丙酮-水的填料塔分离 毕业设计论文.doc

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1、精馏塔的工艺条件及有关物性数据目 录1. 设计方案简介 1 1.1设计的方案11.2设计工艺 11.3设计内容12. 工艺计算 12.1 .1水和丙酮物性数据12.1.2全塔物料衡算22.1.3塔板数的确定 22 .1.4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算22.2 填料塔的工艺尺寸的计算32.2.1 塔径的计算 32.2.2塔高的计算52.2.3 塔板压降计算 72.2.4塔板负荷性能图83. 辅助设备的计算及选型 8 3.1 填料支承设备 93.2填料压紧装置 93.3液体再分布装置94. 设计一览表 95. 后记106. 参考文献107. 主要符号说明108. 附图（工艺流程简图、主体

2、设备设计条件图）1. 设计方案简介1.1设计的方案在抗生素类药物生产过程中，需要用丙酮溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废丙酮溶媒，其组成为含丙酮_50%_、水_50%_（质量分数）。为使废丙酮溶媒重复使用，拟建立一套板式精馏塔，以对废丙酮溶媒进行精馏。得到含水量0.5%的丙酮溶液；或者丙酮回收率为98%。设计要求废丙酮溶媒的处理量为_31000_吨/年，塔底废水中丙酮含量_0.05%_（质量分数）。1.2设计工艺生产能力：31000吨/年（料液）年工作日：300天原料组成：50%丙酮，50%水（质量分率，下同）产品组成：馏出液 99.5%丙酮，釜液0.5%丙酮操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点

3、进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热回流比： 自选1.3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。2. 工艺计算2.1 基础物性数据（1）水和丙酮的性质表1.水和丙酮的粘度温度5060708090100水粘度mp

4、a0.5920.4690.400.330.3180.248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丙酮表面张力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758.56737.4718.68700.67685.36669.92表4.水和丙酮的物理性质分子量沸点临界温度K临界

5、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/丙酮摩尔数xy10000920.010.27984.20.0250.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511由以上数据可作出t-y（x）图如下由以上数据作出相平衡y-x线图2.1.2全塔物料衡算与操

6、作方程（1）进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数酮的摩尔质量 =58.08 Kg/kmol水的摩尔质量 =18.02 Kg/kmol均摩尔质量 M=0.23758.08+（1-0.237）18.02=27.514kg/kmolM= 0.98458.08+ (1-0.984) 18.02=57.439 kg/kmolM=0.0001658.08+（1-0.00016）18.02=18.026 kg/kmolF=31000000/(300 x 24) / 27.514=156.486kg/kmol根据总物料衡算和易挥发组分的物料衡算公式F=D+W 156.486=D+W 156.4860.237=D0

7、.984+W0.00016D=37.67 W=118.81塔板数的确定最小回流比：设进料温度是泡点温度，则q=1，= 从表5. 丙酮水系统txy数据可得=0.237时，=0.815=0.984-0.815/0.815-0.237=0.304确定操作回流比： 为方便计算：R=2=0.6082.1.2全塔物料衡算与操作方程L=RD=0.60837.67=22.90kmol/h L=L+F=22.90+156.486=179.39V=（R+1）D=V=1.60837.67=60.57方程：精馏段：=0.38X+0.61提馏段：=2.96X-0.00031理论塔板数的确定：b点为精馏段操作线的在Y轴的

8、截距 b=0.61ab为精馏段操作线。D点坐标（0.237,0.700）cd为提馏段操作线由图可知：精馏段塔板数：13 提馏段塔板数：4三、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85时，丙酮-水的组成 所以 同理可得：提留段的平均温度 查表可得在83.6时 四、实际塔板数实际塔板数（1）精馏段：，取整24块，考虑安全

9、系数加一块为24块。（2）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25块，实际总板数为30块。全塔总效率： 4.5.1操作压力计算 塔顶操作压力：=101.3+4=105.3kpa 设定每层塔板压降P=0.7kpa进料板压力：=105.3+4*24=201.3kpa塔底的压力：=105.3+4*30=225.3kpa精馏段平均压力：（105.3+201.3）/2=153.3提馏段平均压力：（201.3+225.3）/2=213.3气相平均压力：Pm=（105.3+115.3）/2=110.34.5.2操作温度计算：塔顶温度：=56.5 进料板温度：=84.5 塔底温度：=9

10、6.3精馏段平均温度：=70.5 提馏段平均温度：=90.4平均摩尔质量计算塔顶平均质量：=0.984*46+0.016*18=45.552kg/kmol=0.987*46+0.013*18=45.636 kg/kmol进料板平均摩尔质量：=0.237*46+0.763*18=24.636 kg/kmol=0.815*46+0.185*18=52.16 kg/kmol塔底平均摩尔质量：=0.016*46+0.984*18=18.448 kg/kmol=0.3*46+0.7*18=26.4 kg/kmol精馏段平均摩尔质量：=（45.552+24.636）/2=35.094 kg/kmol=（4

11、5.636+52.16）=48.898 kg/kmol提馏段平均摩尔质量：=（24.636+18.448）=21.542 kg/kmol=（52.16+26.4）=38.83 kg/kmol平均密度计算气相平均密度计算：理想气体状态方程：=2.18液相平均密度计算=56.5 =84.5 查表，1=0.16 2=0.88=716kg/m液体平均粘度的计算=56.5 查表得：1=0.535 2=1.245LgmD=0.984*lg0.535=0.016*lg1.245=-0.266mD=0.542mPs=84.5 查表得：1=0.325 2=0.190mf=0.216平均粘度=0.524+0.21

12、6/2=0.374) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；气液相体积流率： 计算: 液相品质流量 气相品质流量（3）计算得泛点气速 表7-2-1规整填料性能填料类型理论板数N, 1/m比表面积at，1/m空隙率P/Z,Mpa/mAK125X塑料孔板波纹填料0.855098.51.4*1040.3321.563其中：u f为泛点气速 m/s g：重力加速度 9.81 m/s2 a：填料比表面积1/m：空隙率 L：液体黏度，mPas A，K：常数VM，LM： 气液相密度 Kg/m3 WG，WL：气液相质量流量，Kg/h 求得泛点气速：=1.432m/s取安全系数 则空塔速度u=1.002，得，所以D=0.6

13、90.7m塔截面积：实际塔气速： 3.溢流装置的计算 堰长可取=0.66D=0.660.7=0.462m 溢流堰高度 由=，选用平直堰，堰上液层高度：取用E=1，则取液上清液层高度弓形降液管宽度和截面积 由，查图5-7（）附图得 用经验公式： 故降液管设计合理。降液管底隙高度 取=0.08m/s则=0.0089故降液管底隙高度设计合理 选用凹形受液盘，深度塔板布置 塔板的分块因为D700mm，故塔板采用分块式，查表5-3得：塔板分3块。边缘区宽度确定 取开孔区面积 其中， 筛孔计算及其排列 选用=3mm碳钢筛孔直径板，取筛孔直径=5mm 筛孔按正三角形排列，取孔中心距t=3=5mm 筛孔数目：

14、 开孔率： 气体通过阀孔的气速为：3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算： -塔顶空间（不包括头盖部分） -板间距 N-实际板数 S-人孔数 -进料板出板间距 -塔底空间（不包括底盖部分）已知实际塔板数为N=30块，板间距HT=0.3由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，因为板数较少，所以可以忽略人工开孔数。 取人孔两板之间的间距，则塔顶空间HP=1m，塔底空间HW=1.5m，进料板空间高度，那么，全塔高度：塔板结构尺寸的确定由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。取无效边缘区宽度WC=35mm，破沫区宽度，查得 堰长弓形溢流管宽度弓形降液管面积降液管面积与塔截面积

15、之比 堰长与塔径之比降液管的体积与液相流量之比，即液体在降液管中停留时间一般应大于5s液体在精馏段降液管内的停留时间 符合要求液体在精馏段降液管内的停留时间 符合要求弓形降液管采用平直堰，堰高-板上液层深度，一般不宜超过60-70mm-堰上液流高度堰上的液流高度可根据Francis公式计算=E-液体的收缩系数-液相的体积流量-堰长精馏段 =由 查手册知 E=1 则=0.005261=0.00526m=0.06-0.00526=0.0546m降液管底部离塔板距离,考虑液封，取比小15mm即=0.0546-0.01=0.0446同理，对提馏段 =由 查手册得 E=1.=0.003371=0.033

16、7m=0.06-0.00337=0.05663m=0.05663-0.01=0.04663m6开孔区面积计算 已知=0.12m进取无效边缘区宽度 =0.035m 破沫区宽度 =0.07m阀孔总面积可由下式计算x=r=所以 筛板的筛孔和开孔率因乙醇-水组分无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛空直径d0=5mm筛空按正三角排列，孔中心距t=3d0=35=15mm 筛孔数目 开孔率 （在5-15%范围内）气体通过筛孔的气速为 则 精馏段 提馏段 六、筛板的流体力学验算 1塔板压降 干板阻力计算 干板阻力 由所选用筛板，查得 液柱 气体通过液层的阻力的计算 气体通过液层的阻力 查图得： 液体表面张力的阻力计算

17、 液体表面张力所产生的阻力 液柱 气体通过每层塔板的高度可计算： （700Pa=设计允许值）液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。液沫夹带 液沫夹带量，采用公式 由 所以 故设计中液沫夹带量允许范围内漏液 对于筛板塔，漏液点气速： =5.17m/s 实际空速： 稳定系数： 故在本实验中无明显漏液。液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液高度应服从式子 取 而，板上不设进口堰，则有 液柱 可知，本设计不会发生液泛七、塔板负荷性能图 1精馏段塔板负荷性能图1.1严重漏液线查图知 在操作范围内，任取几个值，已上式计算 0.00060.00150.00300

18、.0045 0.25700.26700.27910.28901.2液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下： 解得 0.00060.00150.00300.0045 1.4711.4191.3521.296可作出液沫夹带线2（3）液相负荷下限线液相负荷低于此线就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降，对于平直堰，取堰上液层高度=0.00526作为最小液相负荷标准。=EE=1,则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限3.（4）液相负荷上限线以3s 作为液体在降液管中停留时间的下限故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上线4（5）液泛线为使液体能由上层塔板

19、顺利地流入下层塔板降液管内，须维持的液层高度令 ， 联立得 整理得： 0.0911=0.160-334.38-1.74列表计算如下 0.00060.00150.00300.0045 1.6291.4981.3281.166由此表数据即可做出液泛线5。根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下：在负荷性能图A上，作出操作点A，连接OA，即可作出操作线。由图可以看出，该筛板的操作上线为液泛控制，下线为漏液控制。由图查得Vs，max= 1.905m3/s Vs，min= 0.3486m3/s故操作弹性为Vs，max/Vs，min=5.465管道设计与选择为减少气液进出塔对塔内操作的冲击，管径选取

20、按下述条件：流体流速:uL=13 m/s 气体流速uG=1030m/s蒸汽: u=3050 m/s uL=2m/s u=40m/s 公式: 塔顶回流管 di=28mm 塔顶蒸汽出口管 di=140mm 塔顶产品出口管 di=9.7mm 进料管 di=25mm 塔釜出料管 di=172mm 塔釜回流管 di=25mm 塔釜产品出口管 di=22mm 设计小结：这次设计总体来说还比较合理，各项设计结果均符合设计要求，详见设计结果总汇表及填料塔配图。由于该类型填料塔的一些物性参数均非化工手册中未能查到的确切数据，是通过分析计算得到的，这给计算带来了一定的误差。 这次课程设计，自己收获颇多。课程设计可

21、谓是理论联系实际的桥梁，是我们学习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成了指定的化工设计任务，从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。 综上所述，这次课程设计对自己来说是一个提高的过程。在做课程设计的过程中，几次频繁的去图书馆找寻资料，不仅让自己现在能够熟悉查阅文献资料，还丰富了自己的课外知识。两个星期内，同学之间热烈讨论，各寝室间交流密切，极大增进了同学之间的友谊，这可算上是此次课程设计的额外收获。对于化工单元操作 ，从开始的陌生到现在的一知半解，有自己的努力，也有很多她人的帮助。在此感谢所有帮助我的人。