化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告丙酮和水

1、-PAGE . z.設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一設(shè)計(jì)任務(wù)擬建立一套連續(xù)板式精餾塔別離丙酮-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(wàn)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(shuō)明書(shū)的內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 流程和工藝條件確實(shí)定和說(shuō)明(2) 操作條件和根底數(shù)據(jù)(3) 精餾塔的物料衡算； (4) 塔板數(shù)確實(shí)定； (

2、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)主要工藝接收尺寸的計(jì)算和選取進(jìn)料管、回流管、釜液出口管、塔頂蒸汽管、人孔等(11) 塔板主要構(gòu)造參數(shù)表(12) 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)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。 -. z.目 錄1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 1 1.1設(shè)計(jì)方案確實(shí)定1 1.2操作條件和根底數(shù)據(jù)12.精餾塔的物料衡算12.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率12.2原料液及塔

3、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)確實(shí)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液體平均外表*力計(jì)算 7 4.6液體平均黏度計(jì)算 75.精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 8

4、 5.1塔徑的計(jì)算 8 5.1.1精餾段塔徑的計(jì)算8 5.1.2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 6.1.1堰長(zhǎng)lw 106.1.2 溢流堰高度hw 116.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af11 6.1.4 降液管底隙高度ho11 6.2塔板布置 12 6.2.1塔板的分塊 12 6.2.2邊緣區(qū)寬度確定 12 6.2.3開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算 12 6.2.4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 7.1.1干板阻力hc計(jì)算 13 7.1.2氣體通過(guò)液層的阻力

5、hl計(jì)算13 7.1.3液體外表*力的阻力h計(jì)算13 7.2液面落差 13 7.3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.主要接收尺寸計(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.塔板主要構(gòu)造參數(shù)表 20 11.設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)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)方案確實(shí)定本設(shè)計(jì)任務(wù)為別離丙酮水混合物提純丙酮，采用

6、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(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一局部回流至塔內(nèi)，其余局部經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易別離物系，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 操作條件和根底數(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

7、壓精餾塔的物料衡算2.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩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/kmol*F=0.237*D =0.968*W =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/kmolMD =56.80kg/kmolMW =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 = 139.17kmol

8、/h W = 466.67kmol/h塔板數(shù)確實(shí)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(jiàn)下表1，繪出平衡線，如以下圖所示。丙酮水系統(tǒng)t*y數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/丙酮摩爾數(shù)*y10000920.010.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511采用截距法求

9、最小回流比。在上圖對(duì)角線上，自點(diǎn)b0.237,0.237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,*q=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/hLkmol/hVkmol/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(jiàn)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

10、乙醇水的氣液兩相平衡圖可查得：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oconnell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t*-y圖由丙酮-水溶

11、液的t*-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*-y圖，得進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板*-y圖，得查平衡曲線*-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液體平均外表*力計(jì)算液相平均外表*力依下式計(jì)算，即塔頂液相平均外表*力的計(jì)算由，查手冊(cè)得進(jìn)料板液相平均外表*力的計(jì)算由，查

12、手冊(cè)得精餾段液相平均外表*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/sm3/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 取平安系數(shù)為0.7，則空塔氣速為m/sm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提餾段有效高度為m故精餾塔的有效高度為m5.3精餾塔的

13、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，應(yīng)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 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 查圖弓形降液管的參數(shù)【4

14、】，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)?，故塔板采用分塊式。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(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)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(wú)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(kāi)孔率為氣體通過(guò)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，查圖干篩孔的流量系數(shù)得，故 m液柱氣體通過(guò)液層的阻力hl計(jì)算氣體通

15、過(guò)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液柱液體外表*力的阻力h計(jì)算液體外表*力所產(chǎn)生的阻力h由下式計(jì)算，即氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度hp可按下式計(jì)算，即氣體通過(guò)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*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(wú)明顯漏液。7.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(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，故平安系數(shù)取【4】，則而

16、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*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*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 4.965 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

17、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(wú)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(wú)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*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 5.352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，如以下圖所示

18、。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.主要接收尺寸計(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，應(yīng)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，應(yīng)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，應(yīng)選??；進(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*圍為，應(yīng)選?。凰灼骄栙|(zhì)量計(jì)算由，得：10.塔板主要構(gòu)造參數(shù)表所設(shè)計(jì)篩板的主要結(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123456789101

19、11213141516171819202122232425262728293031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(kāi)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(kāi)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)荷下限液沫夾帶eV，kg液/kg氣氣相負(fù)荷上限Vs，ma*，m3/s氣相負(fù)荷下限Vs，min，m3/s操作彈性

20、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(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)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：構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)較低；在一樣條件下，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，應(yīng)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)