1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计--化工原理课程设计.docx

化工原理课程设计1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计 学 院： 化学生物与材料科学学院 专 业： 化学工程与工艺 设计人： 二零一六年六月 设计任务一、设计题目设计分离 丙酮-水 混合液的 填料 精馏塔。二、设计数据及条件1、生产能力年处理 丙酮-水 混合液： 1200 吨（开工率：300/年）；2、原料组成 丙酮 含量为 80% （质量百分率，下同）， 水 含量为 20% 3、分离要求产品中水分含量4%（质量分数） 残夜中丙酮含量4%（质量分数）4、设计条件操作方式：连续精馏 操作压力：常压 进料状态：饱和液体进料 回流比：R=3.59 塔填料：500Y金属孔板波纹填料 塔顶冷凝器：全凝器三、设计计算内容1、物料衡算2、填料精馏塔计算操作条件的确定 塔径的确定 填料层高度的确定 填料层压降的计算 液体分布器设计计算 接管管径的计算3、冷凝器和再沸器的计算与选型4、填料塔结构图、填料结构图、填料支撑板结构图 摘 要本设计任务是“1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计”。通过该课程设计，将在抗生素药物生产过程中的产生的废丙酮溶媒进行分离。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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。丙酮常压下的沸点是56.2，故可采用常压操作，用30的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。因所分离的物系的重组分是水，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排出。丙酮-水物系分离的难易程度适中，气液负荷适中，设计中选用500Y金属孔板波纹填料。该设计说明书主要内容为：物料衡算、理论塔板数计算、精馏塔塔体工艺尺寸计算、填料层高度的计算、填料层压降计算、液体分布器分布点密度计算、精馏塔接管尺寸计算。在抗生素药物生产过程中的产生的废丙酮溶媒中由于含有大量丙酮，不能直接排放到环境中，如果进行丙酮回收，既可以降低生产费用，又能使废水排放达到生产要求。因此，将废丙酮回收，降低排放废水中的丙酮含量，从而产生社会效益和经济效益，是一个很重要的课题。设计主要结果：理论塔塔板数为27，塔径为350mm，填料层分段高度为4m,填料层压降为3.3103MPa,液体分布器布液点数为20。 关键字：泡点进料;填料精馏塔;孔板波纹;设计计算目 录1. 绪 论61.1课题背景61.2.1选择填料塔的依据61.2.2选择金属孔板波纹填料的依据61.2精馏塔的选择依据62.设计方案及设计工艺流程确定62.1工艺设计要求62.1.1进料要求62.1.2分离要求72.1.3塔顶冷凝器设计要求72.1.4液体分布器设计要求72.1.5接管管径设计要求72.2设计工艺流程73.工艺过程设计计算83.1填料精馏塔的物料衡算83.1.1原料液及塔顶产品、塔釜产品的摩尔分率83.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量83.1.3物料恒算93.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流量93.1.5物料衡算结果一览表93.2填料精馏塔设计计算93.2.1操作温度93.2.2塔径计算103.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算153.2.4填料层高度计算153.2.5填料层压降计算154.接管管径计算16 4.1进料管管径的计算164.2 进气管管径的计算164.3出气管管径的计算164.4 回流管管径的计算164.5 出液管管径的计算174.6接管管径计算结果175.附属设备计算175.1液体分布器简要设计185.1.1液体分布器的选型185.1.2孔流速计算185.1.3布液计算185.1.4分布点密度计算185.2冷凝器的计算与选型185.2.1冷凝器换热面积计算185.2.2冷凝器的选型185.2.3总传热系数的核算185.2.4冷凝水用量计算186.设计结果一览表197.设计小结208.设计心得与体会21参考文献221.绪 论1. 1课题背景废丙酮溶媒来自于抗生素类药物“盐酸四环素”的生产过程。在抗生素类药物生产过程中，需要用丙酮溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废丙酮溶媒，其组成为含丙酮80%，水20%（质量分数）。废液中由于含有大量丙酮，不能直接排放到环境中，如果进行丙酮回收，既可以降低生产费用，又能使废水排放达到生产要求。因此，将废丙酮回收，降低排放废水中的丙酮含量，从而产生社会效益和经济效益，是一个很重要的课题。1.2精馏塔的选择依据1.2.1选择填料塔的依据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。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。本设计目的是分离丙酮-水混合液，采用填料精馏塔。1.2.2选择金属孔板波纹填料的依据塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，填料塔的选择是填料塔设计的重要环节。填料类型有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。规整填料根据特点不同，又可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。这次设计使用的是金属孔板波纹填料。2. 设计方案及设计工艺流程确定2.1工艺设计要求2.1.1进料要求进料采用饱和液体进料，废丙酮溶媒的处理量为每天4.15吨（每天按24小时计）。其中原料液的组成为：丙酮：80% 水：20%2.1.2分离要求 产品中水分含量4% 釡液中丙酮含量4%2.1.3塔顶冷凝器设计要求 冷凝器采用冷水冷却作为冷流体，冷却水进口温度30，冷却水温升810，总传热系数600W/（m）2.1.4液体分布器设计要求要求选用管式液体分布器.孔流速计算的系数为0.6,再分布器设计同液体分布器设计要求相同。2.1.5接管管径设计要求管径后要圆整为标准管。2.2设计工艺流程3.工艺过程设计计算3.1精馏塔的物料衡算3.1.1原料液及塔顶产品、塔釜产品的摩尔分率丙酮的摩尔质量 MA=58.03kg/kmol水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmolxF=0.8058.030.8053.03+0.2018.02=0.554xD=0.9658.030.9658.03+0.0418.02=0.882xW=0.0458.030.0458.03+(0.9618.02)=0.01273.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量 进料： MF=0.55458.03(10.553)18.02=40.20kg/kmol 精馏段： MD=0.88258.03（10.882）18.02=53.309kg/kmol 提馏段： MW=0.012358.03(1-0.0123)18.02=18.512kg/kmol 3.1.3物料恒算废丙酮溶媒的处理量为1200吨/年，每年按300个工作日计算。原料处理量 F=12000003002440.20=4.15kmol/h 总物料衡算 4.15=D+W丙酮物料衡算 4.150.554=0.882D+0.0123W联立解得 D=2.585kmol/h W=1.565kmol/h3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流量F=1200100030024=166.67 kg/hD=DMD=2.60153.547 =139.276 kg/hw=WMW=1.54918.06 =27.973kg/h3.1.5物料衡算结果一览表表1.物料衡算表流股摩尔流量kmol/h质量流量kg/h丙酮质量分数水质量分数丙酮摩尔分数水摩尔分数F4.15166.670.800.200.5540.446D2.585139.2760.960.040.8820.118W1.56527.9730.040.960.01270.98733.2精馏塔设计计算3.2.1操作温度根据安托尼方程：查阅手册得到相关数据制得下图t-x(y)图1.时间与气(液)相关系图由图1.可知tD=56.12 ,tw=89 ,tF=603.2.2塔径计算3.2.2.1计算最小回流比及理论板数查阅相关书籍3可得：全塔平均相对挥发度为 m=1.5； 精馏段平均相对挥发度为 m=1.62表2.常压下丙酮-水气液平衡数据丙酮摩尔分数气相y丙酮摩尔分数液相x丙酮摩尔分数气相y丙酮摩尔分数液相x0.0000 0.0000 0.8000 0.1965 0.0500 0.0087 0.8200 0.3554 0.1000 0.0094 0.8400 0.5012 0.1500 0.0124 0.8600 0.7012 0.2000 0.0136 0.8800 0.7652 0.2500 0.0178 0.9000 0.8215 0.3000 0.0187 0.9100 0.8526 0.3500 0.0200 0.9200 0.8785 0.4000 0.0212 0.9300 0.9011 0.4500 0.0293 0.9400 0.9163 0.5000 0.0324 0.9500 0.9321 0.5500 0.0378 0.9600 0.9483 0.6000 0.0501 0.9700 0.9602 0.6500 0.0693 0.9800 0.9730 0.7000 0.0894 0.9900 0.9855 0.7500 0.1275 1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.8000 0.1965 由表2数据绘制的常压下丙酮-水气液平衡曲线，见下图：图2.丙酮-水气液相平衡线由于泡点进料可得：xq=xF=0.554 将其代入气液平衡方程 得： yq=xF1+(-1)xF=0.650最小回流比：Rmin=xD-yqyq-xq=2.392取 R=1.5Rmin 得操作回流比：R=3.59N-NminN+1R-RminR+1图3.吉利兰图像利用吉利兰图，求解全塔理论板数当 R-RminR+1=0.261 时 N-NminN+20.45 (1)其中 Nmin+1=logxD1-xD1-xWxWlogm=16 (2) Nmin=15联立（1）（2）式，解得 N=26.43 取 N=27精馏段理论板数Nmin+1=logxD1-xD1-xFxFlogm=3.729 Nmin=2.7293N- NminN+20.45解得：N=6.78 取 N=7表3.填料塔塔板数汇总表理论塔板数精馏段塔板数提镏段塔板数27720第8块为加料板3.2.2.2计算精馏段和提馏段的物性参数表4.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的密度表（kg/m3)tD=56.12tw=89tF=60水气相（V）0.22140.11540.5956水液相（l）976.17984.57958.47丙酮液相（l)729.1748.1695.4表5.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的黏度数据表(mPa.s)tD=56.12tw=89tF=60水0.39130.48910.2841丙酮0.23670.21060.17573.2.2.3精馏段塔径计算精馏段塔径按第一块板的数据近似计算。将 y1=xD=0.882 代入气液平衡方程得：y1=x11+-1x1=0.882 x1=0.918 L1D=R L1=9.336 kmol/h V1y1=L1+DxD V1=11.469 kmol/h液相平均摩尔质量为：MV1=y158.03+1-y118.02=54.749 kmol/h气象平均摩尔质量为：ML1=x158.03+1-x118.02=53.309 kmol/h液相质量流量为：WL=L1ML1=9.33653.309=494.708 kg/h气象质量流量为：WV=V1MV1=11.46954.749=624.139 kg/h气相密度：v1=Mv122.4Pv1P0T0T=54.74922.4273.15273.15+56.12=2.007kgm3 液相密度： L1=771.714 kg/m3液相粘度：则：查波纹填料的最大负荷因子图可知：CS,max=0.078 CS=0.8CS,max=0.062 214 m/s.1211=-vlvsCurrr302 m.04=uVDsp3.2.2.4提馏段塔径计算提馏段塔径按进料板的数据近似计算，计算方法同精馏段。提馏段相关数据：WL=506.966 kg/hWv=497.135 kg/h=0.044Cs,max=0.075Cs=0.060u=1.383 m/sVs=0.086D=0.281 m比较精馏段与提馏段计算结果，二者基本相同，圆整塔径取D=350mm3.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算精馏段液体喷淋密度为：精馏段空塔气速为：提馏段液体喷淋密度：提馏段空塔气速为：3.2.4填料层高度计算 填料层高度计算采用理论板当量高度法。 对500Y金属孔板波纹填料，查金属孔板波纹填料的性能参数表可得，每米填料理论板数为4-4.5块，取nt=4。则： HETP=1/nt=0.25m由Z=NTHETP，精馏段填料层高度为：Z精=70.25=1，75mZ精=1.751.25=2.188m提馏段填料层高度为：Z提=200.25=5mZ提=51.25=6.25m设计取精馏段填料层高度为2.188m，提馏段填料层高度为6.25m根据式（5-54），取填料层的分段高度为：h=16HETP=160.25=4m3.2.5填料层压降计算 对500Y金属孔板波纹填料，查金属孔板波纹填料的性能参数表可得每米填料层压降为精馏段填料层压降为：提馏段填料层压降为：填料层总压降为：4.接管管径计算4.1进料管管径的计算 取液体流速为0.8 m/s 圆整后直径取20 mm4.2 进气管管径的计算 取气体流速为12 m/s 圆整后直径取150mm4.3出气管管径的计算 取气体流速为12 m/s 圆整后直径取150 mm4.4 回流管管径的计算 取液体流速为0.8 m/s 圆整后直径取25 mm4.5 出液管管径的计算 取液体流速为0.8 m/s 圆整后直径取20 mm4.6接管管径计算结果表6.接管管径计算结果摩尔流量(kmol/h)平均摩尔质量(g/mol)密度(kg/m3)V(m3/h)u(m/s)d(m)圆整后(mm)进料管26.8520.7881916.2 1.69210-40.80.016420出气管21.6757.82362.13 0.1710 120.135150进气管21.67 18.49670.60.1856120.140 150回流管16.80 57.6994748.63.59710-40.80.023925出液管26.8518.10419561.41210-40.80.0150 205.附属设备计算5.1液体分布器简要设计5.1.1液体分布器的选型 该精馏塔塔径较小，故选用管式液体分布器。液体分布均匀使整个填料面积得到充分利用，壁流、沟流大为减少。此塔操作弹性较低，属于简单操作，结合经济效益选此分布器。5.1.2孔流速计算其中 则：5.1.3布液计算取 设计取d0=2.3mm液体再分布器与液体分布器相同，设计原则也相同。5.1.4分布点密度计算该精馏塔塔径较小，且500Y孔板波纹填料的比表面积较大，故应选取较大的分布点密度，设计中取分布点密度为布液点数为：按分布几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果，主管直径为，支管直径为，采用5根支管，支管中心距为65mm，采用正方形排列，实际布点数为n=215.2冷凝器的计算与选型5.2.1冷凝器换热面积计算 5.2.2冷凝器的选型 查表得S=15 m2 选型为G400-16-155.2.3总传热系数的核算 5.2.4冷凝水用量计算 6.设计结果一览表表7.填料精馏塔设计结果一览表名称工艺参数水丙酮操作压力/kPa101101操作温度/8956.12进料管管径/ mm15020出口管径/ mm15020填料层压降/Pa3300提馏段填料层高度/mm6.25精馏段填料层高度/ mm2.188塔径/mm350分布点数217.设计小结本次课程设计为“12000吨丙酮-水连续精馏填料塔设计”。设计主要内容有基础性物理数据、物料衡算、理论塔板数计算、精馏塔塔体工艺尺寸计算、填料层高度的计算、填料层压降计算、液体分布器分布点密度计算、精馏塔接管尺寸计算。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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。丙酮常压下的沸点是56.2，故可采用常压操作，用30的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。因所分离的物系的重组分是水，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排出。丙酮-水物系分离的难易程度适中，气液负荷适中，设计中选用500Y金属孔板波纹填料。通过设计计算可知，水的进出口径为150mm，丙酮进出口径为20mm，提馏段填料层高度为6.25mm，精馏段填料高度为2.188mm，液体分布器分布点数为21，塔径为350mm，填料层压降为33000 Pa。 8