异丙醇脱水萃取精馏课程设计.doc

xxxx化学化工学院课程设计专业年级 ： 10级 化学工程与工艺 姓 名 ： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指导老师 ： xxxxx老师、xxx老师 目录一、设计任务书4二、概述52.1精馏塔操作对塔设备的要求和类型52.1.1对塔设备的要求52.1.2塔设备类型52.2精馏塔的计算步骤6三、工艺流程确定及说明7四、工艺计算74.1物料衡算74.2热量衡算84.2.1热量衡算84.2.2换热器的选型94.2.3冷凝器的选型94.2.4再沸器的选型104.2.5冷却水和加热蒸汽的消耗量104.3精馏塔塔板数的确定104.4精馏塔进料位置的确定114.5精馏塔塔径的确定124.6物性数据的计算124.6.1平均分子质量的计算124.6.2平均温度的计算124.6.3 平均密度计算134.6.4气、液相体积流率的确定134.6.5液相平均表面张力的确定134.6.6液相粘度的确定144.7精馏塔的有效高度的计算144.8塔板结构设计144.8.1溢流装置计算144.8.2塔板布置164.8.3筛板的流体力学验算17五、塔板负荷性能图195.1漏液线195.2液沫夹带线205.3液相负荷下限线215.4液相负荷上限线215.5液泛线22六、塔附件设计计算236.1各接管尺寸和材质的确定236.1.1原料液进料管236.1.2溶剂加料管246.1.3釜残液出料管246.1.4回流液管246.1.5塔顶上升蒸汽管256.2人孔和裙座尺寸的确定256.3筒体与封头256.3.1筒体256.3.2封头266.4输送设备的计算及选型27七、计算结果汇总27八、自我评价29九、参考文献30一、设计任务书专业：化学工程与工艺 班级：xxx 学号：xxx姓名：xxx 指导老师：xxx（一）设计题目：异丙醇和水的萃取精馏分离（二）设计任务：1.原料名称：异丙醇和水体系2.原料组成：共沸组成（异丙醇87.4%，水12.6%）3.产品要求：采用萃取精馏进行分离，要求得到异丙醇的纯度为99.5%，水能够达标排放；溶剂采用乙二醇（EG）。4.生产能力：产量4万吨/年5.公用工程：循环水、蒸汽二、概述 2.1精馏塔操作对塔设备的要求和类型2.1.1对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。2.1.2塔设备类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。2.2精馏塔的计算步骤本设计按以下几个阶段进行： 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 书写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。三、工艺流程确定及说明 Aspen plus 流程模拟图流程简述：原料液异丙醇（质量分数87.4%）和水（质量分数12.6%）以常压40进料，在萃取精馏塔B1中经过萃取精馏在塔顶得到产品异丙醇（质量纯度99.5%），塔釜为乙二醇和和水的混合物，然后经过溶剂回收塔B2回收溶剂，从塔釜得到回收的溶剂EG，塔顶是脱除的水（达标杂质=1000ppm）,回收的溶剂EG温度很高（196.2），一部分用来给萃取精馏塔加热，另一部分用来给原料预热使其达到79，此时溶剂的温度还比较高(106)，需用冷却水给其降温使其冷却到80，回收的溶剂继续循环利用。四、工艺计算4.1物料衡算由Aspen Plus模拟各物流说明如下：物流说明物流1234568名称原料进口溶剂进口塔1产品出口塔1釜液出口塔2产品出口塔2釜液出口预热后原料进口由Aspen Plus模拟结果可得下表：物流组分1kg/h2kg/h3kg/h5kg/h6kg/h1+2-3-5-6kg/h总物料5000.000100004390.000608.00010002.0000.000IPA4370.0000.0004369.8980.1020.0000.000EG0.00010000.0001.1390.0029998.8580.000H2O630.0000.00018.963607.8963.1420.000从上表可清晰的看到该操作物料守恒。4.2热量衡算4.2.1热量衡算由Aspen Plus模拟结果可得以下物流的热负荷见下表：物流28侧线补给34H Gcal/h-17.33-7.700.47-5.41-19.11H Gcal/h-24.56-24.52H Gcal/h0.04冷凝器和再沸器的热负荷如下表：模块冷凝器再沸器H Gcal/h-1.861.91H Gcal/h0.05由上表得0.05-0.04=0.01，在误差允许的范围内，所以该操作热量守恒。4.2.2换热器的选型由Aspen Plus模拟结果可得换热器B3的换热面积S=3.683，总传热系数K=850W/(K),查手册得B3选择如下参数的换热器:DN/mmPN/MPa管程数Np管子根数n中心排管数管程流通面积/换热管长度L/m计算换热面积材质252.52191.612550.007920003.7碳钢10由Aspen Plus模拟结果可得换热器B5的换热面积S=4.653，总传热系数K=850W/(K),查手册得B5选择如下参数的换热器:DN/mmPN/MPa管程数Np管子根数n中心排管数管程流通面积/换热管长度L/m计算换热面积材质252.5273423270.005020004.8碳钢104.2.3冷凝器的选型由Aspen Plus模拟结果可得冷凝器的换热量，热流体,冷流体，所以，估计总传热系数，得总传热面积查手册得冷凝器的具体参数如下：工程压力/MPa管程数壳程数管长/m管径/m管束图型号公称换热面积/计算换热面积/规格型号设备质量/kg5002.521619A807931004.2.4再沸器的选型由Aspen Plus模拟结果可得冷凝器的换热量，热流体,冷流体，所以，估计总传热系数，得总传热面查手册得冷凝器的具体参数如下：DN/mmPN/MPa管程数Np管子根数n中心排管数管程流通面积/换热管长度L/m计算换热面积材质252.55001.62164150.0257450056.6碳钢104.2.5冷却水和加热蒸汽的消耗量BlockDuty/kwUseage kg/h冷却水冷凝器2168.78187107.17B5190.5516438.044热蒸汽再沸器2222.34410774.314.3精馏塔塔板数的确定由Aspen Plus模拟软件的模型分析工具Sensitivity得萃取精馏塔塔顶产品异丙醇的质量纯度与理论板数的关系图如下：由上图可知，萃取精馏塔的理论板数为22，取塔板效率为40%,得实际塔板数为22/0.4=55。4.4精馏塔进料位置的确定由Aspen Plus模拟软件的模型分析工具Sensitivity得萃取精馏塔塔顶产品异丙醇的质量纯度与进料位置的关系图如下：由上图可知，进料位置在12块板时塔顶产品异丙醇达到纯度要求，实际进料位置为12/0.4=30块板。4.5精馏塔塔径的确定由Aspen Plus软件模拟Tray Sizing计算在板间距在0.45m时，得到筛板塔的塔径为1.21m，按标准塔径圆整后为1.4m，用Tray Rating核算塔径得最大液泛因子为0.608800mm，选用板式塔中的筛板塔。筛板式塔的溢流装置包括溢流堰，降液管和受液盘等几部分。其尺寸和结构对塔的性能有着重要影响。根据经验并结合其他影响因素，当D=1.4m,可选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。各项计算如下：4.8.1溢流装置计算堰长 取溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1，则取板上清液层高度，=弓形降液管宽度和截面积 由 故 依式（5-9）验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。降液管底隙高度 依式（5-11） 取 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度4.8.2塔板布置塔板的分块塔板分块数（5-3）塔径/mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数3456因，故塔板采用分块式。查表5-3得，板块分为4块。安定区宽度的确定取溢流堰前的安定区宽度进口堰后的安全区宽度无效区宽度的确定取无效区的宽度开孔区面积计算开孔区面积按式（5-12）计算，即 其中 故 筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目 开孔率为 气体通过筛孔的气速为 综上，结合塔板结构的标准化参数将塔板结构参数列表如下：塔径D/mm塔截面积At/塔板间距H/mm弓形降液管降液管面积Af/Af/AtLw/D堰长Lw/mm管宽Wd/mm14001.539045010292250.161010.450.7354.8.3筛板的流体力学验算1.塔板压降 干板阻力 干板阻力 由 故 气体通过液层的阻力计算 气体通过液层的阻力由式（5-20）计算： 查图5-11，得。故 液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力由式（5-23）计算： 气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算： 气体通过每层塔板的压降为： 符合操作要求2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。 3.液沫夹带 液模夹带量由式（5-24）计算： 故 在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4.漏液 对筛板塔，漏液点气速可由式（5-25）计算： 实际孔速 稳定系数为 因 1.51.772 故在本设计中无明显漏液。5.液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 异丙醇-水物系属一般物系，取，则 板上不设进口堰，可由式（5-30）计算，即 故在本设计中不会发生液泛现象。五、塔板负荷性能图5.1漏液线漏液线，又称气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表。0.00060.9230.00150.8610.00300.8860.00450.906 由此表数据即可作出漏液线1。 5.2液沫夹带线当气相负荷超过此线时，液沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制ev0.1kg液/kg气。以ev=0.1kg液/kg为限,求Vs-Ls关系如下: 由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表。0.00061.4400.00151.3890.00301.3250.00451.270由此表数据即可作出液沫夹带线2。5.3液相负荷下限线液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。 对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式（5-7）得 取E=1，则 p 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。5.4液相负荷上限线该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。以作为液体在浆液管中停留时间的下限，由式（5-9）得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。5.5液泛线若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，在浮阀塔板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板顺利地流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd令联立得 式中 将有关数据带入，得： 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于下表：0.00063.1640.00153.0950.00302.9920.00452.887 由此表数据即可作出液泛线5 根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图： 在负荷性能图上，作出操作点A(Ls=0.005,Vs=1.59)，连接OA，即作出操作线。由图可看出，该筛板上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 故操作弹性为 六、塔附件设计计算6.1各接管尺寸和材质的确定6.1.1原料液进料管由Aspen Plus模拟结果得，进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取无缝钢管，规格：实际管内流速：6.1.2溶剂加料管由Aspen Plus模拟结果得，进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取无缝钢管，规格：实际管内流速：6.1.3釜残液出料管由Aspen Plus模拟结果得，釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则经圆整选取无缝钢管，规格：实际管内流速：6.1.4回流液管由Aspen Plus模拟结果得，回流液体积流量：利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，故经圆整选取无缝钢管，规格：实际管内流速：6.1.5塔顶上升蒸汽管由Aspen Plus模拟结果得，塔顶上升蒸汽的体积流量：取适宜速度，那么经圆整选取无缝钢管，规格：实际管内流速：6.2人孔和裙座尺寸的确定人孔采用500mm，人孔所在两板之间的间距为800mm，每10块板设计一个人孔，塔顶封头处一个，塔釜处设计一个，一共7个人孔。裙座总高度2500mm，座体开设两个人孔（500mm），一个排气孔，宽度为200mm。6.3筒体与封头6.3.1筒体精馏塔可视为内压容器，其各种参数如下：设计压力：该精馏塔在常压下操作，设计压力取设计温度：该精馏塔加热介质采用水蒸汽，设计温度取200许用应力：该精馏塔采用钢板卷焊而成，材料选用,查得焊缝系数：本设计采用全焊透对接焊，对焊缝作局部无损探伤，则由以上数据，可计算壁厚得：由计算厚度查得，钢板负偏差,腐蚀余量圆整取6.3.2封头本设计采用椭圆形封头，材料选用，除封头的拼接焊缝需无损探伤外，其余均需对接焊缝局部无损探伤，则由计算厚度查得，钢板负偏差m,腐蚀余量圆整取6.4输送设备的计算及选型根据塔高计算扬程得到各流体输送泵的规格如下：型号转速nr/min流量扬程H/m效率%功率/kw必须气蚀余量（NPSH）/m用途L/s轴功率电机功率IS50-32-12529007.52.0822470.962.22.0萃取精馏原料输送IS-50-32-16029007.52.0834.3441.5932.0萃取精馏塔顶回流IS50-32-12529007.52.0822470.962.22.0溶剂回收塔进料IS-50-32-16029007.52.0834.3441.5932.0溶剂回收塔顶回流IS50-32-12529007.52.0822470.962.22.0溶剂回收预热原料七、计算结果汇总序号项目数值序号项目数值1平均温度89.8921边缘区宽度，m0.0402平均压力0.122开孔区面积0.1613液相平均密度810.2423安定区宽度，m0.0804平均粘度0.60324气相平均密度1.6165平均表面张力27.2825人孔直径，m0.56气相流量1.61626人孔数目77液相流量0.00527筛孔直径，m0.0058理论塔板数2228筛孔数目56069实际塔板数5529孔中心距t，m0.01510有效段高度Z，m21.530开孔率，%10.111塔径D，m140031空塔气速u，m/s1.05012板间距，m0.4532筛孔气速，m/s14.6513溢流形式单溢流33稳定系数1.7714降液管形式弓形34每层塔板压降，kPa0.715堰长，m1.02935负荷上限液泛控制16堰高，m0.06036负荷下限漏液控制17板上液层高度，m0.08037液沫夹带，（kg液/kg气）0.07418堰上液层高度，m0.02038气相负荷上限，3.16419降液管底隙高度0.02539气相负荷下限，0.86120塔板分块数440操作弹性3.675八、自我评价本次课程设计通过给定的生产操作工艺条件自行设计一套异丙醇-水物系的分离的萃取精馏塔设备。通过三周的努力，经过复杂的计算和优化，终于设计出一套较为完善的萃取精馏塔设备，完成此关于异丙醇-水的化工设计说明书。其各项操作性能指标均能符合工艺生产技术要求，而且操作弹性大，生产能力强