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1、华南理工大学课程设计说明书I I课程设计报告书丙酮丙酮- -水连续精馏浮阀塔的设计水连续精馏浮阀塔的设计学学 院院 化学与化工学院化学与化工学院 专专 业业 化学工程与工艺化学工程与工艺 学生姓名学生姓名 吴熠吴熠 学生学号学生学号 201230361316201230361316 指导教师指导教师 江燕斌江燕斌 课程编号课程编号 137137137137 课程学分课程学分 3 3 起始日期起始日期 2014.12.302014.12.30 华南理工大学课程设计说明书IIII教教师师评评语语教师签名：教师签名：日期：日期：成成绩绩评评定定备备注注华南理工大学课程设计说明书IIIIII目目 录录
2、目目 录录 IIIIII第第 1 1 部分部分 设计任务书设计任务书 5 51.11.1 设计题目：丙酮设计题目：丙酮- -水连续精馏浮阀塔的设计水连续精馏浮阀塔的设计 5 51.21.2 设计条件设计条件 5 51.31.3 设计任务设计任务 5 5第第 2 2 部分部分 设计方案及工艺流程图设计方案及工艺流程图 6 62.12.1 设计方案设计方案 6 62.22.2 工艺流程图工艺流程图 6 6第第 3 3 部分部分 设计计算与论证设计计算与论证 7 73.13.1 精馏塔的工艺计算精馏塔的工艺计算 7 73.1.13.1.1 全塔物料衡算全塔物料衡算7 73.1.23.1.2 实际回流
3、比实际回流比8 83.1.33.1.3 理论塔板数确定理论塔板数确定8 83.1.43.1.4 实际塔板数确定实际塔板数确定9 93.1.53.1.5 塔的工艺条件及有关物性数据计算塔的工艺条件及有关物性数据计算10103.1.63.1.6 塔的塔体工艺尺寸计算塔的塔体工艺尺寸计算13133.23.2 塔板工艺尺寸的计算塔板工艺尺寸的计算 16163.2.13.2.1 溢流装置计算溢流装置计算16163.2.23.2.2 塔板布置及浮阀排列塔板布置及浮阀排列17173.33.3 塔板的流体力学性能的验算塔板的流体力学性能的验算 21213.3.13.3.1 阻力计算阻力计算21213.3.23
4、.3.2 液泛校核液泛校核2121华南理工大学课程设计说明书IVIV3.3.33.3.3 雾沫夹带雾沫夹带22223.3.43.3.4 雾沫夹带验算雾沫夹带验算23233.43.4 塔板负荷性能图塔板负荷性能图 24243.4.13.4.1 精馏段塔板负荷性能计算过程精馏段塔板负荷性能计算过程24243.4.23.4.2 提馏段塔板负荷性能计算过程提馏段塔板负荷性能计算过程25253.53.5 接管尺寸的确定接管尺寸的确定 27273.5.13.5.1 液流管液流管27273.5.23.5.2 蒸气接管蒸气接管27273.63.6 附属设备附属设备 28283.6.13.6.1 冷凝器冷凝器2
5、8283.6.23.6.2 原料预热器原料预热器28283.6.33.6.3 塔釜残液冷凝器塔釜残液冷凝器29293.6.43.6.4 冷却器冷却器29293.73.7 塔的总体结构塔的总体结构 30303.7.13.7.1 人孔及手孔人孔及手孔30303.7.23.7.2 封头封头30303.7.33.7.3 裙座裙座30303.7.43.7.4 塔高塔高30303.7.53.7.5 壁厚壁厚3131第第 4 4 部分部分 设计结果汇总设计结果汇总 3232第第 5 5 部分部分 小结与体会小结与体会 3434第第 6 6 部分部分 参考资料参考资料 3434华南理工大学课程设计说明书5 5
6、第第 1 1 部分部分 设计任务书设计任务书1.11.1 设计题目：设计题目：丙酮-水连续精馏浮阀塔的设计1.21.2 设计条件设计条件在常压操作的连续精馏浮阀塔内分离丙酮-水混合物。生产能力和产品的质量要求如下：任务要求(工艺参数)：1.塔顶产品(丙酮)：3.0 t/hr, xD=0.98(质量分率)2.塔顶丙酮回收率：(质量分率) = 0.993.原料中丙酮含量： 质量分率=(4.5+1*33)%=37.5% 4.原料处理量：根据 1、2、3 返算进料 F、xF、W、 xW5.精馏方式：直接蒸汽加热操作条件：常压精馏进料热状态 = 1回流比 = 3加热蒸汽 直接加热蒸汽的绝对压强 1.5a
7、tm冷却水进口温度 25、出口温度 45，热损失以 5%计单板压降 0.7kPa1.31.3 设计任务设计任务1.确定双组份系统精馏过程的流程，辅助设备，测量仪表等，并绘出工艺流程示意图，表明所需的设备、管线及有关观测或控制所必需的仪表和装置。2.计算冷凝器和再沸器热负荷。塔的工艺设计：热量和物料衡算，确定操作回流比，选定板型，确定塔径，塔板数、塔高及进料位置3.塔的结构设计：选择塔板的结构型式、确定塔的结构尺寸；进行塔板流体力学性能校核（包括塔板压降，液泛校核及雾沫夹带量校核等） 。4.作出塔的负荷性能图，计算塔的操作弹性。5.塔的附属设备选型, 计算全套装置所用的蒸汽量和冷却水用量，和塔顶
8、冷凝器、塔底蒸馏釜的换热面积，原料预热器的换热面积与泵的选型，各接管尺寸的确定。华南理工大学课程设计说明书6 6第第 2 2 部分部分 设计方案及工艺流程图设计方案及工艺流程图2.12.1 设计方案设计方案本设计任务为分离丙酮-水二元混合物。对于该非理想二元混合物的分离，应使用连续精馏。含丙酮 37.5%（质量分数）的原料由进料泵输送至高位槽。通过进料调节阀调节进料流量，经与釜液进行热交换温度升至泡点后进入精馏塔进料板。塔顶上升蒸汽使用冷凝器，冷凝液在泡点一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系（标况下，丙酮的沸点 56.2C） ，塔釜为直接蒸汽加热，釜液出料后与进
9、料换热，充分利用余热。2.22.2 工艺流程图工艺流程图华南理工大学课程设计说明书7 7第第 3 3 部分部分 设计计算与论证设计计算与论证3.13.1 精馏塔的工艺计算精馏塔的工艺计算3.1.13.1.1 全塔物料衡算全塔物料衡算3.1.1.1 原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数丙酮（）的摩尔质量：36C H O58.08/AMkg kmol水（）的摩尔质量：2H O= 18.015/则各部分的摩尔分数为：11(3.1)(3.2) DADDABFAFFABWAw M Dww MMw M Fww MMw M Wxxx1(3.3) WWABww MM3.1.1.2 原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔
10、质量(1-) (3.4)(1-) (3.5)(1-) DDADBFFAFBWWAWBMx MxMMx MxMMx MxM (3.6)3.1.1.3 塔顶产品物质的量（3.73.7） = /3.1.1.4 物料衡算 总物料衡算（直接蒸汽加热）： F = W + D （3.83.8） 轻组分（丙酮）衡算：(3.9)FWDFxWxDx回收率计算：(3.10)(3.10) = /求解得到：F=325.8745kmol/h D=53.9504kmol/h W=271.9241kmol/h = 0.9383= 0.0018805= 0.1569华南理工大学课程设计说明书8 83.1.23.1.2 实际回流
11、比实际回流比3.1.2.1 最小回流比及实际回流比确定根据 101.325KPa 下，丙酮-水的汽液平衡组成关系绘出丙酮-水 t-x-y 和 x-y 图，泡点进料，所以 q=1，q 线为过=0.1569 的竖直线。本平衡具有下凹部分，在相平衡图上过（点作平衡线的切线，得切点=（0.7836，0.8875），）(，)据 得 = Rmin=0.4887初步取实际操作回流比为理论回流比的 3 倍：R=Rmin3=1.46613.1.2.2 操作线精馏段操作线方程： =0.5945 Xn +0.3805 + 1= + 1 +1 + 1提馏段操作线方程： =3.0438Xn-0.003818 + 1=
12、3.1.2.3 汽、液相热负荷计算（1）精馏段： 1= = 79.0967/1 =( + 1) = 133.0471/（2）提馏段：据 F + S= D + W ，得2 = = 1 = 133.0471/2 = = 404.9712/= 0.00125453.1.33.1.3 理论塔板数确定理论塔板数确定在平衡曲线即 x-y 曲线图上做操作线，在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与 q 线焦点，直到阶梯与平衡线交点小于 0.0012545 为止，由此，得到理论板 8块（塔釜算一块板） ，进料板为第 5 块理论板。 如下 CAD 作图：华南理工大学课程设计说明书9 93.1.43.1.4 实
13、际塔板数确定实际塔板数确定板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反应了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算：= 0.49() 0.245注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液相粘度L 据液相组成在 3.1 图中查得温度，再计算出精馏段与提馏段的均温查得液相组成。具体过程如下：液相组成气相组成温度/0C相对挥发度进料0.15690.775764.9818.5832塔顶0.93830.957856.611.4925塔底0.0012550.0349798.9228.8380精馏段0.45170.828160.805.8476提馏段0.03170.535381.9535.1864精馏段均温：t1=(64.98+56.61)/2=60.795 0C提馏段均温：t2=(64.98+98.92)/2=81.95 0C相对挥发度： 其中， ， =/= 1 = 1 华南理工大学课程设计说明书1010全塔平均挥发度：=3 = 9.2825
