化工原理课程设计丙酮水连续精馏塔的设计.docx
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化工原理课程设计丙酮水连续精馏塔的设计
吉林化工学院
化工单元设计
题目:
年处理4万吨丙酮-水连续精馏塔设计
教学院石油化工学院
专业班级化工1204
学生姓名
学生学号12110432
指导教师刘艳杰
2014年12月5日
设计任务书
一、设计题目
年处理4万吨丙酮-水连续精馏塔设计
二、设计条件
生产时间8000小时,处理量4万吨/年,进料含丙酮55%
塔顶操作压力常压(绝压)
塔顶采用全凝器,泡点回流
塔釜为饱和蒸汽间接加热
筛板塔精馏设计
塔顶产品丙酮浓度不低于98%(质量分率)
塔底釜液丙酮不高于1%(质量分率)
三、设计任务
完成精馏塔的物料衡算、热量衡算和设备设计计算及辅助设备设计选型计算。
绘制生产工艺流程图、精馏塔设计条件图。
撰写设计说明书。
摘要
本次化工单元设计主要是丙酮-水连续精馏塔设计,包括精馏塔的物料衡算、热量衡算、精馏塔工艺尺寸计算和塔辅助设备的设计计算。
精馏塔设计中理论板数6块板,实际板数16块板,全塔效率为31.25%。
精馏塔流体力学验证,证明了精馏塔可以正常操作。
由漏液线、液沫夹带线、液相负荷下限、液相负荷上限、液泛线等画出塔板负荷性能图,分别得出精馏段和提馏段的操作弹性为8.25和4.364,精馏塔可在正常范围内操作。
关键词:
丙酮-水、连续精馏、筛板塔、工艺设计
第一章绪论
1.1设计方案的选择
1.1.1塔设备的类型
塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的传质设备,根据塔内
气液接触构件的结构形式可以分为板式塔和填料塔两大类。
板式塔内设置一定数量的塔板,气体一鼓泡或喷射形式穿过板上的液层进行传质与传热,塔板是板式塔的主要构件,分为错流式塔板和逆流式塔板两大类,工业应用以错流式塔板为主,常用的错流式塔板主要有以下几种:
泡罩塔板
泡罩塔板是最早在工业上大规模应用的板型之一,有成熟的设计方法和操作经验。
气体接触良好,操作弹性范围大,而且耐油污、不易堵塞。
20世纪上半叶,随着化学工业、炼油与石油化学工业的高速发展,在生产中大量应用着蒸馏、吸收等气液两相传质操作。
筛孔塔板
筛板塔普遍用作H2S-H2O双温交换过程的冷、热塔。
应用于蒸馏、吸收和除尘等。
在工业上实际应用的筛板塔中,两相接触不是泡沫状态就是喷射状态,很少采用鼓泡接触状态的。
筛板塔优点:
结构简单、造价低;气流压降小、板上液面落差小板效率高。
浮阀塔板
浮阀塔板上开有—定形状的阀孔(圆形或矩形),孔中安有可上下浮动的阀片有圆形、矩形、盘形等,从而形成不同型式的浮阀塔板。
浮阀塔板的优点是结构简单、制造方便、造价低塔板开孔率大,其缺点是处理结焦、高粘度物系是,阀片易与塔板粘结,在操作过程中会发生卡死等现象,使塔板操作弹性下降。
在本设计中采用的是筛板塔。
1.1.2操作条件确定
操作压力的选取
精馏塔操作可在常压、减压和加压中进行,精馏操作中压力影响非常大,当压力增大时,混合液的相对挥发度将减小,对分离不利;当压力减小时,相对挥发度将增加,对分离有利。
但当压力太低时,对设备要求高,设备费用增加。
因此在设计时一般采用常压精馏。
丙酮-水系统在常压下相对挥发度较大,故本设计采用常压精馏。
加料热状况
泡点进料,q=1
加热方式
采用间接蒸汽加热,设置再沸器。
回流比的选择
选择回流比,主要从经济观点出发,力求使设备费用和操作费用之和最低,一般经验值为R=(1.1~2.0)Rmin。
塔顶冷凝器的冷凝方式与冷却介质的选择
塔顶冷凝温度要求不低于30℃,常用的冷却剂是水和空气,工业上多用冷却水,冷却水可以是江、河及湖水,受本地气温限制,冷却水一般为10~25℃,故本设计选用25℃的冷却水,选升温10℃,即冷却水的出口温度为35℃。
塔釜加热介质的选择
常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。
饱和水蒸汽是一种应用最广泛的加热介质,由于饱和水蒸汽冷凝时的传热系数很高,可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热速度。
燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃,适用于高温加热,烟道气的缺点是是比热容及传热系数很低,加热温度控制困难,本设计选用300KPa(温度为133.3)的饱和水蒸气作为加热介质,水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管,不但成本会相应降低,塔结构也不复杂。
1.1.3换热器的选择
换热器是许多工业部门的通用工艺设备,尤其是石油、化工生产中应用更为广泛,在化工厂中换热器可作为加热器、冷却器、蒸发器和再沸器等。
列管换热器是目前化工生产中应用最广泛的一种换热器,它的结构简单、坚固、制造容易,材料广泛,处理能力大,适用性强,尤其是在高温高压下较其它换热器更为适用,是目前化工厂中主要的换热设备,列管换热器的类型主要有一下几种:
固定管板式换热器
浮头式换热器
U形管式换热器
填料函式换热器
其中固定管板是换热器的优点是结构简单、紧凑、制造成本低;管内不易结垢,即使产生污垢也便于清洗。
缺点是壳程检修困难主要适用于壳体和管束温差小,管外物料比较清洁,不易结垢的场合。
所以在本设计中采用固定管板式换热器中的列管换热器,管外走气体,管内走液体。
1.1.4泵的选择
化工用泵主要有离心泵、往复泵、回转式泵、旋涡泵等。
由于离心泵具有宽范围宽流量和宽扬程等特点,且范围适用于轻度腐蚀性液体多种控制选择流量均匀、运转平稳、振动小,不需要特别减震的基础,设备安装、维护检修费用较低等,故本设计采用离心泵。
1.2流程设计
1.2.1流程叙述
丙酮-水物料从储罐V0101出来,由泵P0101打入换热器E0101,经过换热器加热到61.275℃后进入精馏塔T0101进行分离,在塔釜的采出主要是水,其中一部分经再沸器E0102回到精馏塔T0101,一部分由产品泵P0103打入釜液冷却器E0105,冷却到30℃后进入釜液储罐V0104,塔顶采出丙酮,经全凝器E0103后产品进入回流罐V0102,一部分由回流泵P0102再次打入精馏塔T0101,一部分经产品冷却器E0104冷却到30℃后进入产品储罐V0103。
1.2.2流程示意图
图1-1工艺流程图
1.3主要设计任务
完成精馏塔的物料衡算、热量衡算和设备设计计算及辅助设备设计选型计算。
绘制生产工艺流程图、精馏塔设计条件图。
撰写设计说明书。
第二章精馏塔的工艺设计
2.1产品浓度的计算
2.1.1液相浓度计算
将各项组成由质量分数换算为摩尔分数:
=55%
=
=27.5%
=98%
=
=93.83%
=1%
=
=0.31%
2.1.2温度计算
由附表1中数据,利用插值法求得
、
、
进料温度
:
=
=61.275℃
塔顶温度
:
=
=57.117℃
塔底温度
:
=
=97.737℃
精馏段平均温度:
=
=
=59.196℃
提馏段平均温度:
=
=
=79.506
全塔平均温度:
=
=
=72.043
2.1.3气相组成计算
=57.117℃
=61.275℃
=97.737℃
:
=
=95.64%
:
=
=82.63%
:
=7.84%
精馏段:
液相组成
:
气相组成
:
提馏段:
液相组成
:
气相组成
:
2.2平均相对挥发度的计算
根据
=
由
=0.275
=0.8263
:
=
=
=12.54
由
=0.9383
=0.9564
:
=
=
=1.442
由
=0.0031
=0.0784
:
=
=
精馏段平均相对挥发度:
=
提馏段平均相对挥发度:
=
全塔平均相对挥发度:
已知相对挥发度可得出平衡方程:
2.3最小回流比的计算的适宜回流比的确定
利用解析法求最小回流比
泡点进料时
则有
适宜回流比R=
=2×0.175=0.35
2.4物料衡算
已知数据:
丙酮的摩尔质量
=58kg/kmol,
水摩尔质量
=60kg/kmol
=0.275
=0.9383
=0.0031
原料处理量
总物料流量衡算
塔底物料流量衡算:
解得:
塔顶产品的相对分子质量:
塔顶产品质量流量:
塔釜产品的相对分子质量:
塔釜产品质量流量:
2.5精馏段和提馏段操作线方程
已知:
=0.275
=0.9383
=0.0031
带入数据得出
精馏段操作线方程:
提馏段操作线方程:
2.6逐板法确定理论板数及进料位置
已知:
平衡方程:
精馏段操作线方程:
提馏段操作线方程:
利用逐板法求理论板如下:
精馏方程
<
所以第二块板为进料板,下面进入提馏段
提馏
提馏
提馏
因为
所需总理论板数为6块(包快再沸器),第2块为进料板,精馏段1块板,提馏段5块板。
2.7全塔效率的计算
2.7.1粘度计算
已知:
根据附表2中数据,利用插值法求得:
:
:
:
:
精馏段粘度:
=
=
提馏段粘度:
=
2.7.2板效率计算
板效率可用奥康奈尔公式
式中:
--塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度
--塔顶与塔底平均温度下的液相粘度mpa.s
精馏段
=
所以
块
提馏段
=
=
所以
全塔效率
2.8实际塔板数及加料位置的计算
得出全塔共16块板(包括再沸器),进料位置是第3块板。
第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计计算
3.1物性数据计算
3.1.1密度计算
已知:
混合液体密度:
(
为质量分数,
为平均相对分子质量)
混合气体密度:
已知:
=57.117℃
=61.275℃
=97.737℃
=0.9564
=0.8263
=0.0784
可求出精馏段和提馏段的气液相摩尔组成
精馏段:
提馏段:
根据附表3中数据,利用插值法求得在
、
、
下的丙酮和水的密度
=
℃
=
℃
℃
由以上数据可求出:
精馏段平均密度
:
提馏段平均密度
:
3.1.2摩尔组成计算
3.1.3操作压力计算
塔顶操作压力
每层塔板压降
进料板操作压力
塔底操作压力
精馏段平均压力
提馏段平均压力
3.1.4混合液体表面张力计算
二元有机物--水溶液表面张力可用以下公式计算(丙酮q=2)
式中:
注:
下角标W、O、S分别代表水、有机物及表面部分,
、
指主体部分的分子数;
、
指主体部分的分子体积;
、
为纯水、有机物的表面张力,对于丙酮q=2。
已知:
=57