1、化工原理課程設計題 目:丙酮-水分離板式回收塔設計系 別: 化 學 與 材 料 工 程 系專 業(yè):_ 化 學 工 程 與 工 藝 學 號: 1303022014 姓 名: 指導教師: 2016年 1 月 8 日附: 回收塔設計任務書一、設計題目 丙酮與水分離板式回收塔設計二、設計任務及操作條件、生產(chǎn)能力（進料量）：300000噸/年。、操作周期：7200小時/年。、進料組成：6.2%（質(zhì)量分率，下同）。、塔頂產(chǎn)品組成：>72%。、塔底產(chǎn)品組成：<0.02%。、操作壓力：塔頂為常壓。、進料熱狀態(tài)：自選。8、加熱蒸汽：低壓蒸汽。9、設備類型：篩板、浮閥塔板。10、回 收 率: = 99

2、%11、廠址：安徽地區(qū)。三、設計內(nèi)容設計方案的選擇及流程說明。塔的工藝計算。主要設備工藝尺寸設計：塔徑、塔高及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定；塔板的流體力學校核；塔板的負荷性能圖；總塔高、總壓降及接管尺寸的確定。4、輔助設備選型及計算。5、設計結(jié)果匯總。6、設計評述。7、工藝流程圖及塔工藝條件圖。附圖一：回收塔的工藝流程圖。附圖二：回收塔的工藝條件圖。附圖三：槽式液體分布器目 錄一、 前言1 塔設備的類型1 操作條件確定2 換熱器的選擇3 泵的選擇4二、 設計說明書符號表4三、 丙酮與水有關物性數(shù)據(jù)6 水和丙酮的性質(zhì)6四、 精餾塔的工藝設計9 液相濃度計算9 溫度計算10 氣相組成計算10 平均相對揮發(fā)度

3、的計算11 物料衡算11 提餾段操作線方程12 逐板法確定理論板數(shù)及進料位置13 全塔效率的計算13 粘度計算13 板效率計算14 實際塔板數(shù)及加料位置的計算14 物性數(shù)據(jù)計算14 密度計算14 摩爾組成計算16 操作壓力計算17 混合液體表面張力計算17 精餾塔的主要工藝尺寸的計算21 體積流量的計算21 塔徑的計算22 溢流裝置的計算23 精餾塔流體力學校核24 塔板壓降24 液面落差24 液沫夾帶25 漏液25 液相負荷下限線25 液相負荷上限線264.12.7 液泛線26五、 熱量衡算28 塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷28 冷凝器的熱負荷28 再沸器的熱負荷28 塔的輔助設備的設計計

4、算29 冷凝器和再沸器的計算與選型291、冷凝器的計算與選型292、再沸器的設計選型30 泵的設計選型30 塔總高度計算30 進料管線管徑31 原料泵的選擇32六、 參考文獻34七、 結(jié)束語35一、 前言丙酮是重要的有機合成原料，用于生產(chǎn)環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯、有機玻璃、醫(yī)藥、農(nóng)藥等。亦是良好溶劑，用于涂料、黏結(jié)劑、鋼瓶乙炔等。也用作稀釋劑、清潔劑、萃取劑。還是制造醋酐、雙丙酮醇、氯仿、碘仿、環(huán)氧樹脂、聚異戊二烯橡膠等的重要原料。在無煙火藥、賽璐珞、醋酸纖維、噴漆等工業(yè)中用作溶劑，以及在油脂等工業(yè)中用作提取劑。 塔設備是化工，制藥，環(huán)保等生產(chǎn)中廣泛應用的氣液傳質(zhì)設備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可

5、以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對塔設備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡單、設備取材面廣等。塔型的合理選擇是做好塔設備設計的首要環(huán)節(jié)，選擇時應考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設備的性能以及塔設備的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。評價塔設備的基本性能的指標主要有： 1、產(chǎn)量和通量：前者指單位時間處理物料量，而后者指單位塔截面上的單位時間的物料處理量。 2、分離效率：對板式塔是指每層塔板所能達到的分離程度。填料塔則是單位填料層高度的分離能力。 3、適應能力及操作彈性：對各種物料性質(zhì)的適應性及在負荷波

6、動時維持操作穩(wěn)定而保持較高分離效率的能力。 4、流體阻力：氣相通過每層塔板或單位高度填料層的壓降。 除上述幾項主要性能外，塔的造價高低、安裝、維修的難易以及長期運轉(zhuǎn)的可靠性等因素，也是必須考慮的實際問題。1.1 塔設備的類型塔設備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的傳質(zhì)設備，根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式可以分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設置一定數(shù)量的塔板，氣體一鼓泡或噴射形式穿過板上的液層進行傳質(zhì)與傳熱，塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯流式塔板和逆流式塔板兩大類，工業(yè)應用以錯流式塔板為主，常用的錯流式塔板主要有以下幾種： 泡罩塔板 泡罩塔板是最早在工業(yè)上大規(guī)模應用的板型之

7、一，有成熟的設計方法和操作經(jīng)驗。氣體接觸良好，操作彈性范圍大，而且耐油污、不易堵塞。20世紀上半葉，隨著化學工業(yè)、煉油與石油 化學工業(yè)的高速發(fā)展，在生產(chǎn)中大量應用著蒸餾、吸收等氣液兩相傳質(zhì)操作。 篩孔塔板 篩板塔普遍用作H2S-H2O雙溫交換過程的冷、熱塔。應用于蒸餾、吸收和除塵等。在工業(yè)上實際應用的篩板塔中，兩相接觸不是泡沫狀態(tài)就是噴射狀態(tài)，很少采用鼓泡接觸狀態(tài)的。篩板塔優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低；氣流壓降小、板上液面落差小板效率高。 浮閥塔板浮閥塔板上開有定形狀的閥孔(圓形或矩形)，孔中安有可上下浮動的閥片有圓形、矩形、盤形等，從而形成不同型式的浮閥塔板。浮閥塔板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造

8、價低塔板開孔率大，其缺點是處理結(jié)焦、高粘度物系是，閥片易與塔板粘結(jié)，在操作過程中會發(fā)生卡死等現(xiàn)象，使塔板操作彈性下降。在本設計中采用的是篩板塔。 1.2 操作條件確定1. 操作壓力的選取精餾塔操作可在常壓、減壓和加壓中進行，精餾操作中壓力影響非常大，當壓力增大時，混合液的相對揮發(fā)度將減小，對分離不利；當壓力減小時，相對揮發(fā)度將增加，對分離有利。但當壓力太低時，對設備要求高，設備費用增加。因此在設計時一般采用常壓精餾。丙酮-水系統(tǒng)在常壓下相對揮發(fā)度較大，故本設計采用常壓精餾。2. 加料熱狀況 泡點進料，q=13. 加熱方式采用間接蒸汽加熱，設置再沸器。4. 塔頂冷凝器的冷凝方式與冷卻介質(zhì)的選擇塔

9、頂冷凝溫度要求不低于30，常用的冷卻劑是水和空氣，工業(yè)上多用冷卻水，冷卻水可以是江、河及湖水，受本地氣溫限制，冷卻水一般為1025，故本設計選用25的冷卻水，選升溫10，即冷卻水的出口溫度為35。5. 塔釜加熱介質(zhì)的選擇常用的加熱介質(zhì)有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸汽是一種應用最廣泛的加熱介質(zhì)，由于飽和水蒸汽冷凝時的傳熱系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽壓力準確地控制加熱速度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達1001000，適用于高溫加熱，煙道氣的缺點是是比熱容及傳熱系數(shù)很低，加熱溫度控制困難，本設計選用300KPa（溫度為133.3）的飽和水蒸氣作為加熱介質(zhì)，水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本

10、會相應降低，塔結(jié)構(gòu)也不復雜。1.3 換熱器的選擇換熱器是許多工業(yè)部門的通用工藝設備，尤其是石油、化工生產(chǎn)中應用更為廣泛，在化工廠中換熱器可作為加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器和再沸器等。列管換熱器是目前化工生產(chǎn)中應用最廣泛的一種換熱器，它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造容易，材料廣泛，處理能力大，適用性強，尤其是在高溫高壓下較其它換熱器更為適用，是目前化工廠中主要的換熱設備，列管換熱器的類型主要有一下幾種：固定管板式換熱器 浮頭式換熱器 U形管式換熱器 填料函式換熱器 其中固定管板是換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造成本低；管內(nèi)不易結(jié)垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。 缺點是殼程檢修困難主要適用于殼體和管束溫差小，管外

11、物料比較清潔，不易結(jié)垢的場合。所以在本設計中采用固定管板式換熱器中的列管換熱器，管外走氣體，管內(nèi)走液體。1.4 泵的選擇化工用泵主要有離心泵、往復泵、回轉(zhuǎn)式泵、旋渦泵等。由于離心泵具有寬范圍寬流量和寬揚程等特點，且范圍適用于輕度腐蝕性液體多種控制選擇流量均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小，不需要特別減震的基礎，設備安裝、維護檢修費用較低等，故本設計采用離心泵。二、 設計說明書符號表a質(zhì)量百分比a填料的比表面積，m2/m3A面積，m2C比熱容，kJ/kg·Kd管徑，mmD塔頂產(chǎn)品流量，kmol/hD塔徑，mDi圓筒內(nèi)徑，mmDN公稱直徑，mmF進料量流量，kmol/hg重力加速度，m/s2G汽相摩

12、爾流率，kmol/(s·m2)H揚程，mHb塔底空間高度，mHd塔頂空間高度（不包括封頭），mHf液體再分布器的空間高度，mh0封頭直邊高度，mmHETP等板高度，mhf沿程阻力，J/kgK傳熱系數(shù)，W/(m2·)l管長，mL液相摩爾流量，kmol/hLh液體噴淋量，m3/hLh,min最小液體噴淋量，m3/hLw,min最小潤濕率，m3/(m·h)M摩爾質(zhì)量，kg/kmoln填料層分層數(shù)NT理論塔板數(shù)p壓強，Pap壓降，PaPN公稱壓力，PaQ換熱器的熱負荷，WR回流比Re雷諾數(shù)，無量綱Rmin最小回流比t溫度，tm對數(shù)平均溫度差，T絕對溫度，Ku空塔氣速，m/

13、suf空塔氣體泛速，m/sU噴淋密度，m3/(m2·h)Umin最小噴淋密度，m3/(m2·h)V汽相摩爾流量，kmol/hW塔底產(chǎn)品流量，kmol/hW質(zhì)量流量，kg/hWh熱流體質(zhì)量流量，kg/hx液相摩爾分數(shù)xD塔頂產(chǎn)品濃度xF進料濃度xW塔底產(chǎn)品濃度y氣相摩爾分數(shù)Z高度，m組分的相對揮發(fā)度汽化潛熱，kJ/kg空隙率管壁絕對粗糙度，m密度，kg/m3流體粘度，Pa·s摩擦系數(shù)，無量綱局部阻力系數(shù)，無量綱回收率表面張力，N/md圓筒設計厚度，mm填料因子，m2/m3三、 丙酮與水有關物性數(shù)據(jù)3.1 水和丙酮的性質(zhì)表3-1 水和丙酮的粘度溫度5060708090

14、100水粘度MPa丙酮粘度MPa表3-2 水和丙酮表面張力溫度5060708090100水表面張力丙酮表面張力表3-3 水和丙酮密度溫度5060708090100相對密度水丙酮表3-4 水和丙酮的物理性質(zhì)分子量沸點臨界溫度K臨界壓強KPa水10022050丙酮表3-5 丙酮水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點t/丙酮摩爾數(shù)xy100009259.811由以上數(shù)據(jù)可作出t-y（x）圖如下由以上數(shù)據(jù)作出相平衡y-x線圖進料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)酮的摩爾質(zhì)量 =58.00 Kg/kmol水的摩爾質(zhì)量 =18.00 Kg/kmol四、 精餾塔的工藝設計4.1 液相濃度計算將各項組成由質(zhì)量分數(shù)換算為摩爾分數(shù)：=6

15、.2% =2.01%=72% =44.38%=0.02% =%4.2 溫度計算由附表1中數(shù)據(jù)，利用插值法求得、進料溫度：= =6塔頂溫度：= =塔底溫度: = =提餾段平均溫度：=79.852全塔平均溫度:=74.3 氣相組成計算= = =9: = =%: = =%: =%提餾段：液相組成：氣相組成：4.4 平均相對揮發(fā)度的計算根據(jù)=由 = =0.7788: = = =由 =0.4438 =0.7708: = = =由 6294 =0.1756: = 提餾段平均相對揮發(fā)度：= 全塔平均相對揮發(fā)度：已知相對揮發(fā)度可得出平衡方程： 4.5 物料衡算已知數(shù)據(jù)：丙酮的摩爾質(zhì)量 =58kg/kmol,水

16、摩爾質(zhì)量=18kg/kmol=0.0201 =0.4438 =0.006294 原料處理量總物料流量衡算塔底物料流量衡算：解得： 塔頂產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量： 塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量： 塔釜產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量： 塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量： 4.6 提餾段操作線方程4.7 逐板法確定理論板數(shù)及進料位置已知：平衡方程： 提餾段操作線方程： 利用逐板法求理論板如下： 因為,所需總理論板數(shù)為3塊（包括再沸器）。4.8 全塔效率的計算4.8.1 粘度計算已知： 根據(jù)附表中數(shù)據(jù)，利用插值法求得：: : 提餾段粘度：=4.8.2 板效率計算板效率可用奧康奈爾公式式中：-塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度， 提餾段= =所以 全

17、塔效率4.9 實際塔板數(shù)及加料位置的計算得出全塔共10塊板（包括再沸器）。4.10 物性數(shù)據(jù)計算4.10.1 密度計算已知：混合液體密度：（為質(zhì)量分數(shù)，為平均相對分子質(zhì)量） 混合氣體密度：已知：= = = =0.7708 =0.7788 =0.1756 可求出提餾段的氣液相摩爾組成提餾段： 根據(jù)附表3中數(shù)據(jù)，利用插值法求得在、下的丙酮和水的密度= = 由以上數(shù)據(jù)可求出： 提餾段平均密度:4.10.2 摩爾組成計算4.10.3 操作壓力計算塔頂操作壓力每層塔板壓降進料板操作壓力塔底操作壓力提餾段平均壓力4.10.4 混合液體表面張力計算二元有機物-水溶液表面張力可用以下公式計算（丙酮q=2） 式

18、中： 注：下角標W、O、S分別代表水、有機物及表面部分，、指主體部分的分子數(shù)；、指主體部分的分子體積；、為純水、有機物的表面張力，對于丙酮q=2。 已知：= = =根據(jù)附表4數(shù)據(jù) ，利用插值法求得在、下的丙酮和水的表面張力丙酮在塔頂、塔底、進料的表面張力 塔頂表面張力：= = =聯(lián)立方程組： 帶入數(shù)據(jù)求得： 原料表面張力：= = 聯(lián)立方程組： 代入數(shù)據(jù)求得 ： 塔底表面張力： = 聯(lián)立方程組： 代入數(shù)據(jù)求得： 提餾段的平均表面張力：4.11 精餾塔的主要工藝尺寸的計算4.11.1 體積流量的計算提餾段：已知： 則質(zhì)量流量：體積流量：4.11.2 塔徑的計算提餾段：橫坐標數(shù)值：查圖可知： 圓整，

19、橫截面積，空塔氣速精餾塔的有效高度計算： 由于，所以不需要開人孔，故精餾塔的有效高度為4.11.3 溢流裝置的計算塔徑，可采用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤，各項計算如下：堰長 取溢流堰高度提餾段：弓形降液管寬度和截面積 由于,查圖得出 驗算降液停留時間提餾段：停留時間，故降液管不可用。4.12 精餾塔流體力學校核4.12.1 塔板壓降提餾段干板阻力由查圖得氣體通過液層阻力計算由查得液柱4.12.2 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本設計的塔徑和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影響。4.12.3 液沫夾帶提餾段： 故4.12.4 漏液對于篩板塔，漏液點氣速可由下式計算提餾段： 穩(wěn)定系數(shù)

20、: 4.12.5 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上高度，作為最小液體符合標準，則4.12.6 液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限則：4.12.7 液泛線令 聯(lián)立得：忽略，將與、與、與的關系帶入上式，并整理得： 式中： 提餾段： 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)果見表3-3表4-1 Ls-Vs關系數(shù)據(jù)提餾段Ls(m3/s)Vs(m3/s)由漏液線、液沫夾帶線、液相負荷上限線、液限負荷下限線、液泛線畫出段和提餾段塔板負荷性能圖如圖3-2。圖4-1 提餾段塔板負荷性能圖m3/s由圖3-2可以看出得出： 在任務規(guī)定的汽液負荷下的操作點P（設計點）處在適宜操作

21、區(qū)的適中位置 按固定的液氣比，由圖可查出塔板的汽相負荷下限=，液相負荷上限提餾段操作彈性：=綜上得出結(jié)論：精餾塔可正常操作。五、 熱量衡算5.1 塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷5.1.1 冷凝器的熱負荷 式中： 查閱相關資料得，5.1.2 再沸器的熱負荷式中：塔釜水的的汽化查閱相關資料得，5.2 塔的輔助設備的設計計算5.2.1 冷凝器和再沸器的計算與選型1、 冷凝器的計算與選型本設計中冷凝器選用列管式換熱器。有機物水蒸氣冷凝器設計選用的總體傳熱系數(shù)一般為5001500kcal/(.),本設計取 對于逆流操作：:(飽和氣)（飽和液） ：2535 所以 已知：可求得冷凝器面積：m2選擇的標準的換

22、熱器參數(shù)見表5-1表5-1 標準換熱器性能參數(shù)4公稱直徑/mm管程數(shù)管數(shù)管長/mm換熱器面積/m2公稱壓力/MPa921688101.0 2、再沸器的設計選型本設計選用U形管加熱器，蒸氣選擇飽和水蒸氣，傳熱系數(shù)K=1000Kcal/(.h.)=418.kJ/(.h.). 為再沸器熱體入口溫度 為回流汽化上升蒸氣時的溫度 為加熱蒸氣的溫度 為加熱蒸氣冷凝為液體的溫度 已知：可求得冷凝器面積：選擇的標準的換熱器參數(shù)見表5-2表5-2標準換熱器性能參數(shù)4公稱直徑/mm管程數(shù)管數(shù)管長/mm換熱器面積/m2公稱壓力/MPa921688101.131.05.3 泵的設計選型5.3.1 塔總高度計算塔頂封頭

23、本設計采用橢圓封頭，有公稱直徑DN=800mm，查得由曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積，則封頭高度： 塔頂空間設計中取塔頂間距，選取塔頂空間為塔底空間塔底空間高度是指從塔底最下一層塔板到塔底封頭的底邊距離，取釜液停留時間為，則塔底液面至最下一層塔板之間距離為，則 封頭容積塔體總高度： 5.3.2 進料管線管徑進料流量為，氣溫度由25升至后進入精餾塔。選擇原料流速管線直徑：根據(jù)管材規(guī)范，應選擇250×5的管材，其內(nèi)徑為 則實際流速：5.3.3 原料泵的選擇 設料液面至加料孔12m,90°標準彎頭兩個，180°回彎頭一個，球心閥（全開）1個，則有關部件的阻力系數(shù)分別

24、為：進口突然收縮： 90°標準彎頭： 180°回彎頭： 球心閥（全開）： 則總的局部阻力系數(shù)為： ×已知： 取管壁粗糙度 查得 則：在兩截面之間列柏努利方程求泵的揚程為： 所選泵的額定流量和揚程應略大于系統(tǒng)所需的，據(jù)此選IS型單級單吸離心泵具體性能見表5-3。表5-3 IS型單級單吸離心泵性能參數(shù)型號流量（m3/h）揚程m電機功率KW質(zhì)量（泵/底座）/kg轉(zhuǎn)速r/min結(jié)構(gòu)IS50-32-1252032/462900單級單吸離心泵 序號項目計算數(shù)據(jù)序號項目計算數(shù)據(jù)提餾段提餾段1氣相流量Vs（m3/s）10堰上液層高度,m2液相流量Ls(m3/s)11空塔氣速,m/s3塔徑,m12穩(wěn)定系數(shù)4板間距,m13單板壓降,kpa5溢流形式單溢流14