應用化學開放報告

論文題目:苯-氯苯分離過程中連續精餾塔的工藝設計。

文獻綜述和調查報告:(說明研究現狀和發展趨勢，本研究的意義和價值，參考文獻)

1.項目背景

設計是工程建設的靈魂，在工程建設中起著主導和決定作用，決定著工業現代化的水平。工程設計是科研成果轉化為現實生產力的橋梁和紐帶。只有通過設計，工業科研成果才能轉化為真正的工業化生產力。化工設計是壹項政策性很強的工作，涉及政治、經濟、技術、環保、法律法規等。，而且它還涉及到多學科、多學科的交叉、綜合和協調，是壹項集體勞動。先進的設計思想、科學的設計方法、優秀的設計作品，是工程設計人員應該堅持的設計方向和目標。在化工設計中，化工單元設備的設計是整個化工流程和裝置設計的核心和基礎，貫穿於設計過程的始終。因此，作為壹名化工專業的本科生，熟練掌握化工單元設備的設計方法是非常重要的。

精餾是分離液體混合物(包括液化氣混合物)最常用的單元操作，廣泛應用於化工、煉油、石油化工等行業。在精餾過程中，氣液相在能量劑(有時加入質量劑)的驅動下多次直接接觸分離，利用液相混合物中各組分的不同揮發度，將揮發性組分從液相轉移到氣相，非揮發性組分從氣相轉移到液相，實現原料混合物中各組分的分離。這個過程是壹個傳質和傳熱同時進行的過程。

本次設計任務是設計壹個具有壹定容量的精餾塔，實現苯和氯苯的分離。鑒於本次設計任務容量小，苯-氯苯體系易於分離，待處理的料液清潔，設計決定選用篩板塔。本課程設計的主要內容是物料衡算、熱量衡算、工藝計算、結構設計和校核。限於作者水平，設計中難免有不足和謬誤。請批評指正。

篩板塔是生產中最常用的板式塔之壹。板式塔具有結構簡單、制造維修方便、生產能力大、塔板壓降小、塔板效率高的優點。早在1832就出來了。長期以來，壹直誤以為作業範圍窄，篩孔容易堵塞，所以受到冷遇。而篩板結構簡單，成本低，具有很大的經濟吸引力。因此，自20世紀50年代以來，許多研究者重新研究了篩板塔。結果表明，篩板塔操作範圍窄的原因是設計不良(主要是設計點低，容易泄漏)，而設計良好的篩板塔操作範圍寬。至於篩孔容易堵塞的問題，可以用大孔徑篩板ⅰ圓滿解決。

20世紀60年代初，美國蒸餾研究公司(FRI)在工業規模上對篩板塔進行了系統的研究，使用了不同的材料，在不同的操作壓力下，廣泛地改變了篩孔直徑、開孔率和堰高等結構參數。這些研究成果使篩板塔的設計更加完善，大孔徑篩板的設計方法屬於專利。國內對大孔徑篩板也做了壹些研究。

FRI研究表明，設計良好的篩板是壹種效率高、生產能力大的塔板，極大地促進了篩板的推廣應用。目前，篩板已經發展成為應用最廣泛的通用塔板。在我國，篩板的應用越來越普遍。

可以說篩板蒸餾塔是壹種傳統的蒸餾塔。早期因為設計原因壹度被工業生產忽視。但是，由於計算技術的發展和設計水平的提高，篩板塔越來越受到廠家的重視和使用。其優點是設備簡單，操作簡單，維修方便，制造成本低。

2.研究現狀及發展趨勢。

氣液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。蒸餾操作可以采用板式塔或填料塔。板式塔是壹種逐級接觸的氣液傳質設備，有多種類型。根據塔板上氣液接觸元件的不同，可分為鼓泡塔、浮閥塔、篩板塔、多孔板塔、舌形塔、浮舌塔和浮射流塔。板式塔最早在工業上用作泡罩塔(1813)和篩板塔(1832)。後來，特別是20世紀50年代以後，隨著石油和化學工業的迅速發展，出現了大量的新型塔板，如S板、浮閥塔板、多降液管篩板和舌形塔板。目前，從國內外實際使用情況來看，塔板類型主要有篩板塔、浮閥塔和泡罩塔，其中前者應用尤為廣泛。

篩板塔是板式塔的壹種。其設計意圖是使汽液兩相在塔盤上充分接觸，以減少傳質阻力。另壹方面是使兩相在整體上保持逆流，使兩相在塔板上均勻錯流接觸，以獲得更大的傳質推動力。裏面有幾層橫盤，盤上有很多小孔，形似屏風；有或沒有溢流管。操作時，液體從塔頂進入，通過溢流管(部分通過篩孔)逐板下降，在板上積累壹層液體。氣體(或蒸汽)從塔底進入，通過篩孔上升穿過液層，鼓泡出來，使兩相充分接觸和相互作用。氣泡接觸式氣液傳質過程的壹種形式，其性能優於鼓泡塔。為了克服篩板安裝高度高的困難，開發了循環篩板。為了克服篩板在低負荷下的泄漏現象，設計了壹種板下帶圓盤的篩板。減少篩板上霧的夾帶，縮短板間距，制造帶擋板、板上有凸孔的篩板，用傾斜的增泡平臺代替進口堰。林德篩板在塔盤上設有導氣槽。篩板塔是H2S-H2O雙溫交換過程中廣泛使用的冷熱塔，用於精餾、吸收和除塵。

篩板塔是傳質過程中常見的塔設備，其主要優點是:

(1)結構比浮閥塔簡單易加工，其成本約為泡罩塔的60%，浮閥塔的80%。

(2)處理能力大，與相同塔徑的泡罩塔相比，可提高10 ~ 15%。

(3)塔板效率比鼓泡塔高65438±05%。

(4)壓降低，每板壓力比鼓泡塔低30%左右。

篩板塔的缺點是:

(1)塔盤安裝的水平度要求高，否則氣液接觸不均勻。

(2)操作彈性小(約2 ~ 3)。

(3)小孔篩板容易堵塞。

目前廣泛使用的林德篩板是由美國聯合碳化物公司的林德子公司開發的。最早用於要求低壓降的空分裝置精餾塔，1963後開始用於乙苯-苯乙烯精餾裝置。20世紀70年代，許多公司的120多個減壓蒸餾塔采用了林德篩板，其中直徑超過5.0 m的有45個，最大直徑為11.5 m..林德篩板在普通篩板上有兩個重要改進:壹是在降液管出液口處將塔盤向上擡高，二是在塔盤上增加百葉窗式導向孔(國內稱為導向篩板)。這壹改進增加了有效鼓泡面積，將塔板操作由鼓泡式改為噴淋式，在降低液面梯度的同時使氣體分布均勻，從而降低了幹板壓降，減少了霧沫夾帶，提高了傳質效率。目前國內已有10多套裝置使用了中運轉林德篩板。

精餾是應用最廣泛的傳質和分離操作，其廣泛的應用已經使其技術相當成熟，但技術的成熟並不意味著今後不再需要發展和停滯。成熟技術的開發往往需要更多的精力，但由於應用廣泛，每壹個進步，哪怕是很小的進步，都會帶來巨大的經濟效益。正因為如此，蒸餾的研究仍然受到廣泛的關註並不斷取得進展。

提高精餾過程的熱力學效率和節能壹直是人們關註的研究領域。利用熱集成和夾點分析的概念進行分離序列的合成、節能分離流程的開發和換熱網絡的優化，以及在具體分離過程中合理應用熱泵、多效精餾、中間再沸器和中間冷凝器實現節能，壹直是受到廣泛關註的活躍研究領域。

對於普通精餾難以(或不可能)分離的物料，開發萃取精餾和共沸精餾的分離工藝，將精餾與反應相結合，發展反應精餾，也是壹個值得關註的研究領域，對拓寬精餾的應用範圍，提高經濟效益具有重要意義。

隨著精細化工的發展，間歇精餾的應用越來越廣泛，其研究也受到了應有的重視。開發各種新的運行模式，對節約能耗、縮短運行時間有明顯效果。間歇蒸餾膜持液率的模擬計算取得了壹定進展，對設計和指導操作具有重要意義。

為了開發更可靠的效率和壓降模型，應重視實測數據，尤其是工業規模試驗數據，這是建立和驗證模型的基礎。20世紀六七十年代，美國蒸餾研究公司等人進行了壹系列工業規模的實驗，獲得了非常有價值的實測數據，為各種模型的建立和現象認識的深化奠定了重要基礎。

蒸餾的研究工作壹直非常活躍，並不斷取得成果。隨著各種新型分離方法的不斷發展和工業應用，其在石油、天然氣、石油化工、醫藥和農產品化學中的重要作用不會改變，其作為主要分離方法的地位不會動搖。正如菲爾在1987國際蒸餾會議上指出的:“如果混合物可以通過蒸餾分離，那麽經濟上有吸引力的方法可能是蒸餾。”隨著科學技術和工業生產水平的提高，精餾的應用非常廣泛。重要的是進壹步提高其技術水平，通過不斷的努力使其日臻完善。

3研究的意義和價值

本設計采用連續精餾的方法分離苯-氯苯二元混合物。連續蒸餾塔在常壓下操作，分離出的苯-氯苯二元混合物從連續蒸餾塔的中部進入塔內，在壹定的回流比下從連續蒸餾塔的頂部采出含量合格的苯，從塔底采出氯苯，其中氯苯的純度不低於99.5%。

高徑比大的設備稱為塔。塔設備是化工和煉油生產中最重要的設備之壹。它能使氣(或汽)液或液-液兩相緊密接觸，達到相間傳質傳熱的目的。可以在塔設備中完成的常見單元操作包括精餾、吸收、解吸和萃取。此外，工業氣體的冷卻和回收，氣體的濕式凈化和幹燥，以及具有氣體和液體傳質和傳熱的加濕和除濕。

在化工或煉油廠，塔設備的性能對全廠的產品產量、質量、生產能力和消耗定額，以及三廢治理和環境保護都有很大的影響。據有關資料顯示，塔設備的投資費用占整個流程設備投資費用的很大比例。因此，塔式設備的設計和研究受到了化工和煉油行業的高度重視。

作為主要用於傳質過程的塔設備，首先必須使氣體(蒸氣)和液體充分接觸，以獲得較高的傳質效率。此外，為了滿足工業生產的需要，塔設備還必須考慮以下傳質效率。此外，為了滿足工業生產的需要，塔設備還必須考慮以下要求:

(1)產能大。在較大的氣(汽)液流量下，不會出現大量的霧沫夾帶、液體堵塞或液泛現象，從而損害正常操作。

(2)運行穩定，彈性高。當塔設備的氣(汽)液負荷波動較大時，仍能穩定操作，傳質效率高。且塔設備應保證長期連續運行。

(3)流體流動的阻力小。也就是說，通過塔設備的流體的壓降很小。這將大大節省生產中的電力消耗，並減少日常運營費用。對於真空蒸餾操作，較大的壓降也使系統無法保持必要的真空度。

(4)結構簡單，材料消耗少，易於制造和安裝。這樣可以降低基本建設過程中的投資成本。

(5)耐腐蝕，不易堵塞，便於操作、調整和維護。

事實上，對於任何現有的塔型，都不可能完全滿足上述所有要求，但在某些方面是獨特的。

根據設計任務，設計的塔型為篩板塔。篩板塔是很早就出現的壹種板式塔。自20世紀50年代以來，對篩板塔進行了大量工業規模的研究，逐漸掌握了篩板塔的性能，並形成了較為完善的設計方法。與泡罩塔相比，篩板塔具有以下優點:生產能力提高20-40%，塔板效率提高10-15%，壓力降低30-50%，結構簡單，塔板成本降低40%左右，安裝維護容易。因此，它被廣泛用於反對長期忽視。近年來，篩板的研究仍在發展，有大孔徑篩板(孔徑可達20-25mm)、導向篩板等多種形式。

篩板分為篩孔區、無孔區、溢流堰和降液管。工業塔常用的篩孔孔徑為3-8mm，呈正三角形排列，間距與孔徑之比為2.5-5。近年來出現了大孔徑(10-25mm)篩板，具有制造容易，不易堵塞的優點，但夜漏點低，操作彈性小。

本課題將理論教學與實際應用相結合，有助於提高處理實際問題的能力。通過本課題的學習，可以加深對精餾過程基本原理的理解，熟悉篩板精餾塔的工藝設計方法，培養我們的設計能力。

該工藝結構簡單，成本低，操作靈活，具有很強的工程實用價值。該工藝的推廣將加速我國工業生產過程中節能技術的進步，促進大量相關技術和產業的發展。

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