化工原理课程设计丙酮和水.doc

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设计任务书

（一）设计任务

拟建立一套连续板式精馏塔分离丙酮-水溶液，进料中含丙酮50%（质量分数）。

设计要求废丙酮溶媒的处理量为12万吨/年，塔底废水中丙酮含量不高于6%（质量分数）。

要求产品丙酮的含量为99%（质量分数）。

（二）操作条件

1）塔顶压力4kPa（表压）

2）进料热状态自选

3）回流比自选

4）塔底加热蒸气的压力为0.5Mpa（表压）

5）单板压降≤0.7kPa

（三）塔板类型

自选

（四）工作日

每年工作日为300天，每天24小时连续运行。

（五）设计说明书的内容

1.设计内容

（1）流程和工艺条件的确定和说明

（2）操作条件和基础数据

（3）精馏塔的物料衡算；

（4）塔板数的确定；

（5）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；

（6）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；

（7）塔板主要工艺尺寸的计算；

（8）塔板的流体力学验算；

（9）塔板负荷性能图；

（10）主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、人孔等）

（11）塔板主要结构参数表

（12）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

2.设计图纸要求：

（1）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）；

（2）绘制精馏塔设计条件图（A3号图纸）。

目录

1.设计方案简介……………………………………………………………………1

1.1设计方案的确定………………………………………………………………1

1.2操作条件和基础数据…………………………………………………………1

2.精馏塔的物料衡算…………………………………………………………………1

2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率………………………………………1

2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量…………………………………1

2.3物料衡算………………………………………………………………………2

3.塔板数的确定………………………………………………………………………2

3.1理论板层数NT的求取………………………………………………………2

3.1.1求最小回流比及操作回流比………………………………………2

3.1.2求精馏塔的气、液相负荷…………………………………………3

3.1.3求操作线方程………………………………………………………3

3.1.4图解法求理论板层数………………………………………………3

3.2塔板效率的求取……………………………………………………………4

3.3实际板层数的求取…………………………………………………………5

4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算……………………………………5

4.1操作压力计算………………………………………………………………5

4.2操作温度计算………………………………………………………………5

4.3平均摩尔质量的计算………………………………………………………5

4.4平均密度的计算……………………………………………………………6

4.4.1气相平均密度计算…………………………………………………6

4.4.2液相平均密度计算…………………………………………………6

4.5液体平均表面张力计算……………………………………………………7

4.6液体平均黏度计算…………………………………………………………7

5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算……………………………………………………8

5.1塔径的计算…………………………………………………………………8

5.1.1精馏段塔径的计算…………………………………………………8

5.1.2提馏段塔径的计算…………………………………………………9

5.2精馏塔有效高度的计算……………………………………………………9

5.3精馏塔的高度计算………………………………………………………10

6.塔板主要工艺尺寸的计算………………………………………………………10

6.1溢流装置计算……………………………………………………………10

6.1.1堰长lw……………………………………………………………10

6.1.2溢流堰高度hw…………………………………………………11

6.1.3弓形降液管宽度Wd和截面积Af………………………………11

6.1.4降液管底隙高度ho………………………………………………11

6.2塔板布置…………………………………………………………………12

6.2.1塔板的分块………………………………………………………12

6.2.2边缘区宽度确定…………………………………………………12

6.2.3开孔区面积计算…………………………………………………12

6.2.4筛孔计算及其排列………………………………………………12

7.筛板的流体力学验算…………………………………………………………13

7.1塔板降……………………………………………………………………13

7.1.1干板阻力hc计算…………………………………………………13

7.1.2气体通过液层的阻力hl计算………………………………………13

7.1.3液体表面张力的阻力hσ计算……………………………………13

7.2液面落差…………………………………………………………………13

7.3液沫夹带…………………………………………………………………14

7.4漏液………………………………………………………………………14

7.5液泛………………………………………………………………………14

8.塔板负荷性能图…………………………………………………………………15

8.1漏液线……………………………………………………………………15

8.2液沫夹带线………………………………………………………………15

8.3液相负荷下限线…………………………………………………………16

8.4液相负荷上限线…………………………………………………………17

8.5液泛线……………………………………………………………………17

9.主要接管尺寸计算……………………………………………………………19

9.1蒸汽出口管的管径计算…………………………………………………19

9.2回流液管的管径计算……………………………………………………19

9.3进料液管的管径计算……………………………………………………19

9.4釜液排出管的管径计算…………………………………………………19

10.塔板主要结构参数表…………………………………………………………20

11.设计过程的评述和有关问题的讨论…………………………………………21

参考文献……………………………………………………………………………23

1.设计方案简介

1.1设计方案的确定

本设计任务为分离丙酮—水混合物提纯丙酮，采用连续精馏塔提纯流程。

设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。

塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。

该物系属易分离物系，回流比较小，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热，塔底产品经冷却后送至储罐。

1.2操作条件和基础数据

进料中丙酮含量（质量分数）wF=0.50；

产品中丙酮含量（质量分数）wD=0.99；

塔釜中丙酮含量（质量分数）wW=0.06；

处理能力F=120000吨/年；

塔顶操作压力4kPa（表压）

进料热状况泡点进料；

单板压降≤0.7kPa；

塔底加热蒸汽的压力0.5Mpa（表压）

2.精馏塔的物料衡算

2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

丙酮的摩尔质量MA=58.08kg/kmol

水的摩尔质量MB=18.02kg/kmol

xF==0.237

xD==0.968

xW==0.019

2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF=27.51kg/kmol

MD=56.80kg/kmol

MW=18.78kg/kmol

2.3物料衡算

每年300天，每天工作24小时，其处理能力为120000吨/年

F=605.84kmol/h

总物料衡算605.84=D+W

乙醇的物料衡算605.840.237=0.968D+0.019W

联立解得F=139.17kmol/h

W=466.67kmol/h

3.塔板数的确定

3.1理论板层数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，先根据丙酮-水平衡数据（见下表1），绘出平衡线，如下图所示。

丙酮—水系统t—x—y数据

沸点t/℃

丙酮摩尔数

x

y

100

0

0

92

0.01

0.279

84.2

0.025

0.47

75.6

0.05

0.63

66.9

0.1

0.754

62.4

0.2

0.813

61.1

0.3

0.832

60.3

0.4

0.842

59.8

0.5

0.851

59.2

0.6

0.863

58.8

0.7

0.875

58.2

0.8

0.897

57.4

0.9

0.935

56.9

0.95

0.962

56.7

0.975

0.979

56.5

1

1

采用截距法求最小回流比。

在上图对角线上，自点b（0.237,0.237）作垂线bf即为q线，由a点（0.968,0.968）出发作平衡线的切线的交点坐标为：

，yq=0.613,xq=0.237,求得最小回流比为：

Rmin

R=1.5Rmin=1.50.944=1.42

3.1.2求精馏塔的气、液相负荷

Lkmol/h

Vkmol/h

Lkmol/h

Vkmol/h

3.1.3求操作线方程

精馏段操作线方程为

y

提馏段操作线方程为

y

3.1.4图解法求理论板层数

采用图解法求理论板层数，结果见上图，求解结果为

总理论塔板数N=15（包括再沸器）

进料板位置N=14

3.2塔板