丙酮精馏塔课程设计.doc

目录一 前 言 -3 二 设计题目-4三 设计说明书符号表-4四 流程图-4五 物性参数-5六 工艺计算-66.1 汽液平衡数据- 66.2 数据换算-76.3 物料衡算-76.4 理论板数计算-76.4.1 板数与回流比的关系-76.4.2理论板数-96.5 操作线方程-9七 塔和塔主板主要工艺尺寸计算-97.1平均分子量的计算-97.1.1 塔顶的平均分子量-97.1.2 进料版的平均分子量-97.1.3 塔底的平均分子量-107.1.4 精馏段, 提馏段的平均分子量-107.2 平均密度的计算-107.2.1液相平均密度-107.2.2气相平均密度-117.3 塔径的计算-117.3.1 精馏段塔径-127.3.2 提溜段塔径-127.3.3 全塔塔径-137.4 填料塔层高度计算-137.5 填料塔的流体力学性能-137.6 持液量-137.6.1精馏段-137.6.2 提溜段-14八、 塔内附件选择-148.1 筒体-148.2 封头-158.3 裙座-158.4 法兰-158.5 液体再分布装置选择-168.6 填料支撑装置选择-168.7 除沫器选择-168.8 液体喷淋装置选择-178.9 预热器的选择-18九、辅助设备-18 9.1 塔顶冷凝器的选择-18 9.2 塔顶再沸器的选择-19 9.3管道设计与选择-19 9.4 泵-19 9.4.1 进料泵-19 9.4.2 回流泵-20十、 塔设计计算参数汇总-20十一、 参考数据-20十二、 结束语-21一 前 言 丙酮是一种重要的基本有机原料之一，主要用作制造醋酸纤维素胶片薄膜、塑料和涂料的溶剂。塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备，用以实现蒸馏的他设备称为蒸馏塔，这类塔设备的基本功能在于提供气、液两相充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行，还要能使接触之后的气液两相及时分开，互不夹带。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。塔内两相浓度沿塔高连续变化。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。评价塔设备的基本性能的指针主要有：1 产量和通量：前者指单位时间处理物料量，而后者指单位塔截面上的单位时间的物料处理量。2 分离效率：对板式塔是指每层塔板所能达到的分离程度。填料塔则是单位填料层高度的分离能力。3 适应能力及操作弹性：对各种物料性质的适应性及在负荷波动时维持操作稳定而保持较高分离效率的能力。4 流体阻力：气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降。除上述几项主要性能外，塔的造价的高低、安装、维修的难易以及长期运转的可靠性等因素，也是必须考虑的实际问题。填料塔则有较小的压降，但大塔径填料塔气液分布不够好，导致分离效率较低。新型填料的开发使用，极大改进了填料塔的使用范围, 相关填料流体力学性能和传质性能参数更为可靠和丰富。二 设计题目项目名称:丙酮精馏塔： 原料:85吨/天 39%(质量%) 其余为水产品要求:回收率 98% 塔顶产品浓度 98%三 设计说明书符号表符号名称单位F进料流量kmol/hD塔顶产品流量kmol/hW塔底产品流量kmol/hM摩尔质量kg/kmolN理论塔板数R回流比P压强Pat温度气体粘度PasV气相摩尔流量kmol/hW液相摩尔流量kmol/hXD塔顶产品浓度XW塔底产品浓度x液相摩尔分数y气相摩尔分数组分的相对挥发度回收率密度kg/m3四流程图 原料粗馏塔精馏塔冷凝器冷凝器再沸器1再沸器2排水塔顶产物1塔顶产物2五 物性参数水的物性参数: 分子量18压强/Pa温度t/密度比热容黏度汽化热H/(kJ/kg)1.010999.94.212178.78-10999.74.191130.5327020998.24.183100.4234830995.74.17480.1239840992.24.17465.3245050988.14.17454.9348860983.24.17846.9853070977.84.16740.6055580971.84.19535.5068090965.34.20831.48625100958.44.22028.24640（丙酮分子量58.05）此精馏塔设计我选择常压精馏是为了操作方便，由丙酮的物性参数所起确定。规整填料性能填料类型理论板数N(1/m)比表面积a(1/m)空隙率(%)P/Z (Mpa/m)AK125Y塑料孔板波纹填料0.8512598.51.4*10-40.2911.563六 化工工艺设计：6.1 汽液平衡数据丙酮汽液平衡数据表压强/kPa温度/丙酮摩尔分数/% 液相子x汽相中y101.3251000.00.092.70.010.25386.50.020.42575.80.050.62466.50.100.75563.40.150.79862.10.200.81561.00.300.83060.40.400.83960.00.500.84959.70.600.85959.00.700.87458.20.800.89857.50.900.93557.00.950.96356.131.01.0气液平衡t-x-y图6.2.数据换算：质量分数换算到摩尔分数： X=0.938 单位换算: 6.3.物料衡算： 原料处理量： F=135.35Kmol/h进料浓度： XF=0.165 塔顶产品丙酮的摩尔分率： XD=0.938 回收率 =98% 由： F=D+W FXF=DXD+WXW DXD/FXF= 得：塔顶流量： D=23.38kmol/h 塔底流量：W=111.97kmol/h 塔底产品丙酮的摩尔分率: Xw =0.004 6.4.理论板数计算:6.4.1 板数和回流比关系 一般R加大,理论板数较少,塔设备投资少,但气化量大,能耗高,操作费用少。R减少,理论板数较多,塔设备投资大，但气化量小，能耗高，操作费用多。由XD 、XW、R可确定N，取RN作图如下：吉利兰关理论板数图回流比的变化与理论板数的关系R0.470.691.332.032.856.69NT4.99.576.25.35取操作回流比为:R=2.036.4.2 理论板数q=1q线方程: x= XF=0.1654精馏段理论板数 = 4 进料板:第5块提馏段理论板数 = 3 总理论板数 Nt=76.5 操作线方程：精馏线操作线 =0.6700x+0.3096提馏线操作线 =2.5806x-1.5806七 塔和塔板主要工艺尺寸计算7.1 平均分子量的计算：M轻组分= 58.08 ， M重组分= 18， 7.1.1塔顶的平均分子量：Xd =XD=0.938， X1=0.979，Mvdm=Xd*M轻组分 + (1- Xd)*M重组分 =55.54g/mol Mldm =X1*M轻组分 + (1-X1)*M重组分 =53.18 g/mol 7.1.2 进料板的平均分子量： y3=0.807 x3= XF=0.165 Mvfm= y3* M轻组分 + (1- y3) *M重组分 =50.34 g/mol Mlfm= x3* M轻组分 +(1- x3) *M重组分 =24.61 g/mol 7.1.3 塔底的平均分子量： Yw=0.567Xw=0.004 Mvwm=Yw* M轻组分 + (1-Yw) *M重组分 =40.73 g/mol Mlwm=Xw* M轻组分 +(1-Xw) *M重组分 =18.16g/mol 7.1.4 精馏段, 提馏段的平均分子量： 精馏段平均分子量 Mlm=( Mldm+ Mlfm)/2=52.94g/mol Mvm=( Mvdm+ Mvfm)/2=38.90g/mol 提馏段平均分子量 Mlm= (Mlwm+ Mlfm)/2=45.54 g/molMvm= (Mvwm+ Mvfm)/2=21.39 g/mol7.2 平均密度的计算：根据进料板组成查水-丙酮平衡体系t-x-y图，得进料板温度tF =64，塔底温度tW =72，塔顶温度tD = 59利用物性数据参数表查得：在64下，丙酮的密度与水的密度： =719 =980在72下，丙酮的密度与水的密度： =711 =977.8在59下，丙酮的密度与水的密度： = 720 =983.2因此，丙酮的平均密度、水的平均密度取各温度下的丙酮的密度与水的密度的平均值， =716.7 =980.37.2.1 液相平均密度其中进料丙酮质量百分比：塔底丙酮质量百分比：塔顶丙酮质量百分比：塔顶液相密度: 进料液相密度：塔底液相密度: 精馏段的平均液相密度: 提馏段的平均液相密度: 7.2.2气相平均密度 进料板温度tF =64，塔底温度tW =72，塔顶温度tD = 59 精馏段: =61.5 7.71Kg/m3 提馏段: 68 3.83 Kg/m37.3 塔径的计算(规整填料) 最近规整填料得到较快，使用规整填料，填料塔性能稳定，气液体再分布性能均匀，塔的分离效能高，压力降低，能适应较高的气速和较低的回流比，弹性大。表7-2-1规整填料性能填料类型理论板数N, 1/m比表面积at，1/m空隙率P/Z,Mpa/mAK125X塑料孔板波纹填料0.8512598.51.4*1040.2911.563 7.3.1精馏段塔径：（1）塔顶液相平均粘度的计算 由 tD = 59,查手册得丙酮 = 0.207 mpas 水 = 0.4759mpaslg(L,D)= XDlg(L,轻组分)+（1XD）lg(L,重组分) =L,D=0.2179 mPaslg(L,F)= Xnlg(L,轻组分)+（1Xn）lg(L,重组分) （Xn：加料板上的液相组成） =-0.3823L,F=0.4147 mPas液体粘度L(L,D+L,F）/2=0.3163 mPas（2）计算: 液相品质流量 气相品质流量 （3）计算得泛点气速 其中：u f为泛点气速 m/s g：重力加速度 9.81 m/s2 a：填料比表面积1/m：空隙率 L：液体黏度，mPas A，K：常数VM，LM： 气液相密度 Kg/m3 WG，WL：气液相质量流量，Kg/h 带入数据得:计算得泛点气速uf= 1.62 m/s取安全系数 计算泛点气速=1.30 m/s ，得，所以塔径圆整后，D=0.3m7.3.2 提馏段塔径： 同理得， 塔径圆整后，D=0.3m7.3.3 全塔塔径 精馏段塔径圆整后D= 0.3m 提馏段塔径圆整后D= 0.3 m7.4 填料层高度计算(规整填料)根据塔径，可取板间距HT = 0.30 m精馏塔有效高度为Z精 = N精 HT = 40.3= 1.2 m 提溜段有效高度为Z提 = （N提 1 ）HT = (3 1)0.3 = 0.6 m在进料板上方开一入孔，其高度为0.7 m 故精馏塔的有效高度为Z = Z精 + Z提 + 0.8 =1.2+0.7+0.6=2.5m7.5填料塔的流体力学性能 7.5.1 压降(规整填料)： 查表可知，125Y型的金属孔板波纹填料的每米填料塔中的压降：P =0.2kPa 精馏段P=Z精馏段*P/Z=1.20.2=0.24 Pa 提馏段P=Z提馏段*P/Z=0.60.2=0.12 Pa7.6 持液量 7.6.1 精馏段液体喷淋量喷淋密度：U=Lh/0.785D2= 16.5m3/m2h最小喷淋密度：Umin=(Lw)min= 0.12125=15 m3/m2h式中：填料的比表面积，m2/m3；Umin最小喷淋密度，m3/（m2h）；(Lw)min最小润湿率，m3/（mh）。 (Lw)min的取值如下：因此：(Lw)min=0.12 125Y/125X金属孔板波纹填料，125Y/125X塑料孔板波纹填料要求液体喷淋量最小喷淋量（若喷淋密度过小，可增加回流比，或在许可范围内减小塔径，或适当增加填料层高度予以补偿。）7.6.2提馏段液体喷淋量喷淋密度：U=Lh/0.785D2= 10.70m3/m2h最小喷淋密度：Umin=(Lw)min= 0.12125=15 m3/m2h要求液体喷淋量最小喷淋量 八.填料塔的附件8.1 筒体(一)设计壁厚圆筒计算厚度，考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。由此得到筒体的设计厚为 式中 dd-圆筒设计厚度,mm； Di-圆筒内径,mm； p-容器设计压力，MPa；f-焊接头系数.由于p与t比很小,采用简写式:： 根据表8-62，设计温度为94100，采用碳素钢钢板，查得钢号为A3，钢板标准为GB912，在此设计温度下的许用应力为111MPa，计算压力 p=0.000329+0.000653+0.1013=0.1023MPa圆筒内径 焊接头系数 则 园整后为3mm，在钢号为A3，钢板标准为GB912的厚度34mm范围内。（2） 筒体参数碳素钢钢板钢号钢板标准使用状态厚度mm常温强度指标100下的许用应力MPabMPasMPaA3GB912热轧343702351118.2封头选用标准椭圆形封头这种封头是由半个椭圆球和一段高度为h0的圆柱形筒节构成。公称直径 曲面深度 根据表8-122，封头直边高度 ， 壁厚4mm封头高度：由标表选用JB/T47462002的封头,类型代号EHAEHB椭圆形封头内表面积、容积、质量公称直径DNmm总高度Hmm名义厚度nmm内表面积Am2容积Vm3质量Mkg32510660.12920.00586.15298.3 裙座因为塔的高径比小于30，所以用圆筒形裙座公称直径DNmm每根支腿允许载荷kN支腿数量支承最大高度Hmaxmm尺寸/mm焊缝长度hf垫板地脚螺栓宽度A长度Ax厚度n1孔径db规格80012410001302602002.4624M20裙座高度： 封头高度： 塔顶部空间高度： 塔底部高度： 塔釜： 塔底停留时间： 则8.4 法兰由于在常压下操作,所有法兰均采用标准管法兰平焊法兰。根据表10-22，由公称压力PN=0.25MPa，选择如下参数：法兰参数公称直径DNmm法兰/mm螺柱连接尺寸法兰厚度质量Kg规格数量DD1D2D3D4d甲型500615580550540537183022.8M16208.5 液体再分布装置选择 液体再分布装置选择 为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。 通常将整个填料层分为若干段，段与段之间设置液体再分布器。 由资料可知， 则取 则 =2.5 m 即每隔2.5m需安装一个液体再分布装置因为Z =5.0 m，因此需加2个液体再分布器。8.6 填料支撑装置选择 填料支撑装置结构最简单的是栅板，由竖立的扁钢焊在钢圈上制得。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板的自由截面率应大于50。此外，效果较好的是具有圆形或条形升气管的筛板式支承板，液体从板上筛孔流下，气体通过升气管由管壁的小孔流出，气液分布较均匀，又因在支承装置处逆流的气液相各有通道，可避免因支承装置而引起的积液现象.8.7 除沫器选择 气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式和填料层式。 折流板式除沫器：气体流过曲折通道时，气流中夹带的液滴因惯性附于折流板壁，然后流回塔内。填料层式除沫器：气体流过填料层时，气流中夹带的液滴附于填料表面流回塔内。 在此选用填料层式除沫器：设计气速选取：气速：除沫器的直径选择： 则直径：根据直径选取不锈钢除沫器：类型：标准型 规格：40-100 材料：不锈钢丝网（1Gr18Ni9） 丝网尺寸：圆丝0.23查5参考数目中，由表37-1和37-2得公称直径DN主要外形尺寸质量（kg）HH1D丝网格栅及定距杆支承件5001002105002.812.890.191502504.222.940.198.8 液体喷淋装置选择 填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶的初始分布必须均匀。在填料层内液体初始分布良好，会减少塔顶部的“端效应”，好的喷淋装置可保证填料分离效率充分发挥，若从塔中央一点注入液流时，液流在一定填料高度内会很不均匀。莲蓬式喷洒器具有半圆球形外壳,在壳壁上有许多可供液体喷洒的小孔,液体由泵或高位槽以一定压头流入,然后由小孔喷出.常用参数直径d为塔径D的1/31/5;球面半径为(0.51.0)D;喷洒角小于80,喷洒外圈距塔壁x=70100mm,莲蓬高度y（0.51.0）D,小孔直径d0=38mm,推荐45mm,莲蓬头一般用于直径在600mm以下的塔中.在此选取莲蓬头式喷淋器，选用此装置能使截面积的填料表面较好湿润，结构简单，制造维修方便，喷洒比较方便，安装也方便。流速系数，0.50.82，在此取0.82。H取0.06 小孔输液能力计算：小孔点面积：小孔直径d取8mm，则小孔数：8.9预热器的选择取总传热系数K= 1500 W/m2（丙酮）汽化潜热r1 235 kJ/kgK （水）汽化潜热r2 590 kJ/kgK Q=Ft =2.03*104 KJ/h 换热器面积A= m2 圆整到m2 选型：将计算出的换热器面积作为公称面积，在附录中选择换热器，并给出所选择的换热器的参数（如果列表，必须写出表头）。表10-3-1预热器的主要参数外壳直径D/mm公称压强pg/(kgf/cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径d0/mm管子总数N/根管程数壳程数4002540正三角排列6258641九. 辅助设备换热器设计参数换热气名称介质温度,进出塔顶冷凝器壳程塔顶泡点塔顶泡点管程循环冷凝水2040塔底再沸器壳程泡点泡点+4管程蒸汽168168 9.1塔顶冷凝器的选择总传热系数 K=1250W/m2rD=r1*y1+r2*(1-y1)=225.6kj/kgQ=(R+1)DrD=1366.7kj换热器面积 A=43.2 m2塔顶冷凝器的主要参数外壳直径D/mm公称压强Pg/(kgf/cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径do/mm管子总数N/根管程数壳程数4001643.262510219.2 塔顶再沸器的选择总传热系数 K=2500W/m2rw=r1*Xw+r2*(1-Xw)=987,738kj/kg平均Cp=Cpi*Xi=15.43kj/kgKQ=V*rw+V*Cp*t=3500000KJ/h换热器面积 A=5.28 m2 塔顶再沸器的主要参数外壳直径D/mm公称压强Pg/(kgf/cm2)公称面积A/m2管子排列方法管长l/m管子外径do/mm管子总数N/根管程数壳程数273255.282253819.3管道设计与选择 为减少气液进出塔对塔内操作的冲击，管径选取按下述条件：流体流速:uL=13 m/s 气体流速uG=1030m/s蒸汽: u=3050 m/s uL=2m/s u=40m/s 公式: 塔顶回流管 di=28mm 塔顶蒸汽出口管 di=140mm 塔顶产品出口管 di=9.7mm 进料管 di=25mm 塔釜出料管 di=172mm 塔釜回流管 di=25mm 塔釜产品出口管 di=22mm 9.4泵 9.4.1 进料泵 给出进料量V=1.79m3/h圆整后V=2 m3/h扬程 H=8m 表10-4-1 进料泵的参数泵型号流量/(m3/h)扬程/m转速/(r/min)气蚀余量/m泵效率/%功率/kW泵外形尺寸（长宽高）/mm泵口径/mm轴功率配带功率吸入排出IS50-32-1603.75814502.0480.280.5546524029250329.4.2 回流泵 回流液可以通过重力流下去，因此回流泵省去可以达到经济、实惠的目的。十三、 塔设计计算参数汇总项目符号单位计算数据精馏段提馏段平均压强PmkPa101.3101.3液相平均分子量MLKg/mol52.9345.54气相平均分子量MVKg/mol38.9021.39液相平均密度LKg/m3789.04916.6气相平均密度vKg/m37.713.83平均流量液相WLkg/h2528.48325.17气相WGkg/h2755.71515.27理论塔板数N块43(不包括再沸器)填料层高度Zm2.50.6塔径Dm0.30.3空塔气速um/s5.185.12塔板压降pkPa0.240.12液体的喷淋量Lh3.242.1十一、参考数据1陈常贵、曾敏敬等，化工原理（上、下），天津科学技术出版社，1992年，天津2毕诚敬，化工原理课程设计，天津科学出版社，1996年，天津3化学工程编委会，化学工程手册（第1、13卷），化学工业出版社，1989年，北京4化工设备设计全书编委会，塔设备设计，上海科学技术出版社，1989年，上海5潘国昌、郭庆丰，化工过程