课程设计题目——苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计
一、设计题目
某化工厂每天需将75吨含苯45%的苯—氯苯混合物用连续蒸馏方法分离成含苯96%的馏出液及含氯苯98%的釜液(均为质量百分数)供有机合成之用。试设计一精馏塔来完成该分离任务；原料温度为20℃。
二、操作条件
1.塔顶压强4kPa（表压）； 2.20℃进料；
3.回流比自定（取2.4Rmin）；
4.塔釜加热蒸汽压力506kPa（表压）； 5.单板压降不大于0.7kPa； 6.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.设计计算结果一览表；
7.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制； 8.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pi（mmHg） 温度，（℃） 80 760 148 90 1025 205 100 1350 293 110 1760 400 120 2250 543 130 2840 719 131.8 2900 760 ?p?i 苯 氯苯 注：1mmHg=133.322Pa 2.组分的液相密度ρ（kg/m）
温度，（℃） 80 817 1039 90 805 1028 100 793 1018 110 782 1008 120 770 997 130 757 985 3
ρ 苯 氯苯 纯组分在任何温度下的密度可由下式计算
苯 ρ?912.13?1.1886t A氯苯 ρ1124.4?1.0657t B?式中的t为温度，℃。
3.组分的表面张力σ（mN/m）
温度，（℃） σ苯 氯苯 80 21.2 26.1 85 20.6 25.7 110 17.3 22.7 115 16.8 22.2 120 16.3 21.6 131 15.3 20.4 双组分混合液体的表面张力σm可按下式计算：
σm?4.氯苯的汽化潜热
σAσB（xA、xB为A、B组分的摩尔分率）
σAxB?σBxA常压沸点下的汽化潜热为35.3×10kJ/kmol。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示：
3
?tc?t2?r2???0.38??r?tc?t1?1
0.38（氯苯的临界温度：tc?） 359.2?C5.其他物性数据可查化工原理附录。
一、设计方案及工艺流程
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进料温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。塔中气相混合物在精馏塔中上升到塔顶上方的冷凝器中，降温到泡点温度使液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中,即回流。而液相混合物在精馏塔中下降至塔底，一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。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。
二、全塔物料衡算
（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和112.61kg/kmol。
45/78.11?0.54245/78.11?55/112.6196/78.11xD??0.97296/78.11?4/112.612/78.11xW??0.0286
2/78.11?98/112.61xF?（2）平均摩尔质量
MF?78.11?0.542?(1?0.542)?112.61?93.91kg/kmolMD?78.11?0.972?(1?0.972)?112.61?79.08kg/kmolMW?78.11?0.286?(1?0.286)?112.61?111.6kg/kmol
（3）料液及塔顶、底产品的摩尔流率
依题给条件：一天以24小时计，有：F'?75t/d?3125kg/h，全塔物料衡算：
F'?3125kg/hF?33.28kmol/hF'?D'?W' ? D'?1429.52kg/h ? D?18.08kmol/h
0.45F'?0.96D'?0.02W'W'?1695.47kg/hW?15.19kmol/h三、塔板数的确定
1.理论塔板数NT的求取
苯-氯苯物系属于理想物系，可采用梯级图解法（M·T法）求取NT，步骤如下： （1）相平衡数据的求取
根据苯-氯苯的相平衡数据，利用泡点方程和露点方程求取x~y（见图1）
????x?p?p/p?py?px/ptBABAt，将所得计算结果列表如下： 依据，
????
温度，（℃） 80 760 148 1 1 90 1025 205 100 1350 293 110 1760 400 120 2250 543 130 2840 719 131.8 2900 760 0 0 p?i 苯 氯苯 两相摩尔分率
x y 0.677 0.442 0.265 0.127 0.019 0.913 0.785 0.614 0.376 0.071 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x~y平衡关系的影响完全可以忽略。 （2）确定操作的回流比R
a.将上表中数据作图得t?x~y曲线（见图2）
x?xF?0.542时，泡点温度为95.4℃，平均温度?查化工原理附录得比热容：
20?95.4?57.7℃?330.7K 2Cp?A?BT?CT2?DT3苯：Cp1??31.662?(130.43E?2)T?(?36.078E?4)T2?(3.8243E?6)T3氯苯：Cp2?64.358?(6.1906E?1)T?(?6.346E?3)T2?(1.8478E?6)T3
Cp1?143.42kJ/(kmol?K)，Cp2?157.15kJ/(kmol?K)?Cp?Cp1?0.542?Cp2?0.458?149.71kJ/(kmol?K)汽化热：苯：393.9kJ/kg 氯苯：325kJ/kg 原料液汽化热：
rm?0.542?393.9?78.11?0.458?325?112.61?18402.66kJ/kmol
q?Cp?t?rmrm?149.71?(95.4?20)?18402.66?1.611
18402.66
b.将上表中数据作图得x~y曲线
q线方程：y?q1.611qx??2.637 x?F ，斜率为：
q?11.611-1q?1q?1在图上定出：点a(xD,xD)、点e(xF,xF)、点c(xW,xW)。q线过点e且与x~y曲线交于点f(xf,yf)，如图，xD?yD?0.972，xf?0.682，yf?0.914。
精馏段操作线方程：y?R1x?xD R?1R?1回流比为Rm时，q线与精馏段操作线交点在x~y曲线上，即交于f点。
yD?yf0.972?0.914Rm???0.2Rm?1xD?xf0.972?0.682所以R?0.24Rmin?0.6
?Rm?0.25
（3）求理论塔板数
精馏段操作线： y?xRx?D?0.30x?0.69R?1R?1
提馏段操作线为过c，d两点的直线。
图解得NT?7.5?1?6.5块（不含塔釜）。其中，精馏段NT1?3块，提馏段NT2?3.5块，第5块为加料板位置。 2.实际塔板数Np
（1）全塔效率ET
化工原理设计---苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计
