年處理 31096 噸丙酮-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 誠(chéng)信申明誠(chéng)信申明 本人申明： 我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下對(duì)四年專業(yè)知識(shí)而進(jìn) 行的研究工作及全面的總結(jié)。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列 的內(nèi)容以外，論文中創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包 含為獲得北京化工大學(xué)北方學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而已經(jīng)使用過的 材料。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的同學(xué)對(duì)本課題所做的任何貢獻(xiàn)均已在文 中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：年月日 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 年處理年處理 31096 噸噸丙酮丙酮-水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì) 李強(qiáng)強(qiáng) 應(yīng)用化學(xué)專業(yè)應(yīng)化 0904 班學(xué)號(hào) 090105096 指導(dǎo)老師劉雪凌講師 摘摘要要 精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異通過多次部分汽化、部分冷 凝實(shí)現(xiàn)液體混合物的分離并混得高純的產(chǎn)品的化工單元操作， 是物質(zhì)在兩相間的 轉(zhuǎn)移過程。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是年處理 31096 噸丙酮產(chǎn)品的連續(xù)精餾塔，以篩板 塔為精餾設(shè)備分離丙酮和水，塔頂采用的是全凝器，進(jìn)料方式是泡點(diǎn)進(jìn)料，液相 分率為 99%，通過進(jìn)行物料衡算與能量衡算，計(jì)算出塔中各部位的物料比重。進(jìn) 行一些設(shè)備計(jì)算時(shí)及時(shí)對(duì)所計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核， 檢驗(yàn)計(jì)算出的數(shù)據(jù)是否符合 要求，不符合及時(shí)修正。根據(jù)自己的計(jì)算數(shù)據(jù)，選擇符合要求的附屬設(shè)備。最終 設(shè)計(jì)出合格的塔設(shè)備完成生產(chǎn)需要。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：丙酮-水 精餾 篩板塔 工藝設(shè)計(jì) 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III Continuous distillation column of acetone-water production equipment design Abstract Rectification is using liquid mixture of components volatile differences through multiple parts, part for liquid vaporization condensation of the mixtures of separation and the mix quite high purity of the products chemical unit operation, is in two phases of the material transfer process. The design of the main content of this year processing 31096 tons of acetone-water product continuous distillation, to sieve column tower for the distillation separation equipment acetone and water, the top of the device is whole, feeding way is bubble point feeding, liquid points rate to 99%, and through calculation and the material energy is, calculates the tower of each place material proportion. Some equipment calculation in the calculated data test, the test of whether the calculated data requirements, do not accord with timely fixed. According to the calculation of their data, choose to meet the requirements of ancillary equipment. The final design of qualified tower equipment to finish the production needs. Keywords:Acetone-waterDistillationSieve column tower Process design 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 目目錄錄 前前言言.1 第第 1 1 章章 精餾概述精餾概述.2 第 1.1 節(jié) 精餾原理2 第 1.2 節(jié) 塔設(shè)備3 第 1.3 節(jié) 精餾塔的控制與節(jié)能優(yōu)化4 第第 2 2 章章 塔的工藝計(jì)算塔的工藝計(jì)算.5 第 2.1 節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求5 第 2.2 節(jié) 物性參數(shù)及理論計(jì)算5 第 2.3 節(jié) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算.9 第 2.4 節(jié) 能量衡算13 第第 3 3 章章 塔板主要工藝尺寸計(jì)算塔板主要工藝尺寸計(jì)算 16 第 3.1 節(jié) 塔徑的計(jì)算16 第 3.2 節(jié) 精餾塔有效高度的計(jì)算18 第 3.3 節(jié) 全塔實(shí)際高度的計(jì)算18 第 3.4 節(jié) 塔板的主要尺寸計(jì)算18 第第 4 4 章章 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算和篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算和板負(fù)荷性能圖板負(fù)荷性能圖23 第 4.1 節(jié) 精餾段23 第 4.2 節(jié) 提留段25 第 4.3 節(jié) 塔板負(fù)荷性能圖27 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 第第 5 5 章章 附屬設(shè)備的計(jì)算及選取附屬設(shè)備的計(jì)算及選取 36 第 5.1 節(jié)各接管的尺寸確定. 36 第 5.2 節(jié) 換熱器計(jì)算37 結(jié)結(jié)論論.41 計(jì)算結(jié)果一覽表計(jì)算結(jié)果一覽表.42 附附錄錄.43 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).46 致致謝謝.47 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前前言言 在化工生產(chǎn)中所處理的原料中間產(chǎn)物和粗產(chǎn)品等幾乎都是若干組分組成的 混合物而且大部分是均相物系。實(shí)現(xiàn)均相混合物的分離，常見的有精餾、吸收、 萃取以及干燥等單元操作。精餾（蒸餾）是分離液體混合物的典型單元操作。這 種操作是將液體混合物部分汽化利用各組分的揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離的 目的。這種分離操作是通過液相和氣相間的質(zhì)量傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的1。通常將沸點(diǎn)低 的稱為易揮發(fā)組分，高的稱為難揮發(fā)組分。精餾過程有很多種分類方法，按壓強(qiáng) 來(lái)分有常壓、加壓或減壓精餾。按操作流程可分為間歇精餾和連續(xù)精餾。而塔設(shè) 備是精餾操作的主要設(shè)備， 其作用是為氣液兩相提供充分的接觸面積使兩相間的 傳質(zhì)與傳熱能充分、有效地進(jìn)行2。板式塔種類很多，常見的有泡罩塔、篩板塔、 浮閥塔等。在本操作分離中采用篩板塔。 丙酮是一個(gè)重要的溶劑，既可以溶于有機(jī)溶劑又溶于水。它是多種有機(jī)工業(yè) 的原料如有機(jī)玻璃及環(huán)氧樹脂是由它開始合成的3。最常見的用途是用作卸除指 甲油的去光水，以及油漆的稀釋劑；同時(shí)可作為有機(jī)溶劑，應(yīng)用于醫(yī)藥、油漆、 塑料、火藥、樹脂、橡膠、照相軟片等行業(yè)。在工業(yè)上應(yīng)用于制造雙酚 A、甲基 丙烯酸甲酯（MMA） 、丙酮氰醇、甲基異丁基酮等產(chǎn)品，以及塑膠、纖維、藥物 及其他化學(xué)物質(zhì)。自然界中亦存在天然的丙酮，人體內(nèi)也含有少量的丙酮。在建 材方面，主要作為脂肪族減水劑的主要原料。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第第 1 章章 精餾概述精餾概述 第第 1.1 節(jié)節(jié) 精餾原理精餾原理 雙組分混合液的分離是最簡(jiǎn)單的精餾操作。 典型的精餾設(shè)備是連續(xù)精餾裝置 (圖 1.1)，包括精餾塔、再沸器、冷凝器等。精餾塔供汽液兩相接觸進(jìn)行相繼傳 質(zhì)，位于塔頂?shù)睦淠魇拐魵獾玫讲糠掷淠糠帜鹤鳛榛亓饕悍祷厮?，?余餾出液是塔頂產(chǎn)品。位于塔底的再沸器使液體部分汽化，蒸氣沿塔上升，余下 的液體作為塔底產(chǎn)品。進(jìn)料加在塔的中部，進(jìn)料中的液體和上塔段來(lái)的液體一起 沿塔下降，進(jìn)料中的蒸氣和下塔段來(lái)的蒸氣一起沿塔上升。在整個(gè)精餾塔中，汽 液兩相逆流接觸，進(jìn)行相繼傳質(zhì)。液相中的易揮發(fā)組分進(jìn)入汽相，汽相中的難揮 發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相。對(duì)不形成恒沸物的物系，只要設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，餾出液將是高 純度的易揮發(fā)組分，塔底產(chǎn)物將是高純度的難揮發(fā)組分。進(jìn)料口以上的塔段，把 上升蒸氣中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱為精餾段；進(jìn)料口以下的塔段，從下降液 體中提取易揮發(fā)組分，稱為提餾段。兩段操作的結(jié)合，使液體混合物中的兩個(gè)組 分較完全地分離，生產(chǎn)出所需純度的兩種產(chǎn)品。易揮發(fā)組分液體和塔底高濃度難 揮發(fā)組分蒸氣兩者返回塔中。汽液回流形成了逆流接觸的汽液兩相，從而在塔的 兩端分別得到相當(dāng)純凈的單組分產(chǎn)品。精餾操作的主要指標(biāo)是：產(chǎn)品的純度。 板式塔中的塔板數(shù)或填充塔中填料層高度，以及料液加入的位置和回流比等，對(duì) 產(chǎn)品純度均有一定影響。 調(diào)節(jié)回流比是精餾塔操作中用來(lái)控制產(chǎn)品純度的主要手 段。 組分回收率。 這是產(chǎn)品中組分含量與料液中組分含量之比。 操作總費(fèi)用。 主要包括再沸器的加熱費(fèi)用、冷凝器的冷卻費(fèi)用和精餾設(shè)備的折舊費(fèi)，操作時(shí)變 動(dòng)回流比，直接影響前兩項(xiàng)費(fèi)用。此外，即使同樣的加熱量和冷卻量，加熱費(fèi)用 和冷卻費(fèi)用還隨著沸騰溫度和冷凝溫度而變化， 特別當(dāng)不使用水蒸氣作為加熱劑 或者不能用空氣或冷卻水作為冷卻劑時(shí)，這兩項(xiàng)費(fèi)用將大大增加。選擇適當(dāng)?shù)牟?作壓力，有時(shí)可避免使用高溫加熱劑或低溫冷卻劑(或冷凍劑)，但卻增添加壓或 抽真空的操作費(fèi)用。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖圖 1.1 連續(xù)精餾裝置流程連續(xù)精餾裝置流程 第第 1.2 節(jié)節(jié) 塔設(shè)備塔設(shè)備 精餾是當(dāng)代化工生產(chǎn)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的分離技術(shù)之一。但精餾過 程的能耗巨大，據(jù)估計(jì)，化工過程中 4070的能耗用于分離，而精餾能耗 又占其中的 95。精餾過程主要是氣液兩相之間的傳質(zhì)過程。塔設(shè)備是精餾操 作的主要設(shè)備，其作用是為氣液兩相提供充分的接觸面積，使兩相的傳質(zhì)與傳熱 過程能夠充分、 有效地經(jīng)行。 塔設(shè)備主要包括兩大類： 一是逐級(jí)接觸式的板式塔， 內(nèi)裝塔板，氣液傳質(zhì)在板上空間經(jīng)行；二是連續(xù)接觸式的填料塔，內(nèi)裝填料，氣 液傳質(zhì)主要在填料濕潤(rùn)表面上進(jìn)行。本文主要介紹板式塔。根據(jù)塔板上氣-液接 觸方式的不同，可分為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔和噴射塔等多種。 1.2.1 泡罩塔泡罩塔 泡罩塔是最早的板式塔，它已有近二百年的歷史。泡罩塔因其操作彈性大、 塔板效率高、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收等領(lǐng)域。雖然泡罩塔可 變負(fù)荷較大，但每個(gè)泡罩塔都有特定的穩(wěn)定操作范圍，當(dāng)工藝波動(dòng)過大或設(shè)備改 造不當(dāng)時(shí)， 就可能導(dǎo)致泡罩塔非正常操作， 塔板效率顯著下降， 達(dá)不到分離要求。 因此有必要對(duì)新設(shè)計(jì)的塔或改造之后塔，根據(jù)塔體結(jié)構(gòu)、塔板水力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算出 穩(wěn)定操作區(qū)域。 1.2.2篩板塔篩板塔 篩板塔的塔板上開有許多均布的篩孔，孔徑一般為 38mm，篩孔在塔板上 成正三角形排列。塔板上設(shè)置有溢流堰，使板上能維持一定的厚度液層。在正常 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 操作范圍內(nèi)，通過篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。液體通過降 液管逐板流下。篩板塔的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，金屬耗量小，造價(jià)低廉；氣體壓 降小，板上液面落差也較小，其生產(chǎn)能力及板效率較泡罩塔高。主要缺點(diǎn)是操作 彈性范圍較窄，小孔篩板容易堵塞。近年來(lái)對(duì)大孔(直徑 l0mm 以上)篩板的研究 和應(yīng)用有所進(jìn)展。大孔徑篩板塔采用氣、液錯(cuò)流方式，可以提高氣速以及生產(chǎn)能 力，而且不易堵塞。 1.2.3 浮閥塔浮閥塔 浮閥塔于20世紀(jì)50年代初期開始推廣， 由于它兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的塔型。在吸收、脫吸等操作中也有應(yīng)用，效果較好。 浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 是在帶有降液管的塔板上開有若干大孔(標(biāo)準(zhǔn)孔為 39mm)， 每孔裝一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥片。由孔上升的氣流，經(jīng)過閥片與塔板的間隙而與 板上橫流的液體接觸。 1.2.4 噴射型塔噴射型塔 在上述的各種塔板上，氣體分散于板上流動(dòng)液層中，在鼓泡或泡沫狀態(tài)下經(jīng) 行氣液接觸。為防止嚴(yán)重的霧沫夾帶，操作速度不可能很高，故生產(chǎn)能力的進(jìn)一 步提高受到限制，充分利用氣體的動(dòng)能來(lái)醋精兩相的接觸。氣體不再通過較深的 液層而鼓泡，因而塔板壓強(qiáng)降低，霧沫夾帶量減少，不僅提高傳質(zhì)效果，而且可 采用較大的氣速，提高了生產(chǎn)能力。 第第 1.3 節(jié)節(jié) 精餾塔的控制與節(jié)能優(yōu)化精餾塔的控制與節(jié)能優(yōu)化 精餾塔的控制與優(yōu)化目標(biāo)：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高和能耗 最低即使整個(gè)塔的總成本最低，總經(jīng)濟(jì)效益最大。精餾塔的節(jié)能優(yōu)化研究方 面，人們提出了一系列的方法來(lái)降低精餾裝置的能耗，這其中包括：采用高效規(guī) 整填料代替普通板式塔或低效填料，改善再沸器或冷凝器的換熱效果，改變精餾 塔進(jìn)料狀態(tài)或進(jìn)料位置，增設(shè)中間再沸器或冷凝器，應(yīng)用熱泵技術(shù)，采用多效精 餾和特殊精餾技術(shù)，改變多塔精餾過程的流程，降低回流比，改變塔的操作壓力 等。但在這些方法中，大多是從工藝流程角度出發(fā)，需要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置進(jìn)行改 造，或改變生產(chǎn)流程，而從操作參數(shù)角度出發(fā)的節(jié)能優(yōu)化研究較少。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第第 2 章章 塔的工藝計(jì)算塔的工藝計(jì)算 第第 2.1 節(jié)節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2.1.1 工藝條件和內(nèi)容工藝條件和內(nèi)容 1、生產(chǎn)能力：31096 噸/年（料液） 2、年工作日：300 天 3、原料組成：75%丙酮，25%水（質(zhì)量分率，下同） 4、產(chǎn)品組成：餾出液 99%丙酮，釜液 2%丙酮 5、操作壓力：塔頂壓強(qiáng)為常壓 6、進(jìn)料溫度：泡點(diǎn)進(jìn)料狀況：泡點(diǎn) 7、設(shè)備型式：篩板塔 第第 2.2 節(jié)節(jié) 物性參數(shù)及理論計(jì)算物性參數(shù)及理論計(jì)算 2.2.1 查閱文獻(xiàn)，整理有關(guān)物性參數(shù)見表查閱文獻(xiàn)，整理有關(guān)物性參數(shù)見表 2.1-2.5 表表 2.1 水和丙酮的粘度水和丙酮的粘度 溫度5060708090100 水粘度 mpa 丙酮粘度 mpa 0.5920.4690.400.330.3180.248 0.260.2310.2090.1990.1790.160 表表 2.2 水和丙酮表面張力水和丙酮表面張力 溫度 5060708090100 水表面張力 mN/m67.766.064.362.760.158.4 丙酮表面張力 mN/m19.518.817.716.315.214.3 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 表表 2.3 水和丙酮密度水和丙酮密度 溫度5060708090100 相對(duì)密度0.7600.7500.7350.7210.7100.699 水 kg/m3998.1983.2977.8971.8965.3958.4 丙酮 kg/m3 758.56737.4718.68700.67685.36669.92 表表 2.4 水和丙酮的物理性質(zhì)水和丙酮的物理性質(zhì) 分子量kg/kmol沸點(diǎn)臨界溫度 K臨界壓強(qiáng) kpa 水18.02100647.4522050 丙酮58.0856.2508.14701.50 表表 2.5 丙酮丙酮水系統(tǒng)水系統(tǒng) t-x-y數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 沸點(diǎn) t/丙酮摩爾數(shù) xy 10000 920.010.279 84.20.0250.47 75.60.050.63 54 13 32 42 51 63 75 97 35 56.90.950.962 56.70.9750.979 56.511 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 繪制 t-x-y圖并用圖解法繪制塔板見圖 2.1 圖圖 2.1相平衡線相平衡線 （1）進(jìn)料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù) 酮的摩爾質(zhì)量 A M=58.08 Kg/kmol 水的摩爾質(zhì)量 B M=18.02 Kg/kmol 平均摩爾質(zhì)量: MF=0.48258.08+0.51818.02=37.28 kg/kmol MD= 0.90958.08+ 0.09118.02=54.36 kg/kmol MW=0.0558.08+0.9518.02=20.00 kg/kmol 482. 0 02.18/25. 008.58/75. 0 08.58/75. 0 F x 909. 0 02.18/03. 008.58/97. 0 08.58/97. 0 D x 016.0 02.18/95.008.58/02.0 08.58/02.0 W x 0 wFD1.0 1.0 y 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 28.37 )24300/(31096000 F=111.02kmol/h 由WDF； wDF WDFxxx代入數(shù)據(jù)得 0160.W9090.D50.702.111 WD02.111 解得 D=2948kmol/h；W=941kmol/h 由題設(shè)可得泡點(diǎn)進(jìn)料 q=1 則 F x= q x，又附圖 2.1 可得 q x=0.482, q y=0.847。行距 1698. 0 482. 0847. 0 847. 0909. 0 min qq qD xy yx R 確定操作回流比： 2min/RR 令34. 0min2 RR 2.2.2 精餾塔的氣、液相負(fù)荷精餾塔的氣、液相負(fù)荷 hkmolRDL/69.1993.5734. 0 hkmolDRV/63.7793.57) 134. 0() 1( hkmolFLL/71.13002.11169.19 hkmolVV/63.77 2.2.3 操作線方程操作線方程 (1)精餾段操作線方程為： 678. 0254. 0909. 0 63.77 93.57 63.77 69.19 xxx V D x V L y D (2)提餾段操作線方程為： 011. 0684. 1016. 0 63.77 09.53 63.77 71.130 xxx V W x V L y w 圖解法求理論塔板數(shù) 采用圖解法求理論塔板數(shù)，求解結(jié)果為 總理論塔板數(shù)NT=7 進(jìn)料板位置NF=6 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 2.2.4 取全塔效率取全塔效率 ET=50 實(shí)際塔板數(shù) p p N N（近似取兩段效率相同） 精餾段：125 . 0/6 1 p N塊，取12 1 p N塊 提餾段：25 . 0/1 2 p N塊，取2 2 p N塊 總塔板數(shù)14 21 ppp NNN塊。 第第 2.3 節(jié)節(jié) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 2.3.1 操作壓力的計(jì)算操作壓力的計(jì)算 塔頂操作壓力3 .101 D P 每層塔板壓降kPa7 . 0P 進(jìn)料板壓力kPaPF1 .112129 . 03 .101 精餾段平均壓力kPaPm7 .1062/ ) 1 .11210613( 1 提餾段平均壓力kPaPm5 .1152/ )9 .1181112( 2 塔底操作壓力kPaPW9 .118187 . 03 .106 2.3.2 操作溫度的計(jì)算操作溫度的計(jì)算 依據(jù)操作壓力，由泡點(diǎn)方程通過試差法，計(jì)算出泡點(diǎn)溫度，其中丙酮、水的 飽和蒸汽壓由安托尼方程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下： (1)假設(shè)塔頂?shù)呐蔹c(diǎn)溫度C66ot，則純組分的飽和蒸氣壓為 對(duì)丙酮 a146.26P 139.65kPa 15.27366 03.1277 35647. 6lg o B o o kPp Ct B Ap A A 代入泡點(diǎn)方程和露點(diǎn)方程，得 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 D A BA B xx p p y pp pp x 909. 0 3 .101 662. 065.139 662. 0 146.2665.139 146.2633.101 o oo o ? 故假設(shè)正確，塔頂溫度為C66o D t (2)假設(shè)塔頂?shù)倪M(jìn)料板溫度C5 .73 o t，則純組分的飽和蒸氣壓為 對(duì)丙酮 0.48 xkPa 173.81 lg o o A A p Ct B Ap 代入泡點(diǎn)方程和露點(diǎn)方程，得 482. 0 oo o BA B pp pp x 假設(shè)正確，故進(jìn)料板溫度為C5 .73 o F t (3)假設(shè)塔底的泡點(diǎn)溫度C98.5ot，則純組分的飽和蒸氣壓為 對(duì)丙酮 kPa 3181.380 5801. 2 19.13099.48 034.1236 06832. 6lg o o A A p p 代入泡點(diǎn)方程，得 016. 0 oo o BA B pp pp x 假設(shè)正確，故塔釜溫度為C5 .98 o W t 精餾段平均溫度C75.692/ )5 .7366( o 1 m t 提餾段平均溫度C862/ )5 .735 .98( o 2 m t 2.3.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算 塔頂：由909. 0 1 D xy，查平衡曲線得829. 0 1 x kmol/kg16.5118)829. 01 (58829. 0 kmol/kg36.5418)909. 01 (58909. 0 LDm VDm M M 進(jìn)料板：由圖理論板得201.0x? F ，查平衡曲線得835. 0y F 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 kmol/kg04.2618)201. 01 (58201. 0 kmol/51.4kg18)835. 01 (58835. 0 LFm VFm M M 塔底：由圖理論板得160 . 0 w n yx，查平衡曲線得2150 . 0 n x kmol/kg02.1818)00074. 01 (5800074. 0 kmol/kg48.1818)016. 01 (58016. 0 LWm VWm M M 精餾段平均摩爾質(zhì)量 kmol/kg6 .382/ )16.5104.26( kmol/kg88.522/ )36.544 .51( 1 1 Lm Vm M M 提餾段平均摩爾質(zhì)量 kmol/kg03.222/ )02.1804.26( kmol/kg94.342/ )48.181 .54( 2 2 Lm Vm M M 2.3.4 平均密度的計(jì)算平均密度的計(jì)算 （1）氣相平均密度計(jì)算 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，得 精餾段 3 1 11 1 m/kg979. 1 )15.27375.69(314. 8 88.527 .106 m Vmm Vm RT Mp 提餾段 3 2 22 2 m/kg35. 1 )15.27386(314. 8 94.345 .115 m Vmm Vm RT Mp （2）液相平均密度計(jì)算 i i Lm w 1 塔頂C66o D t時(shí)， 3 3 3 m/kg84.742 88.1034/9698. 0-127.737/9698. 0 1 m/kg59.980 m/kg27.737 LDm B A 進(jìn)料板C5 .73 o F t時(shí)， 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3 3 3 m/kg60.848 2 .979/4477. 0-1728/4477. 0 1 m/kg2 .979 m/kg17.728 LFm B A 塔底C5 .98 o W t時(shí)， 3 3 3 m/kg6 .945 63.963/05. 0-169.698/05. 0 1 m/kg63.963 m/kg69.698 LWm B A 精餾段液相平均密度為 3 1 m/kg72.7952/ )8 .74260.848( Lm 提餾段液相平均密度為 3 2 m/kg14.8972/ )6 .94560.848( Lm 2.3.5 液體表面張力的計(jì)算液體表面張力的計(jì)算 雙組份混合液的表面張力可如下計(jì)算： 液相平均表面張力的計(jì)算 iiLm x 塔頂C66o D t時(shí)，查得m/mN35.18 A m/mN044.65 B m/mN839.20044.65909. 0-135.189090 ? LDm 進(jìn)料板C5 .73 o F t時(shí)，查得m/mN357.17 A m/mN7755.63 B m/mN46.547755.63201. 0-1357.17201. 0 LFm 塔底C5 .98 o W t時(shí)，查得m/mN236.14 A m/mN004.59 B m/mN29.58004.59016. 0-1236.14016. 0 LWm 精餾段液相平均表面張力為 m/mN535.382/ )46.5459.22( m 提餾段液相平均表面張力為 m/mN37.562/ )29.5864.54( 2 m 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 2.3.6 液體平均粘度計(jì)算液體平均粘度計(jì)算 液相平均粘度依下式計(jì)算，即 lgLm=xilgi 塔頂液相平均粘度的計(jì)算 由 tD=66，查手冊(cè)得 A=0.2214mPasB=0.4293mPas lgLDm=0.909lg（0.2214）+(1-0.909)lg（0.4293） 解出LDm=0.235mPas 進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算 由 tF=73.5，查手冊(cè)得 A=0.2102mPasB=0.38745mPas lgLFm=0.201lg（0.2102）+(10.2102)lg（0.468） 解出LFm=0.346mPas 在塔底溫度下查粘度表：smP1774. 0AsmPa 28835. 0B 28835. 0lg)016. 01 (1774. 0lg016. 0lgmw smPmw2861. 0 精餾段液相平均粘度為 Lm=（0.235+0.346）/2=0.2905mPas 提餾段液相平均粘度 Lm2=（0.2861+0.346）/2=0.3160mPas 第第 2.4 節(jié)節(jié) 能量衡算能量衡算 表表 2.6 水的熱熔與焓值水的熱熔與焓值 CPkJkgkJkg tD=66 Cp水=4.185水=276.55 Cp丙酮=135.18丙酮=509.05 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 tw=98.5 Cp水=4.210水=412.23 Cp丙酮=141.75丙酮=437.68 tf=73.5 Cp水=4.189水=307.59 Cp丙酮=136.28丙酮=501.45 2.4.1 汽化潛熱汽化潛熱： 塔頂溫度 tD=73.5，質(zhì)量分?jǐn)?shù) xD= 0.969 頂=丙酮 D x+水(1 D x)=509.050.969+(10.969)276.5=501.84 kJ/kg 塔釜溫度 98.5，質(zhì)量分?jǐn)?shù) w x=0.145 釜=丙酮 w x+水(1 w x)=421.14 kJkg 比熱 p C：塔頂溫度66 D t，則塔頂液的平均比熱為 Cp頂= D xCp丙酮+(1 D x) CP水=131.12 kJkg 塔釜溫度5 .98 W t，則塔釜液的平均比熱為 Cp釜=xwCp丙酮+(1 w x) CP水=24.15 kJkg 進(jìn)料溫度5 .73 F t，xf=0.749 則原料液的平均比熱為 Cp進(jìn)= F xCp丙酮+(1 F x)CP水=103.12 kJ/kg 2.4.2 焓焓 h 66 D t，h頂kgkJtCp/9 . 3 .8656612.131 5 .98 W t，h釜kgkJtCp/77.23785 .9815.24 5 .73 F t，h進(jìn)kgkJtCp/32.75795 .7312.103 2.4.3 塔底再沸器熱負(fù)荷塔底再沸器熱負(fù)荷 (1)原料液帶入熱量 QF： /hkJ15.3273432532.757910003389. 4FhQ 進(jìn)料F 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (2) 回流液帶入熱量 QL： /hkJ4 .44370939 .048653.266 .19LhQL? (3) 塔頂蒸汽的熱焓近似的取純丙酮蒸汽的焓 HV： /kgJk1013912.13184.501tCH 頂p頂V (4) 塔頂蒸汽帶出的熱量 QV： kcal/h1368958.57178.587664.8hVQ 頂V (5) 塔底產(chǎn)品帶出的熱量 QW： /hJk965.22572577.237802.1809.53WhQ 釜W 能量衡算公式為 WVLFB QQQQQ，所以 /hJk8 .629292QQQQQ LFWVB (6) 101.3Kpa 水蒸氣汽化潛熱為kJ/kg2258 塔底水蒸氣的用量：kg/h69.278 2258 8 .629292 Q m B sB 2.4.4 塔頂冷凝器的熱負(fù)荷塔頂冷凝器的熱負(fù)荷 (1) 塔頂餾出液的焓等于回流液的焓 hD：/hJk92.8653hD (2) 塔頂產(chǎn)品帶出去的熱量 QD： /hJk4 .2725184192.865336.5493.57DhQ DD (3) 冷凝器帶出的熱量 QC： /hJk65.3836050QQQQ DLVC 水的比熱容為)kJ/(kg4.187cp (4)塔頂冷卻水的用量： kg/h1 .45809 20404.187 65.3836050 ttC Q m 12P C sC 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第第 3 章章塔板主要工藝尺寸計(jì)算塔板主要工藝尺寸計(jì)算 第第 3.1 節(jié)節(jié) 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算 3.1.1 精餾段的氣、液相體積流率的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率的計(jì)算 s/m00027. 0 72.7953600 6 .3869.19 3600 s/m5672. 0 979. 13600 88.5263.77 3600 3 3 Lm Lm S Vm Vm S LM L VM V 由 V VL Cu max 式中 C 由公式 2 . 0 20 20 L CC 計(jì)算，其中 20 C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出，圖的橫坐標(biāo)為 0094. 0 979. 1 72.975 360057620 360000027. 0 2 1 2 1 ? V L h h V L 取板間距m35. 0 T H，板上液層高度m05. 0 L h，則 m3 . 005. 035. 0 LT hH 由史密斯關(guān)系圖得058. 0 20 C s/m32. 1 979. 1 979. 172.795 066. 0 066. 0 20 525.38 058. 0 20 max 2 . 02 . 0 20 ? u CC L 取安全系數(shù)為 0.7，則空塔氣速為 s/m925. 07 . 0 max ?uu m89. 0 925. 014. 3 5762. 044 u V D S 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后取 D=1.0m。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 塔截面積為： 222 3.14 1.00.785m 44 T AD 實(shí)際空塔氣速s/m89. 0 785. 0 5762. 0 u 3.1.2 提餾段的氣、液相體積流率的計(jì)算提餾段的氣、液相體積流率的計(jì)算 s/m00013. 0 14.8973600 03.2269.19 3600 s/m558. 0 35. 13600 94.3463.77 3600 3 3 Lm Lm S Vm Vm S LM L VM V 由 V VL Cu max 式中 C 由公式 2 . 0 20 20 L CC 計(jì)算，其中 20 C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出，圖的橫坐標(biāo)為 006. 0 35. 1 14.897 3600558. 0 360000013. 0 2 1 2 1 V L h h V L 取板間距m35. 0 T H，板上液層高度m05. 0 L h，則 m3 . 005. 035. 0 LT hH 由史密斯關(guān)系圖得05. 0 20 C s/m54. 1 35. 1 35. 114.897 06. 0 06. 0 20 37.56 05. 0 20 max 2 . 02 . 0 20 u CC L 取安全系數(shù)為 0.7，則空塔氣速為 s/m08. 154. 17 . 07 . 0 max uu m811. 0 08. 114. 3 558. 044 u V D S 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后取 D=1.0m。 塔截面積為： 222 3.14 1.00.785m 44 T AD 實(shí)際空塔氣速s /m711. 0 785. 0 558. 0 u 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第第 3.2 節(jié)節(jié) 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾塔有效高度的計(jì)算 精餾段的有效高度：m85. 335. 0) 112() 1( T HNZ ? 提餾段的有效高度：m35. 035. 0) 12() 1( T HNZ ? 在進(jìn)料板上方開兩個(gè)人孔，提餾段中開兩個(gè)人孔，其高度為 0.8m，則精餾塔的 有效高度為：m8 . 528 . 0 ? ZZZ 第第 3.3 節(jié)節(jié) 全塔實(shí)際高度的計(jì)算全塔實(shí)際高度的計(jì)算 取進(jìn)料板板間距為 0.8m，人孔處的板間距為 0.8m，塔底空間高度為 2.0m， 塔頂空間高度為 0.7m ，封頭高度為 0.6m,裙座高度為 2.0m,則全塔高度為： 21 ) 1(HHHHHnHnHnHnnH BDPpFFTpF m2 .11 26 . 027 . 08 . 028 . 035. 0) 12114( 第第 3.4 節(jié)節(jié) 塔板主要工藝尺寸計(jì)算塔板主要工藝尺寸計(jì)算 3.4.1 精餾段溢流裝置的計(jì)算精餾段溢流裝置的計(jì)算 因塔徑 D=1.0m，可選用單溢流弓形降液管，才用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如 下： 堰長(zhǎng) w l 取m66. 00 . 166. 066. 0DlW 溢流堰高度 w h 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 由 OWLW hhh，選用平直堰，堰上液層高度由弗蘭西斯公式求得 m0037. 0 66. 0 360000027. 0 1000 84. 2 1000 84. 2 3 2 3 2 1 W h OW l L Eh 其中 E 近似取 1 取板上清夜層高度m05. 0 L h，則 m0463. 00037. 005. 0 OWLW hhh 弓形降液管寬度 d W和降液管面積 由66. 0 D lW 時(shí)，查表得 2 m0567. 00722. 0 m0722. 0124. 0 f T f d d A A A W D W ? ? 液體在降液管里停留的時(shí)間 s573.5s 00027. 03600 35. 00567. 03600 3600 h Tf L HA 降液管設(shè)計(jì)合理 降液管底隙高度 0 h 0 0 3600ul L h W h （取 s/m08. 0 0 u） m0051. 0 08. 066. 03600 0016. 03600 3600 0 0 ul L h W h mmhhw0088. 00413. 0005. 00463. 0 0 故 降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤，深度mmhw50 3.4.2 塔板布置的計(jì)算塔板布置的計(jì)算 塔板布置的計(jì)算： （1）塔板的分塊 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 因 D800mm，所以塔板采用分塊式。查表得，塔板分為 3 塊。 （2）邊緣區(qū)寬度的確定 取mWmWW css 05. 0,07. 0 （3）開孔區(qū)面積計(jì)算 開孔區(qū)面積 a A 2 1222 1222 m531. 0 45. 0 31. 0 sin45. 0 180 31. 045. 031. 02 sin 180 2 R x RxRxAa 式中：m31. 007. 0124. 05 . 02/ sd WWDx m45. 005. 05 . 02/ c WDR （4）篩孔計(jì)算及其排列 取篩孔的孔徑mm5 o d，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度mm3， 故孔心距mm1553t。 每層塔板的開孔數(shù)2726531. 0 015. 0 155. 1155. 1 0 2 A t n（個(gè)） 每層塔板的開孔率 %1 .10 3 907. 0 / 907. 0 22 o dt 氣體通過篩孔的氣速為：m/s7 .10)531. 0101. 0/(5760/? oso AVu 3.4.3 提餾段溢流裝置的計(jì)算提餾段溢流裝置的計(jì)算 因塔徑 D=1.0m，可選用單溢流弓形降液管，才用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如 下： 堰長(zhǎng) w l 取m66. 00 . 166. 066. 0DlW 溢流堰高度 w h 由 OWLW hhh，選用平直堰，堰上液層高度由弗蘭西斯公式求得 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 m0023. 0 66. 0 360000013. 0 1000 84. 2 1000 84. 2 3 2 3 2 1 W h OW l L Eh 其中 E 近似取 1 取板上清夜層高度m05. 0 L h，則 m0477. 00023. 005. 0 OWLW hhh 弓形降液管寬度 d W和降液管面積 由66. 0 D lW 時(shí)，查表得 2 m0567. 0785. 00722. 00722. 0 m124. 00 . 1124. 0124. 0 f T f d d A A A W D W ， ， 液體在降液管里停留的時(shí)間 s5s76.150 00013. 03600 35. 00567. 03600 3600 h Tf L HA 降液管設(shè)計(jì)合理 降液管底隙高度 0 h 0 0 3600ul L h W h （取 s/m08. 0 0 u） m00246. 0 08. 066. 03600 00013. 03600 3600 0 0 ul L h W h mmhhw0088. 00452. 000246. 00477. 0 0 故 降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤，深度mmhw50 3.4.4 塔板布置的計(jì)算塔板布置的計(jì)算 提餾段塔板布置的計(jì)算： （1）塔板的分塊 因 D800mm，所以塔板采用分塊式。查表得，塔板分為 3 塊。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 （2）邊緣區(qū)寬度的確定 取mWmWW css 05. 0,07. 0 （3）開孔區(qū)面積計(jì)算 開孔區(qū)面積 a A 2 1222 1222 m531. 0 45. 0 31. 0 sin45. 0 180 31. 045. 031. 02 sin 180 2 R x RxRxAa 式中：m31. 007. 0124. 05 . 02/ sd WWDx m45. 005. 05 . 02/ c WDR （4）篩孔計(jì)算及其排列 取篩孔的孔徑mm5 o d，正三角形排列，篩板采用碳鋼，其厚度mm3， 故孔心距mm1553t。 每層塔板的開孔數(shù)2726531. 0 015. 0 155. 1155. 1 0 2 A t n（個(gè)） 每層塔板的開孔率 %1 .10 3 907. 0 / 907. 0 22 o dt 氣體通過篩孔的氣速為：m/s5 .10)531. 0101. 0/(558. 0/ oso AVu 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第第 4 章章篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算和篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算和板負(fù)荷性能圖板負(fù)荷性能圖 第第 4.1 節(jié)節(jié) 精餾段精餾段 4.1.1 塔板壓降塔板壓降 (1) 干板阻力 c h的計(jì)算 由67. 13/5/ 0 d 查圖 5-10 得c0=0.772 ?m0551. 0 72.795 979. 1 772. 0 7 .10 051. 0051. 0 2 2 L V o o c C u h (2)氣體通過液層的阻力hl計(jì)算 hh Ll 0.79m/s 567.0085.70 5762. 0 AA V u fT s a m/s )/(1 . 1979. 179. 0 2/12/1 0 mskg v auF 查表，取64. 0。故 ?m hhh