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1、河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计题 目: 丙酮- 水精馏分离筛板塔学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 姓 名: 王海平 指导教师: 王海平 年 月 日 氨氧化催化剂往往亦可用作醛类氧化催化剂,其原因是由于这两类反应通过类似的历程,形成相同的氧化中间物之故。上列反应中以丙烯氨氧化合成丙烯腈最为重要,下面即以此反应为例进行讨论。化工原理课程设计任务书一、设计题目 丙酮-水精馏分离板式塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 吨/年操作周期 7200 小时/年进料组成 32% （质量分率，下同）塔顶产品组成 97.5% 塔底产品组
2、成 1.2% 2.操作条件操作压力 塔顶为常压 进料热状态 泡点 加热蒸汽 0.25Mpa（表压） 3.设备型式 筛板塔 4.厂址 河北省 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.工艺流程图及精馏工艺条件图7.设计评述目 录1设计概述11.1设计题目：11.3设计内容21.4工艺流程图22精馏塔的物料衡算3 2.1查阅文献，整理有关物性数据3 2.1.1水和丙酮的性质32.1.2进料液及塔顶、塔底
3、产品的摩尔分数5 2.2全塔物料衡算63塔板数的确定 63.1操作方程73.2全塔效率的估算73.3实际塔板数84.1精馏段与提馏段的汽液体积流量84.1.1精馏段的汽液体积流量84.1.2提馏段的汽液体积流量104.2 塔径的计算104.2.1塔径的计算114.3精馏塔的有效高度的计算124.4塔高的计算135塔板主要工艺尺寸计算135.1溢流装置计算135.2塔板布置145.3塔板结构尺寸的确定155.4弓形降液管165.5开孔区面积计算175.6筛板的筛孔和开孔率176.1塔板压降186.2液面落差187塔板负荷性能图197.1精馏段塔板负荷性能图197.2提馏段塔板负荷性能图228精馏
4、塔的主要附属设备248.1进料管道248.2塔顶回流液管道248.3塔底料液排出管道258.4塔顶蒸汽出口管道259设计结果一览表2510符号说明26致谢28I丙酮-水精馏分离板式塔设计王海平摘要：利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提馏段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器
5、从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。在精馏段气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，在塔顶获轻组分产品。 在提馏段，其液相在下降的过程中，其轻组分不断地提馏出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分的产品，精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。通过对精馏塔的运算，主要设备的工艺设计
6、计算物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。本设计是以丙酮水物系为设计物系，以筛板塔为精馏设备分离丙酮和水。筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系丙酮水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。关键词：精馏段，提馏段，气、液相回流，传质过程同时进行。1设计概述1.1设计题目： 筛板式连续精馏塔及其主要附属设备设计1.2工艺条件: 生产能力：吨/年（料液） 操作周期 7200 小时/年原料组成：32%丙
7、酮（质量分率，下同）产品组成：馏出液 97.5%丙酮，釜液1.2%丙酮操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热回流比： R/Rmin=2.01.3设计内容 1、确定精馏装置流程，绘出流程示意图。 2、工艺参数的确定 基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。 3、主要设备的工艺尺寸计算 板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。 4、流体力学计算 流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。 5、主要附属设备设计计算及选型 塔顶全凝器设计计算：热负荷，载热体用量，选型及流体力学计算。 料液泵设计计算：流程计算及选型。1
8、.4工艺流程图丙酮水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。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。精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。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，进行热和质的传递过程。流程示意图如图1图1：精馏装置工艺流程图2精馏塔的物料
9、衡算2.1查阅文献，整理有关物性数据2.1.1水和丙酮的性质表1 水和丙酮的粘度温度5060708090100水粘度mpa0.5920.4690.400.330.3180.248丙酮粘度mpa0.260.2310.2090.1990.1790.160表2 水和丙酮表面张力温度5060708090100水表面张力67.766.064.362.760.158.4丙酮表19.518.817.716.315.214.3表3 水和丙酮密度温度5060708090100相对密度0.7600.7500.7350.7210.7100.699水998.1983.2977.8971.8965.3958.4丙酮75
10、8.56737.4718.68700.67685.36669.92表4 水和丙酮的物理性质分子量沸点临界温度K临界压强kpa水18.02100647.4522050丙酮58.0856.2508.14701.50表5 丙酮水系统txy数据沸点（t/）1009284.275.666.962.459.858.256.7x00.010.0250.050.10.20.50.80.975y00.2790.470.630.7540.8130.8510.8970.979由以上数据可作出t-y（x）图如图2图2 t-y（x）2.1.2进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数丙酮的摩尔质量 =58.08 Kg/kmol水
11、的摩尔质量 =18.02 Kg/kmol 平均摩尔质量M=0.08+（1-0.1274）18.02=23.124 kg/kmolM= 0.92458.08+ (1-0.924) 18.02=55.04 kg/kmolM=0.08+（1-0.00375）18.02=18.17 kg/kmol=690.72Kmol/h最小回流比，由题设可得泡点进料q=1则=，又附图可得=0.1274, =0.767。= 确定操作回流比： 令图3：相平衡线图2.2全塔物料衡算 D=92.81Kmol/hW=597.91Kmol/h 3塔板数的确定 3.1操作方程精馏段= 0.33Xn+0.62提馏段：因为泡点进料，
12、所以q=1,代入数据利用图解法求理论班层数，如图3可得：总理论板层10块，8块进料板位置 3.2全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：根据丙酮水系统tx(y)图可以查得：(塔顶第一块板) 设丙酮为A物质，水为B物质所以第一块板上： 可得： (加料板) ，假设物质同上：，可得：(塔底) ，假设物质同上：，可得：所以全塔平均挥发度：精馏段平均温度：查前面物性常数（粘度表）：61.85 时，所以查61.85时，丙酮-水的组成， 同理可得：提留段的平均温度查表可得在83.6时 3.3实际塔板数实际塔板数精馏段：，取整15块，考虑安全系数加一块为15块。提馏段：，取整6块，考虑安全系数加一块，为6块。故进料板为第8块，实际总板数为21块。全塔总效率：4精馏塔主题尺寸的计算4.1精馏段与提馏段的汽液体积流量4.1.1精馏段的汽液体积流量整理精馏段的已知数据列于表3(见下页)，由表中数据可知：液相平均摩尔质量：M=(23.124+55.04)/2=39.08kg/kmol液相平均温度：在平均温度下查得表6 精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)摩尔分数摩尔质量/温度/67.2056.70液相平均密度为：其中，1 =0.32 2 =0.68所以，=880.58精馏段的液相负荷L=RD=0.491*92.81=45.57kmol/hLn=LM/lm=6
