化工單元課程設計
題目： 年處理4萬噸丙酮-水連續精餾塔設計
學院化學學院
專業班級製藥一班
學生姓名
學生學號
指導教師
設計任務書
一、設計題目
年處理4萬噸丙酮-水連續精餾塔設計
二、設計條件
生產時間8000小時,處理量4萬噸/年，進料含丙酮55%
塔頂操作壓力常壓（絕壓）
塔頂採用全凝器，泡點回流
塔釜為飽和蒸汽間接加熱
篩板塔精餾設計
塔頂產品丙酮濃度不低於98%（質量分率）
塔底釜液丙酮不高於1%（質量分率）
三、設計任務
完成精餾塔的物料衡算、熱量衡算和裝置設計計算及輔助裝置設計選型計算。
繪製生產工藝流程圖、精餾塔設計條件圖。
撰寫設計說明書。
本次化工單元設計主要是丙酮-水連續精餾塔設計，包括精餾塔的物料衡算、熱量衡算、精餾塔工藝尺寸計算和塔輔助裝置的設計計算。精餾塔設計中理論板數6塊板，實際板數16塊板，全塔效率為31.25%。
精餾塔流體力學驗證，證明了精餾塔可以正常操作。由漏液線、液沫夾帶線、液相負荷下限、液相負荷上限、液泛線等畫出塔板負荷效能圖，分別得出精餾段和提餾段的操作彈性為8.25和4.
364，精餾塔可在正常範圍內操作。
關鍵詞：丙酮-水、連續精餾、篩板塔、工藝設計
1.1.1塔裝置的型別
塔裝置是化工、石油化工、生物化工、製藥等生產過程中廣泛採用的傳質裝置，根據塔內
氣液接觸構件的結構形式可以分為板式塔和填料塔兩大類。
板式塔內設定一定數量的塔板，氣體一鼓泡或噴射形式穿過板上的液層進行傳質與傳熱，塔板是板式塔的主要構件，分為錯流式塔板和逆流式塔板兩大類，工業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上大規模應用的板型之一，有成熟的設計方法和操作經驗。氣體接觸良好，操作彈性範圍大，而且耐油汙、不易堵塞。20世紀上半葉，隨著化學工業、煉油與石油化學工業的高速發展，在生產中大量應用著蒸餾、吸收等氣液兩相傳質操作。
篩孔塔板
篩板塔普遍用作h2s-h2o雙溫交換過程的冷、熱塔。應用於蒸餾、吸收和除塵等。在工業上實際應用的篩板塔中，兩相接觸不是泡沫狀態就是噴射狀態，很少採用鼓泡接觸狀態的。
篩板塔優點：結構簡單、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。浮閥塔板的優點是結構簡單、製造方便、造價低塔板開孔率大，其缺點是處理結焦、高粘度物係是，閥片易與塔板粘結，在操作過程中會發生卡死等現象，使塔板操作彈性下降。
在本設計中採用的是篩板塔。
1.1.2操作條件確定
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，混合液的相對揮發度將減小，對分離不利；當壓力減小時，相對揮發度將增加，對分離有利。但當壓力太低時，對裝置要求高，裝置費用增加。因此在設計時一般採用常壓精餾。
丙酮-水系統在常壓下相對揮發度較大，故本設計採用常壓精餾。
加料熱狀況
泡點進料，q=1
加熱方式
採用間接蒸汽加熱，設定再沸器。
回流比的選擇
選擇回流比，主要從經濟觀點出發，力求使裝置費用和操作費用之和最低，一般經驗值為r=(1.1～2.0)rmin 。
塔頂冷凝器的冷凝方式與冷卻介質的選擇
塔頂冷凝溫度要求不低於30℃，常用的冷卻劑是水和空氣，工業上多用冷卻水，冷卻水可以是江、河及湖水，受本地氣溫限制，冷卻水一般為10～25℃，故本設計選用25℃的冷卻水，選公升溫10℃，即冷卻水的出口溫度為35℃。
塔釜加熱介質的選擇
常用的加熱介質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，由於飽和水蒸汽冷凝時的傳熱系數很高，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100～1000℃，適用於高溫加熱，煙道氣的缺點是是比熱容及傳熱系數很低，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，水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會相應降低，塔結構也不複雜。
1.1.3換熱器的選擇
換熱器是許多任務業部門的通用工藝裝置，尤其是石油、化工生產中應用更為廣泛，在化工廠中換熱器可作為加熱器、冷卻器、蒸發器和再沸器等。
列管換熱器是目前化工生產中應用最廣泛的一種換熱器，它的結構簡單、堅固、製造容易，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裝置，列管換熱器的型別主要有一下幾種：
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點是結構簡單、緊湊、製造成本低；管內不易結垢，即使產生汙垢也便於清洗。 缺點是殼程檢修困難主要適用於殼體和管束溫差小，管外物料比較清潔，不易結垢的場合。所以在本設計中採用固定管板式換熱器中的列管換熱器，管外走氣體，管內走液體。
1.1.4幫浦的選擇
化工用幫浦主要有離心幫浦、往復幫浦、迴轉式幫浦、旋渦幫浦等。由於離心幫浦具有寬範圍寬流量和寬揚程等特點，且範圍適用於輕度腐蝕性液體多種控制選擇流量均勻、運轉平穩、振動小，不需要特別減震的基礎，裝置安裝、維護檢修費用較低等，故本設計採用離心幫浦。
1.2.1流程敘述
丙酮-水物料從儲罐v0101出來，由幫浦p0101打入換熱器e0101，經過換熱器加熱到61.275℃後進入精餾塔t0101進行分離，在塔釜的採出主要是水，其中一部分經再沸器e0102回到精餾塔t0101，一部分由產品幫浦p0103打入釜液冷卻器e0105,冷卻到30℃後進入釜液儲罐v0104，塔頂採出丙酮，經全凝器e0103後產品進入回流罐v0102，一部分由回流幫浦p0102再次打入精餾塔t0101，一部分經產品冷卻器e0104冷卻到30℃後進入產品儲罐v0103。
1.2.2流程示意圖
圖1-1工藝流程圖
1.3主要設計任務
完成精餾塔的物料衡算、熱量衡算和裝置設計計算及輔助裝置設計選型計算。
繪製生產工藝流程圖、精餾塔設計條件圖。
撰寫設計說明書。
2.1.1液相濃度計算
將各項組成由質量分數換算為摩爾分數：
=5527.5%
=98% ==93.83%
=10.31%
2.1.2溫度計算
由附表1中資料，利用插值法求得、、
進料溫度： = =61.275℃
塔頂溫度： = =57.117℃
塔底溫度97.737℃
精餾段平均溫度： ===59.196℃
提餾段平均溫度： ===79.506
全塔平均溫度: = = =72.043
2.1.3氣相組成計算
=57.117℃ =61.275℃ =97.737℃
95.64%
: = =82.63%
7.84%
精餾段：
液相組成：
氣相組成：
提餾段：
液相組成：
氣相組成：
根據=由=0.275 =0.8263
: = = =12.54
由=0.9383 =0.9564
: = = =1.442
由 =0.0031 =0.0784
: ==
精餾段平均相對揮發度： =
提餾段平均相對揮發度： =
全塔平均相對揮發度：
已知相對揮發度可得出平衡方程：
利用解析法求最小回流比
泡點進料時則有
適宜回流比r==2×0.175=0.35
已知資料：丙酮的摩爾質量=58kg/kmol,
水摩爾質量=60kg/kmol
=0.275 =0.9383 =0.0031
原料處理量
總物料流量衡算
塔底物料流量衡算：
解得：塔頂產品的相對分子質量：
塔頂產品質量流量：
塔釜產品的相對分子質量：
塔釜產品質量流量：
已知： =0.275 =0.9383 =0.0031
帶入資料得出
精餾段操作線方程：
提餾段操作線方程：
已知：平衡方程：
精餾段操作線方程：
提餾段操作線方程：
利用逐板法求理論板如下：
<,所以第二塊板為進料板，下面進入提餾段
因為,所需總理論板數為6塊（包快再沸器），第2塊為進料板，精餾段1塊板，提餾段5塊板。
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