5 主要设备的选型及工艺尺寸的计算
5.1 精馏塔的设计
5.1.1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和112.61kg/kmol。
xF?62/78.11?0.702
62/78.11?38/112.6198/78.11xD??0.986
98/78.11?2/112.610.2/78.11xW??0.00288
0.2/78.11?99.8/112.61(2)平均摩尔质量
MF?78.11?0.702??1?0.702??112.61?88.39kg/kmol MD?78.11?0.986??1?0.986??112.61?78.59kg/kmol
??112.61?112.5kg/kmol MW?78.11?0.00288??1?0.00288(3)料液及塔顶底产品的摩尔流率
t/a?8333.3kg/h，依题给条件：一年以300天，一天以24小时计，有：W??60000全塔物料衡算：
F??D??W? ?
0.38F??0.02D??0.998W?F?22638.88/88.39?256.12kmol/hF??22638.88kg/h.55/78.59?182.03kmol/ hD??14305.55kg/h D?1430W?8333.323./51?174.07khmol/W??8333.33kg/h5.1.2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.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
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?? x?pt?pB/p?A?pB (5-1)
???? y?p?Ax/pt (5-2)
???依据x?pt?pB/p?A?pB，y?pAx/pt，将所得计算结果列表如下：
????表5.1 两相摩尔分率
温度，（℃）
p
?i80 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
苯 氯苯 x y
两相摩尔分率
0.677 0.442 0.265 0.127 0.019 0.913 0.785 0.614 0.376 0.071
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
将1.表中数据作图得x~y曲线及t?x~y曲线。在x~y图上，因q?1，查得
ye?0.935，而xe?xF?0.702，xD?0.986。故有： Rm?Rm?xD?ye (5-3) ye?xe0.986?0.935?0.219
0.935?0.702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2倍，即：R?2Rm?2?0.219?0.438
3.求理论塔板数 精馏段操作线： y?xRx?D?0.30x?0.69 (5-4) R?1R?1?和?0.702,0.901?两点的直线。 ,0.00288提馏段操作线为过?0.00288
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图5.1 苯-氯苯物系精馏分离理论塔板数的图解
1401301201101009080700.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
图5.2 苯-氯苯物系的温度组成图
图解得NT?12.5?1?11.5块（不含釜）。其中，精馏段NT1?4块，提馏段NT2?7.5块，第5块为加料板位置。
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(2)实际塔板数Np 1.全塔效率ET
选用ET?0.17?0.616logμm公式计算。该式适用于液相粘度为0.07~1.4mPa·s的烃类物系，式中的μm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+131.8)=106℃（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：μA?0.24mPa?s，μB?0.34mPa?s。
?m??AxF??B?1?xF? (5-5)
?m?0.24?0.702?0.34??1?0.702??0.270
ET?0.17?0.616log?m?0.17?0.616log0.270?0.52 2.实际塔板数Np（近似取两段效率相同） 精馏段：Np1?4/0.52?7.7块，取Np1?8块 提馏段：Np2?7/0.52?13.5块，取Np2?14块 总塔板数Np?Np1?Np2?22块。
5.1.3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pm
取每层塔板压降为0.7kPa计算。 塔顶：pD?101.3?4?105.3kPa 加料板：pF?105.3?0.7?8?110.9kPa 平均压强pm??105.3?110.9?/2?108.1kPa (2)平均温度tm
查温度组成图得：塔顶为80℃，加料板为89℃。 tm??80?89?/2?84.5℃
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(3)平均分子量Mm
塔顶： y1?xD?0.98，6x1?0.940（查相平衡图）
MVD,m?0.986?78.11??1?0.986??112.61?78.59kg/kmol MLD,m?0.940?78.11??1?0.940??112.61?80.18kg/kmol
加料板：yF?0.935，xF?0.702（查相平衡图）
MVF,m?0.935?78.11??1?0.935??112.61?80.35kg/kmol MLD,m?0.702?78.11??1?0.702??112.61?88.39kg/kmol
精馏段：MV,m??78.59?80.35??79.47kg/kmol
ML,m??80.18?88.39?/2?84.29kg/kmol
(4)平均密度ρm 1.液相平均密度ρL,m
塔顶：ρLD,A?912.13?1.1886t?912.13?1.1886?80?817.0kg/m3
ρLD,B?1124.4?1.0657t?1124.4?1.0657?80?1039.1kg/m3 1ρ?aA?aB?0.98?0.02?ρLD,m?820.5kg/m3LD,mρ LD,AρLD,B817.01039.1进料板：?LF,A?912.13?1.1886t?912.13?1.1886?89?806.34kg/m3
?LF,B?1124.4?1.0657t?1124.4?1.0657?89?1029.55kg/m3
1??aA?aB?0.62LF,m?LF,A?LF,B.34?0.381029.55??LF,m?878.7kg/m3806精馏段：?L,m??820.5?878.7?/2?849.6kg/m3 2.汽相平均密度ρV,m
?V,mV,m?pmMRT m- 22 -
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