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1、 河河 西西 学学 院院Hexi University化化工工原原理理课课程程设设计计题题 目目: : 丙酮丙酮- -水浮阀精馏塔设计水浮阀精馏塔设计 学学 院院: : 化学化工学院化学化工学院 专专 业业:_:_ 化学工程与工艺化学工程与工艺 学学 号号: : 20142100112014210011 姓姓 名名: : 连亮国连亮国 指导教师指导教师: : 杨自嵘杨自嵘 20162016 年年 1212 月月 2 2 日日 化工原理课程设计任务书一、设计题目丙酮水连续精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务处理量： 9 万吨/年操作周期： 7200 小时/年（300 天/年）原料组成：
2、25%的丙酮和 75%的水（质量分率，下同）产品要求： 馏出液 99%的丙酮溶液，塔底水中丙酮含量 2%回流比：R/Rmin=1.5单板压降:0.7kpa2.操作条件操作压力：塔顶为常压进料热状态：泡点进料 进料状况：泡点进料加热蒸汽；间接水蒸气加热3.设备型式 筛板或浮阀塔板 4.厂址 张掖地区 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.绘制生产工艺流程图及精馏塔设计条件图7.设计评述河西学院化学
3、化工学院课程设计I目录1 概述概述11.1 设计方案的选择和论证.21.1.1 设计思路21.1.2 选定设计方案的原则.21.2 确定设计方案.21.2.1 精馏方式的选定.21.2.2 加热方式的选取.21.2.3 操作压力的选取.31.2.4 回流比的选择.31.2.5 塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择.31.2.6 板式塔的选择.31.2.7 关于附属设备的设计31.3 设计流程32.精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算.42.1 有关物性数据.42.2 原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率.52.3 原料液及塔顶塔底产品的平均摩尔质量.62.4 总物料衡算处理.62.5 用拉格朗日差值求
4、温度.6河西学院化学化工学院课程设计II3 有关物性数据的计算有关物性数据的计算.63.1 精馏段和提留段平均摩尔质计算.63.2 密度的计算.73.3 液体表面张力计算.83.3.1 平均表面张力计算.93.4 粘度.93.5 操作压力计算.94.精馏塔的工艺条件的计算精馏塔的工艺条件的计算.104.1 理论板数的确定.104.1.1 求最小回流比及操作回流比114.1.2 求精馏塔的气、液相负荷.124.1.3 求操作线方程.124.1.4 用芬斯克方程式求理论塔板数.124.2 实际板层数的求取.144.2.1 总的塔板数.144.3 全塔效率.14TE5. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算精馏
5、塔的塔体工艺尺寸计算.145.1 塔径的计算.145.2 精馏塔有效高度的计算175.3 塔板主要工艺尺寸计算.18河西学院化学化工学院课程设计III5.3.1 溢流装置计算.185.3.2 塔板布置.215.4 塔板的流体力学验算.265.4.1 气体通过浮阀塔板的压降.265.4.2 淹塔275.4.3 雾沫夹带验算285.5 塔板负荷性能图.305.5.1 雾沫夹带线.305.5.2 液泛线315.5.3 液相负荷上限线325.5.4 漏液线335.5.5 液相负荷下限线336.热量衡算热量衡算.366.1 塔顶热量.366.2 冷却介质消耗量:376.3 焓值衡算.386.4 对全塔进
6、行热量衡算：396.5 加热水蒸汽用量:397.塔的辅助设备及附件的计算与选型塔的辅助设备及附件的计算与选型.397.1 冷凝器.39河西学院化学化工学院课程设计IV7.2 再沸器.407.4.2 塔顶回流管管径计算.427.4.3 塔顶蒸气出口管径计算.427.4.4 塔釜出料管径计算.437.4.5 再沸器进料管径计算.437.5 筒体与封头.437.5.1 筒体.437.5.2 封头.447.6 除沫器.447.7 裙座447.8 人孔457.9 塔总体高度的计算.457.10 吊柱.458. 精馏塔设计结果一览表精馏塔设计结果一览表.459 设计评述设计评述47参考文献参考文献47致谢
7、致谢48附图附图49河西学院化学化工学院课程设计V河西学院化学化工学院课程设计第 1 页丙酮水连续精馏塔设计丙酮水连续精馏塔设计连亮国摘要摘要:本设计对丙酮和水的分离设备浮阀精馏塔做了较为详细的叙述，本次设计是针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程，我对此塔进行了工艺设计，主要包括它的辅助设备及进出口管路的计算，画出了塔板负荷性能图，对设计结果进行了汇总,并且画出了精馏塔装配图,工艺流程图和部分主要部件图。采用的浮阀精馏塔，塔高 14.9 米，塔径 1.2 米，按芬斯克方程和吉利兰图求得理论板数为 10(不包括再沸器)。算得全塔效率为 0.3。塔顶使用
8、全凝器，部分回流。精馏段实际板数为 20，提馏段实际板数为 15。实际加料位置在第 21 块板(从上往下数)，操作弹性为 3.08。通过板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算，均在安全操作范围内。塔的附属设备中，所有管线均采用无缝钢管,法兰采用平焊方式。再沸器采用浮头式换热器，用 110饱和蒸汽加热，用20循水作冷凝剂，饱和蒸汽走管程，釜液走壳程。关键词关键词：丙酮、水、精馏、浮阀塔、精馏塔设备结构1 概述概述浮阀塔盘自 20 世纪 50 年代初期在工业上开始推广使用，浮阀塔板是在泡罩塔板和筛板塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。主要改革措施是取消了泡罩塔的升气管，并以浮动的盖
9、板浮阀代替泡罩。浮阀可自由升降，根据气体的流量自行调节开度，可使气体在缝隙中的速度稳定在某一数值，目前已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在化学工业和石油中使用最普遍，对其性能的研究也较充分。浮阀塔的优点：生产能力大。由于浮阀塔板具有较大的开孔率，故其生产能力比泡罩塔大 20%40%,而与筛板塔相近。操作弹性大。由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，故维持正常操作所容许的负荷波动范围比灯罩塔和筛板塔都宽。塔板效率高。因上升气体以水平方向吹入液层，故气、液接触时间较长而雾沫夹带量较小，板效率较高。气体压力降及液面落差较小。因为气、液流过浮阀塔板时所遇到的阻力较小，故气体的压力降及板上的液面落差都比
10、泡罩塔板的小。塔的造价低。因结构简单，易于制造，浮阀塔的造价一河西学院化学化工学院课程设计第 2 页般为泡罩的 60%80%，为筛板塔的 120%130%。具有代表性的浮阀有 F1 型（国外称 V1 型）浮阀，F-1 型浮阀有轻重两种，轻阀厚 1.5mm、重 25g，重阀厚 2mm、重 33g，本设计采用重阀，因中阀能迅速关闭，可以减少漏液、增加效率。操作时气流自下而上吹起浮阀，从浮阀周边水平地吹入塔盘上的液层；液体由上层塔盘经降液管流入下层塔盘，再横流过塔盘与气相接触传质后，经溢流堰入降液管，流入下一层塔盘。1.1 设计方案的选择和论证1.1.1 设计思路在本次设计中，我进行的是丙酮和水二元
11、物系的精馏分离，利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。精馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。实际上，精馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。在这里准备用全凝器，因为可以准确的控制回流比。此次设计是在常压下操作。 因为这次设计采用间接加热，所以需要再沸器。回流比是精馏操作的重要工艺条件。选择的原则是使设备和操作费用之和最低。在设
12、计时要根据实际需要选定回流比。1.1.2 选定设计方案的原则方案选定是指确定整个精馏装置的流程，所以方案的选定必须：（1）能满足工艺要求，达到指定的产量和质量。（2）操作平稳，易于调节。（3）经济合理。（4）生产安全。在实际的设计问题中，上述四项都是必须考虑的1.2 确定设计方案1.2.1 精馏方式的选定本设计采用连续精馏操作方式，其特点是：连续精馏过程是一个连续稳态过程，能耗小于间歇精馏过程，易得纯度高的产品。河西学院化学化工学院课程设计第 3 页1.2.2 加热方式的选取 本设计采用间接蒸汽加热，加热设备为再沸器。本设计不易利用直接蒸汽加热，因为直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在
13、进料条件和产品纯度，轻组分收率一定前提下，釜液浓度相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求，从而增加了生产的费用。1.2.3 操作压力的选取本设计采用常压操作，一般，除了热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并且能用江河水或自来水将馏出物冷凝下来的系统一般都应采用常压蒸馏。1.2.4 回流比的选择对于一般体系最小回流比的确定可按常规方法处理，但对于某些特殊体系，要特殊处理，即该体系最小回流的求取应通过精馏段操作线与平衡线相切得Rmin到。而适宜回流比 R 的确定，应体现最佳回流比选定原则即装置设备费与操作费之和最低，从而确定最佳回流比。1.2.5 塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的
14、选择塔顶选用全凝器，因为后继回流是以液相回流，且塔顶需要以液相采出。故采用全凝器。塔顶冷却介质采用自来水，方便、实惠、经济。1.2.6 板式塔的选择板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法查阅有关资料可得。塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据，确定具有良好性能（压降小、弹性大、效率高）的塔板结构与尺寸。本次设计塔板的基本思路是：以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成，河西学院化学化工学院课程设计第 4 页温度、压力等条件为依据，首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独
15、立变量，然后进行流体力学计算，校核其是否符合所规定的范围，如不符合要求就必须修改结构参数，重复上述设计步骤直到符合为止。最后做出负荷性能图，以确定适宜操作区和操作弹性。1.2.7 关于附属设备的设计附属设备的设计主要有：（1）热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量，然后得到合适的换热器型号。（2）由流量得各个接管管径，塔顶空间、塔底空间、进料段高度以及开人孔数目的取值是由查阅有关资料和计算得到。1.3 设计流程丙酮水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程示意图如下图河西学院化学化工学院课程设计第 5 页图 1 精馏装置工艺流程图2.精馏塔的物料衡算2.1 有关物性数据塔内压力接近常压
