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。
1.组分的饱和蒸汽压（mmhg）
2.组分的液相密度（kg/m3）
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）
双组分混合液体的表面张力可按下式计算：
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：
氯苯的临界温度：）
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。
二）平均摩尔质量。
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：，全塔物料衡算：
三、塔板数的确定。
一）理论塔板数的求取。
苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级**法（m·t法）求取，步骤如下：
1.根据苯-氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和**方程求取。
依据，，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，故取实际操作的回流比为最小回流比的4倍，即：
3.求理论塔板数。
精馏段操作线：
提馏段操作线：y=1.207x-5.97010-4
由**法求理论板层数，如图1
图1 **法求理论塔板数。
总理论板层数 nt=9.5(包括再沸器)
进料板位置 nf=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 pd=101.3+4=105.3kpa
每层塔板压降 △p=0.7kpa
进料板压力 pf=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 td=80℃
进料板温度 tf=88℃
精馏段平均温度 tm=(80+88)/2=84℃
图2 苯-氯苯物系的温度组成图。
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）气相平均密度的计算。
由理想气体状态方程计算，即。
2）.液相平均密度。
液相平均密度依下式计算，即。
塔顶： 进料板：
精馏段： 5.液体平均表面张力的计算。
塔顶：；（80℃）
进料板：；（88℃）
精馏段： 6.液体的平均粘度。
塔顶：查化工原理附录11，在80℃下有：
加料板： 精馏段：
五、精馏段的塔体工艺尺寸计算。
一）.塔径的计算
汽相摩尔流率。
汽相体积流量。
液相体积流量。
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，此时的操作气速。
二）.精馏塔有效高度的计算。
精馏段有效高度为。
z精=（n精-1）ht=（8-1）×0.4=2.8m
提馏段有效高度为。
z提=（n提-1）ht=（9-1）×0.4=3.2m
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。
z=z精+z提+0.8=2.8+3.2+0.8=6.8
三）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。
1）溢流堰长（出口堰长）
取。2）出口堰高。
对平直堰。满足要求）
3）降液管的宽度和降液管的面积。
由，查化原下p147图11-16弓形降液管的参数得，即：
验算液体在降液管中的停留时间，即。
=3600afht/lh=>5s（满足要求）
4）降液管的底隙高度。
液体通过降液管底隙的流速一般为0.07~0.25m/s，取液体通过降液管底隙的流速，则有：
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘，深度=55mm
六、.塔板布置。
1) 塔板的分块。
因d故塔板采用分块式。查表得，塔板分为3块。
2）边缘区宽度测定。
取。3）开孔区面积。
式中： 4).筛孔计算及排列。
本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，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（个）
每层塔板的开孔率（应在5~15%，故满足要求）
每层塔板的开孔面积。
气体通过筛孔的孔速。
七、塔板上的流体力学验算。
1.塔板压降。
1)干板阻力计算。
式中孔流系数由查图-干筛孔的流量系数得出，。
2).气体通过板上液层的压降。
式中充气系数的求取如下：
气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：
动能因子。查化原图11-12得（一般可近似取）。
3).液体表面张力产生的压降。
气体通过筛板的压降（单板压降）和。
满足工艺要求，故合理）。
2．液面落差。
对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液量均不大，故可忽略液面落差的影响。
3．雾沫夹带量的验算。
式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。
4．漏液。漏液点的气速。
实际孔数。稳定系数为。
故在本设计中无明显漏液。
5.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，苯-氯苯物系属一般物系，取=0.5,则=0.5(0.40+0.047)=0.224m
而。成立，故不会产生液泛。
八、塔板负荷性能图。
1.漏液线（气相负荷下限线）由。得。
在操作范围内，任取几个值，依上式计算出对应的值列于表2：
表2依据表中数据作出漏液线1
2．液沫夹带线。
式中： 故。
整理得。在操作范围内，任取几个值，依式算出对应的值列于表3：
表3依据表中数据作出雾沫夹带线2
3．液相负荷下限线。
取平直堰堰上液层高度m，。
据此可作出与气体流无关的垂直液相负荷下限线3。
4．液相负荷上限线。
以θ=4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由式5-9得。
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线4。
5．液泛线。令。由。
联立得 忽略，将与，,与的关系式代入上式，并整理得。
式中 b＇＝
将有关数据代入，得。
故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出对应的值列于表4：
表4依据表中数据作出液泛线5。
根据以上方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图3所示。
图3 筛板塔的负荷性能图。
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=九、筛板塔的设计计算结果汇总一览表。
表5-筛板塔的设计计算结果汇总一览表。
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