丙烯-丙烷说明书格式 化工课程设计.doc

课程设计课 程 设 计 （丙烯-丙烷精馏塔及辅助设备设计）班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 设计日期： 2011.2.28-2011.3.11 成 绩： 目 录前言 x第一章 精馏过程工艺及设备概述 x第二章 精馏塔工艺设计 x第三章 再沸器的设计 x第四章 辅助设备及管路的设计 x第五章 控制方案 x附录一 主要符号说明 x 附录二 参考文献 x前言 本设计说明书包括概述、精馏塔、再沸器、辅助设备及管路设计及控制方案共5章内容。 说明书中对精馏塔的设计计算做了详细的阐述，对于再沸器、辅助设备和管路的设计也做了正确的说明。 鉴于本人经验有限，设计中难免存在错误和不妥之处，希望老师给予指正。 感谢老师的指导和参阅！第一章、 精馏过程工艺及设备概述 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挥发度不同，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。该过程是同时传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。1.精馏装置流程精馏就是通过多级蒸馏，使混合气、液两相经过多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，是混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高纯度的产品。其流程如下：原料（乙烯和乙烷混和液体）经过料管由精馏塔的某一位置（进料板处）流入精馏塔内，开始精馏操作，塔底设再沸器加热釜液中的液体，产生蒸汽通过塔板的筛孔上升，与沿降液管下降并横向流过塔板的液体在各级筛板上错流接触并进行传热及传质，釜液定期作为塔底产品输出;塔顶设冷凝器使上升的蒸汽部分冷凝回流，其余作为塔顶产品输出精馏塔。2.工艺流程（1）精馏装置必须在实弹的位置设置一定数量不同容积的原料储罐，泵和各种换热器，以暂时储存，运输和预热（或冷却）所用原料，从而保证精馏装置能连续稳定的运行。（2）必要的检测手段为了随时了解操作情况及各设备的运行状况，及时地发现操作中存在问题并采取相应的措施予以解决，需在流程中的适当位置设置必要的测量仪表，以及时获取压力，温度等各项参数，从而间接了解运行情况。另外。常在特定地方设置人孔和手孔，以便定期检修各设备及检查装置的运行情况。（3）调节装置由于实际生产过程中各种状态参数都不是定值，都会或多或少随着时间有所波动，应在适当位置设置一定数量的阀门进行调节，以保证达到生产要求，有时还可以根据需求设置双调节，即自动调节和手动调节两种调节方式并可以根据需要随时进行切换。3.设备简介及选用所用设备主要包括精馏塔及再沸器和冷凝器。1）、精馏塔精馏塔是一圆形筒体，塔内装有多层塔板或填料，塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板上相互接触时，液相被加热，液相中易挥发组分向气相中转移；气相被部分冷凝，气相中难挥发组分向液相中转移，从而使混合物中的组分得到高程度的分离。简单精馏中，只有一股进料，进料位置将塔分为精馏段和提馏段，而在塔顶和塔底分别引出一股产品。精馏塔内，气、液两相的温度和压力自上而下逐渐增加，塔顶最低，塔底最高。本设计为筛板塔，筛板的突出优点是结构简单、造价低、塔板阻力小且效率高。但易漏液，易堵塞。然而经长期研究发现其尚能满足生产要求，目前应用较为广泛。2）.再沸器（设计从略）作用：用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间接触传质得以进行。本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。立式热虹吸特点：循环推动力：釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。 结构紧凑、占地面积小、传热系数高。壳程不能机械清洗，不适宜高粘度、或脏的传热介质。塔釜提供气液分离空间和缓冲区。3）.冷凝器 （设计从略） 用以将塔顶蒸气冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器。精馏塔选用筛板塔，配合使用立式虹热吸式再沸器（建议根据自己所查资料进行补充！）第二章 精馏塔工艺设计一、 设计任务书 （将任务书中本人的设计条件详细列举！例如：）1.工艺条件：饱和液体进料， 进料丙烯含量= *摩尔分数，下同）塔顶丙烯含量=*%釜液丙烯含量2%，总板效率为0.62.操作条件塔顶压力*MPa（表压）加热剂及加热方式：加热剂：热水；加热方式：间壁换热冷却剂：循环冷却水回流比系数：R/Rmin=*塔板形式：*处理量：* kmol/h，安转地点：烟台 塔板位置：塔顶二、精馏过程工艺计算 精馏塔的分离计算是精馏装置过程设计的关键。通过分离计算确定给定原料达到规定分离要求所需理论级数、进料位置、再沸器及冷凝器的热流量；确定塔顶、塔底以及侧线采出产品的流量、组成、温度及压力；确定精馏塔内温度、压力、组成及气相、液相流量的分布。1.处理能力及产品质量（物料衡算）物料衡算= + =+解得：= kmol/h ，= kmol/h。2.塔板计算。 经过模拟计算，得到理论板数= 块（包括精馏段、提馏段及总塔板数）。（须附上：程序及计算机输出的计算数据！）3.初估塔径4.塔高计算5.溢流装置的设计6.溢流堰7.塔板布置及其他结构尺寸的选取8.塔板流动性能的校核1）.液沫夹带量的校核2）.塔板阻力计算3）.降液管液泛校核 4）.液体在降液管内停留时间 5）.严重漏液校核 9.塔板性能负荷图1）过量液沫夹带线 2）液相下限线3）严重漏液线 4）液相上限线5）降液管液泛线10.五条曲线联合构成负荷性能图（须附上坐标纸或者电脑画出的负荷性能图！）其中:操作点为 = m3/h, = m3/h塔板的操作弹性：= （详细讨论设计是否合理？ ）第三章 再沸器的设计31 再沸器类型选择我们选用立式热虹吸式再沸器，需要加热的流体为丙烯与丙烷的混合物，丙烯的摩尔百分比为，温度为47.88，被加热的流体走管程，因为被加热的流体温度较高，所以用于加热的流体选用常压下的饱和水蒸气，温度为100，出口为饱和冷凝水，温度为100。32 再沸器中管程、壳程的物性数据壳程为水蒸气，其物性数据如下：壳程水蒸气冷凝焓变（潜热）为壳程水蒸气粘度壳程水蒸气密度壳程水蒸气热导率管程为釜液，釜液气、液相混合物的物性数据如下：管程混合物（釜液）总液相当量蒸发焓为管程混合物流体总液相当量粘度管程混合物流体总气相当量粘度管程混合物流体总液相当量密度管程混合物流体总气相当量密度管程混合物流体总液相当量比热容管程混合物流体总液相当量热导率管程混合物流体总液相当量表面张力管程混合物流体总液相当量蒸汽压曲线斜率33 再沸器面积的确定釜液中的相变质量流量为，传热速率，塔底的温度可视为恒定的47.88,由此可以得出。假定总传热系数，可以得出。取用,管长L=3000作为传热管,则传热管数，对管数取整得。则实际的总传热面积（以外径计）为：。34 管束排列方式及管束、壳径参数的确定管束的排列方式为正三角形排列。由公式可求得中间参量。由公式可求得中间参量取管心距，由公式可求壳径，取整后可得。，在之间，故符合设计计算要求。管材料类型设计为普通碳钢。35 传热能力核算351 显热段总传热系数的求解假设传热管出口处气含率，则釜液循环质量流量，管束的总流通截面积。管束内总质量流速。在显热段，管程内全部为釜液流出的泡点液体，传热管内流动雷诺数，管内流动，故可以用经验关联公式求得显热段管内传热膜系数（液体被加热，）对于管外的加热蒸汽，蒸汽冷凝液质量流量，中间参量，壳程冷凝雷诺数，故可以用经验管外传热系数公式，取沸腾侧污垢热阻阻为，冷凝侧污垢热阻为，所用碳钢材料热导率为，由此可以得到显热段总传热系数352 沸腾段总传热系数的求解（1） 管内沸腾传热膜系数首先对于管内沸腾，可采用双机理模型，求解公式为：，需要将气化率控制在以内，本设计取，可满足设计要求。首先对两相对流经热膜系数进行求解，由管内混合物物流的物性可以得到中间参量，将出口气含率的40%作为气含率的平均值，求出中间参量，求得。液体单独存在为基础而求得的管程表面传热系数，进而求得下一步要进行泡核沸腾表面传热系数的求解，应力麦克内利公式，下一步进行泡核沸腾压抑因数的求解，首先求出传热管内质量流速，按照气含率等于出口气含率来计算，可查表得。按照气含率等于出口汽化率来计算，可查表得。取平均值得泡核沸腾压抑系数。有了以上、这三个参数，即可计算得到管内沸腾表面传热系数（2） 沸腾段总传热系数353 显热段和蒸发段长度的求解查得管程混合物流体总液相当量蒸汽压曲线斜率，则对于显热段长度有，。沸腾传热蒸发段长度354 总平均传热系数的求解355 传热所需面积的求解。356面积裕度的校核，传热面积裕度校核成功，符合设计计算要求。第四章 辅助设备及管路设计41 辅助容器的设计所有容器填充系数均取。411 进料罐（20常温贮料）进料罐内装常温料液，在常温状况下求得下丙烷、丙烯混合物料（丙烯的摩尔百分比为65%）的物性数据为：混合物总平均密度进料混合物的质量流量为，取料液的停留时间天，即。则可以得出进料罐所需的体积应为，取整后进料罐的体积为。412 回流罐（40）回流罐中盛装塔顶回流液，成分为接近纯组分的丙烯（丙烯摩尔含量为98%），泡点回流液的温度应为塔顶的温度38.6，考虑到回流管线的少量热损失，可将回流罐温度设定为40。回流液的摩尔流量，回流液的质量流量，取凝液在回流罐中的停留时间。则可以得出进料罐所需的体积应为，取整后回流罐的体积为。413 塔顶产品罐（20常温贮料）塔顶产品罐与回流罐内组成相同，由于塔顶产品在罐内停留时间较长，与外界热交换非常充分，所以应选用常温贮料罐，塔顶产品质量流量，取塔顶产品在塔顶产品罐内的停留时间为天，即。则可以得出塔顶产品罐所需的体积应为，取整后进料罐的体积为。414 釜液罐（塔底产品罐）（20常温贮料）釜液中的物料物性与塔底产品组成相同，丙烯摩尔含量为2%，由于长时间与外界接触，能够充分进行换热，所以选择常温贮料罐，由于温度从塔底温度47.88变至室温，温度变化不大，盛装液的密度可按再沸器设计时所用的塔底混合物液体当量密度来计算。流出釜液的质量流量为取釜液在釜液罐内的停留时间为天，即。则可以得出釜液罐所需的体积应为，取整后进料罐的体积为。42 传热设备的设计421 进料预热器的简单设计考虑到进料预热器与进料之间的管线热损失，可以将进料加热至稍高于泡点38.6，本设计将进料由常温20预热至45。壳程用90热水进行加热，壳程热水出口温度设为70，管程流体质量流率为，管程流体的混合物的平均比热容为，热流率为，壳程热水的定压比热容为，则壳程热水供应的质量流率应为。假设传热系数为，平均传热温差，则所需传热面积应为。圆整后取，只需微型的预热器即可。422 塔顶冷凝器的简单设计采用10的水作为冷凝剂，出口温度为30，冷凝剂走管程，塔顶馏出物走壳程，温度恒定为38.6，由气态变为液态。管程混合物质量流率为，混合物焓变为，则可得到热流率。则管外热水的质量流率应为。假设传热系数为，平均传热温差，则初步估计所需传热面积应为。圆整后取，需要较大型的换热器才可以。423 其它换热设备的说明由于塔底产品的出料温度为47.88，在釜液罐中停留时间为天，所以不需要换热器对其冷却，也可使其自然冷却至常温。塔顶产品的出料温度为38.60，在塔顶产品罐内停留时间为天，所以也不需要换热器对其冷却，也可使其自然冷却至常温。43 泵的设计与选用431 进料泵（两台，一用一备）取进料液体流速为，进料料液的体积流量为。因，进料管的内管径，圆整后可取，可用无缝钢管。进料液体的粘度，则进料管内流体流动雷诺数。取管壁粗糙度，则相对粗糙度，再结合雷诺数，可查表得摩擦系数，取进料管线长度，取90度弯管4个，截止阀一个，文氏管流量计1个。，选取泵送实际高度差，则需要的实际扬程，泵的有效扬程应为，再根据泵送的体积流量，可选用MPH型卧式化工流程泵（流量，扬程）即可。432 回流泵（两台，一用一备）取回流液体流速为，回流液的体积流量为。因，进料管的内管径，圆整后可取，可用热轧无缝钢管。进料液体的粘度，则进料管内流体流动雷诺数。取管壁粗糙度，则相对粗糙度，再结合雷诺数，可查表得摩擦系数，取进料管线长度，取90度弯管4个，截止阀一个，文氏管流量计1个。，选取泵送实际高度差，则需要的实际扬程，泵的有效扬程应为，再根据泵送的体积流量，可选用HY型卧式化工流程泵（流量，扬程）即可。433 釜液泵（一台）取釜液液体流速为，釜液的体积流量为。因，进料管的内管径，圆整后可取，可用热轧无缝钢管。釜液体的粘度，则进料管内流体流动雷诺数。取管壁粗糙度，则相对粗糙度，再结合雷诺数，可查表得摩擦系数，取釜液管线长度，取90度弯管4个，截止阀一个，文氏管流量计1个。，选取泵送实际高度差，则需要的实际扬程，泵送的体积流量，此泵对扬程没有要求，正常工作情况下，不需要此泵，在非正常工作和停产工况下需要，可选用ZH型卧式化工流程泵（流量，扬程）即可。进料管线取料液流速：u=0.5m/s则取管子规格75.53.75。其它各处管线类似求得如下：管路设计结果表名称管内液体流速（m/s）管线规格（mm）进料管0.575.53.75顶蒸气管151805顶产品管0.5603.5回流管0.51805釜液流出管0.5483.5仪表接管/252.5塔底蒸气回流管141805泵设备及主要参数序号位号名称扬程/m流量m3/h功率/kw1P-101进料泵545.50.82P-102釜液泵10421.13P-103回流泵954010.44P-104塔顶产品泵203.50.25P-105塔底产品泵202.10.11第五章 控 制 方 案精馏塔的控制方案要求从质量指标、产品产量和能量消耗三个方面进行综合考虑。精馏塔最直接的质量指标是产品浓度。由于检测上的困难，难以直接按产品纯度进行控制。最常用的间接质量指标是温度。序号位号设备名称形式主要参数操作条件1T-101精馏塔浮阀塔温度40压力1.72Mpa2E-101塔顶冷凝器分块管板式3E-102塔底再沸器分块管板式4E-103进料预热器分块管板式5P-101进料泵2台离心泵Q=5.5m3/hH=54m丙烯丙烷混合液7P-102釜液泵1台离心泵Q=42m3/hH=10m丙烷液8P-103回流泵2台离心泵Q=40m3/hH=95m丙烯液9P-104塔顶产品泵2台离心泵Q=3.5m3/hH=10m丙烯液10P-105塔底产品泵2台离心泵Q=2.1m3/hH=10m丙烷液11V-101原料中间罐卧式750m3201.72Mpa12V-102回流罐立式15m3401.72Mpa13V-103塔顶产品罐立式360