丙酮-水板式精餾塔設(shè)計說明書aaa

1、摘 要Abstract目 錄摘 要IAbstractII引 言1第1章 設(shè)計條件與任務(wù)21.1設(shè)計條件21.2設(shè)計任務(wù)2第2章 設(shè)計方案的確定3第3章 精餾塔的工藝設(shè)計43.1全塔物料衡算43.1.1原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)43.1.2原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量43.1.3物料衡算進料處理量43.1.4物料衡算43.2實際回流比43.2.1最小回流比及實際回流比確定53.2.2操作線方程63.2.3汽、液相熱負荷計算63.3理論塔板數(shù)確定63.4實際塔板數(shù)確定63.5精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計算83.5.1操作壓力計算83.5.2操作溫度計算83.5.3平均摩爾質(zhì)量計算

2、83.5.4平均密度計算93.5.5液體平均表面張力計算103.6精餾塔的塔體工藝尺寸計算113.6.1塔徑計算113.6.2精餾塔有效高度計算12第4章 塔板工藝尺寸的計算144.1精餾段塔板工藝尺寸的計算144.1.1溢流裝置計算144.1.2塔板設(shè)計144.2提餾段塔板工藝尺寸設(shè)計154.2.1溢流裝置計算154.2.2塔板設(shè)計164.3塔板的流體力學性能的驗算164.3.1精餾段164.3.2提餾段174.4板塔的負荷性能圖184.4.1精餾塔184.4.2提餾段19第5章 板式塔的結(jié)構(gòu)215.1塔體結(jié)構(gòu)215.1.1塔頂空間215.1.2塔底空間215.1.3人孔215.1.4塔高2

3、15.2塔板結(jié)構(gòu)21第6章 附屬設(shè)備216.1冷凝器216.2原料預(yù)熱器22第7章 接管尺寸的確定237.1蒸汽接管237.1.1塔頂蒸汽出料管237.1.2塔釜進氣管237.2液流管237.2.1進料管237.2.2回流管237.2.3塔釜出料管23第8章 附屬高度確定248.1筒體248.2封頭248.3塔頂空間248.4塔底空間248.5人孔248.6支座248.7塔總體高度24第9章 設(shè)計結(jié)果匯總25設(shè)計小結(jié)與體會27參考文獻28引 言在煉油、石油加工、精細化工、食品、醫(yī)藥等部門，塔設(shè)備屬于使用量大，應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。塔設(shè)備廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌、傳熱的單元操作中。所以塔

4、設(shè)備的研究與設(shè)計一直是國內(nèi)外學者普遍關(guān)注的重要課題。塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為兩類：板式塔和填料塔。板式塔為逐板接觸式汽液傳質(zhì)設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、壓降低，操作彈性大，持液量小等優(yōu)點。同時也有投資費用較高，填料易堵塞等缺點。本設(shè)計目的是分離丙酮-水混合液，采用篩板式精餾塔。塔型的選擇因素很多。主要有物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備的制造安裝和維修等。1、 與物性有關(guān)的因素（1） 本設(shè)計任務(wù)為分離丙酮-水混合物，對于二元混合物的分離，應(yīng)該使用連續(xù)精餾。（2） 易起泡的物系在板式塔中有較嚴重的霧沫夾帶現(xiàn)象或引起液泛，應(yīng)選填料塔。本設(shè)計為丙酮和水，可選用板式塔。（3） 對于有懸浮物或容易聚

5、合物系的分離，為防止堵塞，宜選用板式塔。2、 與操作條件有關(guān)的因素（1） 對于有側(cè)線進料和出料的工藝過程，選用板式塔為適宜；（2） 對于液體噴淋密度極小的工藝過程，若采用填料塔，填料層得不到充分潤濕，使其分離效率明顯下降，故宜選用板式塔。在設(shè)計過程中應(yīng)考慮到設(shè)計的精餾塔具有較大的生產(chǎn)能力滿足工藝要求，另外還要有一定的潛力。節(jié)省能源，綜合利用余熱。經(jīng)濟合理，冷卻水進出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量。另一方面影響到所需傳熱面積的大小。即對操作費用和設(shè)備費用均有影響，因此設(shè)計是否合理的利用熱能R等直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的經(jīng)濟問題。本課程設(shè)計的主要內(nèi)容是過程的物料衡算，工藝計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核。第1

6、章 設(shè)計條件與任務(wù)1.1設(shè)計條件在常壓操作的連續(xù)板式精餾塔內(nèi)分離丙酮-水混合物。塔釜直接蒸汽加熱，生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的質(zhì)量要求如下：生產(chǎn)能力：年處理丙酮-水混合液32 000噸（300天/年）原 料：丙酮含50%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的常溫液體分離要求：塔頂丙酮含量不低于99.5% 塔低丙酮含量不高于0.5%操作條件：塔頂壓力：4kPa(表壓)； 進料熱狀態(tài)：自選； 回流比：自選； 單板壓降 0.7kPa。建廠地址：武漢1.2設(shè)計任務(wù)1 全塔物料衡算、操作回流比和理論塔板數(shù)的確定。2 計算冷凝器和再沸器熱負荷。3 計算精餾段、提餾段的塔板效率，確定實際塔板數(shù)。4 估算塔徑。5 板式塔的工藝尺寸計算，包

7、括溢流裝置與塔板的設(shè)計計算。6 塔板的流體力學性能校核，包括板壓力降、液面落差、液沫夾帶、漏液及液泛的校核。7 繪制塔板的負荷性能圖。塔板的負荷性能圖由液相負荷下限線、液相負荷上限線、漏液線、液沫夾帶線和溢流液泛線確定。 8 塔的結(jié)構(gòu)確定，包括塔體結(jié)構(gòu)與塔板結(jié)構(gòu)。塔體結(jié)構(gòu)：塔頂空間，塔底空間，人孔（手孔），支座，封頭，塔高等。塔板結(jié)構(gòu)：采用分塊式塔板還是整塊式塔板。9 塔的附屬設(shè)備選型,包括塔頂冷凝器、塔底(蒸餾釜的換熱面積，原料預(yù)熱器的換熱面積與泵的選型（視情況而定）。10 精餾塔各接管尺寸的確定。11 繪制精餾塔系統(tǒng)工藝流程圖。12 繪制精餾塔裝配圖。13 編寫設(shè)計說明書。14計算機要求：

8、編寫程序、CAD繪圖等。15 英語要求：撰寫英文摘要。16 設(shè)計說明書要求：邏輯清楚，層次分明，書寫工整，獨立完成。第2章 設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為分離丙酮-水混合物。對于該非理想二元混合物的分離，應(yīng)該使用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻后送至儲罐。該物系屬于易分離物系（標況下，丙酮的沸點56.2C），塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。圖2.1 板式精餾塔的工藝流程簡圖第3章 精餾塔的工藝設(shè)計3.1全塔物料衡算3.1.1原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)丙酮（）

9、的摩爾質(zhì)量：水（）的摩爾質(zhì)量：則各部分的摩爾分數(shù)為：3.1.2原料液、塔頂及塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3.1.3物料衡算進料處理量3.1.4物料衡算總物料衡算（直接蒸汽加熱）：輕組分（丙酮）衡算：由恒摩爾流假設(shè)得：求解得到：3.2實際回流比由數(shù)據(jù)手冊查的丙酮-水的物系汽液平衡數(shù)據(jù)如下：表3.1 常壓下的丙酮-水的氣液平衡數(shù)據(jù)t/xyt/xy10092.786.575.866.563.462.161.000.0010.0020.0050.100.150.200.3000.2530.4250.6240.7550.7390.8150.83060.460.059.759.058.257.557.056.1

10、30.400.500.600.700.800.900.951.00.8390.8490.8590.8740.8980.9350.9631.0P=101.325KPa液體蒸汽圖3.1 丙酮-水的t-x-y汽液平衡相圖3.2.1最小回流比及實際回流比確定根據(jù)101.325KPa下，丙酮-水的汽液平衡組成關(guān)系繪出丙酮-水t-x-y和x-y圖，泡點進料，所以q=1，即q為一條直線，本平衡具有下凹部分，即操作線尚未落到平衡線前已與平衡線相切，由程序得到（程序見附錄）：初步取實際操作回流比為理論回流比的1.5倍：(此步要修改)3.2.2操作線方程（1）精餾段操作線方程： （2）提餾段操作線方程： 3.2.

11、3汽、液相熱負荷計算（1）精餾段：（2）提餾段：3.3理論塔板數(shù)確定通過Matlab編程，在平衡曲線即x-y曲線圖上做操作線，在平衡線與操作線間畫階梯，過精餾段操作線與q線焦點，直到階梯與平衡線交點小于0.00156為止，由此，得到理論板21塊，加料板為第18塊理論板。 （程序附錄，由程序可以得到每一塊理論板上丙酮汽液組成與溫度）圖3.2 丙酮-水的y-x圖及圖解理論板3.4實際塔板數(shù)確定板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體力學性質(zhì)有關(guān)，它反應(yīng)了實際塔板上傳質(zhì)過程進行的程度。板效率可用奧康奈爾公式計算：注：塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度（1）精餾段：

12、精餾段平均溫度：在圖3.1中查的，該溫度下丙酮在液相組成為，汽相組成為；數(shù)據(jù)手冊中查的該溫度下丙酮的黏度，水的粘度；丙酮和水的相對揮發(fā)度：液相粘度：塔板效率：實際塔板數(shù)：故精餾段實際塔板數(shù)為塊。（1）提餾段：提餾段平均溫度：在圖3.1中查的，該溫度下丙酮在液相組成為，汽相組成為；數(shù)據(jù)手冊中查的該溫度下丙酮的黏度，水的粘度；丙酮和水的相對揮發(fā)度：液相粘度：塔板效率：實際塔板數(shù)：故精餾段實際塔板數(shù)為塊。全塔所需要的實際塔板數(shù)：塊，加料板位于第51塊。全塔效率：3.5精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計算3.5.1操作壓力計算塔頂操作壓力：；每層塔板壓降：；進料板的壓力：；塔底的壓力：（1）精餾段平均壓

13、力：（2）提餾段平均壓力：3.5.2操作溫度計算塔頂溫度：； 進料板的溫度：；塔底的溫度：（1）精餾段平均溫度：（2）提餾段平均溫度：3.5.3平均摩爾質(zhì)量計算塔頂平均摩爾質(zhì)量：進料板平均摩爾質(zhì)量：塔底平均摩爾質(zhì)量：（1）精餾段平均摩爾質(zhì)量：（2）提餾段平均摩爾質(zhì)量：3.5.4平均密度計算氣相平均密度計算：由理想氣體狀態(tài)方程，即液相平均密度計算：注：為該物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)塔頂平均密度計算：由，查手冊得，進料板平均密度計算：由，查手冊得，質(zhì)量分數(shù)：塔底平均密度計算：由，查手冊得，（1）精餾段平均密度：（2）提餾段平均密度：3.5.5液體平均表面張力計算對于二元有機物-水溶液表面張力可用下試計算：并用

14、下列關(guān)聯(lián)式求出,注：下標W表示水，O表示有機物；表示水的摩爾體積；有機物的摩爾體積。（1）精餾段平均表面張力：由，查表得：；得：（2）提餾段平均表面張力：由，查表得：；得：3.5.6液體平均黏度計算液體平均黏度計算公式：塔頂平均黏度計算：由，查手冊得，得到：進料板平均黏度計算：由，查手冊得，得到：塔底平均黏度計算：由，查手冊得，得到：（1）精餾段液體平均黏度：（2）提餾段液體平均黏度：3.6精餾塔的塔體工藝尺寸計算3.6.1塔徑計算（1）精餾段精餾段的氣、液相體積流率為：查史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標為：取板間距，板上液層高度則：查圖得：取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：按標準塔徑圓整后為： 截塔面積

15、為：實際空塔氣速：（2）提餾段提餾段的氣、液相體積流率為：查史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標為：取板間距，板上液層高度則：查圖得：取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：按標準塔徑圓整后為： 截塔面積為：實際空塔氣速：3.6.2精餾塔有效高度計算（1）精餾段有效高度 (2)提餾段有效高度 在進料板上方開一個人孔，其高度為0.8m，故精餾塔有效高度:第4章 塔板工藝尺寸的計算4.1精餾段塔板工藝尺寸的計算4.1.1溢流裝置計算因塔徑D=1.0m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹型受液盤。各項計算如下：4.1.1.1堰長取4.1.1.2溢流堰高度由，選用平直堰，堰上液層高度：取板上清液層高度，故4.1.1.3弓形降液

16、管寬度和截面積由查弓形降液管參數(shù)圖得：；故 驗算液體在降液管中停留時間,即：故降液管設(shè)計合理。4.1.1.4降液管底隙高度取，則故降液管底隙高度設(shè)計合理，選用凹形受液盤，深度。4.1.2塔板設(shè)計4.1.2.1塔板分塊因為，故塔板采用分塊式。查表得，塔板分為3塊。4.1.2.2邊緣區(qū)寬度確定取，4.1.2.3開孔區(qū)面積的計算開孔區(qū)面積計算：所以, 4.1.2.4篩孔計算及其排列本物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距：篩孔數(shù)目：個開孔率為：氣體通過篩孔的氣速：4.2提餾段塔板工藝尺寸設(shè)計4.2.1溢流裝置計算4.2.1.1溢流堰高度由，選用平直堰，堰上液層高度：取

17、板上清液層高度，故4.2.1.3弓形降液管寬度和截面積由查弓形降液管參數(shù)圖得：；故 驗算液體在降液管中停留時間,即：故降液管設(shè)計合理。4.2.1.4降液管底隙高度取，則故降液管底隙高度設(shè)計合理，選用凹形受液盤，深度。4.2.2塔板設(shè)計與精餾段塔板設(shè)計相同，但氣體通過篩孔的流速不同：氣體通過篩孔的氣速：4.3塔板的流體力學性能的驗算4.3.1精餾段4.3.1.1塔板壓降（1）干板阻力計算由，查圖得，所以的液柱。（2）氣體通過液層的阻力通過查圖得。所以：液柱。（3）液體表面張力阻力計算液柱氣體通過每層塔板的液柱高度：氣體通過每層的壓力降為：（設(shè)計允許）4.3.1.2液面落差（忽略液面落差的影響）4

18、.3.1.3液沫夾帶得到，故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。4.3.1.4漏液穩(wěn)定系數(shù)：故本設(shè)計中無明顯漏液。4.3.1.5液泛為防止發(fā)生液泛，降液管內(nèi)也層高度應(yīng)滿足：取得到：液柱液柱故本設(shè)計中不發(fā)生液泛。4.3.2提餾段提餾段計算方法與精餾段相同，驗算結(jié)果如下：4.3.2.1塔板壓降液柱液柱液柱氣體通過每層塔板的液柱高度：氣體通過每層的壓力降為：（設(shè)計允許）4.3.2.2液面落差（忽略液面落差的影響）4.3.2.3液沫夾帶得到，故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。4.3.2.4漏液穩(wěn)定系數(shù)：本設(shè)計中無明顯漏液。4.3.2.5液泛為防止發(fā)生液泛，降液管內(nèi)也層高度應(yīng)滿足：取得到：液柱液柱故本設(shè)

19、計中不發(fā)生液泛。4.4板塔的負荷性能圖4.4.1精餾塔4.4.1.1漏液線：4.4.1.2液沫夾帶線：4.4.1.3液相負荷下限：4.4.1.4液相負荷上限：4.4.1.5液泛線精餾段負荷性能圖：52413圖4.1 精餾段負荷性能圖由圖得到，操作彈性為：4.4.2提餾段4.4.2.1漏液線：4.4.2.2液沫夾帶線：4.4.2.3液相負荷下限：4.4.2.4液相負荷上限：4.4.2.5液泛線提餾段負荷性能圖：54132圖4.2 提餾段負荷性能圖由圖得到，操作彈性為：第5章 板式塔的結(jié)構(gòu)5.1塔體結(jié)構(gòu)5.1.1塔頂空間 塔頂空間為最上層塔板與塔頂間的距離，為了利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)

20、大于板間距，設(shè)計中通常取。5.1.2塔底空間塔底空間為塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。 5.1.3人孔對于的板式塔，一般每隔6-8層塔板設(shè)一人孔。人孔一般直徑為，其伸出塔體的筒體長為，人孔中心距操作平臺。設(shè)人孔處的板間距離應(yīng)大于或等于600mm。5.1.4塔高板式塔的塔高按下式計算：式中：塔高；實際塔板數(shù)；進料板數(shù)；進料板處板間距；人孔數(shù)；設(shè)人孔處板間距；塔底空間高度；塔頂空間高度；封頭高度；裙座高度；5.2塔板結(jié)構(gòu)由于塔徑，由于安裝、剛度、檢修等要求，將塔板分成3塊。第6章 附屬設(shè)備6.1冷凝器出料液溫度：56.55（飽和蒸汽）56.55（飽和液體）塔頂氣體： 汽化熱： 傳熱量： 溫度推動力： 由

21、于是低黏度有機物和水的混合液，取總傳熱系數(shù)C，則傳熱面積：6.2原料預(yù)熱器原料預(yù)熱溫度：20C60.75C（泡點溫度）采用130C過熱飽和蒸汽加熱平均溫度：平均溫度下查表得則：取總傳熱系數(shù)：解得換熱面積第7章 接管尺寸的確定7.1蒸汽接管7.1.1塔頂蒸汽出料管采用直管，取出口氣速，則，查表取，管內(nèi)實際氣體流速。7.1.2塔釜進氣管采用直管進氣，取氣速，則，查表取，管內(nèi)實際氣體流速。7.2液流管7.2.1進料管采用直管進料管，取，則，查標準系列取。管內(nèi)液體實際流速。7.2.2回流管采用直管回流管，取，則，查標準系列取。管內(nèi)液體實際流速。7.2.3塔釜出料管采用直管出料管，取，則，查標準系列取。

22、管內(nèi)液體實際流速。第8章 附屬高度確定8.1筒體壁厚選6mm，所用材質(zhì)為。8.2封頭本設(shè)計采用橢圓形封頭，由公稱直徑，查得曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積 ，選用封頭。8.3塔頂空間8.4塔底空間取釜液停留時間為58.5人孔本設(shè)計塔中設(shè)置5個人孔，每個直徑為450mm，設(shè)置人孔處板間距為600mm，裙座上設(shè)置2個人孔，直徑450mm。8.6支座塔底采用裙座支撐，塔徑為1m，查裙座尺寸得，裙座圈厚度為6mm，基礎(chǔ)環(huán)厚度為23.3mm?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)外徑：圓整后取基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑為800mm，基礎(chǔ)環(huán)外徑為1400mm。裙座高取3m，地腳螺栓公稱直徑M42。8.7塔總體高度第9章 設(shè)計結(jié)果匯總表9.1 篩板精餾塔工藝設(shè)計計算項目符號單位精餾段提餾段篩板精餾塔工藝設(shè)計計算平均溫度C60.33582.030平均壓力KPa122.82144.52汽相流量Vsm3/s0.83790.7584液相流量Lsm3/s0.00130.0016實際塔板數(shù)5013有效段高度Zm25.20塔徑Dm1.01.0板間距m0.400.40溢流形式單溢流降液管形式弓形堰長lwm0.60.6堰高hwm0.0390.037板上液層高度hLm0.0500.050堰上液層高度howm0.010.01降液管底隙高度h0m0.0270.033安定區(qū)