化工原理课程设计设计题目：空气中丙酮的回收工艺操作学院：化学化工学院班级：化工0902姓名（学号）：侯祥祥3091303039朱晓燕3091303036熊甜甜3091303035周利芬3091303033指导教师：吴才玉2012年01月目录一、前言 (3)二、设计内容 (5)（一）设计对象 (5)（二）工艺路线设计 (5)1.路线选择 (5)2.流程示意图 (8)3.流程说明 (9)（三）工艺的设计计算 (10)1.物料衡算 (10)2.热量衡算 (12)（四）设备的设计计算 (21)1.主要参数 (21)2.直径 (21)3.附加条件 (21)（五）设备示意图 (23)三、总结体会 (24)四、参考文献 (29)五、附录 (31)前言化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。

在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。

在化工生产中，常常需要进行混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，吸收和精馏两个单元操作为此提供了重要措施。

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

精馏是常用的液体混合物的分离操作，它利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝，从而达到轻重组分分离的目的。

塔设备是一种重要的单元操作设备，其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。

它广泛用于吸收、精馏、萃取等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。

塔设备一般分为连续接触式和阶跃接触式两大类。

前者的代表是填料塔，后者的代表则为板式塔。

在本次课程设计中，吸收操作采用的是填料塔，而精馏操作采用的则为板式塔。

填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。

过去，填料塔多推荐用于0.6～0.7m以下的塔径。

近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。

筛板塔是1932年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。

其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。

但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。

在设计过程中应考虑到设计的吸收塔和精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。

节省能源，综合利用余热。

经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。

另一方面影响到所需传热面积的大小。

即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。

本课程设计的主要内容是工艺路线的设计、过程的物料衡算、工艺计算、结构设计等。

设计内容【设计对象】空气中丙酮的回收1.处理量：8000m3/h2.原料中丙酮含量：10%（m3/m3)3.丙酮产品的质量：98%（kg/kg）4.丙酮的总回收率：93%5.吸收剂：水（丙酮含量为2%）6. 逆流操作7. 操作压力为常压8. 使用微分接触式的吸收设备【工艺路线设计】1.路线选择丙酮是重要的有机合成原料，用于生产环氧树脂，聚碳酸酯，有机玻璃，医药，农药等。

亦是良好溶剂，用于涂料、黏结剂、钢瓶乙炔等。

也用作稀释剂，清洗剂，萃取剂，还是制造醋酐、双丙酮醇、氯仿、碘仿、环氧树脂、聚异戊二烯橡胶等的重要原料。

在无烟火药、赛璐珞、醋酸纤维、喷漆等工业中用作溶剂，以及在油脂等工业中用作提取剂。

丙酮回收单元是很多用丙酮作为溶剂进行化工生产企业中的一个重要单元，丙酮回收的方法有多种，如水吸收-精馏、水吸收-解吸、活性炭吸附-蒸汽解吸-精馏、深度冷却等等。

目前，工业上主要采用水吸收-精馏或活性炭吸附-蒸汽解吸-精馏两种操作路线对空气中的丙酮进行回收。

活性炭吸附法是利用活性炭的吸附作用，对丙酮进行回收。

活性炭产品主要指标有孔径及其分布、容积率、强度和灰分等，这些是选用活性炭依据。

吸附小分子量丙酮时，选择平均孔径小的高比表面积活性炭。

丙酮回收用活性炭微结构最佳指标：孔径主要集中在1纳米左右，微孔容积在0.4-0.5毫升/克。

水吸收丙酮是物理吸收，其利用丙酮-空气混合物中各组分在水中的溶解度不同，实现丙酮的分离。

就丙酮的回收而言，活性炭吸附-蒸汽解析-精馏丙酮回收工艺能耗较高,工艺安全性和稳定性较差;而水吸收-精馏丙酮回收工艺能耗较低,工艺安全性和稳定性较好,是当前最好的替代工艺。

此外，水吸收法还有诸多优点。

首先，丙酮空气混合气中，水对丙酮的溶解度大,而对其他组分则溶解度很小或基本不溶。

这样，单位量的水能够溶解较多的丙酮,在一定的处理量和分离要求下水的用量小,可以有效地减少水的循环量。

其次，在操作条件下，水具有较低的蒸气压,在吸收过程中，吸收剂水的损失可以忽略,提高了吸收过程的效率。

同时，水吸收法的能耗较低，采用水作为吸收剂进行吸收比用活性炭进行吸附要经济的多。

综上所述，在本次课程设计中，选用水吸收-精馏的工艺路线来回收空气中的丙酮。

工艺路线图水2.流程示意图a.流程简图（参见附件）b.流程框图含10%丙酮空气混合物 吸收 排放合格的废气丙酮水溶液 精馏丙酮 （塔顶产品） 空气丙酮气柜 吸收塔 贮槽 气泵 换热器25℃ 废气换热器3.流程说明丙酮-空气混合气体贮存在干燥的气柜中，通过气泵，混合气体进入填料吸收塔，与水逆流相接触后，大部分丙酮被水吸收，得到可排放的净化气，在填料塔塔顶排放到大气中；吸收丙酮后的水，从塔底流出，贮存在丙酮贮槽中，待用。

用离心泵将贮槽中的丙酮水溶液抽到位于高位的列管式换热器中，用板式精馏塔塔底的流出液进行加热，再通过套管换热器，使用低压蒸汽进行加热至泡点。

将泡点下的丙酮水溶液，通入板式精馏塔的加料口进行精馏。

经过精馏后，在精馏塔塔顶经过全凝器冷凝后的溶液进入分配器，一部分回流至精馏塔，另一部分再通过冷凝器冷凝后贮存在丙酮产品贮罐中，即得到产品；在精馏塔塔底，用低压蒸汽直接加热塔釜液体，在塔底流出液中，丙酮含量较低，可对吸收塔塔底流出的丙酮-水溶液进行第一次加热。

从列管换热器流出的低含量丙酮-水溶液，经过套管换热器进行冷却，至20摄氏度，再通入吸收塔对空气中的丙酮进行吸收。

如此，完成水吸收-精馏法回收空气中的丙酮的操作工艺。

【工艺的设计计算】1.物料衡算 离心泵 25℃ 换热器 精馏塔全凝器 丙酮贮槽 全凝器部分回流 再沸器 水相 釜液 泡点 冷却取吸收操作温度为t=20℃，操作压强为P=101.325KPa由《化工工艺设备》得丙酮-水两相系统亨利系数E （KPa)与温度t(℃)的关系公式为： lg E = 9.171- 15.2732040+t （1） 已知t=20℃,则由公式（1）可得 E=163.0KPam = PE = 163.0/101.3 = 1.61 所以，吸收操作相平衡关系为：y=1.61x丙酮、空气混合气的平均摩尔质量为=∑iy （2） 已知丙酮y =0.1，丙酮M =58.08g/mol ,则空气y =1-0.1=0.9，查得20℃空气的平均摩尔质量空气M =29，根据公式（2）可得，=31.91g/mol =31.91kg/k mol将丙酮、空气混合气体近似看做理想气体，则可知PV=nRT (3)，V=/带入公式（3）中，可得 =RT M P =15.293314.891.31325.101⨯⨯=1.327kg/ G=8000/h=91.31327.13600/8000⨯=0.09kmol /s 由吸收、精馏过程可得以下方程： 吸收最小液气比min )(G L =2121x x y y e -- (4) 吸收的液气比 G L =1.4min )(G L =2121x x y y -- (5) 吸收的相平衡的关系 y=1.61x (6)精馏的总物料 F=D+W (7)易挥发组分 F=D+W (8)L=F,F x x =1,w x x =2 (9)总的回收率 1Gy Dx D ==起始丙酮的量最后丙酮的量η (10) 式中：L 、G ——分别表示吸收过程水相、气相的流量，kmol/s;x 1、x 2——分别表示吸收过程水相进、出口中易挥发组分的摩尔分率；y 1、y 2——分别表示吸收过程气相进、出口中易挥发组分的摩尔分率；F 、D 、W ——分别表示精馏过程中原料液、馏出液和釜残液的流量， kmol /s ；x F 、x D 、x W ——分别表示精馏过程中原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。

已知=0.98，G=0.09kmol /s,=0.93，假设=0.004根据方程（4）--（10），可求得L=F=0.201kmol /s,D=0.00854kmol /s,W=0.192kmol /s,=0.0074kmol /s,F x x =1=0.045,w x x =2=0.004根据物料衡算，结果整理如下表：F （L ）/kmol /sD /kmol /s W /kmol /s y 2 X 1(x F ) x 2(x W ) 0.2018.54×10-3 0.192 7.4×10-3 0.045 0.004 2.热量衡算换热器的选择 根据流程工艺的需要，共需提供三台换热器进行操作，我们选了两台套管式换热器和一台列管式换热器。

其流程如上图所示，精馏塔塔底流出液，对吸收塔塔底流出的丙酮-水溶液进行第一次加热。

之后再经过套管换热器进行冷却，至20摄氏度，再通入吸收塔对空气中的丙酮进行吸收。

被加热的丙酮-水溶液再用低压蒸汽加热至泡点，送入精馏塔进料版进料。

下面逐个进行计算： ①套管式换热器-1的计算根据物料衡算，再通过计算可知，含丙酮4.5%、水95.5%的混合溶液，其泡点温度为98℃。

套管式换热器-2套管式 换热器-1列管式 换热器 精馏塔釜液 低压蒸汽 精馏塔 吸收塔 吸收塔塔底流出液用T=110℃低压蒸汽对冷流体加热，至泡点温度t 2=98℃，采用内管直径为 Φ58×2.5mm ，外管直径为Φ78mm 的套管式换热器逆流传热，蒸汽流量选用q m ，1=0.268kg/s ，查得110℃饱和水蒸汽汽化焓为 ΔH=2232.4kJ/kg 。