化工原理课程设计丙酮和水

（一）设计任务拟建立一套连续板式精储塔分离丙酮-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竺（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00.7kPa（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)流程和工艺条件的确定和说明(2)操作条件和基础数据(3)精储塔的物料衡算；⑷塔板数的确定；(5)精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算；(6)精储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)绘制精储塔设计条件图(A3号图纸)3.23.2塔板效率的求取TOC\o"1-5"\h\z.设计方案简介 1设计方案的确定 1操作条件和基础数据 1.精储塔的物料衡算 1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 1原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 1物料衡算 2.塔板数的确定 2理论板层数M的求取 2求最小回流比及操作回流比 2求精储塔的气、液相负荷 3求操作线方程 3图解法求理论板层数 33.3实际板层数的求取 5.精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算 TOC\o"1-5"\h\z操作压力计算 5操作温度计算 5平均摩尔质量的计算 5平均密度的计算 6气相平均密度计算 6液相平均密度计算 6液体平均表面张力计算 7液体平均黏度计算 7.精储塔的塔体工艺尺寸计算 8塔径的计算 8 81010 9.塔板主要工艺尺寸的计算TOC\o"1-5"\h\z溢流装置计算 10lw 10溢流堰高度hw 11弓形降液管宽度W和截面积A 11降液管底隙高度ho 116.2塔板布置 12 12 12 12 12TOC\o"1-5"\h\z7.筛板的流体力学验算 13塔板降 13hc计算 13hi计算 131313ho计算7.2 7.2 液面落差 137.2 7.2 液面落差 13TOC\o"1-5"\h\z液沫夹带 14漏液 14液泛 14.塔板负荷性能图 15漏液线 15液沫夹带线 15液相负荷下限线 16液相负荷上限线 17液泛线 17.主要接管尺寸计算 19蒸汽出口管的管径计算 19回流液管的管径计算 19进料液管的管径计算 19釜液排出管的管径计算 19.塔板主要结构参数表 20参考文献 参考文献 23参考文献 参考文献 23wD=0.99wwD=0.99wW=0.06;塔顶操作压力进料热状况单板压降塔底加热蒸汽的压力0.5Mpa（表压）.设计方案简介设计方案的确定本设计任务为分离丙酮一水混合物提纯丙酮，采用连续精储塔提纯流程。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储塔内。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。操作条件和基础数据进料中丙酮含量（质量分 wF=0.50数）产品中丙酮含量（质量分数）塔釜中丙酮含量（质量分_处理能力 数）F=120000 吨广干4kPa （表压）泡点进料；<0.7kPa；.精储塔的物料衡算原料液及塔顶、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 B=18.02kg/kmol0.50/58.08.. =0.237F= 0.50/58.080.50/18.02XD=—0.99/58.08—=0.9680.99/58.080.01/18.020.06/58.08XW= =0.0190.06/58.080.94/18.02原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.23758.08(10.237)18.0227.51kg/kmolMD=0.96858.08(10.968)18.0256.80kg/kmolMW=0.0658.08(10.06)18.0218.78kg/kmol物料衡算每年300天, 每天工作24小时，其处理能力为120000吨/年l12000010/(30024)小八厂I ,F= 605.84kmol/h27.51总物料衡算605.84=D+W乙醇的物料衡算605.84乙醇的物料衡算605.840.237=0.968D+0.019WWW=466.67 kmol/hWW=466.67 kmol/h.塔板数的确定理论板层数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，先根据丙酮-水平衡数据（见下表1）,绘出平衡线,如下图所示。丙酮一水系统t—x—y数据沸点t/c内酮摩尔数xy10000920.010.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.813(R1)D (R1)D (1.421)139.17336.79kmol/h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：0.9680.613R 0.944min 0.613-0.237R=1.5R =1.50.944=1.42min求精储塔的气、液相负荷LRD1.42139.17197.62kmol/h

.L，LF197.62605.84803.46kmol/hVV336.79kmol/h求操作线方程精储段操作线方程为L D 197.62 139.17y—x—x x 0.9680.587x0.40VDV 336.79 336.79提储段操作线方程为y—xxWVLWV 803.46′466.6703-3-6-.-79x 3-3-6-.790.0192.386x0.02‘63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NT=15（包括再沸器）进料板位置Nf=14塔板效率的求取操作温度计算:xD0.968由乙醇一水的气液两相平衡图可查得组成分别为 XF0.237的泡点温度:xW0.019由乙醇一水的气液两相平衡图可查得:塔顶：xA0.968NA0.974塔顶和塔釜的气液两相组成为:塔釜：xA0.019yA0.410顶1.24查化工物性算图手册得: 3588底.则塔内相对挥发度： m[—晨1.2435.88 6.67全塔液体平均粘度的计算：液相平均粘度的计算，即lgLmx"gi塔顶液相平均粘度的计算由tD56.75C,查手册得：解出LDm0.24mPa・s塔底液相平均粘度的计算由tw86.95C,查手册得：解出Lwm0.39mPas则全塔液相平均粘度为6.670.3152.10mPsmLm查奥康内尔(o'connell)关联图得:查奥康内尔(o'connell)关联图得:E。38%因为筛板塔全塔效率相对值为1.1,故精储塔的全塔效率为3.3实际板层数的求取精储段实际板层数13/0.41831提储段实际板层数2/0.4185精储段实际板层数13/0.41831提储段实际板层数2/0.41854.精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1操作压力计算塔顶操作压力PD塔顶操作压力PD101.34105.3kpa每层塔板压降0.7kPa每层塔板压降0.7kPa进料板压力PF105.30.731127kpa进料板压力PF105.30.731127kpa精储段平均压力(105.3127)/2116.15kpa4.2操作温度计算丙酮-水溶7的t—x--y图由丙酮-水溶液的t—x--y图查得泡点温度(近似看作是操作温度)为:塔顶温度 tD56.75C进料板温度 tF61.85C精微段平均温度为：tm（56.7561.85）/2593c平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由XD yi0.968,查平衡曲线（x-y图），得进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（x-y图），得查平衡曲线（x-y图），得精微段平均摩尔质量平均密度的计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即Mm-116.1549.31 2.07kg/m3Vm RT8.314（59.3273.15）m液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由tD56.75C,查手册得进料板液相平均密度的计算由tF61.85C,查手册得进料板液相的质量分率精储段液相平均密度为液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即塔顶液相平均表面张力的计算由tD56.75C,查手册得进料板液相平均表面张力的计算由tF61.85C,查手册得精储段液相平均表面张力为液体平均黏度计算液相平均粘度依下式计算，即塔顶液相平均粘度的计算由tD56.75C,查手册得：

进料板液相平均粘度的计算由tF61.85C，查手册得:解出LWm0.44mPas精储段液相平均粘度为5.精储塔的塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算5.1.1精储段塔径的计算精储段的气、液相体积流率为32.230.0025n3/sVVMVm336.7949.31s 32.230.0025n3/sLMLm197.6238.093600Lm3600.843.93式中C由式CC20一计算，式中。2。由图（史密斯关系图）查20标为取板间距HT0.40m,板上液层高度hL0.06m,则查图（史密斯关系图）得 C200.070取安全系数为0.7,则空塔气速为uS7umax671.5741.102m/sD=1.2m按标准塔径圆整后为3.141.823.141.82m242.54A D2T4实际空塔气速为V2.23u-AT-2.540.88m/s4.7精储塔有效高度的计算精储段有效高度为(N精(N精1)H(311)0.4012m提储段有效高度为Z提(N提1)HT(51)0.41.6m故精储塔的有效高度为4.8精微塔的高度计算实际塔板数 n33块；进料板数 nF1块；由于该设计中板式塔的塔径D1000mm,为安装、检修的需要，选取每6层塔板设置一个人孔，故人孔数np6；进料板处板间距HF0.5m；设人孔处的板间距H0.6叫p为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，故选取塔顶间距HD1.7HT1.70.400.68m；塔底空间高度 HB<1.2m封头高度 H1375mm；裙座高度 H21000mm 0故精储塔的总高度为18.93m6.塔板主要工艺尺寸的计算

溢流装置计算因为塔径d1.8m一般场合可选用单溢流弓形降液管⑷，采用凹形受液盘。各项计算如下:堰长lw取lW0.66D0.661.81.19m溢流堰高度hwhwhhwhL选用平直堰，土!上液层高度hoM下式计算，即近似取E=1,则2.32.84 2.32.84 Lh 2.84how E1000 lw 1000230.00253600 0.011m1 --1.-19 取板上清液层高度故 hwh取板上清液层高度故 hwhLhowhL60mm0.049m0.060.011园0.66D查图（弓形降液管的参数） ［工得Af0.072AT 0.0722.540.183m2WdAf0.072AT 0.0722.540.183m2Wd0.12D0.121.80.216m3600AHT⑷验算液体在降液管中停留的时间，依式即Lh故降液管设计合理。6.1.4降液管底隙高度ho取 u00.08m/sh0Lh36001WUO0.002536000.026m/36001.190.08故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受7盘，深度hW\50mm塔板布置塔板的分块因为D1800mm，故塔板采用分块式。查表（塔板分块数），D1800mm，则塔板分为5块。边缘区宽度确定取WsWs 0.07m,Wc0.035mss c6.2.3开孔区面积计算液沫夹带量由下式计算，即液沫夹带量由下式计算，即液沫夹带量由下式计算，即液沫夹带量由下式计算，即干板阻力干板阻力hc由下式计算，即开孔区面积Aa按下式计算，即其中xD(W其中xD(WdWs)2Aa2gw0.614218—(0.2160.07)0.614m22一「七”就)而6.2.4筛孔计算及其排列本次所处理的物系无腐蚀性，可选用3mm本次所处理的物系无腐蚀性，可选用3mm碳钢板，取筛孔直径d05mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距士为筛孔数目”为1.155A1.1550.835t241431.155A1.1550.835t24143个20.0152开孔率为气体通过阀孔的气速为VsU0VsU0从1.192.230.10111.44m/s7.筛板的流体力学验算塔板降干板阻力hc计算由do/ 5/31.67,查图(干筛孔的流量系数)得，C00.772一 11442223 、一故人0.051 0.029m披柱0.772 843.97.2气体通过液层的阻力hi计算气体通过液层的阻力hi由下式计算，即查图(充气系数关联图)得：0.61故hihL (hwhow)0.61(0.490,011)0.037m液柱.3液体表面张力的阻力h。计算液体表面张力所产生的阻力h。由下式计算，即气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即气体通过每层塔板的压降为PhpLg0.070893.939.81579.53Pa0.7kPa(设计允许值)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本次的塔径(D1.8m2m)和液流量(Ls0.0025m3%)均不大，故可以忽略液面落差的影响。液沫夹带0.0095kg0.0095kg液/kg气0.1kg液/kg气0.0095kg0.0095kg液/kg气0.1kg液/kg气3.25.7103.26 0.94642.331030.400.15故在本次设计中液沫夹带量ev在允许范围内7.4漏液对筛板塔，漏液点气速u0,min可由下式计算，即实际孔速u011.44m/su0,min稳定系数为故在本次设计中无明显漏液。7.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 Hd应服从下式的关系，即乙醇一水物系属一般物系，不易发泡，故安全系数取 0.6⑷，则而 Hdi地板上不设进口堰，hd可由下式计算，即故在本次设计中不会发生液泛现象。8.塔板负荷性能图漏液线UO,min4.4COV(0.00560.13hLh)L/VV4.4CAs,min oa0.00560.13hwV4.4CAs,min oa0.00560.13hw232.841000LhEhhLVlw4.40.7720.1011.9320.00560.130.04984120.00560.130.0498411000233600Ls 0.0041843.932.23s1.19整理得V整理得Vs,min0.662J2.97829.14Ls23在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表20.0006 0.0015 0.0020 0.00251.181 1.213 1.228 1.241由上表数据即可作出漏液线1。液沫夹带线以eV0.1kg液/kg气为限，求M—Ls关系如下：3.2由eLHThf故hf0.1231.475Ls23整理得Vs5.1627.45Ls23在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表30.0006 0.0015 0.0020 0.00254.965 4.800 4.724 4.654由上表数据即可作出液沫夹带线2液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how0.006m作为最小液体负荷标准。则取E1,则TOC\o"1-5"\h\z据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线 3。液相负荷上限线以4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由下式可得，即\o"CurrentDocument"AH0.1830.40 3Ls,max —4 4 0.0183m/s据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线 4液泛线令 Hd(HThw)由 Hdhp儿hd;hphchlh;' 7;人即小联立得HT( 1)hW( 1)hoWhchdh1.31.3进料液管的管径计算忽略h,将how与Ls,hd与Ls,hc与Vs的关系式代入上式，并整理得0.051式中a 2A0c0将有关的数据代入，得0.051 2.23 0.0060 20.1011.930.772 843.93故 0.006Vs20.1905159.83Ls20.956Ls232 2 23或 Vs 31.752663833Ls 159.33Ls在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表4表40.0006 0.0015 0.0020 0.00255.532 5.441 5.396 5.352由上表数据即可作出液泛线5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图所示在负荷性能图上，作出操作点A,连接OA即作出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液沫夹带控制。由图可查得故操作弹性为9.主要接管尺寸计算塔由于塔顶操作压力为4kpa,故选取uv15.00m/s,则圆整直径为dv 3605mm1.2回流液管的管径计算冷凝器安装在塔顶，故选取uD0.35m/s,则圆整直径为dD895mm

由于料液是由泵输送的，故选取u由于料液是由泵输送的，故选取u2.00m/s；进料管中料液的体积流量dF4F然dF4F然 0.047m,3,142.00圆整直径为dF484mm1.4釜液排出管的管径计算釜液流出速度一般范围为0.50~1.00m/s,故选取UW0.80m/s；塔底平均摩尔质量计算由X2Xw0.019，得:MLwm0.01958.08(10.019)18.0218.78kg/kmol.塔板主要结构参数表所设计筛板的主要结果汇总于表5。表5筛板塔设计计算结果参数表序号项目数值1平均温度tm,C59.32平均压力Pm,kPa116.153气相流量M,(m/s)2.23111213141516171819液相流量Ls,(m3/s)实际塔板数肩效段高度Z，m塔径D,m板间距Hr,m溢流形式降液管形式堰长lW,m堰rHhw,m板上液层高度hL,m堰上液层局度代叫m降液管底隙高度h。，m安定区宽度W,m边缘区宽度W,m开孔区间积Aa,m筛孔直径do,m0.00253613.61.800.40单溢流弓形1.190.0490.060.0110.0260.070.0351.930.005

.1筛板塔的特性讨论筛板塔式最早使用的板式塔之一，它的主要优点有:结构简单，易于加工，造价较低;在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%~40%踏板效率较高，比泡罩塔高15%fc右，但稍低于浮阀塔;气体压降较小，约比泡罩塔低30%但也有一些缺点，即是：小孔筛板易堵塞，不易处理一些粘性较大或带