化工原理課程設(shè)計(jì)丙酮和水

1、設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）設(shè)計(jì)任務(wù)擬建立一套連續(xù)板式精餾塔分離丙酮-水溶液，進(jìn)料中含丙酮 50% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。設(shè)計(jì)要求廢丙酮溶媒的處理量為 12 萬噸/年，塔底廢水中丙酮含量不高于 6% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。要求產(chǎn)品丙酮的含量為 99% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。（二）操作條件1) 塔頂壓力 4kPa（表壓）2) 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選 3) 回流比 自選 4) 塔底加熱蒸氣的壓力為 0.5Mpa（表壓）5) 單板壓降0.7 kPa（三）塔板類型自選（四）工作日每年工作日為300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。(五) 設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 流程和工藝條件的確定和說明(2) 操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(3) 精餾塔的物料衡算

2、； (4) 塔板數(shù)的確定； (5) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算； (6) 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算； (7) 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算； (8) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算； (9) 塔板負(fù)荷性能圖； (10) 主要工藝接管尺寸的計(jì)算和選?。ㄟM(jìn)料管、回流管、釜液出口管、塔頂蒸汽管、人孔等）(11) 塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表(12) 對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。2. 設(shè)計(jì)圖紙要求： (1) 繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A3號(hào)圖紙）； (2) 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖（A3號(hào)圖紙）。 目 錄1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 1 1.1設(shè)計(jì)方案的確定1 1.2操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)12.精餾塔的物料衡算12.1 原料液及塔頂、塔

3、底產(chǎn)品的摩爾分率12.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量1 2.3物料衡算23.塔板數(shù)的確定2 3.1理論板層數(shù)NT的求取 2 3.1.1 求最小回流比及操作回流比 2 3.1.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 3 3.1.3 求操作線方程 3 3.1.4 圖解法求理論板層數(shù) 3 3.2 塔板效率的求取4 3.3 實(shí)際板層數(shù)的求取54.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 5 4.1操作壓力計(jì)算5 4.2 操作溫度計(jì)算5 4.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算5 4.4 平均密度的計(jì)算6 4.4.1 氣相平均密度計(jì)算6 4.4.2 液相平均密度計(jì)算6 4.5液體平均表面張力計(jì)算 7 4.6液體平均黏度計(jì)算

4、75.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 8 5.1塔徑的計(jì)算 8精餾段塔徑的計(jì)算8提餾段塔徑的計(jì)算9 5.2精餾塔有效高度的計(jì)算9 5.3精餾塔的高度計(jì)算 106.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算10 6.1溢流裝置計(jì)算 10堰長(zhǎng)lw 10 6.1.2 溢流堰高度hw 11 6.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af 11 6.1.4 降液管底隙高度ho 11 6.2塔板布置 12塔板的分塊 12邊緣區(qū)寬度確定 12開孔區(qū)面積計(jì)算 12篩孔計(jì)算及其排列 12 7.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算 13 7.1塔板降 13干板阻力hc計(jì)算 13氣體通過液層的阻力hl計(jì)算13液體表面張力的阻力h計(jì)算13 7.2液面落差 13 7

5、.3液沫夾帶 14 7.4漏液 14 7.5液泛 14 8.塔板負(fù)荷性能圖15 8.1漏液線 15 8.2液沫夾帶線 15 8.3液相負(fù)荷下限線 16 8.4液相負(fù)荷上限線 17 8.5液泛線 17 9.主要接管尺寸計(jì)算 19 9.1蒸汽出口管的管徑計(jì)算 199.2回流液管的管徑計(jì)算 199.3進(jìn)料液管的管徑計(jì)算 199.4釜液排出管的管徑計(jì)算 19 10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表 20 11.設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論 21 參考文獻(xiàn)231. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離丙酮水混合物提純丙酮，采用連續(xù)精餾塔提純流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾

6、塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，回流比較小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。1.2 操作條件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)料中丙酮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wF = 0.50；產(chǎn)品中丙酮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wD = 0.99；塔釜中丙酮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） wW = 0.06；處理能力 F= 120000噸/年；塔頂操作壓力 4 kPa（表壓） 進(jìn)料熱狀況 泡點(diǎn)進(jìn)料；單板壓降 0.7kPa；塔底加熱蒸汽的壓力 0.5Mpa（表壓）2. 精餾塔的物料衡算2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩

7、爾分率 丙酮的摩爾質(zhì)量 MA =58.08kg/kmol 水的摩爾質(zhì)量 MB =18.02kg/kmolxF=0.237xD =0.968xW =0.0192.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 MF =27.51kg/kmol MD =56.80kg/kmol MW =18.78kg/kmol2.3物料衡算每年300天，每天工作24小時(shí)，其處理能力為120000噸/年F=605.84 kmol/h總物料衡算 605.84= D + W乙醇的物料衡算 605.840.237= 0.968D + 0.019W聯(lián)立解得 F = 139.17 kmol/h W = 466.67 kmol/h3.

8、 塔板數(shù)的確定3.1理論板層數(shù)NT的求取 求最小回流比及操作回流比丙酮-水是非理想物系，先根據(jù)丙酮-水平衡數(shù)據(jù)（見下表1），繪出平衡線，如下圖所示。 丙酮水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/丙酮摩爾數(shù)xy10000920.010.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511采用截距法求最小回流比。在上圖對(duì)角線上，自點(diǎn)

9、b（0.237,0.237）作垂線bf即為q線，由a點(diǎn)（0.968,0.968）出發(fā)作平衡線的切線的交點(diǎn)坐標(biāo)為：，yq=0.613,xq=0.237,求得最小回流比為： Rmin R =1.5Rmin =1.50.944=1.42 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 Lkmol/h Vkmol/h Lkmol/h Vkmol/h 求操作線方程精餾段操作線方程為 y提餾段操作線方程為 y 圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，結(jié)果見上圖，求解結(jié)果為總理論塔板數(shù)N=15（包括再沸器）進(jìn)料板位置 N=143.2 塔板效率的求取操作溫度計(jì)算：由乙醇水的氣液兩相平衡圖可查得組成分別為的泡點(diǎn)溫度：由乙醇水的氣液兩

10、相平衡圖可查得：塔頂和塔釜的氣液兩相組成為： 查化工物性算圖手冊(cè)得：則塔內(nèi)相對(duì)揮發(fā)度：全塔液體平均粘度的計(jì)算：液相平均粘度的計(jì)算，即 塔頂液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)得：解出 塔底液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)得：解出 則全塔液相平均粘度為故 查奧康內(nèi)爾（o'connell）關(guān)聯(lián)圖得： 因?yàn)楹Y板塔全塔效率相對(duì)值為1.1，故精餾塔的全塔效率為 3.3 實(shí)際板層數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù) N提餾段實(shí)際板層數(shù) N4.精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算4.1操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力 kpa每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 kpa精餾段平均壓力 kpa4.2 操作溫度計(jì)算丙酮-水溶液的tx-y圖由丙酮-水

11、溶液的tx-y圖查得泡點(diǎn)溫度（近似看作是操作溫度）為：塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 精餾段平均溫度為：4.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，查平衡曲線（x-y圖），得進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板（x-y圖），得查平衡曲線（x-y圖），得精餾段平均摩爾質(zhì)量4.4 平均密度的計(jì)算 氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 kg/ 液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算，即塔頂液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)得進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)得進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度為4.5液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由，查手冊(cè)得進(jìn)料板液相平均

12、表面張力的計(jì)算由，查手冊(cè)得精餾段液相平均表面張力為4.6液體平均黏度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即 塔頂液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)得：解出 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由，查手冊(cè)得：解出 精餾段液相平均粘度為5.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算5.1塔徑的計(jì)算精餾段塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為 m3/s m3/s由 式中C由式計(jì)算，式中C20由圖（史密斯關(guān)系圖）查得，圖的橫坐標(biāo)為取板間距，板上液層高度，則查圖（史密斯關(guān)系圖）得 取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為 m/s m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D=1.2m塔截面積為 m2實(shí)際空塔氣速為 m/s5.2精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為 m提餾段有效高

13、度為 m故精餾塔的有效高度為 m5.3精餾塔的高度計(jì)算實(shí)際塔板數(shù) 進(jìn)料板數(shù) ；由于該設(shè)計(jì)中板式塔的塔徑，為安裝、檢修的需要，選取每6層塔板設(shè)置一個(gè)人孔，故人孔數(shù) ；進(jìn)料板處板間距 ；設(shè)人孔處的板間距；為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，故選取塔頂間距 ；塔底空間高度 封頭高度 ；裙座高度 。故精餾塔的總高度為 18.93m6.塔板主要工藝尺寸的計(jì)算6.1溢流裝置計(jì)算因?yàn)樗絤，一般場(chǎng)合可選用單溢流弓形降液管【4】，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：堰長(zhǎng)lw取 m 溢流堰高度hw由 選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計(jì)算，即近似取E=1，則 0.011m取板上清液層高度 故 m 弓形

14、降液管寬度Wd和截面積Af由 查圖（弓形降液管的參數(shù)）【4】，得故 依式 【4】驗(yàn)算液體在降液管中停留的時(shí)間，即故降液管設(shè)計(jì)合理。 降液管底隙高度ho取 則 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受液盤，深度6.2塔板布置塔板的分塊因?yàn)椋仕宀捎梅謮K式。查表（塔板分塊數(shù)），則塔板分為5塊。邊緣區(qū)寬度確定取 ，開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積按下式計(jì)算，即其中 故 1.93m2篩孔計(jì)算及其排列本次所處理的物系無腐蝕性，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t為篩孔數(shù)目n為 個(gè)開孔率為氣體通過閥孔的氣速為 m/s7.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算7.1塔板降干板阻力hc計(jì)算干板阻力hc由下式計(jì)算，即由

15、，查圖（干篩孔的流量系數(shù)）得，故 m液柱氣體通過液層的阻力hl計(jì)算氣體通過液層的阻力hl由下式計(jì)算，即查圖（充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖）得：故 m液柱液體表面張力的阻力h計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h由下式計(jì)算，即氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算，即氣體通過每層塔板的壓降為 （設(shè)計(jì)允許值）7.2液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本次的塔徑（）和液流量（）均不大，故可以忽略液面落差的影響。7.3液沫夾帶液沫夾帶量由下式計(jì)算，即故 故在本次設(shè)計(jì)中液沫夾帶量eV在允許范圍內(nèi)。7.4漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速可由下式計(jì)算，即實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為故在本次設(shè)計(jì)中無明顯漏液。7.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管

16、內(nèi)液層高Hd應(yīng)服從下式的關(guān)系，即乙醇水物系屬一般物系，不易發(fā)泡，故安全系數(shù)取【4】，則而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由下式計(jì)算，即故在本次設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。8.塔板負(fù)荷性能圖8.1漏液線由 得 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表2。表2 0.0006 0.0015 0.0020 0.0025 1.181 1.213 1.228 1.241由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。8.2液沫夾帶線以為限，求VsLs關(guān)系如下：由 故 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表3。表3 0.0006 0.0015 0.0020 0.0025 4

17、.965 4.800 4.724 4.654由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。8.3液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。則取，則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。8.4液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限，由下式可得，即故 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上限線4。8.5液泛線令 由 聯(lián)立得 忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得 0故 或 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls值，依上式計(jì)算出Vs值，計(jì)算結(jié)果列于表4。表4 0.0006 0.0015 0.0020 0.0025 5.532 5.441 5.396 5

18、.352由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5。根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負(fù)荷性能圖，如下圖所示。在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為液沫夾帶控制。由圖可查得故操作彈性為9.主要接管尺寸計(jì)算9.1塔頂蒸汽管的管徑計(jì)算由于塔頂操作壓力為4kpa，故選取，則圓整直徑為9.2回流液管的管徑計(jì)算冷凝器安裝在塔頂，故選取，則圓整直徑為9.3進(jìn)料液管的管徑計(jì)算由于料液是由泵輸送的，故選?。贿M(jìn)料管中料液的體積流量故 圓整直徑為9.4釜液排出管的管徑計(jì)算釜液流出速度一般范圍為，故選??；塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由，得：10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表所設(shè)計(jì)篩板的主要

19、結(jié)果匯總于表5。表5 篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果參數(shù)表 序 號(hào)項(xiàng) 目數(shù) 值12345678910111213141516171819202122232425262728293031平均溫度tm，平均壓力Pm，kPa氣相流量Vs，（m3/s）液相流量Ls，（m3/s）實(shí)際塔板數(shù)有效段高度Z，m塔徑D，m板間距HT，m溢流形式降液管形式堰長(zhǎng)lW，m堰高h(yuǎn)W，m板上液層高度hL，m堰上液層高度hOW，m降液管底隙高度ho，m安定區(qū)寬度Ws，m邊緣區(qū)寬度Wc，m開孔區(qū)面積Aa，m2篩孔直徑d0，m篩孔數(shù)目n孔中心距t，m開孔率，%空塔氣速，m/s篩孔氣速，m/s穩(wěn)定系數(shù)每層塔板壓降，Pa負(fù)荷上限負(fù)荷下限液沫夾

20、帶eV，（kg液/kg氣）氣相負(fù)荷上限Vs，max，m3/s氣相負(fù)荷下限Vs，min，m3/s操作彈性59.3116.152.230.00253613.61.800.40單溢流弓形1.190.0490.060.0110.0260.070.0351.930.00541430.0150.1011.10211.441.80579.53液泛控制液沫夾帶控制4.291.213.5511.設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論111 篩板塔的特性討論篩板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)較低；在相同條件下，生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%40%；踏板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔；氣體壓降較小，約比泡罩塔低30%；但也有一些缺點(diǎn)，即是：小孔篩板易堵塞，不易處理一些粘性較大或帶固體粒子的料液；操作彈性相對(duì)較小。本次設(shè)計(jì)中的物系是丙酮水體系，故選用篩板塔。112 進(jìn)料熱狀況的選取 本次設(shè)計(jì)中選用泡點(diǎn)進(jìn)料，原因是泡點(diǎn)進(jìn)料的操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響。113 回流比的選取 一般篩板塔設(shè)計(jì)中，回流比的選取是最小回流比的1.12.0倍。本次設(shè)計(jì)中，由于最小回流比比不是很大，故選用。114