應(yīng)用化學(xué)開(kāi)題報(bào)告

　　論文題目：苯-氯苯分離過(guò)程連續(xù)精餾塔的工藝設(shè)計(jì)

　　一 文獻(xiàn)綜述與調(diào)研報(bào)告：(闡述課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，本課題研究的意義和價(jià)值、參考文獻(xiàn))

　　1. 課題的背景

　　設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的靈魂，對(duì)工程建設(shè)起著主導(dǎo)和決定性的作用，決定著工業(yè)現(xiàn)代化的水平。工程設(shè)計(jì)是科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的橋梁和紐帶，工業(yè)科研成果只有通過(guò)設(shè)計(jì)，才能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的工業(yè)化生產(chǎn)力�；�工設(shè)計(jì)是一項(xiàng)政策性很強(qiáng)的工作，它涉及政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保、法規(guī)等諸多方面，而且還會(huì)涉及多專業(yè)及多學(xué)科的交叉、綜合和相互協(xié)調(diào)，是集體性的勞動(dòng)。先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想、科學(xué)的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品是工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)堅(jiān)持的設(shè)計(jì)方向和追求的目標(biāo)。在化工設(shè)計(jì)中，化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)是整個(gè)化工過(guò)程和裝置設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，并貫穿于設(shè)計(jì)過(guò)程的始終，因此作為化工類的本科生，熟練掌握化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)方法是十分重要的。

　　精餾是分離液體混合物(含可液化的氣體混合物)最常用的一種單元操作，在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過(guò)程在能量劑的驅(qū)動(dòng)下(有時(shí)加質(zhì)量劑)，使氣、液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。該過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的過(guò)程。

　　本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處理量的精餾塔，實(shí)現(xiàn)苯-氯苯的分離。鑒于設(shè)計(jì)任務(wù)的處理量不大，苯-氯苯體系比較易于分離，待處理料液清潔的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)決定選用篩板塔。本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是過(guò)程的物料衡算、熱量衡算，工藝計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。限于作者的水平，設(shè)計(jì)中難免有不足和謬誤之處，懇請(qǐng)老師和讀者批評(píng)指正。

　　篩板塔是生產(chǎn)中最常用的板式塔之一。板式塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維修方便，生產(chǎn)能力大，塔板壓降小，板效率較高等優(yōu)點(diǎn)。其早在1832年問(wèn)世，長(zhǎng)期以來(lái)，一直被誤以為操作范圍狹窄，篩孔容易堵塞而收到冷遇。但是篩孔板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，在經(jīng)濟(jì)上有很大的吸引力。因此，從20世紀(jì)50年代以來(lái)，許多研究者對(duì)篩孔板塔重新進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，造成篩板塔操作范圍狹窄的原因是設(shè)計(jì)不良(主要是設(shè)計(jì)點(diǎn)偏低、容易漏液)，而設(shè)計(jì)良好的篩板塔是具有足夠?qū)挼牟僮鞣秶�的。至于篩孔容易堵塞的問(wèn)題，可采用大孔徑篩板一得到圓滿的解決。

　　20世紀(jì)60年代初，美國(guó)精餾研究公司(FRI)又以工業(yè)的規(guī)模，使用不同物系，在不同操作壓強(qiáng)下，廣泛地改變了篩孔直徑、開(kāi)孔率、堰高等結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)篩板塔進(jìn)行了系統(tǒng)研究。這些研究成果，使篩板塔的設(shè)計(jì)更加完美善，其中關(guān)于大孔徑篩板的設(shè)計(jì)方法屬于專利。國(guó)內(nèi)對(duì)大孔徑篩板也做過(guò)某些研究。

　　FRI研究工作表明，設(shè)計(jì)良好的篩板是一種效率高、生產(chǎn)能力大的塔板，對(duì)篩板的推廣應(yīng)用起了很大的促進(jìn)作用，目前，篩板已發(fā)展成為應(yīng)用最廣的通用塔板。在我國(guó)，篩板的應(yīng)用也日益普通。

　　可以說(shuō)，篩板精餾塔是一種傳統(tǒng)的精餾塔。早期由于設(shè)計(jì)方面的原因，曾一度被工業(yè)生產(chǎn)所忽視。但由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)水平的提高，篩板塔越來(lái)越受到廠家的關(guān)注和使用，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，維修方便，制造成本低。

　　2. 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　氣-液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級(jí)接觸型氣-液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣-液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為篩板塔、浮閥塔及泡罩塔，而前者使用尤為廣泛。

　　篩板塔是板式塔的一種，其設(shè)計(jì)意圖是一方面使汽液兩相在塔板上充分接觸，以減小傳質(zhì)阻力，另一方面是在總體上使兩相保持逆流流動(dòng)，而在塔板上使兩相呈均勻的錯(cuò)流接觸，以獲得更大的傳質(zhì)推動(dòng)力。其內(nèi)裝若干層水平塔板，板上有許多小孔，形狀如篩;并裝有溢流管或沒(méi)有溢流管。操作時(shí)，液體由塔頂進(jìn)入，經(jīng)溢流管(一部分經(jīng)篩孔)逐板下降，并在板上積存液層。氣體(或蒸氣)由塔底進(jìn)入，經(jīng)篩孔上升穿過(guò)液層，鼓泡而出，因而兩相可以充分接觸，并相互作用。泡沫式接觸氣液傳質(zhì)過(guò)程的一種形式，性能優(yōu)于泡罩塔。為克服篩板安裝水平要求過(guò)高的困難，發(fā)展了環(huán)流篩板;克服篩板在低負(fù)荷下出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了板下帶盤的篩板;減輕篩板上霧沫夾帶縮短板間距，制造出板上帶擋的的篩板和突孔式篩板和用斜的增泡臺(tái)代替進(jìn)口堰，塔板上開(kāi)設(shè)氣體導(dǎo)向縫的林德篩板。篩板塔普遍用作H2S-H2O雙溫交換過(guò)程的冷、熱塔，應(yīng)用于蒸餾、吸收和除塵等。

　　篩板塔是傳質(zhì)過(guò)程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1) 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60%，為浮閥塔的80%左右。

　　(2)處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加10～15%。

　　(3)塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。

　　(4) 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30%左右。

　　篩板塔的缺點(diǎn)是：

　　(1)塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。

　　(2) 操作彈性較小(約2～3)。

　　(3)小孔篩板容易堵塞。

　　目前應(yīng)用比較廣泛的是林德篩板，它由美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的林德子公司開(kāi)發(fā) ,最早應(yīng)用于要求低壓降的空分裝置的精餾塔 ,1963 年后開(kāi)始應(yīng)用于乙苯-苯乙烯等精餾裝置中。20 世紀(jì)70 年代有多家公司的120余臺(tái)減壓蒸餾塔采用了林德篩板,其中超過(guò)5.0 m 塔徑的就有45 臺(tái),最大的塔徑為11.5 m。林德篩板在普通篩板上有2 點(diǎn)重要改進(jìn):一是在降液管液體出口處將塔板向上凸起,二是在塔板上增設(shè)了百葉窗導(dǎo)向孔(國(guó)內(nèi)稱之為導(dǎo)向篩板)。這種改進(jìn)增大了有效鼓泡面積,使塔板操作由鼓泡型變?yōu)閲娚湫?在降低液面梯度的同時(shí)使氣體分布均勻,從而使干板壓降減小、霧沫夾帶減少、傳質(zhì)效率提高。目前,國(guó)內(nèi)已有10余套裝置使用了中運(yùn)行林德篩板。

　　精餾是應(yīng)用最廣的傳質(zhì)分離操作，其廣泛應(yīng)用促使其技術(shù)已相當(dāng)成熟，但是技術(shù)的成熟并不意味著今后不再需要發(fā)展而停滯不前。成熟技術(shù)的發(fā)展往往要花費(fèi)更大的精力，但由于其應(yīng)用的廣泛，每一個(gè)進(jìn)步，哪怕是微小的，也會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱�，蒸餾的研究仍受到廣泛的重視，不斷取得進(jìn)展。

　　提高精餾過(guò)程的熱力學(xué)效率、節(jié)省能耗是一貫受到重視的研究領(lǐng)域，分離序列的合成，在用熱集成概念和夾點(diǎn)分析方法開(kāi)發(fā)節(jié)能的分離過(guò)程和優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，在具體分離過(guò)程中合理地應(yīng)用熱泵、多效精餾、中間再沸器和中間冷凝器等實(shí)現(xiàn)節(jié)能，一直是得到廣泛重視的活躍的研究領(lǐng)域。

　　對(duì)于普通精餾難以(或不能)分離的物料，開(kāi)發(fā)萃取精餾和恒沸精餾的分離工藝，將精餾與反應(yīng)結(jié)合開(kāi)發(fā)反應(yīng)精餾也是個(gè)值得重視的研究領(lǐng)域，這對(duì)于拓寬精餾的應(yīng)用范圍，提高經(jīng)濟(jì)效益有較大意義。

　　隨著精細(xì)化工的發(fā)展，間歇精餾應(yīng)用也更加廣泛，其研究也得到了應(yīng)有的重視。開(kāi)發(fā)各種新的操作模式，對(duì)于節(jié)省能耗和縮短操作時(shí)間有明顯的效果。塔中持液量的間歇精餾膜模擬計(jì)算研究有一定進(jìn)展，對(duì)于設(shè)計(jì)和指導(dǎo)操作有較大意義。

　　為開(kāi)發(fā)更可靠的效率和壓降等的模型，當(dāng)前應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是工業(yè)規(guī)模的測(cè)試數(shù)據(jù)，這是建立和驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)。六七十年代，美國(guó)精餾研究公司等進(jìn)行了一系列工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)，取得了十分有價(jià)值的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為各種模型的建立和現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的深化奠定了重要基礎(chǔ)。

　　精餾的研究工作一直十分活躍，而且不斷取得成果。在各種新分離方法得到不斷開(kāi)發(fā)和取得工業(yè)應(yīng)用之際，在石油、天然氣、石油化工、醫(yī)藥和農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)等工業(yè)中所起的重要作用不會(huì)改變，作為主要分離方法的地位不會(huì)動(dòng)搖。正如費(fèi)爾在1987年國(guó)際精餾會(huì)議上指出的：“如果混合物可以應(yīng)用精餾分離，那么經(jīng)濟(jì)上可能有吸引力的方法是精餾�！彪S著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，精餾的應(yīng)用天地十分廣闊，重要的通過(guò)不斷努力，使其技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高，使其日趨完善。

　　3 課題研究的意義和價(jià)值

　　本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾分離苯-氯苯二元混合物的方法。連續(xù)精餾塔在常壓下操作，被分離的苯-氯苯二元混合物由連續(xù)精餾塔中部進(jìn)入塔內(nèi)，以一定得回流比由連續(xù)精餾塔的塔頂采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯，其中氯苯純度不低于99.5%。

　　高徑比很大的設(shè)備稱為塔器。塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣(或汽)液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。常見(jiàn)的可在塔設(shè)備中完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。

　　在化工或煉油廠中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，塔設(shè)備的投資費(fèi)用占整個(gè)工藝設(shè)備投資費(fèi)用的較大比例。因此，塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究，受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。

　　作為主要用于傳質(zhì)過(guò)程的塔設(shè)備，首先必須使氣(汽)液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項(xiàng)傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項(xiàng)要求：

　　(1)生產(chǎn)能力大。在較大的氣(汽)液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。

　　(2)操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)液負(fù)荷量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長(zhǎng)期連續(xù)操作。

　　(3)流體流動(dòng)的阻力小。即流體通過(guò)塔設(shè)備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動(dòng)力消耗，以及降低經(jīng)常操作費(fèi)用。對(duì)于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還使系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度。

　　(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量小、制造和安裝容易。這可以減少基建過(guò)程中的投資費(fèi)用。

　　(5)耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。

　　事實(shí)上，對(duì)于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述所有要求，僅是在某些方面具有獨(dú)到之處。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，此設(shè)計(jì)的塔型為篩板塔。篩板塔是很早出現(xiàn)的一種板式塔。五十年代起對(duì)篩板塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設(shè)計(jì)方法。與泡罩塔相比，篩板塔具有下列優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大20-40%，塔板效率高10-15%，壓力降低30-50%，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔盤造價(jià)減少40%左右，安裝、維修都較容易。從而一反長(zhǎng)期的冷落狀況，獲得了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)對(duì)篩板塔盤的研究還在發(fā)展，出現(xiàn)了大孔徑篩板(孔徑可達(dá)20-25mm)，導(dǎo)向篩板等多種形式。

　　篩板塔盤上分為篩孔區(qū)、無(wú)孔區(qū)、溢流堰及降液管等幾部分。工業(yè)塔常用的篩孔孔徑為3-8mm，按正三角形排列，空間距與孔徑的比為2.5-5。近年來(lái)有大孔徑(10-25mm)篩板的，它具有制造容易，不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，只是漏夜點(diǎn)低，操作彈性小。

　　該課題使理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，有助于提高處理實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)該課題的研究，可以加深對(duì)精餾過(guò)程基本原理的理解，熟練篩板精餾塔的工藝設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力。

　　該過(guò)程構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，具有足夠操作彈性，且具有較強(qiáng)的工程使用價(jià)值。該過(guò)程的推廣和普及，將加速我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，帶動(dòng)一大批的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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