摩尔分率
苯和氯苯相对摩尔质量分别为78.11和112.61kg/kmol。

（2）平均摩尔质量

（3）料液及塔顶底产品摩尔流率
依题给条件：一年以330天，一天以24小时计，有：，
全塔物料衡算：

3、塔板数拟定
（1）理论塔板数求取
苯-氯苯物系属于抱负物系，可采用梯级图解法（M·T法）求取，环节如下：
1.依照苯-氯苯相平衡数据，运用泡点方程和露点方程求取
根据，，将所得计算成果列表如下：
温度，（℃）
80
90
100
110
120
130
131.8

苯
760
1025
1350
1760
2250
2840
2900
氯苯
148
205
293
400
543
719
760
两相摩尔分率
x
1
0.677
0.442
0.265
0.127
0.019
0
y
1
0.913
0.785
0.614
0.376
0.071
0
本题中，塔内压力接近常压（事实上略高于常压），而表中所给为常压下相平衡数据，由于操作压力偏离常压很小，因此其对平衡关系影响完全可以忽视。
2.拟定操作回流比R
将1.表中数据作图得曲线及曲线。在图上，因，查得，而，。故有：

考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作回流比为最小回流比2倍，即：
3.求理论塔板数
精馏段操作线：
0.7754×151.429+151.429=268.85

精馏段操作线：y=0.394x+0.597
提馏段操作线：y=1.216x-0.00062
提馏段操作线为过(0.00287,0.00287)和(0.722,0.879)两点直线。

苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数图解

苯-氯苯物系温度构成图
图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第5块为加料板位置。
（2）实际塔板数
1.全塔效率
选用公式计算。该式合用于液相粘度为0.07~1.4mPa·s烃类物系，式中为全塔平均温度下以进料构成表达平均粘度。
塔平均温度为0.5(80+131.8)=106℃（取塔顶底算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。

2.实际塔板数（近似取两段效率相似）
精馏段：块，取块
提馏段：块，取块
总塔板数块。
4、塔精馏段操作工艺条件及有关物性数据计算
（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
查温度构成图得：塔顶为80℃，加料板为88℃。
℃
（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）液体平均表面张力
塔顶：；（80℃）

进料板：；（88℃）

精馏段：
（6）液体平均粘度
塔顶：查化工原理附录14，在80℃下有：

加料板：
精馏段：
5、精馏段汽液负荷计算
汽相摩尔流率
汽相体积流量
汽相体积流量
液相回流摩尔流率
液相体积流量
液相体积流量
冷凝器热负荷
6、塔和塔板重要工艺构造尺寸计算
（1）塔径
1.初选塔板间距及板上液层高度，则：

2.按Smith法求取容许空塔气速（即泛点气速）

查Smith通用关联图得
负荷因子
泛点气速：
m/s
3.操作气速
取
4.精馏段塔径

圆整取，此时操作气速。
（2）塔板工艺构造尺寸设计与计算
1.溢流装置
采用单溢流型平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。
（1）溢流堰长（出口堰长）
取
堰上溢流强度，满足筛板塔堰上溢流强度规定。
（2）出口堰高

对平直堰
由及，查夜流收缩系数计算图（化工原理图3-8）得，于是：
（满足规定）

（3）降液管宽度和降液管面积
由，查化原下P147图11-16得，即：
，，。
液体在降液管内停留时间
（满足规定）
（4）降液管底隙高度
液体通过降液管底隙流速普通为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙流速，则有：
（不适当不大于0.02~0.025m，本成果满足规定）
2.塔板布置
（1）边沿区宽度与安定区宽度
边沿区宽度：普通为50~75mm，D >2m时，可达100mm。
安定区宽度：规定m时mm；m时mm；
本设计取mm，mm。
（2）开孔区面积

式中：

3.开孔数和开孔率
取筛孔孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。
每层塔板开孔数（孔）
每层塔板开孔率（应在5~15%，故满足规定）
每层塔板开孔面积
气体通过筛孔孔速
4.精馏段塔高

7、塔板上流体力学验算
（1）气体通过筛板压降和验算

1.气体通过干板压降

式中孔流系数由查图化工原理课程设计4-22得出，。
2.气体通过板上液层压降

式中充气系数求取如下：
气体通过有效流通截面积气速，对单流型塔板有：

动能因子
查化工原理课程设计图4-23得（普通可近似取）。
3.气体克服液体表面张力产生压降

4.气体通过筛板压降（单板压降）和

（不满足工艺规定，需重新调节参数）。
现对塔板构造参数作重新调节如下：
取mm，mm。
开孔区面积

式中：

开孔数和开孔率
取筛孔孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距。
每层塔板开孔数（孔）
每层塔板开孔率（应在5~15%，故满足规定）
每层塔板开孔面积
气体通过筛孔孔速
气体通过筛板压降和重新验算

气体通过筛板压降（单板压降）和

（满足工艺规定）
（2）雾沫夹带量验算

式中：，验算成果表白不会产生过量雾沫夹带。
（3）漏液验算
漏液点气速

筛板稳定性系数（不会产生过量液漏）
（4）液泛验算
为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度

成立，故不会产生液泛。
通过流体力学验算，可以为精馏段塔径及塔板各工艺构造尺寸适当，若要做出最合理设计，还需重选及，进行优化设计。
8、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）
在操作范畴内，任取几种值，依式（1-1）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

4.202
3.850
3.541
3.282
3.136
根据表中数据作出雾沫夹带线（1）
（2）液泛线（2）
（2）

（2-2）
在操作范畴内，任取几种值，依式（2-2）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

3.635
3.384
3.010
2.470
1.982
根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）

漏液点气速

，整顿得：
（4-4）
在操作范畴内，任取几种值，依式（4-4）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

0.875
0.937
0.988
1.029
1.051
根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）
操作气液比

操作弹性定义为操作线与界限曲线交点气相最大负荷与气相容许最小负荷之比，即：
操作弹性=
九、精馏塔设计计算成果汇总一览表

精馏塔设计计算成果汇总一览表
项 目
符 号
单 位
计 算 结 果
精馏段
提馏段
平均压强

kPa
108.1

平均温度

℃
84

平均流量
气相

m3/s
1.795

液相

m3/s
0.00213

实际塔板数

块
8

板间距

m
0.5

塔段有效高度

m
3.5

塔径

m
1.6

空塔气速

m/s
0.893

塔板液流型式

单流型

溢
流
装
置
溢流管型式

弓形

堰长

m
1.12

堰高

m
0.050

溢流堰宽度

m
0.224

底隙高度

m
0.024

板上清液层高度

m
0.060

孔径

mm
5

孔间距

mm
15

孔数

个
7113

开孔面积

m2
0.140

筛孔气速

m/s
12.86

塔板压降

kPa
0.69

液体在降液管中停留时间

s
42.46

降液管内清液层高度

m
0.144

雾沫夹带

kg液/kg气
0.00725

负荷上限

雾沫夹带控制

负荷下限

漏液控制

气相最大负荷

m3/s
3.40

气相最小负荷

m3/s
0.80

操作弹性

4.25

十、精馏塔附属设备与接管尺寸计算
（1）料液预热器
依照原料液进出预热器热状况和构成一方面计算预热器热负荷Q ，然后估算预热器换热面积A ，最后按换热器设计计算程序执行。
（2）塔顶全凝器
全凝器热负荷前已算出，为1593kW。普通采用循环水冷却，进出口水温可依照不同地区详细状况选定后再按换热器设计程序做设计计算。
（3）塔釜再沸器
由于饱和液体进料，故。即再沸器热负荷与塔顶全凝器相似。事实上由于存在塔热损失（普通状况下约为提供总热量5~10%）。再沸器属于两侧均有相变恒温差换热设备，故再沸器设计计算与蒸发器同。
（4）精馏塔管口直径
1.塔顶蒸汽出口管径
根据流速选用，但塔顶蒸汽出口流速与塔内操作压力关于，常压可取12~20m/s。
2.回流液管径
回流量前已算出，回流液流速范畴为0.2~0.5m/s；若用泵输送回流液，流速可取1~2.5 m/s。
3.加料管径
料液由高位槽自流，流速可取0.4~0.8 m/s；泵送时流速可取1.5~2.5m/s。
4.料液排出管径
塔釜液出塔流速可取0.5~1.0m/s。
5.饱和蒸汽管径
蒸汽流速：<295kPa：20~40 m/s；<785kPa：40~60 m/s；>2950 kPa：80 m/s。

第4章

塔提馏段操作工艺条件及有关物性数据计算
1、提馏段物性及状态参数
（1）平均压强
取每层塔板压降为0.7kPa计算。
进料板：
塔底：
平均压强
（2）平均温度
查温度构成图得：加料板为88℃，塔底为131.8℃。
℃
（3）平均分子量
加料板：，（查相平衡图）

塔底： ，。（查相平衡图）

提馏段：

（4）平均密度
1.液相平均密度
进料板：

塔底：

提馏段：
2.汽相平均密度

（5）液体平均表面张力
进料板：；（88℃）

塔底：；（131.8℃）

精馏段：
（6）液体平均粘度
塔顶：查化工原理附录14有：
加料板：
塔 底：
提馏段：
2、提馏段汽液负荷计算
汽相摩尔流率

汽相体积流量
汽相体积流量
液相回流摩尔流率

液相体积流量
液相体积流量
再沸器热负荷
（忽视温度压力对汽化潜热影响）
3、塔和塔板重要工艺构造尺寸计算
（1）塔径
1.初选塔板间距及板上液层高度，则：

2.按Smith法求取容许空塔气速（即泛点气速）

查Smith通用关联图得
负荷因子
泛点气速：
m/s
3.操作气速
取
4.精馏段塔径

为加工以便，圆整取，即上下塔段直径保持一致，此时提馏段操作气速。
（2）塔板工艺构造尺寸设计与计算
1.溢流装置
采用单溢流型平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。
（1）溢流堰长（出口堰长）
取
堰上溢流强度，满足筛板塔堰上溢流强度规定。
（2）出口堰高

对平直堰
由及，查化工原理图11-11得，于是：
（满足规定）

（3）降液管宽度和降液管面积
由，查化原下P147图11-16得，即：
，，。
液体在降液管内停留时间
（满足规定）
（4）降液管底隙高度
液体通过降液管底隙流速普通为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙流速，则有：
（不适当不大于0.02~0.025m，本成果满足规定）
2.塔板布置
（1）边沿区宽度与安定区宽度
与精馏段同，即mm，mm。
开孔区面积与精馏段同，即
3.开孔数和开孔率
亦与精馏段同，即孔
每层塔板开孔率（应在5~15%，故满足规定）
每层塔板开孔面积
气体通过筛孔孔速
4.提馏段塔高

4、塔板上流体力学验算
（1）气体通过筛板压降和验算

1.气体通过干板压降

式中孔流系数由查化工原理课程设计图4-22得出，。
2.气体通过板上液层压降

式中充气系数求取如下：
气体通过有效流通截面积气速，对单流型塔板有：

动能因子
查化原图11-12得（普通可近似取）。
3.气体克服液体表面张力产生压降

4.气体通过筛板压降（单板压降）和

（尚可接受，本设计不再做重新设计计算）。
（2）雾沫夹带量验算

式中：，验算成果表白不会产生过量雾沫夹带。
（3）漏液验算
漏液点气速

筛板稳定性系数（不会产生过量液漏）
（4）液泛验算
为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度

成立，故不会产生液泛。
通过流体力学验算，可以为精馏段塔径及塔板各工艺构造尺寸适当，若要做出最合理设计，还需重选及，进行优化设计。
8、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）
在操作范畴内，任取几种值，依式（1-1）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

4.202
3.850
3.541
3.282
3.136
根据表中数据作出雾沫夹带线（1）
（2）液泛线（2）
（2）

（2-2）
在操作范畴内，任取几种值，依式（2-2）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

3.635
3.384
3.010
2.470
1.982
根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）

漏液点气速

，整顿得：
（4-4）
在操作范畴内，任取几种值，依式（4-4）算出相应值列于下表：

0.000955
0.005
0.01
0.015
0.0181

0.875
0.937
0.988
1.029
1.051
根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）
操作气液比

操作弹性定义为操作线与界限曲线交点气相最大负荷与气相容许最小负荷之比，即：
操作弹性=

第5章
精馏塔工艺条件图

第6章
设计评述及有关问题讨论
光阴荏苒，两个星期化工课程设计在不觉之间就结束了。在这段时间里，咱们每天虽然很忙碌却很充实。这是一次真正意义上自主学习，以往都是教师带领，而这次把所有自主权交给了学生。从一开始听到课程设计时紧张到设计完毕后欣喜，这其中渐变只有亲身体验过才会懂，而每一步都是不寻常一步，每一步都是新尝试和挑战，每一步都是一种进步，每一次成功其中都夹杂了咱们努力汗水。
在进入课题开始，咱们查阅了大量书籍和资料，做到了“心中有谱”，咱们设计从一开始茫然逐渐变豁然开朗。这一方面要感谢邢教师予以巨大协助和支持，感谢邢教师两个学期以来对咱们悉心辅导；同样。这样一份成功离不开团队共同努力成果。“三人行，必有我室焉”，咱们同班同组同窗共同努力，互相协助，互相为师，攻克一种个困难，直至设计顺利完毕。
在这个炎炎夏日，咱们开始了一次自主创新学习，咱们从课本中走了出来，从理论中走了出来，走向了实践。这对于提高和培养咱们各种能力都是一种很有效途径。无论是自己动手实践能力还是团队协作能力均有很大提高；对于自己掌握知识限度也有了一种全面理解。
最后衷心感谢学校和教师能予以咱们这样一次机会，这是咱们走向社会提前铺垫，而真正融入竞争激烈社会，发挥自己所学知识对于咱们来说依然“任重而道远”，还需要咱们不懈努力。

第7章
参照文献
[1]《化工原理课程设计》 化工原理教研室室选编
[2] 谭蔚，聂清德　化工设备设计基本　天津大学出版社　.８　
[3] 陈国桓　化工机械基本　化学工业出版社　.1
[4] 夏清　陈常贵　化工原理（上）天津大学出版社　.3
[5] 夏清　陈常贵　化工原理（下）天津大学出版社　.3
[6] 中华人民共和国石化 化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社.7