丙酮-水化工原理課程設(shè)計

1、1. 設(shè)計方案簡介 1.1設(shè)計方案的確定 本設(shè)計任務(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)計中采用泡點進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。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)量分率） 35%；產(chǎn)品中丙酮含量（質(zhì)量分率） 99%； 塔釜中丙酮含量（質(zhì)量分率） 不大于0.04； 進(jìn)料量 F=2000kg/h； 操作壓力 塔頂壓強為常壓進(jìn)料溫度 泡點；

2、 1.3工藝流程圖圖1：精餾裝置流程示意圖2.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/kmolxF =0.143xD =0.968xW =0.0132.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.14358.08+（1-0.143）18.02=23.75kg/kmol MD=0.96858.08+（1-0.968）18.02=56.80kg/kmol MW=0.01358.08+（1-0.013）18.02=18.54kg/kmol2.3 物料衡算原料進(jìn)料量為2000kg/hF=2

3、000/27.51=72.70kmol/h總物料衡算 72.70=D+W丙酮的物料衡算 72.700.143=0.968D+0.013W聯(lián)立解得 D=9.90 W=62.803.塔板數(shù)的確定3.1理論塔板數(shù)NT的求取3.1.1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。表1 丙酮水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點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

4、.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511由表1數(shù)據(jù)可作出t-y（x）圖如下由表1數(shù)據(jù)作出相平衡y-x線圖由 ， 得 由表計算得：1=38.318=5.712=34.589=4.203=32.3510=34=27.5911=2.185=17.3912=1.606=11.5613=1.337=7.9914=1.20所以 =7.055得出相平衡方程：y =泡點進(jìn)料，所以q=1，xe=xF=0.143代入相平衡方程，得到y(tǒng)e=0.541所以 Rmin 1.073初步取實際操作回流比為理論回流比的1

5、.5倍即 R=1.5Rmin=1.51.073 = 1.613.1.2 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 L kmol/h V kmol/h L kmol/h V kmol/h3.1.3 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 y3.1.4 捷算法求理論板層數(shù)求最少理論塔板數(shù)Nmin和Nminl NminNminl捷算法求理論塔板數(shù)由 解得 N =13.5 （包括再沸器），取14塊根據(jù)式 得 ， 取10塊所以加料板可設(shè)在第10塊。3.2 求取塔板的效率用奧康奈爾法()對全塔效率進(jìn)行估算：根據(jù)丙酮水系統(tǒng)tx(y)圖可以查得：（塔頂?shù)谝粔K板) x1=0.81設(shè)丙酮為A物質(zhì)，水為B物質(zhì)所以第一塊

6、板上： xA=0.81 xB=0.19可得： (加料板) xF =0.143 yF=0.541假設(shè)物質(zhì)同上： yA=0.541 xA =0.143 yB=0.459 xB=0.857可得： (塔底) xW=0.013 yW=0.085假設(shè)物質(zhì)同上：yA=0.085 xA =0.013 yB=0.915 xB=0.987可得： 所以全塔平均揮發(fā)度： =7.055精餾段平均溫度： 查物性常數(shù)表(如表2)：表2.水和丙酮的性質(zhì)溫度5060708090100水粘度mPa0.5920.4690.400.330.3180.248丙酮粘度mPa0.260.2310.2090.1990.1790.160水表面

7、張力67.766.064.362.760.158.4丙酮表面張力19.518.817.716.315.214.3相對密度0.7600.7500.7350.7210.7100.699水密度998.1983.2977.8971.8965.3958.4丙酮密度758.56737.4718.68700.67685.36669.9260.55時， 水=0.469 mPas 丙酮=0.231 mPas所以 查85時，丙酮-水的組成 所以 同理可得：提留段的平均溫度 查表可得在77.3時 3.3求實際塔板數(shù)由 得，實際塔板數(shù)為30塊精餾段實際板層數(shù) N，取22塊提餾段實際板層數(shù) N，取9塊4.精餾塔的工藝條

8、件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算4.1操作壓力計算塔頂操作壓力：；每層塔板壓降：；進(jìn)料板的壓力：；塔底的壓力：（1）精餾段平均壓力：（2）提餾段平均壓力：4.2 操作溫度計算塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 塔底溫度 （1）精餾段平均溫度為： （2）提餾段平均溫度為： 4.3 平均摩爾質(zhì)量的計算塔頂平均摩爾質(zhì)量：由，查平衡曲線（x-y圖），得 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量：由 ， 查平衡曲線（x-y圖），得 塔底平均摩爾質(zhì)量：由 ， 查平衡曲線（x-y圖），得 （1）精餾段平均摩爾質(zhì)量： （2）提餾段平均摩爾質(zhì)量： 4.4 平均密度的計算4.4.1 氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，（1）精餾段氣相平均密度為： kg/

9、（2）提餾段氣相平均密度為： kg/4.4.2 液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即 塔頂液相平均密度：由，查表2得， 進(jìn)料板液相平均密度：由，查表2得， 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 塔底液相平均密度：由，查表2得， （1）精餾段液相平均密度為（2）提餾段液相平均密度為：4.5液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即 塔頂液相平均表面張力：由，查表2得， 進(jìn)料板液相平均表面張力：由，查表2得， 塔底液相平均表面張力：由，查表2得， （1）精餾段液相平均表面張力為：（2）提餾段液相平均表面張力為：4.6液體平均黏度計算液相平均粘度依下式計算，即 塔頂液相平均粘度：由，查表2得， 解出

10、進(jìn)料板液相平均粘度：由，查表2得， 解出 塔底液相平均粘度： 由，查表2得， 解出 (1)精餾段液相平均粘度為： (2)提餾段液相平均粘度為：5.精餾塔的塔體工藝尺寸計算5.1塔徑的計算5.1.1精餾段塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為 m3/s m3/s由 式中C由式計算，式中C20由圖3（史密斯關(guān)系圖）查得，圖3 史密斯關(guān)系圖圖的橫坐標(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=0.4m塔截面積為 m2實際空塔氣速為 m/s5.2精餾塔有效高度的計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

11、m5.3精餾塔的高度計算實際塔板數(shù) 進(jìn)料板數(shù) ；由于該設(shè)計中板式塔的塔徑，無需設(shè)置人孔進(jìn)料板處板間距 ；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 15.33m6.塔板主要工藝尺寸的計算6.1溢流裝置計算因為塔徑0.4m，一般場合可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：6.1.1堰長lw取 m6.1.2 溢流堰高度hw由 選用平直堰，堰上液層高度hOW由下式計算，即 近似取E=1，則 0.0063m取板上清液層高度 故 m6.1.3 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 查圖4（弓形降液管的參數(shù)），得

12、故 依式 【4】驗算液體在降液管中停留的時間，即 故降液管設(shè)計合理。6.1.4 降液管底隙高度ho 取 則 故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度6.2塔板布置6.2.1塔板的選取因為，故塔板采用整塊式。6.2.2邊緣區(qū)寬度確定取 ，6.2.3開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按下式計算，即 其中 故 0.09m26.2.4篩孔計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)驗算7.1塔板降7.1.1干板阻力hc計算干板阻力hc由下式計算，即 由，查圖5（干篩孔的流量系數(shù)圖

13、）圖5 干篩孔的流量系數(shù)圖得，故 m液柱7.1.2氣體通過液層的阻力hl計算氣體通過液層的阻力hl由下式計算，即 圖6 充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖查圖6（充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖）得：故 m液柱7.1.3液體表面張力的阻力h計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h由下式計算，即 氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即 氣體通過每層塔板的壓降為 （設(shè)計允許值）7.2液面落差對于篩板塔，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算，即 故 故在本次設(shè)計中液沫夾帶量eV在允許范圍內(nèi)。7.4漏液對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即 實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 故在本次

14、設(shè)計中無明顯漏液。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 丙酮-水物系屬一般物系，不易發(fā)泡，故安全系數(shù)取，則 而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由下式計算，即 故在本次設(shè)計中不會發(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Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表2。表7 0.0006 0.0015 0.0020 0.0025 0.0562 0.0604 0.0623 0.0639由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線，如下圖所示。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Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果

15、列于表3。表8 0.0006 0.0015 0.0020 0.0025 0.214 0.192 0.182 0.173由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線，如下圖所示。8.3液相負(fù)荷下限線對于平直堰，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 故 或 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表4。表9 0.

16、0006 0.0015 0.0020 0.0025 0.259 0.247 0.241 0.236由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線，如下圖所示。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.主要接管尺寸計算9.1塔頂蒸汽管的管徑計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

17、的管徑計算釜液流出速度一般范圍為，故選??；排出管中料液的體積流量圓整直徑為10.塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表所設(shè)計篩板的主要結(jié)果匯總于表10。表5 篩板塔設(shè)計計算結(jié)果參數(shù)表 序 號項 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，

18、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60.55122.820.1620.0002433011.60.400.40單溢流弓形0.2640.0540.060.00630.0260.070.0350.090.0054620.0150.1011.2917.821.65669.98液泛控制液沫夾帶控制0.2510.221.1411.設(shè)計過程的評述和有關(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)點有：結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，造價較低；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，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；操作彈性相對較小。本次設(shè)計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)計中選用泡點進(jìn)料，原因是泡點進(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)計中，