丙酮-水精馏设计化工原理

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目 录

第一章 绪 论???????????????????????????????1 1.1 产品生产的发展概况及意义????????????????????1 1.2 产品的性质、用途、危险性、国家标准???????????????1 1.2.1 产品性质 ??????????????????????????1 1.2.2 产品用途 ??????????????????????????1 1.2.3 产品国家标准 ????????????????????????1 1.3 原料的性质及来源????????????????????????2 1.3.1 原料的性质 ?????????????????????????2 1.3.2 原料的来源 ?????????????????????????2 1.4 设计所采用的分离方法及特点???????????????????2 第二章 工艺流程设计及设备论证 ?????????????????????3 2.1 工艺流程叙述及论证 ??????????????????????3 2.2工艺参数的选择论证 ??????????????????????4 2.3设备论证 ???????????????????????????4 第三章 物料衡算 ?????????????????????????4 3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 ???????????????4 3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 ?????????????5 3.3 物料衡算 ???????????????????????????5 第四章 能量衡算 ?????????????????????????????5 4.1 冷凝器的热负荷和冷却水的流量 ?????????????????5 4.2 再沸器的热负荷和饱和水蒸气的流量 ?????????????????6 4.3 预热器的热负荷和饱和水蒸气的流量 ???????????????6 4.4 塔顶产品冷却器 ???????????????????????6 第五章 设备设计计算与选型 ????????????????????6 5.1 塔板数的确定 ?????????????????????????6 5.1.1 理论板层数NT的求取 ????????????????????6 5.1.2 实际板层数的计算 ?????????????????????7 5.2 相关物性的计算 ????????????????????????9 5.2.1 操作压力的计算 ??????????????????????10 5.2.2 平均摩尔质量计算 ?????????????????????10

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5.2.3 平均密度计算 ???????????????????????10 5.2.4 液体平均表面张力 ?????????????????????11 5.2.5 温度 ?????????????????????????12 5.3 精馏塔的塔体主要工艺尺寸计算 ?????????????????12 5.3.1 气液相负荷的计算 ?????????????????????12 5.3.2 塔径 ???????????????????????????13 5.4 塔板主要工艺尺寸的计算????????????????????14 5.4.1 溢流装置计算 ???????????????????????14 5.4.2 边缘区宽度 ?????????????????????????16 5.4.3 塔板布置 ?????????????????????????16 5.5 板式塔的流体力学验算 ????????????????????17 5.5.1 塔板压力降hf的校验 ????????????????????17 5.5.2 液面落差 ?????????????????????????18 5.5.3 雾沫夹带 ?????????????????????????18 5.5.4 漏液 ???????????????????????????18 5.5.5 液泛 ???????????????????????????19 5.6 塔板负荷性能图 ???????????????????????19 5.6.1 漏液线 ??????????????????????????19 5.6.2 雾沫夹带线 ????????????????????????20 5.6.3 液相负荷下限线 ??????????????????????20 5.6.4 液相负荷上限线 ??????????????????????21 5.6.5 液泛线 ??????????????????????????21 5.6.6 操作弹性 ??????????????????????????21 5.7 换热器的选型 ?????????????????????????22 5.7.1 全凝器的选型 ????????????????????22 5.7.2 再沸器的选型 ????????????????????23 5.7.3 预热器的选型 ????????????????????24 5.7.4 塔顶产品冷却器选型及核算 ?????????????????24 5.8 管径的选取 ?????????????????????????28 5.8.1 进料管管径的选取 ?????????????????????28 5.8.2 塔顶出料管管径的选取 ???????????????????28 5.8.3 塔釜出料管管径的选取 ???????????????????29

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5.8.4 塔顶回流液管管径的选取 ??????????????????29 5.8.5 塔釜回流液管管径的选取 ??????????????????29 5.8.6 全凝器出口管管径的选取 ??????????????????29 5.8.7 再沸器出口管管径的选取 ??????????????????29 5.9 离心泵的选取 ?????????????????????????29 5.10 精馏塔的附属设备 ????????????????????????30 5.10.1 法兰的选择 ?????????????????????????30 5.10.2 筒体与封头 ?????????????????????????31 5.10.3 裙座 ????????????????????????????31 5.10.4 有效高度 ?????????????????????????31 5.10.5 塔总体高度 ?????????????????????????31 5.10.6储槽 ?????????????????????????31 第六章 非工艺部分 ?????????????????????????32 6.1安全 ???????????????????????????????32 6.2 三废情况及环保的大体方案 ?????????????????????33 主要参考文献 …………………………………………………………………………..34 结束语 …………………………………………………………………………………...35 附录

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第一章 绪 论

1.1 产品生产的发展概况及意义

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、甲基丙烯酸甲酯等的重要原料。在无烟火药、赛璐珞、醋酸纤维、喷漆等工业中用作溶剂。在油脂等工业中用作提取剂。 用于制取有机玻璃单体、双酚A、二丙酮醇、己二醇、甲基异丁基酮、甲基异丁基甲醇、佛尔酮、异佛尔酮、氯仿、碘仿等重要有机化工原料。在涂料、醋酸纤维纺丝过程、钢瓶贮存乙炔、炼油工业脱蜡等方面用作优良的溶剂。

1.2产品的性质、用途、危险性、国家标准 1.2.1 产品性质

丙酮是脂肪族酮类具有代表性的的化合物，具有酮类的典型反应。例如：与亚硫酸氢钠形成无色结晶的加成物。与氰化氢反应生成丙酮氰醇。在还原剂的作用下生成异丙酮与频哪醇。丙酮对氧化剂比较稳定。在室温下不会被硝酸氧化。用酸性高锰酸钾强氧化剂做氧化剂时，生成乙酸、二氧化碳和水。在碱存在下发生双分子缩合，生成双丙酮醇。2mol丙酮在各种酸性催化剂（盐酸，氯化锌或硫酸）存在下生成亚异丙基丙酮，再与1mol丙酮加成，生成佛尔酮（二亚异丙基丙酮）。3mol丙酮在浓硫酸作用下，脱3mol水生成1，3，5-三甲苯。在石灰。醇钠或氨基钠存在下，缩合生成异佛尔酮（3，5，5-三甲基-2-环己烯-1-酮） 。在酸或碱存在下，与醛或酮发生缩合反应，生成酮醇、不饱和酮及树脂状物质。与苯酚在酸性条件下，缩合成双酚-A。丙酮的α-氢原子容易被卤素取代，生成α-卤代丙酮。与次卤酸钠或卤素的碱溶液作用生成卤仿。丙酮与Grignard试剂发生加成作用，加成产物水解得到叔醇。丙酮与氨及其衍生物如羟氨、肼、苯肼等也能发生缩合反应。此外，丙酮在500~1000℃时发生裂解，生成乙烯酮。在170~260℃通过硅-铝催化剂，生成异丁烯和乙醛；300~350℃时生成异丁烯和乙酸等。不能被银氨溶液，新制氢氧化铜等弱氧化剂氧化，但可催化加氢生成醇。

1.2.2 产品用途

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、甲基丙烯酸甲酯等的重要原料。在无烟火药、赛璐

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珞、醋酸纤维、喷漆等工业中用作溶剂。在油脂等工业中用作提取剂。 用于制取有机玻璃单体、双酚A、二丙酮醇、己二醇、甲基异丁基酮、甲基异丁基甲醇、佛尔酮、异佛尔酮、氯仿、碘仿等重要有机化工原料。在涂料、醋酸纤维纺丝过程、钢瓶贮存乙炔、炼油工业脱蜡等方面用作优良的溶剂。

1.2.3 危险性、产品国家标准

健康危害：急性中毒主要表现为对中枢神经系统的麻醉作用，出现乏力、恶心、头痛、头晕、易激动。重者发生呕吐、气急、痉挛，甚至昏迷。对眼、鼻、喉有刺激性。口服后，先有口唇、咽喉有烧灼感，后出现口干、呕吐、昏迷、酸中毒和酮症。

慢性影响：长期接触该品出现眩晕、灼烧感、咽炎、支气管炎、乏力、易激动等。皮肤长期反复接触可致皮炎。

燃爆危险：该品极度易燃，具刺激性。

1.3 原料的性质及来源 1.3.1 原料的性质

但工业上实际采用的方法并不很多。目前我国用粮食发酵的生产丙酮仍占较大比重。在合成法中异丙苯法是主要的。由含淀粉的农副产品发酵制得丙酮、丁醇和乙醇的混合物，三者的比例为丙酮：丁醇：乙醇=32：56：12至25：70：3(重量比)。每生产1t丙酮，约耗用11t淀粉或60-66t废糖蜜。异丙苯法是丙酮生产路线中最经济的方法，同时得到苯酚。两者之比是，苯酚：丙酮=1：0.6(重量)。以苯酚计，10万t级装置每吨苯酚消耗丙烯(90%)590kg。

1.3.2 原料的来源

丙酮的生产方法主要有异丙醇法、异丙苯法、发酵法、乙炔水合法和丙烯直接氧化法。目前世界上丙酮的工业生产以异丙苯法为主。世界上三分之二的丙酮是制备苯酚的副产品，是异丙苯氧化后的产物之一。

丙酮，工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸、甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。

1.4 设计所采用的分离方法及特点

双组分混合液的分离是最简单的精馏操作。典型的精馏设备是连续精馏装置（图1），包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔底,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降，进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起

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沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。两段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的两种产品。

具有如下特点：

(1)通过精馏分离可以直接获得所需要的产品，而其它一些分离方法，如吸收、萃取等，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而精馏操作流程通常较为简单。

(2)精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用精馏方法进行分离。

(3)精馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而像吸收、萃取、结晶、膜分离等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。

(4)精馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因此，精馏操作耗能较大。

(5)精馏技术经过多年的发展及广泛的使用，目前已具有相当成熟的工程设计经验与一定的基础理论研究，并发展出了以精馏为基础的许多新型复合传质分离技术。

(6)精馏过程操作简单，易于工程化。即可连续操作，也可间歇操作，可应用于各种批量的操作中。

第二章 工艺流程设计及设备论证

2.1 工艺流程叙述及论证

本设计任务为分离丙酮-水混合物。对于该非理想二元混合物的分离，应该使用连续精馏流程。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。塔顶上升蒸汽采用全凝器，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐该物系属于易分离物系（标况下，丙酮的沸点56.2°C），塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

2.2工艺参数的选择论证

1. 原料液处理量： 30000吨/年

2. 原料液含苯： 40％ （质量分率）

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3. 塔釜馏出液中含丙酮≤2％ （质量分率） 4. 塔顶馏出液中含丙酮≥97％（质量分率） 5.操作压力： 4Kpa（塔顶表压） 6.进料热状况： 泡点进料 7.回流比： 2 8.单板压降： 0.7Kpa

9.建厂地址： 衢州地区 以上参数均符合工艺条件

2.3设备论证

塔设备按其结构形式基本上可以分为两类：板式塔和填料塔。板式塔为逐板接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、压降低，操作弹性大，持液量小等优点。同时也有投资费用较高，填料易堵塞等缺点。

本设计目的是分离丙酮-水混合液，采用筛板式精馏塔。

塔型的选择因素很多。主要有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。

1、与物性有关的因素

（1）本设计任务为分离丙酮-水混合物，对于二元混合物的分离，应该使用连续精馏。

（2）易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，应选填料塔。

（3）对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔。 本设计为 丙酮和水，可选用板式塔。 2、与操作条件有关的因素

（1）对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔为适宜；

（2）对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔。在设计过程中应考虑到设计的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。

第三章 物料衡算

3.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数

M丙酮?58.08kg/kmol M水?18.02kg/kmol

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将物料组成转换成摩尔分率：

XF?0.35/58.080.35/58.08?0.65/18.02?0.1431

XD?0.97/58.080.97/58.08?0.03/18.02?0.9093 XW?0.02/58.080.02/58.08?0.98/18.02?0.00629

3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF?0.1431*58.08?(1?0.1431)*18.02?23.735g/mol MD?0.9093*58.08?(1?0.9093)*18.02?54.445g/mol MW?0.00629*58.08?(1?0.00629)*18.02?18.272g/mol 3.3 物料衡算

80000 F?300*100024*23.735?468.13kmol/h ??F?D?W?F?XF?D?X

D?W?XW ???468.13?D?W.13*0.1413?D*0.9093?W*0.00629

?468 ???W?397.2kmol/h?D?70.93kmol/h

第四章 能量衡算

4.1 冷凝器的热负荷和冷却水的流量

GV3600?141.86?54.4451?VM3600?2.15Kg/s [1] r1=?xiri?400*0.97?0.03*2429?460.87kj/kg

Q?G1r?2.15?460.87?991kw WQ991000*c?

c(t?t?3600?53090kg/hpc21)4200*(36?20)

5

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4.2 再沸器的热负荷和饱和水蒸气的流量

L'M'L539?18.272??2.74Kg/s [1] G1?36003600塔釜温度为tw=95℃ r?2270kj/kg Q?Gr?6210kw

Wh?Qr?62100002270?2736kg/h

4.3 预热器的热负荷和饱和水蒸气的流量

GFMV1?3600?468.13?23.7353600?3.1Kg/s [1] Q?G1CPC?t?3.1*3.29*(65?20)?459kw Q

Wh?r?4590002270?202.2kg/h

4.4 塔顶产品冷却器

Q?Whcph(T1?T2)?2.15*2700(57.3?30)?216526.5w

Wc?Q?216256.5*3600?18560kg/ c(tt20)hpc2?1)4200*(30?

第五章 设备设计计算与选型

5.1 塔板数的确定

5.1.1 理论板层数NT的求取

理论塔板数计算 （1）q线方程

XF?0.1431 q?1

q线方程为：X?0.1431

???Xq?0.1431??Yq?0.775 （2)求最小回流比Rmin和R

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因为丙酮-水物系的曲线是不正常的平衡曲线，所以最小回流比的求法是由点 ，向平衡线做切线，再由切线的斜率或截距求Rmin，见图1，图2

b?R?XD?0.725(R?1)XD

作图可知b?0.725

Rmin?0.302由吉利兰图作出N和R的关系图3

最终确定R=1

（3）精馏段和提馏段的气液流量 D=70.93kmol/h R=1

?L?RD?70.93kmol/h 精馏段??V?(R?1)D?141.86kmol/h‘??L?L?qF?539.06kmol/h提馏段?’

?V?V?（q-1）?141.8kmol/h?（4）精馏段操作线方程 RXYn?1?Xn?D?0.5Xn?0.45465

R?1R?1（5）精馏段操作线方程

WXWL'Ym?1?'Xm??3.8Xm?0.0176 'VV (6)作图法确定理论板数

由图4得精馏段3块板，进料板为第4块，提馏段3块板，总共6块板（包 括再沸器）。

5.1.2 实际板层数的计算

（1）全塔温度的计算

通过“t-x-y”数据进行插值计算得

泡点进料：xF＝0.1431 进料板温度tF?65℃

塔顶温度：tD?57.3℃ 塔底温度：tW?95℃

精馏段平均温度tm=(65+57.3)/2=61.15℃ 提馏段平均温度tm=(95+65)/2=80℃

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(2)全塔黏度计算 1）塔顶黏度 lgμ??xilgμi

表一 物性表

温度/℃ 水的粘度 丙酮粘度 水表面张力

50 60 70 80 0.33

90 0.318 0.179 60.1 15.2 965.3 685.36

100 0.248 0.16 58.4 4.3 958.4 669.92

0.592 0.469 0.4 0.26 67.7

0.231 0.209 0.199 66

64.3

62.7 16.3

丙酮表面张力 19.5 水相对密度

18.8 17.7

988.1 983.2 977.8 971.8

丙酮相对密度 758.56 737.4 718.68 700.67

由表一查得

?X水?0.0907?X?0.9093?μ?0.49606Pa?stD57.3℃ 查得水 查得 ?丙酮

3a?s μ丙酮?0.237PlgμD?0.9093lg0.2373?0.0907lg0.49606

μD?0.2537pa?s

2）塔底黏度 lgμ??xilgμi 表一查得

?X水?0.99371?9?0.318Pa?s 查得 ?X丙酮?0.0062

tW?95℃ 查得μ水

μ丙酮?0.17Pa?s

lgμW?0.00629lg0.179?0.99371lg0.318 μW?0.2543pa?s3）进料板黏度

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lgμ??xilgμi

?X水?0.8569tF??65℃ 查得μ水?0.4414Pa?s 查得 ?X丙酮?0.1431

μ丙酮?0.222P2a?s lgμF?0.1431lg0.2222?0.8569lg0.4414

μF?0.3269pa?s

0.2537?0.10854）全塔平均黏度：μL?2?0.1811 精馏段平均黏度：μM?0.2537?0.40012?0.3269

提馏段平均黏度：μ'M?0.1085?0.40012?0.2543

5)相对挥发度α

??塔顶：?YA?0由x-y图1查得??.9093??XA?0.83

??YA?0.00629?塔釜：???XA?0.1744αYD(1?XD)D?X1?Y?2.05D(D)αYW(1?XW)W?X?33.37

W(1?YW)α?αD?αW?7.56（4）全塔效率

精馏段效率：Et?0.49(α?μD)?0.245?0.49(7.56?0.3716)?0.245?0.38提馏段效率：Et?0.49(α?μ?0.245W)?0.49(7.56*0.333)?0.245?0.39

（5)实际塔板数

NTR?NE T精馏段:N3R?0.38?7.89 取整8块 提馏段:N2R?0.39?5.1 取整6块 9

[2]

[1]

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5.2 相关物性的计算

5.2.1 操作压力的计算

塔顶压强PD?101.325?4?105.325kpa 取每层塔板压强△p=0.9kPa，

则进料板的压力为：PF?PD?0.9*11?115.225kpa

塔底压力为：PF?PD?0.9*17?120.6kpa

PD?PF?110.275kpa故精馏段平均操作压力为： 2P?PFPM?W?117.8kpa故提馏段平均操作压力为： 2PM?

5.2.2 平均摩尔质量计算

??YA?0.9093??塔顶：?XA?0.83???YA?0.78?进料板：???XA?0.1431查图二得?

??YA?0.00629?塔釜：???XA?0.1744?塔顶：MVD?0.9093*58.08?(1?0.9093)*18.02?54.445kg/kmol MLD?0.85*58.08?(1?0.85)*18.02?51.27kg/kmo l进料板：MVF?0.78*58.08?(1?0.78)*18.02?49.27kg/kmol MLF?0.1431*58.08?(1?0.1431)*18.02?23.75kg/kmo l塔釜：MVW?0.1744*58.08?(1?0.1744)*18.02?25.006kg/kmol MLW?0.00629*58.08?(1?0.00629)*18.02?18.272kg/kmo l精馏段平均摩尔质量：MVM? MLM提馏段平均摩尔质量：MVM MLM 5.2.3 平均密度计算

10

54.445?49.2668?51.8559kg/kmol

251.27?23.753??37.521kg/kmo l225.006?49.2668??37.1364kg/kmol

223.753?18.272??21.0125kg/kmo l212级化学工程与工艺专业 化工原理课程设计说明书

1）气相密度?Vm

?PM?MVM110V精?R?T?.275*51.8559314*(60.9?273)?2.05kg/m3M8.

?PM?MVM117.8*37.V提?R?T?1364273)?1.5kg/m3M8.314*(77?

2）液相密度?Lm

表二 丙酮-水在各温度下的密度

塔釜温

进料温度塔顶温温度℃

度tW tf

度tD 95

65

57.3

丙酮

kg685.36 727.5 742.055

m3

水

kg979.5 984.28

m3

965.3 1/???ai/?i 塔顶：aA?0.97 进料板：aF?0.35 塔底： aW?0.97

?1LFM?727.5?0.65/979.5?873.589kg/m30.35/

?LDM?1?747.576kg/m30.97/742.055?0.03/984.38 ?LWM?1/685.36?0.98/965.3?957.478kg/m30.02 ?L精?873.589?747.762?810.5825kg/m3

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[1]12级化学工程与工艺专业 化工原理课程设计说明书

873.589?957.478?915.5336kg/m3

25.2.4 液体平均表面张

?L提?

表三 丙酮-水各温度下的表面张力

塔釜温度tW 95

丙酮N/m 水N/m

15.2 60.1

进料温度tf 65 18.36 65.32

塔顶温度tD 57.3 19.34 69.06

温度℃

?Lm??xi?i

1）塔顶平均表面张力

?LDM?0.9093*19.34?0.0907*69.06?23.85MN/m 2）进料板平均表面张力

?LFM?0.1431*18.36?0.8569*65.32?58.6MN/m 3）塔釜平均表面张力

?LWM?0.00629*15.2?0.99371*60.1?59.818MN/m 4）精馏段平均表面张力

23.85?58.6?41.225MN/m ?精M?25）提馏段平均表面张力

59.818?58.6?59.2MN/m ?精M?2

5.2.5温度

进料板温度tF?65℃

塔顶温度：tD?57.3℃ 塔底温度：tW?95℃

精馏段平均温度tm=(65+57.3)/2=61.15℃

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