异丙醇-水体系的分离课程设计说明书.doc

目录第一章 设计任务及概述1.1设计任务1.2设计概述1.3精馏对塔设备的要求1.4设计方案的确定第二章 工艺流程图及说明2.1工艺流程图2.2流程说明第三章 ASPEN PLUS 模拟做灵敏度分析及参数优化3.1灵敏度分析3.2参数优化结果第四章 工艺计算4.1物料衡算4.1.1总的物料衡算4.1.2分组分的物料衡算4.2塔高塔径的计算4.3塔设备计算第一章 设计任务及概述1.1设计任务一设计题目：异丙醇-水体系的分离二设计任务：1原料名称：异丙醇 水 氮甲酰吗啉（萃取剂）2.原料组成：异丙醇水共沸组成进料（87.6:12.6）3.产品要求：异丙醇采出纯度为99% 水要做到达标排放，一般要求8PPM一下的杂质（最多不能超过1000PPM）4.生产能力：年产量90万吨/年5.公用工程条件： 蒸汽 循环水 电1.2设计概述精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等特殊方法进行分离。萃取精馏是一种在通常精馏方法不易分离的混合溶液中加一种溶剂即萃取剂，是分离组分间相对挥发度增大，从而达到分离要求的特殊精馏方法。异丙醇是一种重要的有机化工原料和有机溶剂，主要用在制药化妆品塑料香料涂料及电子工业上异丙醇一般通过丙烯水合法得到，再蒸馏法蒸出异丙醇，但常压下异丙醇与水在时形成共沸物，共沸物中异丙醇质量分数为87.6%。因此，采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇。传统的异丙醇-水共沸物分离采用共沸精馏法，通常用苯做为共沸剂，此种工艺的能耗较大，且共沸剂在生产操作中存在人身危害和环境污染问题。近几年文献中对异丙醇水分离新工艺进行了较多研究，萃取精馏是其中一种重要手段。 本设计的题目是异丙醇-水体系的分离，由于异丙醇-水是共沸体系，相对传统的共沸精馏而言，由于萃取精馏所采用溶剂沸点较高，不易挥发，溶剂从塔釜排放，因而具有能耗低污染少溶剂易于回收等优点，但萃取精馏存在溶剂用量大回收成本高的不足，选择优良的萃取剂很关键。故本次设计采用萃取精馏的方法分离异丙醇-水，用氮甲酰吗啉作萃取剂。1.3 精馏对塔设备的要求1.3.1 塔设备塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后气、液两相及时分开，互不夹带。因此，精馏和吸收操作可在同样的设备中进行。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内沿塔高装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面留下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一段流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。板式塔大致可分为有降液管和无降液管的塔板两类。有降液管的包括泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、蛇形塔等；无降液管的包括穿流式筛板塔、穿流式波纹塔等。工业中多数使用有降液管的塔板，如浮阀塔、筛板塔等。1.32 精馏对塔设备的要求精馏对塔设备的要求大致如下： (1) 生产能力大：即气、液处理量大。即单位塔截面大的气液相流率，不会出现大量的雾沫夹带、拦液或液泛等不正常现象。(2) 流体流动阻力小：流体流经塔设备的阻力减小，将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。在减压精馏操作时，易于达到所要求的真空度。 (3) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气、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。 (4) 结构简单，材料耗用量小，造价低，易于安装检修。 (5) 能满足某些工艺的特性：耐腐蚀，耐高温，不堵塞。塔板的类型为筛板塔精馏。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：(1) 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。(2) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。(3) 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。(4) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点：(1) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。(2)操作弹性较小(约23)。3) 小孔筛板容易堵塞。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。1.4设计方案的确定1.4.1 装置及流程的确定萃取精馏装置包括萃取精馏塔，溶剂回收塔，原料预热器，再沸器，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等设备。在本次的设计中，是分离异丙醇-水共沸体系。应用特殊精馏方法分离，故采用萃取精馏流程。1.4.2 操作压力的选择蒸馏过程按操作压力不同，可分为常压蒸馏，减压蒸馏和加压蒸馏。一般除热敏性物系外，凡通过常压分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用常压精馏。根据本次任务的生产要求，应采用常压精馏操作。1.4.3 进料热状况的选择蒸馏操作有五种进料热状况，它的不同将影响塔内各层塔板的汽、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体进料，通常用釜残液预热原料。所以这次采用的是比泡点小一点的80原料进料，用循环的溶剂预热原料。1.4.4 加热方式的选择由于80原料进料，将原料液用循环的溶剂加热至80后送入萃取精馏塔内，塔顶上升蒸汽采用全凝气冷凝，冷凝液一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。1.4.5 回流比的选择回流比选择的原则是使设备费用和操作费用之和最低。异丙醇-水混合体系由于存在共沸现象需要加入萃取剂NFM分离，经用ASPEN PLUS 模拟后采用2的回流比。塔釜采用间接蒸汽加热，塔顶产品经冷却后送至储罐，设置中间再沸器用循环的溶剂进行加热回收热量。第二章 工艺流程图及说明2.1工艺流程图2.2流程说明流程简述：原料液异丙醇（质量分数87.4%）和水（质量分数12.6%）以常压80进料，在萃取精馏塔C1中经过萃取精馏在塔顶得到产品异丙醇（质量纯度99.9%），塔釜为氮甲酰吗啉和和水的混合物，然后经过溶剂回收塔C2回收溶剂，从塔釜得到回收的溶剂NFM，塔顶是脱除的水（达标杂质=1000ppm）,回收的溶剂NFM温度很高（238），一部分用来给萃取精馏塔加热用作中间再沸器，另一部分用来给原料预热使其达到80，此时溶剂的温度还比较高，需用冷却水给其降温使其冷却到70，回收的溶剂继续循环利用。萃取剂70进料。第三章 ASPEN PLUS 模拟做灵敏度分析及参数优化3.1灵敏度分析3.1.1原料进料位置的影响在相同的条件下，原料进料位置的不同将对分离效果产生影响，不同的分离效果导致塔底和塔顶的组成发生改变进而影响再沸器和冷凝器的热负荷因此存在最佳的进料位置。经ASPEN PLUS模拟后得到原料进料位置对塔顶塔底热负荷的影响曲线如下原料进料位置对分离效果的影响在ASPEN PLUS 模拟以后得到以下曲线图模拟后，原料进料位置在15到24之间对热负荷的影响较小，在纯度达到要求的基础上，根据数据在第16块板是热负荷最小，故选取进料位置在12块塔板。31.2 溶剂进料位置的影响经模拟后，萃取剂进料位置对塔的热负荷跟分离效果也有影响。其影响见下曲线图由模拟数据得，选取第3块板为萃取剂的进料板是萃取剂进料的最佳位置3.1.3萃取剂的用量的影响经模拟后，萃取剂的用量对塔的热负荷跟分离效果也有影响。其影响见下曲线图由模拟数据跟所做曲线图得，萃取剂用量在22500kg/h时为最佳的溶剂用量可以取得较小的热负荷跟较好的分离效果。3.1.4 回流比的影响回流比的变化会影响塔顶塔底的各组分含量的变化，同时会改变塔顶塔底的热负荷。在保证分离效果的情况下，应尽量采用较小的回流比以减小能耗。经ASPEN PLUS模拟后，得到了回流比对热负荷和分离效果的的模拟曲线，如下由灵敏度分析，结合模拟结果当回流比为2时为能够达到分离要求时的适合回流比。3.2参数优化结果又灵敏度分析可得参数优化结果：以流量11250kg/hr的异丙醇-水的共沸溶液为处理对象以氮甲酰吗啉为萃取剂，在unifac活度系数法用ASPEN PLUS模拟软件对其进行萃取精馏模拟，模拟计算结果表明，精馏塔在30块理论板时分离效果最好。进行灵敏度分析后，得到的适宜的最佳操作参数是：原料进料位置在第12块板，萃取剂进料位置在第4块板，回流比2，萃取剂用量为22500kg/hr。在最优的参数下，塔顶异丙醇的质量分数可达0.99，再沸器热负荷为8.16gcal/hr，冷凝器热负荷为-5.16gcal/hr。第四章 工艺计算4.1物料衡算4.1.1总的物料衡算进入塔的物料总量=塔釜采出物料的量+塔顶采出无聊的量即进入塔的物料总量-塔釜采出物料的量-塔顶采出无聊的量=0规定进塔物料流量为正，出塔物料流量为负塔C1的总物料衡算原料进塔溶剂进塔塔顶采出塔釜采出和进塔总物料kg/hr1125035000-9840-364080塔C2的总物料衡算进塔物料塔顶采出塔釜采出和进塔总物料kg/hr36408-1408-3500004.1.2分组分的物料衡算水的物料衡算：F水=F*XF水，则，对塔C1做水的物料衡算原料进料中的水F水1=11250*0.126=1417.5kg/hr溶剂进料中没有水F水2=0塔顶产品中的F水3=9840*9.70*10-04=9.547354kg/hr塔釜中的水F水4=36408*0.0386715=1407.953kg/hrF水1+F水2-F水3-F水4=1417.5-0-9.547354-1407.953=0物料守恒异丙醇的物料衡算：F异=F*XF异，则，对塔C1做异丙醇的物料衡算原料进料中的异丙醇F异1=11250*0.874=9832.5kg/hr溶剂进料中没有异丙醇F异2=0塔顶产品中的异丙醇F异3=9840*0.999028=9832.43358kg/hr塔釜中的异丙醇F异4=36408*1.32*10-06=0.047919kg/hrF异1+F异2-F异3-F水4=9832.5-9832.43358-0.047919=0物料守恒萃取剂氮甲酰吗啉的物料衡算：F萃 =F*XF萃，则，对塔C1做萃取剂的物料衡算原料进料中没有萃取剂F萃1=0溶剂进料中没有F萃2=35000*1=35000 kg/hr塔顶产品中的F萃3=9840*1.06*10-07=1.04*10-03kg/hr塔釜中的萃取剂F萃4=36408*0.9613272=3.50*10+04kg/hrF萃1+F萃2-F萃3-F萃4=0+35000-0.0010-35000=0物料守恒对塔C1各组分的物料衡算结果见下表：原料进料NFMIPAC1塔釜出料3和质量分率 水 0.12609.70*10-040.0386715异丙醇 0.87400.99902981.32*10-06萃取剂（C5H9N-01 ） 011.06*10-070.9613272质量流量 kg/hr 水 1417.50-9.547354-1407.9530异丙醇 9832.50-9832.43358-0.0479190萃取剂（C5H9N-01 ） 035000-1.04*10-03-3.50*10+040对塔C2做各组分的物料衡算同塔C1，计算结果见下表C2进料11C2塔顶出料2C1塔釜出料3和质量分率 水 0.03867150.99996361.06E-07异