丙烯—丙烷板式精馏塔设计

大大 型型 作作 业业 报报 告告 2010 2011 学年第二学期 课程名称课程名称 化工原理课程设计 学生学号学生学号 院 系 院 系 专专 业业 班班 级级 时时 间间 学学 生生 指导教师 2011 年 1 月 13 日 前前 言言 化工生产中所处理的原料 中间产物 粗产品几乎都是由若干组分组成的 混合物 而且其中大部分都是均相物质 生产中为了满足储存 运输 加工和 使用的需求 时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质 芳香族 化合物是化工生产中的重要的原材料 而苯和甲苯是各有其重要作用 苯是化 工工业和医药工业的重要基本原料 可用来制备染料 树脂 农药 合成药物 合成橡胶 合成纤维和洗涤剂等等 甲苯不仅是有机化工合成的优良溶剂 而 且可以合成异氰酸酯 甲酚等化工产品 同时也可以用来制造三硝基甲苯 苯 甲酸 对苯二甲酸 防腐剂 染料 泡沫塑料 合成纤维等 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作 在化工 炼油 石油化工 等工业得到广泛应用 精馏过程在能量计的驱动下 使气 液两相多次直接接 触和分离 利用液相混合物中各相分挥发度的不同 使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 实现原料混合物中各组成分离该过程是 同时进行传质传热的过程 本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔 实现苯 甲苯的分离 苯 甲苯体系比较容易分离 待处理料液清洁 因此用筛 板塔 筛板塔也是很早出现的一种板式塔 20 世纪 50 年代起对筛板塔进行了大 量工业规模的研究 逐步掌握了筛板塔的性能 并形成了较完善的设计方法 与泡罩塔相比 筛板塔具有下列优点 生产能力 20 40 塔板效率 10 50 而且结构简单 塔盘造价减少 40 左右 安装 维修都较容 易 本课程设计的主要内容是过程的物料衡算 热量衡算 工艺计算 结构设 计和校核 目录 第一节 标题 丙烯 丙烷板式精馏塔设计 第二节 丙烯 丙烷板式精馏塔设计任务书 第三节 精馏方案简介 第四节 精馏工艺流程草图及说明 第五节 精馏工艺计算及主体设备设计 第六节 辅助设备的计算及选型 第七节 设计结果一览表 第八节 对本设计的评述 第九节 工艺流程简图 第十节 参考文献 第一节 设计题目 丙烯 丙烷板式精馏塔设计 第二节 任务书 处理量 64kmol h 产品质量 进料 65 塔顶产品 98 塔底产品 2 1 工艺条件 丙烯 丙烷 饱和液体进料 进料丙烯含量 65 摩尔百分数 塔顶丙烯含量 98 釜液丙烯含量 2 总板效率为 0 6 2 操作条件 塔顶操作压力 1 62MPa 表压 加热剂及加热方法 加热剂 热水 加热方法 间壁换热 冷却剂 循环冷却水 回流比系数 1 2 1 4 1 6 3 塔板形式 浮阀 4 处理量 F 64kml h 5 安装地点 广东中山火炬开发区 6 塔板设计位置 塔顶 第三节 精馏方案简介 1 精馏塔的物料衡算 2 塔板数的确定 3 精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算 4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5 塔板主要工艺尺寸的计算 6 塔板的流体力学验算 7 塔板负荷性能图 8 精馏塔接管尺寸计算 9 绘制生产工艺流程图 10 绘制精馏塔设计条件图 11 对设计过程的评述和有关问题的讨论 设计方案的确定及工艺流程的说明 原料液由泵从原料储罐中引出 在预热器中预热至 84 后送入连续板式精馏塔 筛板塔 塔顶上升蒸 汽 流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液 其余作为产品经冷却至 25 后送至产品槽 塔 釜 采用热虹吸立式再沸器提供气相流 塔釜残液送至废热锅炉 第四节 精馏工艺流程草图及说明 一 流程方案的选择 1 生产流程方案的确定 原料主要有三个组分 C2 C3 C3 生产方案有两种 见下图 A B 如任务书规定 C2 C3 C3 iC4 iC4 W 5 00 73 20 20 80 0 52 0 48 100 A CC3 3 C3 2 C C3 B C3 C3 原料 C2 原料 图 A 为按挥发度递减顺序采出 图 B 为按挥发度递增顺序采出 在基本有 机化工生产过程中 按挥发度递减的顺序依次采出馏分的流程较常见 因各组 分采出之前只需一次汽化和冷凝 即可得到产品 而图 B 所示方法中 除 最难挥发组分外 其它组分在采出前需经过多次汽化和冷凝才能得到产品 能 量 热量和冷量 消耗大 并且 由于物料的内循环增多 使物料处理量加大 塔径也相应加大 再沸器 冷凝器的传热面积相应加大 设备投资费用大 公 用工程消耗增多 故应选用图 A 所示的是生产方案 2 工艺流程分离法的选择 在工艺流程方面 主要有深冷分离和常温加压分离法 脱乙烷塔 丙烯精 制塔采用常温加压分离法 因为 C2 C3 在常压下沸点较低呈气态采用加压精 馏沸点可提高 这样就无须冷冻设备 可使用一般水为冷却介质 操作比较方 便工艺简单 而且就精馏过程而言 获得高压比获得低温在设备和能量消耗方面 更为经济一些 但高压会使釜温增加 引起重组分的聚合 使烃的相对挥发度 降低 分离难度加大 可是深冷分离法需采用制冷剂来得到低温 采用闭式热 泵流程 将精馏塔和制冷循环结合起来 工艺流程复杂 综合考滤故选用常温 加压分离法流程 二 工艺特点 1 脱乙烷塔 根据原料组成及计算 精馏段只设四块浮伐 塔板 塔顶采用分凝器 全回流操作 2 丙烯精制塔 混合物借精馏法进行分离时它的难易程度取决 于混合物的沸点差即取决于他们的相对挥发度丙烷 丙烯的 沸点仅相差 5 6 所以他们的分离很困难 在实际分离中为 了能够用冷却水来冷凝丙烯的蒸气经常把 C3 馏分加压到 20 大气压下操作 丙烷 丙烯相对挥发度几乎接近于 1 在这种 情况下 至少需要 120 块塔板才能达到分离目的 建造这样 多板数的塔 高度在 45 米以上是很不容易的 因而通常多 以两塔串连应用 以降低塔的高度 三 操作特点 1 压力 采用不凝气外排来调节塔内压力 在其他条件 不变的情况下 不凝气排放量越大 塔压越低 不凝 气排放量越小 塔压越高 正常情况下压力调节主要 靠调节伐自动调节 2 塔低温度 恒压下 塔低温度是调节产品质量的主要 手段 釜温是釜压和物料组成决定的 塔低温度主 要靠重沸器加热汽来控制 当塔低温度低于规定值 时 应加大蒸汽用量以提高釜液的汽化率塔低温度 高于规定值时 操作亦反 四 改革措施 丙烯精制塔顶冷却器由四台串联改为两台并联 且 每台冷却器设计时采用的材质较好 管束较多 传 热效果好 五 设想 若本装置采用 DCS 控制操作系统 这样可以使操作 者一目了然 可以达到集中管理 分散控制的目的 能够使信息反馈及时 使装置平稳操作 提高工作 效率 为了降低能耗丙烯塔可以采用空冷 第五节 精馏工艺计算及主体设备设计 精馏塔的工艺设计计算 包括塔高 塔径 塔板各部分尺寸的设计计算 塔 板的布置 塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图 1 物料衡算与操作线方程 通过全塔物料衡算 可以求出精馏产品的流量 组成和进料流量 组成之间 的关系 物料衡算主要解决以下问题 1 根据设计任务所给定的处理原料量 原料浓度及分离要求 塔顶 塔 底产品的浓度 计算出每小时塔顶 塔底的产量 2 在加料热状态 q 和回流比 R 选定后 分别算出精馏段和提馏段的上升 蒸汽量和下降液体量 3 写出精馏段和提馏段的操作线方程 通过物料衡算可以确定精馏塔中 各股物料的流量和组成情况 塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量 为计算理 论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据 通常 原料量和产量都以 kg h 或吨 年来表示 但在理想板计算时均须转换 为 kmol h 在设计时 汽液流量又须用 m3 s 来表示 因此要注意不同的场合应 使用不同的流量单位 2 塔物料衡算 F D W FXf DXD WXw 则代入数据为 64 D W 64 65 D 98 W 2 解得 D 42 09375kmol h W 21 90625kmol h 塔内气 液相流量 精馏段 L RD V L D 提留段 L L F V V 3 热量衡算 再沸器热流量 qr V rv 再沸器加热蒸汽质量流量 Gr Qr rR 冷凝器热流量 Qc Vrv 冷凝器冷却剂的质量流量 Gc Qc Cv t1 t2 塔板数的计算 相对挥发度 利用试差法求相对挥发度 表压 P 1620kpa 则塔顶绝压 Ptop 1 62 0 101325 1 721325kpa LnPA 15 7027 1807 53 316 1 26 15 PA 12948 48mmHg 1726 373kpa 同理得 PB 10830 29mmHg 1443 921kpa Y A P PB PA PB 0 982 KA PA P 1 002933 XA y A KA 0 982 1 002933 0 977 同理得 y B 0 02 KB 0 838842 XB y B KB 0 024 X y A KA y B KB 1 000977 y 1 1 000977 1 0 0009776mm 满足 E 取 1 的条件 取 Hw 0 05m 清夜层高度 Hl 由选取的堰高 Hw 确定 Hl Hw How 0 05 0 028 0 078m 液流强度 Lh lw 31 5946 1 022 30 91 100 降液管底隙液体流速 u Ls lwhb 0 191m s 0 5m s 符合要求 8 塔板流动性能的校核 所得泛点率低于 0 8 故不会产生过量的液沫夹带 计算干板阻力 由以上 3 个阻力之和求塔板阻力 0 109m 12 塔板负荷性能图 1 过量液沫夹带线 2 液相下限线 How 2 84 0 001E Lh lw 2 3 0 006 取 E 1 lw 1 022 Lh 3 07lw 3 14 h 此为液相下限线 3 严重漏液线 3 液相上限线 4 精馏塔主体设备设计计算 4 1 再沸器 精馏塔底的再沸器可分为 釜式再沸器 热虹吸式再沸器及强制循环再沸器 1 釜式式再沸器 如图 6 2 a 和 b 所示 a 是卧式再沸器 壳方为釜液沸腾 管内 可以加热蒸汽 塔底液体进入底液池中 再进入再沸器的管际空间被加热而部 分汽化 蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面 部分液体则通过再沸器内的垂直 挡板 作为塔底产物被引出 液体的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留 8 10 分钟 以分离液体中的气泡 为减少雾沫夹带 再沸器上方应有一分离 空间 对于小设备 管束上方至少有 300mm 高的分离空间 对于大设备 取再 沸器壳径为管束直径的 1 3 1 6 倍 b 是夹套式再沸器 液面上方必须留有蒸发空间 一般液面维持在容 积的 70 左右 夹套式再沸器 常用于传热面较小或间歇精馏中 2 热虹吸式再沸器 如图 6 2 c D e 所示 它是依靠釜内部分汽化所产生的汽 液混 合物其密度小于塔底液体密度 由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再 沸器 因此该种再沸器又称自然循环再沸器 这种型式再沸器汽化率不大于 40 否则传热不良 3 强制循环再沸器 如图 6 2 中 f 所示 对于高粘度液体和热敏性气体 宜用泵强制循环式 再沸器 因流速大 停留时间短 便于控制和调节液体循环量 原料预热器和产品冷却器的型式不象塔顶冷凝器和塔底再沸器的制约条件 那样多 可按传热原理计算 图 6 2 再沸器的型式 4 2 管路尺寸的确定 管路阻力计算及泵的选择 管路尺寸的确定 管路阻力计算及泵的选择 接管直径 各接管直径由流体速度及其流量 按连续性方程决定 即 4 S V d u 6 7 式中 VS 流体体积流量 m3 s u 流体流速 m s d 管子直径 m 1 塔顶蒸气出口管径 DV 蒸气出口管中的允许气速 UV应不产生过大的压降 其值可参照表 6 1 表 6 1 蒸气出口管中允许气速参照表 操作压力 绝压 常压1400 6000Pa 6000 Pa 蒸汽速度 m s 12 2030 5050 70 2 回流液管径 DR 冷凝器安装在塔顶时 冷凝液靠重力回流 一般流速为 0 2 0 5m s 速度 太大 则冷凝器的高度也相应增加 用泵回流时 速度可取 1 5 2 5m s 3 进料管径 dF 料液由高位槽进塔时 料液流速取 0 4 0 8m s 由泵输送时 流速取为 1 5 2 5 m s 4 釜液排除管径 dW 釜液流出的速度一般取 0 5 1 0m s 5 饱和水蒸气管 饱和水蒸气压力在 295kPa 表压 以下时 蒸气在管中流速取为 20 40m s 表压在 785 kPa 以下时 流速取为 40 60m s 表压在 2950 kPa 以 上时 流速取为 80m s 加热蒸气鼓泡管 加热蒸气鼓泡管 又叫蒸气喷出器 若精馏塔采用直接蒸气加热时 在塔 釜中要装开孔的蒸气鼓泡管 使加热蒸气能均匀分布与釜液中 其结构为一环 式蒸气管 管子上适当的开一些小孔 当小孔直径小时 汽泡分布的更均匀 但太小不仅增加阻力损失 而且容易堵塞 其孔直径一般为 5 10mm 孔距为 孔径的 5 10 倍 小孔总面积为鼓泡管横截面积的 1 2 1 5 倍 管内蒸气速度 为 20 25m s 加热蒸气管距釜中液面的高度至少在 0 6m 以上 以保证蒸气与 溶液有足够的接触时间 离心泵的选择 离心泵的选择 一般可按下列的方法与步骤进行 1 确定输送系统的流量与压头 液体的输送量一般为生产任务所规定 如 果流量在一定范围内波动 选泵时应按最大流量考虑 根据输送系统管路的安 排 用柏努利方程计算在最大流量下管路所需的压头 2 选择泵的类型与型号 首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的 类型 然后按已确定的流量 Qe和压头 He从泵的样本或产品目录中选出合适的 型号 显然 选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量 Qe和压头 He完全相符 且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量 所选泵的流量和压 头可稍大一点 但在该条件下对应泵的效率应比较高 即点 Qe He 坐标位 置应靠在泵的高效率范围所对应的 H Q 曲线下方 另外 泵的型号选出后 应 列出该泵的各种性能参数 3 核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度时 可按 核算泵的轴功率 102 QH NkW 第六节 辅助设备的计算及选型 精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器 产品冷凝器 塔底再沸器 原 料预热器 直接蒸汽鼓管 物料输送管及泵等 前四种设备本质上属换热器 并多采用列管式换热器 管线和泵属输送装置 下面简要介绍 回流冷凝器 按冷凝器与塔的位置 可分为 整体式 自流式和强制循环式 1 整体式 如图 6 1 a 和 b 所示 将冷凝器与精馏塔作成一体 这种布局的优点是上 升蒸汽压降较小 蒸汽分布均匀 缺点是塔顶结构复杂 不便维修 当需用阀 门 流量计来调节时 需较大位差 须增大塔顶板与冷凝器间距离 导致塔体 过高 该型式常用于减压精馏或传热面较小场合 图 6 1 冷凝器的型式 2 自流式 如图 6 1 c 所示 将冷凝器装在塔顶附近的台架上 靠改变台架的高度 来获得回流和采出所需的位差 3 强制循环式 如图 6 1 D e 所示 当冷凝器换热面过大时 装在塔顶附近对造价 和维修都是不利的 故将冷凝器装在离塔顶较远的低处 用泵向塔提供回流液 需指出的是 在一般情况下 冷凝器采用卧式 因为卧式的冷凝液膜较薄 故对流传热系数较大 且卧式便于安装和维修 管壳式换热器的设计与选型 管壳式换热器的设计与选型的核心是计算换热器的传热面积 进而确定换热 器的其它尺寸或选择换热器的型号 1 流体流动阻力 压强降 的计算 1 管程流动阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得 对于多程换热器 其阻力 pi等 于各程直管阻力 回弯阻力及进 出口阻力之和 一般情况下进 出口阻力可 忽略不计 故管程总阻力的计算式为 12 itsp ppp FN N 6 1 式中 P1 P2 分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降 Pa Ft 结垢校正因数 对 25mm 2 5mm 的管子取 1 4 对 19mm 2mm 的管子取 1 5 NP 管程数 Ns 串联的壳程数 上式中直管压强降 P1可按第一章中介绍的公式计算 回弯管的压强降 P2由下面的经验公式估算 即 2 2 3 2 u p 6 2 2 壳程流动阻力 壳程流动阻力的计算公式很多 在此介绍埃索法计算壳程压强降 P0的公 式 即 6 012S pppN S F 3 式中 P1 流体横过管束的压强降 Pa P2 流体通过折流板缺口的压强降 Pa FS 壳程压强降的结垢校正因数 液体可取 1 15 气体可取 1 0 2 0 10 2 0 2 1 2 2 3 5 2 cB B u pFf n N uh pN D 6 4 式中 F 管子排列方法对压强降的校正因数 对正三角形排列 F 0 5 对转 角三角形为 0 4 正方形为 0 3 f0 壳程流体的摩擦系数 Nc 横过管束中心线的管子数 Nc值可由下式估算 管子按正三角形排列 6 5 1 1 c nn 管子按正方形排列 6 6 1 19 c nn 式中 n 换热器总管数 NB 折流挡板数 h 折流挡板间距 u0 按壳程流通截面积 A0计算的流速 m s 而 A0 h D ncd0 2 管壳式换热器的选型和设计计算步骤 1 计算并初选设备规格 a 确定流体在换热器中的流动途径 b 根据传热任务计算热负荷 Q c 确定流体在换热器两端的温度 选择列管换热器的形式 计算定性温度 并确定在定性温度下的流体物性 d 计算平均温度差 并根据温度差校正系数不应小于 0 8 的原则 决定壳程 数 e 依据总传热系数的经验值范围 或按生产实际情况 选择总传热系数 K 值 f 由总传热速率方程 Q KS tm 初步计算出传热面积 S 并确定换热器的 基本尺寸 如 D L n 及管子在管板上的排列等 或按系列标准选择设备规 格 2 计算管程 壳程压强降 根据初定的设备规格 计算管程 壳程流体的流速和压强降 检查计算结果 是否合理或满足工艺要求 若压降不符合要求 要调整流速 在确定管程数或 折流板间距 或选择另一规格的换热器 重新计算压强降直至满足要求为止 3 核算总传热系数 计算管程 壳程对流传热系数 确定污垢热阻 Rsi和 Rso 在计算总传热系数 K 比较 K 的初设值和计算值 若 K K 1 15 1 25 则初选的换热器合适 否则需 另设 K 值 重复以上计算步骤 第七节 设计结果一览表 1 操作条件及物性系数 操作压力 塔顶 1 62MPa 塔底 1 69 MPa 操作温度 塔顶 塔底 名 称数 值 塔顶气相密度 28 03kg m3 塔顶液相密度 471 2535kg m3 气相体积流量590 379 液相体积流量31 595 塔顶液相表面张力4 761 2 塔板主要工艺尺寸水力学核算 第八节 对本设计的评述 作为本学期难得的一次大型作业报告 我个人而言 收获良多 首先是看 到了自己的不足 例如一些以前学习过的内容能够得到复习 毕竟差不多一年 过去了 CAD 课程内容所教授的内容 许多都已经不记得了 通过这次大型课 题报告 让我们重新学习和掌握 CAD 课程 而且由于类似这种大型作业报告 需要考虑多方面的问题 必须多方面考虑周全 所以这次作业 也让我在做事 方面想得更加周全 面面俱到 这对于我们这些学生而言 是非常难得的 本人参照了指导老师给我们的指导资料 并参考了其他学长的个人设计格 式 查阅了较多的关于本专业的相关资料文献 花费了不少的时间勉强完