丙酮-水化工原理课程设计

1. 设计方案简介

1.1设计方案的确定

本设计任务为分离丙酮—水混合物提纯丙酮，采用连续精馏塔提纯流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

1.2 操作条件和基础数据

进料中丙酮含量（质量分率）35%；

产品中丙酮含量（质量分率）99%；

塔釜中丙酮含量（质量分率）不大于0.04；

进料量F=2000kg/h；

操作压力塔顶压强为常压

进料温度泡点；

1.3工艺流程图

2.精馏塔的物料衡算

2.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 丙酮的摩尔质量 M A =58.08kg/kmol 水的摩尔质量 M B =18.02kg/kmo l x F =02

.18/56.008.58/35.008

.58/35.0+=0.143

x D =02

.18/01.008.58/99.008

.58/99.0+=0.968

x W =02

.18/69.008.58/40.008

.58/40.0+=0.013

2.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

M F =0.143×58.08+（1-0.143）×18.02=23.75kg/kmol M D =0.968×58.08+（1-0.968）×18.02=56.80kg/kmol M W =0.013×58.08+（1-0.013）×18.02=18.54kg/kmol

2.3 物料衡算

原料进料量为2000kg/h F=2000/27.51=72.70kmol/h

总物料衡算 72.70=D+W

丙酮的物料衡算 72.70×0.143=0.968D+0.013W 联立解得 D=9.90 W=62.80

3.塔板数的确定

3.1理论塔板数N T的求取

3.1.1求最小回流比及操作回流比

丙酮-水是非理想物系，先根据丙酮-水平衡数据（见下表1），绘出平衡线，如下图所示。

由表1数据可作出t-y（x）图如下

由表1数据作出相平衡y-x 线图

由 x

）1-（α1x

αy +=

， 得 ）1-y （x ）1-x （y α=

由表计算得：

α1=38.31 α8=5.71 α2=34.58 α9=4.20 α3=32.35 α10=3 α4=27.59 α11=2.18 α5=17.39 α12=1.60 α6=11.56 α13=1.33 α7=7.99

α14=1.20

所以 α=1414321α·...·α·α·α=7.055 得出相平衡方程：y =

6.055x

17.055x

+

泡点进料，所以q=1，x e =x F =0.143 代入相平衡方程，得到y e =0.541

所以 R min e

e e D x -y y -x ===0.143

-0.5410.541-0.968 1.073

初步取实际操作回流比为理论回流比的1.5倍

即 R=1.5R min =1.5×1.073 = 1.61 3.1.2 求精馏塔的气、液相负荷

L 15.949.9061.1=⨯==RD kmol/h V =25.849.90)161.1()1(=⨯+=+D R kmol/h

L '88.6472.7015.94=+=+=F L kmol/h V '25.84==V kmol/h

3.1.3 求操作线方程 精馏段操作线方程为 y 0.3710.617968.025.84

9.9025.8415.94+=⨯+=+=

x x x V D x V L D 提馏段操作线方程为

y '

0.03163.43301.025.8462.80

25.8488.64''''''-=⨯-=-=x x x V

W x V L W

3.1.4 捷算法求理论板层数 求最少理论塔板数N min 和N minl

N min α/lg x

x -1x -1x lg W W

D D

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪

⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=

96.3055.7/lg 0.0130.013-10.968-10.968lg =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= N minl α/lg x x -1x -1x lg F F

D D ⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=

2.66055.7/lg 0.1430.143-10.968-10.968lg =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛= 捷算法求理论塔板数

0.2061

1.611.073

-1.611R R -R X min =+=+=

()()0.658

0.206-10.75X -10.75Y 5668

。

00.5668

=

=

=

由 0.6581

N 3.96-N 1

N N -N Y min =+=+=

解得 N =13.5 （包括再沸器），取14块

根据式

min

min11N N N

N =

得 9.07N N N N min

min1

1==

， 取10块

所以加料板可设在第10块。

3.2 求取塔板的效率

用奥康奈尔法('O conenell )对全塔效率进行估算： 根据丙酮—水系统t —x(y)图可以查得：

C 5.56︒=

D t （塔顶第一块板) 0.968D x = 10.968y = x 1=0.81 设丙酮为A 物质，水为B 物质

所以第一块板上： 0.968A y = x A =0.81 0.032B y = x B =0.19 可得： 7.10/x y /x y αB

B A A ）D （AB ==

℃4.66=F t (加料板) x F =0.143 y F =0.541

假设物质同上： y A =0.541 x A =0.143 y B =0.459 x B =0.857 可得： 7.06/x y /x y αB

B A

A ）F （A

B ==

℃90w =t (塔底) x W =0.013 y W =0.085 假设物质同上：y A =0.085 x A =0.013 y B =0.915 x B =0.987 可得： 7.05

/x y /x y αB

B A

A ）W （A

B ==

所以全塔平均挥发度： α=7.055

精馏段平均温度： ℃60.552

T T T F D 1=+=

查物性常数表(如表2)：