废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计.doc

化工原理课程设计设计题目：废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计学 院： 班 级： 指导教师： 学生姓名： 成 绩：化工原理课程设计任务书一、设计题目废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计本设计项目是根据生产实际情况提出的二、设计任务及条件1、原料液组成组分组成（质量%）丙酮75水252、分离要求产品中水分含量0.2%（质量%）残液中丙酮含量0.5%（质量%）3、处理能力废丙酮溶媒处理量_13.5_吨/天（每天按24小时计）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：根据设计经验自行确定塔填料：金属环矩鞍填料，填料规格自选塔顶冷凝器：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、填料精馏塔设计图5、废丙酮溶媒回收过程工艺流程图目 录第1章 前言. 1.1课题的来源及意义. 1.2精馏塔的选择依据. 1.2.1选择填料塔的依据. 1.2.2选择金属环矩鞍填料的依据.第2章 工艺设计要求.2.1进料要求.2.2分离要求.2.3塔顶冷凝设计要求.2.4塔釜再沸器设计要求.2.5接管管径设计要求.2.6液体分布器设计要求.第3章 工艺过程设计计算.3.1物料衡算.3.1.1原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率. 3.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量. 3.1.3物料衡算. 3.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率. 3.1.5物料衡算表.3.2操作条件.3.2.1操作压力.3.2.2操作温度.3.3塔径计算.3.3.1计算最小回流比及理论板数. 3.3.2计算精馏段和提馏段的物性参数. 3.3.3采用埃克特通用关联图计算泛点气速及塔径.3.3.4圆整塔径后验算.3.4塔高计算.3.4.1填料层高度. 3.4.2填料层高度校核. 3.5压降计算. 3.5.1精馏段填料层压降. 3.5.2提馏段填料层压降. 3.5.3填料层高度和压降汇总.3.6液体分布器计算. 3.6.1液体分布器的选型. 3.6.2分布点密度计算. 3.6.3孔流速计算. 3.6.4布液计算. 3.6.5布液器设计.3.7接管管径计算. 3.7.1进料管管径的计算.3.7.2进气管管径的计算.3.7.3出气管管径的计算.3.7.4回流管管径的计算.3.7.5出液管管径的计算.3.8冷凝器与再沸器计算与选型.3.8.1冷凝器. 3.8.2再沸器.第4章 问题讨论.第5章 填料精馏塔设计条件图.第6章 废丙酮溶媒回收过程工艺流程图.第1章 前言1.1课题的来源及意义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75%，水25%（质量分数）。废丙酮溶媒的来源如下图示： 盐酸原料 发酵 四环素碱 溶解、洗涤 结晶、过滤 晶体 丁醇 母液 废丁醇溶媒 晶体盐酸四环素 结晶、过滤 溶解、洗涤 丙酮 母液 废丙酮溶媒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。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。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。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。1.2.2选择金属环矩鞍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。散装填料根据特点不同，又可分为拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料及弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料等。这次设计使用的是金属环矩鞍填料。第2章 工艺设计要求2.1 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13.5吨（每天按24小时计）。其中原料液的组成为：组分组成（质量%）丙酮75水252.2 分离要求产品中水分含量0.2%（质量%）残液中丙酮含量0.5%（质量%）2.3 塔顶冷凝器设计要求冷凝器采用冷却水作为冷流体，冷却水进口温度25，冷却水温升810，总传热系数600W/( m2)2 .4 塔釜再沸器设计要求再沸器采用0.3 MPa的饱和水蒸气为加热介质来使塔釜釜液汽化，同时蒸汽冷凝放出汽化热，总传热系数400W/( m2)，热损失为20%30%2.5 接管管径设计要求要求气速流量控制在1015 m/s，液体流量控制在0.51.0 m/s，计算完管径后要圆整为标准管。2.6 液体分布器设计要求管式液体分布器：液位高度取：H=120200mm分布点密度取：220260 点/m2塔截面小孔孔径取：3mm 第3章 工艺过程设计计算3.1物料衡算3.1.1原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率丙酮的摩尔分率：3.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量精馏段：进料：提馏段：3.1.3物料衡算 由物料衡算得： 解得：3.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率3.1.5物料衡算表 流股流量质量分数摩尔分数丙酮水丙酮水F562.515.06710.750.250.48210.5179D421.987.29820.9980.0020.99360.0064W140.46357.76900.0050.9950.00160.99843.2操作条件3.2.1操作压力操作压力选为常压3.2.2.操作温度3.2.2.1塔顶温度的计算假设，根据安东尼方程： 其中安托尼常数： 丙酮：A=16.6513 B=2940.46 C=35.93 水： A=18.3036 B=3816.44 C=46.13 可得： 则： 由于：则： 由于：，其中 则： 同理： 则：，假设不成立 假设，方法同上可得， 则：，假设成立 所以，塔顶温度3.2.2.2进料温度的计算假设，根据安东尼方程： 其中安托尼常数： 丙酮：A=16.6513 B=2940.46 C=35.93 水： A=18.3036 B=3816.44 C=46.13 可得： 则： 由于：则： 由于：，其中 则： 同理： 则：，假设不成立 假设，方法同上可得， 则：，假设成立所以，进料温度3.2.2.3塔釜温度的计算假设，根据安东尼方程：其中安托尼常数： 丙酮：A=16.6513 B=2940.46 C=35.93 水： A=18.3036 B=3816.44 C=46.13 可得： 则： 由于：则： 由于：，其中 则： 同理： 则：，假设不成立 假设，方法同上可得， 则：，假设成立 所以，塔釜温度3.3塔径计算3.3.1计算最小回流比及理论塔板数常压下丙酮-水气液平衡数据丙酮摩尔分数液相x丙酮摩尔分数气相y丙酮摩尔分数液相x丙酮摩尔分数气相y0.0000 0.0000 0.1965 0.8000 0.0087 0.0500 0.3554 0.8200 0.0094 0.1000 0.5012 0.8400 0.0124 0.1500 0.7012 0.8600 0.0136 0.2000 0.7652 0.8800 0.0178 0.2500 0.8215 0.9000 0.0187 0.3000 0.8526 0.9100 0.0200 0.3500 0.8785 0.9200 0.0212 0.4000 0.9011 0.9300 0.0293 0.4500 0.9163 0.9400 0.0324 0.5000 0.9321 0.9500 0.0378 0.5500 0.9483 0.9600 0.0501 0.6000 0.9602 0.9700 0.0693 0.6500 0.9730 0.9800 0.0894 0.7000 0.9855 0.9900 0.1275 0.7500 1.0000 1.0000 由上表数据绘制的常压下丙酮-水气液平衡曲线，见下图在上取点即点(0.9936,0.9936)，过该点作丙酮-水气液平衡曲线的切线，得到切点坐标为(0.9483,0.9600)，即最小回流比：，操作回流比：精馏线操作线方程：q线方程：进料方式为饱和液体进料，所以，过即点(0.4821,0.4821)，与（0.4821,0.4）作竖直线可得到q线，提镏段操作线方程：取即点（0.0016,0.0016），以及q线与精馏段的交点（0.4821,0.5968）作图得 计算塔板数： 结论：理论塔板数：25 精馏段：22 提镏段：3 第23块为加料板，第26块为再沸器 3.3.2计算精馏段和提镏段的物性参数 丙酮和水在塔顶和塔底条件下的密度表状态水气相g0.41630.11560.5975液相l966.57985.17957.87丙酮液相l715.8747.8694.8 丙酮和水在塔顶和塔底条件下的粘度数据表水0.31550.49110.2475丙酮0.19770.25560.1878塔顶的物性参数：温度：气相流量：液相流量：气相组成：液相组成：气相质量分率：液相质量分率：气相平均摩尔质量：液相平均摩尔质量：气相密度：液相密度：，则液相粘度：则进料的物性参数：温度：气相流量：液相流量：气相组成：液相组成：气相质量分率：液相质量分率：气相平均摩尔质量：液相平均摩尔质量：气相密度：液相密度：，则液相粘度：则塔釜的物性参数：温度：气相流量：液相流量：气相组成：液相组成：气相质量分率：液相质量分率：气相平均摩尔质量：液相平均摩尔质量：气相密度：液相密度：，则液相粘度：则简化：精馏段的物料组成按塔顶组成计算，气液相平均摩尔质量也按塔顶的气液相平均摩尔质量计算，其他物性参数由温度确定（取塔顶与进料板的平均值）。提馏段的物料组成按进料板组成计算，气液相平均摩尔质量也按进料板的气液相平均摩尔质量计算，其他物性参数由温度确定（取塔釜与进料板的平均值）。计算结果如下：塔顶进料塔釜精馏段提馏段温度57.3887.85100.12572.61593.987气相流量32.47732.47732.47732.47732.477液相流量25.17940.24640.24625.17940.246气相组成0.99360.64950.01190.99370.6495液相组成0.99050.06910.00210.99050.0691气相质量分率0.99800.85660.03140.99800.8566液相质量分率0.99700.19310.00670.99700.1931气相平均摩尔质量57.823644.039018.496757.823644.0390液相平均摩尔质量57.699420.788118.104157.699420.7881气相密度2.13311.48740.60421.81031.0458液相密度748.341905.325955.432826.833930.3785液相粘度0.25610.28800.24700.27210.2675 3.3.3采用埃克特通用关联图计算泛点气速和塔径对于散装填料，其泛点率的经验值为埃克特通用关联图精馏段：液相质量流量：气相质量流量：埃克特通用关联图中的横坐标：由埃克特通用关联图读出，纵坐标值约为0.19则：取金属环矩鞍填料规格由：，得：所以：由：得：提馏段：液相质量流量：气相质量流量：埃克特通用关联图中的横坐标：由埃克特通用关联图读出，纵坐标值约为0.23则：取金属环矩鞍填料规格由：，得：所以：由：得： 3.3.4圆整塔径后验算圆整塔径取圆整后验算：3.3.4.1泛点率精馏段：提馏段：精馏段和提馏段的泛点率均在0.50.853.3.4.2核算，3.3.4.3液体喷淋密度的验算精馏段：最小喷淋密度其中最小润湿速率提镏段：最小喷淋密度其中最小润湿速率3.4塔高计算3.4.1填料层高度等板高度给定为0.446精馏段： 提馏段： 3.4.2填料层高度校核对于金属环矩鞍装填料，最大填料层高度 分段效率与塔径之比为58精馏段：,需要分段，分为5段提镏段：，不需要分段3.5压降计算压降计算用埃克特通用关联图，不同的是先计算出横坐标和纵坐标，查，分别算提馏段、精馏段填料层压降，最后由算总压降。 3.5.1精馏段填料层压降横坐标：纵坐标：由，得由埃克特通用关联图可得： 3.5.2提镏段填料层压降横坐标：纵坐标：由，得由埃克特通用关联图可得： 3.5.3填料层高度和压降汇总3.6液体分布器计算 3.6.1液体分布器的选型选用单层管式液体分布器液体分布均匀可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。 3.6.2分布点密度计算分布点密度在（塔截面）范围内选取，计算分布器布液点数。分布点密度取塔截面按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：主管直径，支管直径，采用7根支管，支管中心距为实际分布点数3.6.3孔流速计算 注意取值范围： 取 则： 3.6.4布液计算取，计算，换算成质量流量，与最小布液量对照，大于最小布液量即可。 3.6.5布液器设计见附图一：液体分布器设计图3.7接管管径计算 3.7.1进料管管径的计算取液体流速为圆整后直径取 3.7.2进气管管径的计算取液体流速为圆整后直径取 3.7.3出气