丙酮-水溶液直接蒸汽加热筛板精馏塔设计

第一部分设计概述

一、设计题目：筛板式连续精馏塔及其主要附属设备设计

二、工艺条件:

生产能力：30000吨/年（料液）

年工作日：300天

原料组成：25%丙酮，75%水（质量分率，下同）

产品组成：馏出液 99%丙酮，釜液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：自选

三、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。

四、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。

流程示意图如下图

图1：精馏装置流程示意图

第二部分塔的工艺计算

一、查阅文献，整理有关物性数据

（1）水和丙酮的性质

表1.水和丙酮的粘度

温度50 60 70 80 90 100

水粘度

mpa

0.592 0.469 0.40 0.33 0.318 0.248

丙酮粘

度mpa

0.26 0.231 0.209 0.199 0.179 0.160

表2.水和丙酮表面张力

温度50 60 70 80 90 100

水表面

张力

67.7 66.0 64.3 62.7 60.1 58.4

丙酮表

面张力

19.5 18.8 17.7 16.3 15.2 14.3

表3.水和丙酮密度

温度50 60 70 80 90 100

相对密

度

0.760 0.750 0.735 0.721 0.710 0.699

水998.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 丙酮758.56 737.4 718.68 700.67 685.36 669.92 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18.02 100 647.45 22050

丙酮58.08 56.2 508.1 4701.50

表5. 丙酮—水系统t—x—y数据

沸点t/℃丙酮摩尔数x y

10000 920.01 0.279 84.20.0250.47 75.60.050.63 66.90.10.754 62.40.20.813 61.10.30.832 60.30.40.842 59.80.50.851 59.20.60.863

58.80.70.875

58.20.80.897

57.40.90.935

56.90.950.962

56.7 0.975 0.979

56.5 1 1

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）进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数

酮的摩尔质量 A M =58.08 Kg/kmol 水的摩尔质量 B M =18.02 Kg/kmol

平均摩尔质量

0937.002

.18/75.008.58/25.008

.58/25.0=+=F x 968

.002.18/01.008.58/99.008.58/99.0=+=D x 00629

.002.18/98.008.58/02.008.58/02.0=+=W x

M F =0.0937⨯58.08+（1-0.0937）⨯18.02=21.774 kg/kmol M D = 0.968⨯58.08+ (1-0.968) ⨯18.02=56.798 kg/kmol M W =0.00629⨯58.08+（1-0.00629）⨯18.02=18.272 kg/kmol

30000000/(30024)

191.3621.774

F ⨯== kg/kmol

最小回流比

由题设可得泡点进料q=1则F x = e x ，又附图可得e x =0.0937, e y =0.749。

min D e e e x y R y x -=

- =0.9680.749

0.00420.7490.0937

-=-

确定操作回流比：

min

(1.1~2.0)R R =

令min 2R R ==0.6684

二、全塔物料衡算与操作方程

(1)全塔物料衡算

F S D W +=+

F D W Fx Dx Wx =+

0.09370.00629

191.3617.2050.9680.006290.6684

F W D W x qx D F x Rx --=⨯

⨯=++⨯

Kmol/h

0.668417.205191.36202.86W L RD qF ==+=⨯+= Kmol/h (1)(1)(0.66841)17.20528.705S V R D q F ==+--=+⨯= Kmol/h

(2) 操作方程 精馏段 111

D n n x R

y x R R +=

+++= 0.40.58n x + 提馏段 1n n W W W

y x x S S

+=

-= 7.0670.044n x - （3）由图可得当R=0.6684时，精馏段与平衡线相切，则即使无穷多塔板及组成也不能跨越

切点，切点为（0.854,0.915），则：

min min 0.9680.915

10.9680.854

R R -=+- 可解得：min R =0.8688

设min 2R R ==1.7376

17.091/F D

D W

x x D F Kmol h x x -=⨯

=+

(1)46.788/S R D Kmol h =+=

29.697/L RD Kmol h ==