1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计-化工原理课程设计

化工原理课程设计

1200吨丙酮■水连续填料精储塔设计

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••水混合液的填料精储塔。

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

丙酮含最为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W4%（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：连续精储

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、填料精循塔计算

⑴操作条件的确定⑵塔径的确定⑶填料层高度的确定⑷填料层

压降的计算⑸液体分布器设计计算⑹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-水连续填料精锦塔设计”。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，应采用连续精饰流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡

点后送入精佛塔内。丙酮常压下的沸点是56.2C,故可采用常压操作，用30c

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、精储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、精偏塔接管尺寸计算。

在抗生素约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，乂能使废水排放达

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350nliT,填料层分段高度为4m,

填料层压降为3.3X10'MPa,液体分布器布液点数为20。

关键字：泡点进料;填料精饲塔;孔板波纹；设计计算

目录

1.绪论........................................................................*6

1.1课题背景...................................................................6

1.2.1选择填料塔的依据......................................................6

1.2.2选择金属孔板波纹填料的依据............................................6

1.2精僧塔的选择依据...........................................................6

2.设计方案及设计工艺流程确定....................................................6

2.1工艺设计要求...............................................................6

2.1.1进料要求...............................................................6

2.1.2分离要求...............................................................7

2.1.3塔顶冷凝器设计要求....................................................7

2.1.4液体分布器设计要求....................................................7

2.1.5接管管径设计要求.......................................................7

2.2设计工艺流程..............................................................7

3.工艺过程设计计算...............................................................8

3.1填料精锚塔的物料衡算......................................................8

3.1.1原料液及塔顶产品,塔釜产品的摩尔分率..................................8

3.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量..............................8

3.1.3物料恒算...............................................................9

3.1.4原料液及塔顶产品,塔釜产品的质量流量.................................9

3.1.5物料衡算结果一览表.....................................................9

3.2填料精储塔设计计算.........................................................9

3.2.1操作温度...............................................................9

3.2.2塔径计算...............................................................10

3.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算...........................................15

3.2.4填料层高度计算........................................................15

3.2.5填料层压降计算........................................................15

4.接管管径计算..................................................................16

4.1进料管管径的计算..........................................................16

4.2进气管管径的计算.........................................................16

4.3出气管管径的计算..........................................................16

4.4回流管管径的计算.........................................................16

4.5出液管管径的计算.........................................................17

4.6接管管径计算结果.........................................................17

5.附属设备计算..................................................................17

5.1液体分布器简要设计.......................................................18

5.1.1液体分布器的选型.....................................................18

5.1.2孔流速计算............................................................18

5.1.3布液计算..............................................................18

5.1.4分布点密度计算.......................................................18

5.2冷凝器的计算与选型.......................................................18

5.2.1冷凝器换热面积计算...................................................18

5.2.2冷凝器的选型.........................................................18

5.2.3总传热系数的核算....................................................18

5.2.4冷凝水用量计算.......................................................18

6.设计结果一览表..............................................................19

7.设计小结....................................................................-20

8.设计心得与体会..............................................................-21

参考文献........................................................................*22

1.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，需要用丙的溶媒洗涤晶体，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精僧塔的选择依据

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0.6-0.71n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，采用填料精储塔。

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W4%

釜液中丙酮含量W4%

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8~10℃,

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C.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精溜塔的物料衡算

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/kmol

0.80/58.03

=0.554

(0.80/53.03)+(0.20/18.02)

S96/58.03=

(0.96/58.03)+(0.04/18.02),

0.04/58.03_

xw=(0.04/58.03)+(0.96/18.02)=00127

3.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量

进料：

MkO.554X58.03+(1-0.553)X18.02=40.20kg/kmol

精储段:

M尸0.882X58.03+(1-0.882)X18.02=53.309kg/kmol

提谯段：

MFO.0123X58.03+(1-0.0123)X18.02=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H计算。

1200000

原料处理量F=4.15kmol/h

300x24x40.20

总物料衡算4.15=D+W

丙酮物料衡算4.15X0.554=0.882D+0.0123W

联立解得D=2.585kmol/h

W=l.565kmol/h

3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流量

1200x1000

3=166.67kg/h

F=300x24

3D=DxMD=2.601x53.547=139.276kg/h

<ow=WxMw=1.549x18.06=27.973kg/h

3.1.5物料衡算结果一览表

表1.物料衡算表

流股摩尔流量质量流量丙酮质量水质量分丙酮摩尔水摩尔分

kmol/hkg/h分数数分数数

F4.15166.G70.800.200.5540.44G

D2.585139.2760.960.040.8820.118

W1.56527.9730.040.960.01270.9873

3.2精僧塔设计计算

3.2.1操作温度

根据安托尼方程：m严=A,-瓦/（T-C）查阅手册得到相关数据

制得下图

t-x（y）

ICC

图1.时间与气（液）相关系图

由图1.可知t,>=56.12℃,t=89℃,tF=60℃

3.2.2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⑶可得：全塔平均相对挥发度为am=1.5;

精储段平均相对挥发度为am=1.62

表2.常压下丙酮-水气液平衡数据

丙酮摩尔分数丙酮摩尔分数丙酮摩尔分数丙酮摩尔分数

气相y液相X气相y液相X

0.00000.000()0.800()0.1965

0.05000.00870.82000.3554

0.10000.00940.84000.5012

0.15000.01240.86000.7012

0.20000.01360.880()0.7652

0.25000.01780.90000.8215

0.30000.01870.91000.8526

0.35000.02000.92000.8785

0.40000.02120.93000.9011

0.45000.02930.94000.9163

0.50000.03240.95000.9321

0.55000.03780.96000.9483

0.60000.05010.97000.9602

0.65000.06930.98000.9730

0.70000.08940.99000.9855

0.75000.12751.00001.0000

0.00000.00000.80000.1965

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.丙酮一水气液相平衡线

由于泡点进料可得：Xq=XF=0.554将其代入气液平衡方程

得:yq=^=°£50

最小回流比：Rmin=丝生=2.392

yq，

取R=l-5Rmin

得操作回流比：R=3.59

R+1

图3.吉利兰图像

利用吉利兰图，求解全塔理论板数

当R-RmM=0.261时

R+1

端』.45⑴

其中N+1=^K剖16

min⑵

10g«m

Nmin=15

联立（1）（2）式，解得N=26.43取心=27

精储段理论板数

［（缶）（守）］_3729

log

Nmin+1=—

log%

N^in=2.729x3

N，—N^in

N，+2"°-45

解得：N'=6.78取N；=7

表3.填料塔塔板数汇总表

理论塔板数精微段塔板数提镭段塔板数

27720

第8块为加料板

3.2.2.2计算精循段和提径段的物性参数

表4.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的密度表（kg/m3）

t0=56.12℃t,=89℃tr=60℃

水气相（V）0.22140.11540.5956

水液相（1）976.17984.57958.47

丙酮液相（D729.1748.1695.4

表5.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的黏度薮据表（mPa.s）

tD=56.12℃tw=89℃tp=60℃

水0.39130.48910.2841

丙酮0.23670.21060.1757

3.2,2.3精僧段塔径计算

精微段塔径按第一块板的数据近似计算。

将%=XD=0.882代入气液平衡方程

ZQax,

得：%=诉而=0.882X1=0.918

”RL]=9.336kmol/h

=(Li+D)XDV]=11.469kmol/h

液相平均摩尔质量为：MV1=yix58.034-(1-yjx18.02=54.749kmol/h

气象平均摩尔质量为：ML1=X]x58.03+(1-xjx18.02=53.309kmol/h

液相质量流量为：WL=LixML1=9.336x53.309=494.708kg/h

气象质量流量为：Wv=VtxMV1=11.469X54.749=624.139kg/h

气相密度：P“=察代X导普X端鼻=2.007kg/m3

1%（1一切,）0.99700.003

----=-------+-----------748.1+984.57=0.001336

液相密度:P112内第P水

3

pL1=771.714kg/m

液相粘度：=如制但外浦+x水怆〃水二0・9970xlg0.2556+0.003xlg0.4911

则以=0.256\mPa-s

流动参数为：T=—=0.（M0

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

Cs=u

c

〃=I$==1.214m/s

Pvx

'Pl\-Pv2

K==0.087

pv\X3600

。=/也=0.302m

V双

3.2.2.4提微段塔径计算

提储段塔径按进料板的数据近似计算，计算方法同精僧段。

提谭段相关数据：

WL=506.966kg/h

Wv=497.135kg/h

中,=0.044

Cs.niax—0.075

Cs=0.060

u=1.383m/s

Vs'=0.086

D=0.281m

比较精微段与提储段计算结果，二者基本相同，圆整塔径取D=350mm

3.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算

精微段液体喷淋密度为：

U=，=6.666/〃，/(“?♦•〃)

U/4)-Z)2

精镭段空塔气速为:

Wii/0i

=0.898m/s

（乃/4）。2.3600

提镭段液体喷淋密度:

U=皿/外2=6.190痴/(〃/.人)

提微段空塔气速为:

Wr/外

=0.89?〃?/$

(4/4)。2・3600

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,取则：

HETP=l/nt=0.25m

由Z=NTXHETP,精馀段填料层高度为：

Z祠=7X0.25=1,75m

Z>1.75XI.25=2.188m

提镭段填料层高度为：

7«=20X0.25=501

7^=5X1.25=6.2501

设计取精储段填料层高度为2.188m,提储段填料层高度为6.25m

根据式（5-54）,取填料层的分段高度为：

h=16xHETP=16x0.25=4rn

3.2.5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

AP

—=4.0x\0^MPa/m

Z

精储段填料层压降为：

AP精=Z标X—=8.752x10-4

Z

提储段填料层压降为：

△P提=Z«ix竺=2.5x10-3

Z

填料层总压降为：

AP=APM+AP^=3.3X1O;,

4.接管管径计算

4.1进料管管径的计算

26.85x20.7881

V=1.692xl04m3/s

916.2x3600

取液体流速为0.8m/s

叵—[4x1.692x1()；

d==0.0164m

1菰一V3.14x0.8

圆整后直径取20mm

4.2进气管管径的计算

^21.67x44.0390

V=().171()m3/s

1.55x3600

取气体流速为12m/s

4x0.1710

d==0.135m

3.14x12

圆整后直径取150mm

4.3出气管管径的计算

21.67x18.4967

V=0.1856mVs

0.60x3600

取气体流速为12m/s

圆整后直径取150mm

4.4回流管管径的计算

16.80x57.6994^

V3.597xl04m3/s

748.6x3600

取液体流速为0.8m/s

/4V_Ux3.597xl07

d==0.0239m

3.14x0.8

圆整后直径取25mm

4.5出液管管径的计算

=26.85x18.1041

V=1.412xl0-4m3/s

956.0x3600

取液体流速为0.8m/s

叵—[4x1.412x10工

=0.0150nl

、荔3.14x0.8

圆整后直径取20mm

4.6接管管径计算结果

表6.接管管径计算结果

平均摩

摩尔流量密度圆整后

尔质量V(m3/h)u(m/s)d(m)

(kmol/h)(kg/m3)(mm)

(g/mol)

1.692X

进料管26.8520.7881916.20.80.016420

104

出气管21.6757.82362.130.1710120.13515()

进气管21.6718.49670.60.1856120.14015()

3.597X

回流管16.8057.6994748.60.80.023925

10H

1.412X

出液管26.8518.10419560.80.015020

10-4

5.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

该精储塔塔径较小，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

%=G)j2gAh

JI：111C0=0.6,Ah=16()nun

则.u0=孰J2gAh=0.6x,2x9.81x().16=l.()6nVs

5.1.3布液计算

Ls=—do2〃①J2QH

,p.ix3600=1.791x10

⑴=0.60

取AH=160mm

4/V

do=-----?-----=O.OO23w

\(如小J2必H

设计取do=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

该精储塔塔径较小，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200点

布液点数为；

〃=2方x200=19.23点«20点

4

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

①38/皿x3.5〃?〃？，支管直径为中18〃〃〃x3〃〃〃，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=21

5.2冷凝器的计算与选型

5.2.1冷凝器换热面积计算

狈陶=Af77/=273.3-238.7=34.6V/TWO/

Q=V]x南用=16.80knx)l/hx34.6jtJ//?w/=161AlkJ/s

T:57.38Cf57.38C

t:35C—25C

A^-Ar,_(58.21-35)-(57.21-25)

=27.91℃

,Az,,(58.21-35)

Ar,(57.21-25)

Q161.47x1000

S=14.46m2

KxA/w_400x27.91

5.2.2冷凝器的选型

查表得S=15m2

选型为G400H-16-15

5.2.3总传热系数的核算

K

—=0.9999<1.15

K'

5.2.4冷凝水用量计算

Q=Wcxx△/

167.47xIQ3

Wc==4.0\kg/x

4.I74X103X10

6.设计结果一览表

表