化工课程设计--异丙醇-水萃取精馏分离.doc

烟台大学化工学院课程设计说明书设计题目：异丙醇-水萃取精馏分离学 号： 201055504308学生姓名： 郭秀平专业班级： 化101-3指导教师： 陈小平2013年7月4日课程设计任务书一、 设计题目异丙醇-水萃取精馏分离二、 设计任务1、 原料名称：异丙醇-水共沸体系2、 原料组成：含异丙醇87.4%(质量百分比)3、 产品要求：塔顶产品中异丙醇含量99.9%，水能够达标排放4、 生产能力：年产量1万吨/年5、 溶剂采用：NMF（N-甲酰吗啉）6、 设备形式：浮阀塔7、 生产能力：300天/年，每年24h运行8、 进料状况：共沸组成进料9、 操作压力：常压10、 加热蒸汽压力：11、 冷却水温度：进口30，出口40三、 设计内容1、 设计方案的选定及流程说明2、 精馏塔的物料衡算3、 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4、 塔板数的确定5、 精馏塔塔体工艺尺寸的计算6、 塔板主要工艺尺寸的计算7、 塔板的流体力学验算8、 塔板负荷性能图9、 换热器设计10、 精馏塔接管尺寸计算11、 绘制生产工艺流程图12、 绘制板式精馏塔的总装置图13、 撰写课程设计说明书一份四、 设计要求1、 工艺设计说明一份2、 工艺流程图一张，主要设备总装配图一张（采用AoutCAD绘制）五、 设计完成时间2013年6月24日-2013年7月13日目录1. 概述62.工艺流程确定及说明62.1 塔板类型62.2 加料方式72.3 进料状况72.4 塔顶冷凝方式72.5 回流方式72.6 加热方式82.7 操作压力的确定83. Aspen Plus化工流程模拟83.1 模型建立93.2 工艺流程93.3 模拟计算103.4 灵敏度分析与参数优化103.4.1 原料进料位置的影响103.4.2 萃取剂进料位置的影响113.4.3塔板数与溶剂量对分离效果的影响134. 塔板的工艺设计134.1 精馏塔的全塔物料和能量衡算134.2 实际塔板数计算144.3 塔径计算144.4 溢流装置的确定144.4.1 溢流堰长144.4.2 溢流堰高度154.4.3 弓形降液管宽度和弓形截面积154.4.4 降液管底隙高度154.5 塔板布置及浮阀数目与排列164.5.1 浮阀数目164.5.2 排列164.5.3 校核175. 塔板的流体力学计算185.1气体通过浮阀塔板的压力降185.2 液泛185.3 雾沫夹带185.4 塔的负荷性能图195.4.1 雾沫夹带线195.4.2 液泛线195.4.3 液体负荷上限线195.4.4 漏液线205.4.5 液相负荷下限线205.4.6 操作性能负荷图206. 塔附件设计226.1 接管226.1.1 进料管226.1.2 回流管226.1.3 塔顶蒸汽出料管236.1.4 塔釜出料管236.1.5 塔釜进气管236.1.6 再沸器接管246.2 筒体与封头246.2.1 筒体246.2.2水压试验校核246.2.3 封头256.2.4裙座256.2.5地脚螺栓256.3 塔的总体高度256.3.1 塔的部的空间高度256.3.2 进料板高度266.3.3 设有人孔的塔板间距266.3.4 封头高度266.3.5 裙座高度266.3.6 塔底空间高度266.3.7 精馏塔总高度26附属设备设计277.1原料离心泵的选型277.2 原料预热器287.3 塔顶冷凝器287.4 塔釜再沸器297.5 循环萃取剂冷凝器307.6 公用工程317.7冷凝器及再沸器选型汇总318. 课程设计自我评价319. 参考文献321. 概述蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其挥发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。在工业精馏设备中，使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触，以进行气液相际传质，结果是气相中的难挥发组分部分转入液相，液相中的易挥发组分部分转入气相，也即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。工业中的蒸馏多为多组分精馏，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。本设计选取异丙醇-水萃体系，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，再用蒸馏法蒸出异丙醇，但常压下异丙醇与水在80.3时形成共沸物，共沸物中异丙醇质量分数为87.4。因此，采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇。传统的异丙醇一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一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。 2.工艺流程确定及说明2.1 塔板类型精馏塔的塔板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板.浮阀塔的优点： 1.生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 综合考虑，本设计选用浮阀塔。2.2 加料方式本精馏塔加料选择泵直接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实现流量及流速的调节。2.3 进料状况本精馏塔选择共沸组成进料.2.4 塔顶冷凝方式本精馏塔选择全凝器，用水冷凝。2.5 回流方式本设计采用强制回流。2.6 加热方式加热方式可分为：直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热在一定的回流比条件下，塔底蒸汽对回流液有一定的稀释作用，从而使理论板数增加，设备费用上升，所以本设计采用间接蒸汽加热。2.7 操作压力的确定塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则：1. 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸汽可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。2. 考虑利用较高温度的蒸汽冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。综合考虑以上因素本设计采用常压精馏。3. Aspen Plus化工流程模拟用Aspen Plus化工流程模拟软件，根据萃取精馏分离共沸物的适宜溶剂的要求和文献报道，选择N-甲酰吗啉作为萃取剂，对异丙醇一水共沸体系的萃取精馏过程进行模拟，并系统讨论了各操作参数对分离效果的影响，得到最优工艺参数。对异丙醇一水共沸体系的萃取精馏过程进行模拟与优化。以N-甲酰吗啉为萃取剂，基于UNIFAC模 型，使用Aspen Plus化工模拟软件中的RadFrac模块进行萃取精馏模拟，并利用灵敏度分析模块对各工艺参数进行灵敏度分析与优化。3.1 模型建立 RadFrac是一个严格模型，可用于模拟所有类型的多级气、液分离操作，如普通精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等。适用体系包括气、液两相传质体系，气、液、液三相传质体系，窄沸程和宽沸程传质体系等。对气、液两相存在强非理想物系和理想物系都有良好的模拟效果，模拟数据具有可指导性。 使用Aspen Plus模拟软件进行模拟计算时，要尤其注意热力学模型的选择，其正确与否直接影响计算的物理性能的准确程度，并影响计算结果的精确度。由于本计算体系中的异丙醇、N-甲酰吗啉等均是极性化合物，故选用UNIFAC活度系数模型。3.2 工艺流程流程：原料从8号流股加入，经换热器B3预热后流入萃取精馏塔B1，萃取剂从1号流股进入萃取精馏塔B1，在塔内萃取精馏后，异丙醇从塔顶经2号流股采出，N-甲酰吗啉和水从塔釜经3号流股流入精馏塔B2进行分离，水从塔顶经4号流股采出，N-甲酰吗啉从塔釜经5号流股流入换热器B3对原料进行预热，之后从6号流股流出，进入换热器B4换热降温至79后流入1号流股，对萃取剂进行循环利用。 3.3 模拟计算 原料进料为异丙醇一水共沸体系，流量1250kg/h，组成为874(质量分数)的异丙醇和126(质量分数)的水，萃取剂为N-甲酰吗啉，两股进料的温度均为80，操作压力为常压。萃取精馏塔共有25块板(包括塔顶冷凝器和塔底再沸器)，原料从第13块板进料，萃取剂从第3块板进料。在初设操作参数下进行模拟计算，考察以N-甲酰吗啉做萃取剂时的分离效果。然后通过 Aspen Plus模拟软件中的“Sensitivity”模块，研究原料进料位置、萃取剂进料位置、回流比以及萃取剂和原料进料比对塔的分离效果及塔的热负荷的影响，进而寻找最佳操作条件。 在N-甲酰吗啉萃取剂作用下，异丙醇一水共沸体系被破坏，塔顶馏出液中异丙醇质量分数可达到较好的分离效果。初设参数可以用于萃取精馏系统下一步操作参数优化工作。3.4 灵敏度分析与参数优化灵敏度分析步骤： 由左侧数据浏览窗口选择Model Analysis Tools | Sensitivity,进入Object manager 页面，点击New，出现Create new ID对话框，点击OK。在Model Analysis Tools | Sensitivity | S-1| Input| Define 页面，点击New，出现Create new variable对话框，输入变量名F , 点击OK 。 在Variable Definition 对话框中定义F变量。 进入Model Analysis Tools | Sensitivity | S-1| Input| Vary 页面，定义操纵变量。3.4.1 原料进料位置的影响 在相同条件下，原料进料位置的不同将对分离效果产生影响，不同的精馏效果导致塔底和塔顶组成产生改变，进而影响再沸器和冷凝器的热负荷，因此，存在最佳进料位置。改变原料异丙醇一水共沸体系的进料位置，考察原料进料位置对分离效果和热负荷的影响，模拟结果如图1、2。图1 原料进料位置对分离效果的影响图2 原料进料位置对热负荷的影响由图1、2可见，进料位置在12-16块板时分离效果较好，而再沸器和冷凝器的热负荷(冷凝器的热负荷取绝对值)较低。进料在第13块板时达到最佳效果。因此，选择原料最佳进料板为第13块板。3.4.2 萃取剂进料位置的影响 萃取剂的进料位置也影响精馏分离效果和热负荷。改变萃取剂的进料位置，模拟不同位置进萃取剂对分离效果和热负荷的影响，结果见图3、4。图3 萃取剂进料位置对分离效果的影响图4萃取剂进料位置对热负荷的影响由图3、4可以看出，萃取剂在第一块塔板进料时，虽然再沸器和冷凝器的热负荷(冷凝器的热负荷取绝对值)最低，但塔顶中异丙醇的质量分数只有0.7，分离效果太差，因此，不予考虑。除第1块塔板外，萃取剂进料在第3,4块塔板时，塔顶中异丙醇的质量分数最高，再沸器和冷凝器的热负荷最低，因此，选择第3块塔板为萃取剂进料板。 3.4.3塔板数与溶剂量对分离效果的影响 在达到分离目标时采用25或26块板已影响不大，故采用25块板适宜，溶剂量只要大于5000kg即可，取5200kg是适合的. 综上所述，以N-甲酰吗啉做萃取剂分离异丙醇一水共沸体系是可行的。对于处理流量1250kgh 的异丙醇一水共沸溶液，精馏塔具有25块塔板时，原料进料位置在第13块塔板，萃取液进料位置在第3块塔板，摩尔回流比为3，萃取剂与原料的进料比为4：1，塔顶异丙醇质量分数可达O.999，萃取精馏塔的分离效果和热负荷达到最优。4. 塔板的工艺设计4.1 精馏塔的全塔物料和能量衡算由Aspen Plus模拟结果得整个流程进出与出口的物料数值：Mass Flow kg/hr H2O C3H8O-01 C5H9N-01 1520000520081250157.51092.5021093.51.0091092.4610.034156.5156.4610.0390752000.02905199.9711+8-2-4-70000182471+8-2-4-7Enthalpy Gcal/hr -3.862-1.965-1.339-0.586-3.8650 由此可以看出整个系统物料和能量守恒。4.2 实际塔板数计算由Aspen Plus模拟得出符合生产要求时，塔板间距为0.45m，塔径为1m，理论板数为25块，取全塔效率为40%，所以实际塔板数为63.4.3 塔径计算塔板间距为0.45m，理论板数为25块，全塔效率为40%，由Aspen Plus模拟结果得塔径为0.82m，经校核圆整计算取塔径为1.0m。4.4 溢流装置的确定选用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。单溢流又称直径流，液体自液盘横向流过塔板至溢流堰，流体流径较大，塔板效率高，塔板结构简单，加工方便，直径小于2.2m的塔中广泛使用。工业中应用最广的降液管是弓形降液管。4.4.1 溢流堰长单溢流=(0.6-0.8)D 系数取0.7 则=0.7D=0.7m4.4.2 溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度由Aspen Plus模拟软件计算得塔内液体流量8.53m/h近似取E=1，则堰高 4.4.3 弓形降液管宽度和弓形截面积由故 依式验算液体在降液管中停留时间故降液管设计合理。4.4.4 降液管底隙高度取 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度4.5 塔板布置及浮阀数目与排列本次设计采用浮阀式塔板，选用V-4型阀，孔径为39mm。4.5.1 浮阀数目浮阀数目气体通过阀孔时的速度取动能因数F=10，那么，因此4.5.2 排列为保证塔板的强度，需留有一定的边缘区和安定区，在边缘区内不设置浮阀。取边缘区宽度0.05m，安定区宽度0.09m.单溢流塔板鼓泡面积为：由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排。若同一横排的阀孔中心距，那么相邻两排间的阀孔中心距为：m按照，t=80mm 以等腰三角形叉排方式作图，排得N=734.5.3 校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数： (在9-12之间)开孔率：开孔率在10%-14%之间，满足要求。5. 塔板的流体力学计算5.1气体通过浮阀塔板的压力降由Aspen Plus模拟结果得每次板压降：Pressure dropbar0.009231090.011701070.011698840.011695340.011689910.011681650.011669490.011652290.011629280.011600610.011568630.0116370.011577880.011502510.011422080.011356130.011315840.011296490.011288570.011285590.011284650.01129030.01153328 由此计算得平均压降为0.01142bar5.2 液泛Downcomer backupmeter0.110192930.119365020.119312190.119228960.119099440.118901550.118607180.118185320.117610.116877930.116124520.119136420.117709710.115786080.113581950.111674370.110519970.109996610.109792710.109717920.109691640.109706920.11093991 由此计算得 符合防止淹塔的要求。5.3 雾沫夹带由Aspen Plus模拟结果得：Flooding factor0.367014980.389531210.3889230.387964370.386471470.384188040.380785740.375897630.369206290.36156160.354537240.35076730.33806340.320499660.29954610.280382280.268177930.262485080.260243960.259420130.259160080.260470950.29284805 由此计算得F=0.3303800mm，故裙座壁厚取12mm，基础环内径：基础环外径：取20+18=38mm6.2.5地脚螺栓取n=36,C2=3取d=30,则地脚螺栓选用M366.3 塔的总体高度6.3.1 塔的部的空间高度塔顶高度应大于板间距，考虑到安装除沫器的需要，取除沫器到第一块塔板的距离为800mm（此处有一人孔）空间高度取1300mm。6.3.2 进料板高度为了便于进料和安装进料管，在进料板处，管间距应大一些，设为800mm。6.3.3 设有人孔的塔板间距本精馏塔在塔顶，进料板，塔釜处各设一人孔，在设有人孔的塔板处，板间距设为800mm，人孔内径450mm。6.3.4 封头高度 封头高度包括曲面高度和直边高度，H=350+40=390mm。6.3.5 裙座高度 裙座高度为2.4m。6.3.6 塔底空间高度(1)塔底釜液停留时间取5min;(2)塔底液面到最下层塔板之间间距取1.0m； 则 6.3.7 精馏塔总高度H=(63-6)0.45+0.86+1.3+0.39+3+1.57=32.4m附属设备设计7.1原料离心泵的选型取原料进料板高度为（33-2）*0.45+2.4+1.57=17.92m原料进口速度为u=1.21m/s原料密度为=1096.619kg/m原料粘度为2.034cP则取查摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系图，得取管长为（包括当量长度），阻力： 扬程： 原料液进料管管型为，则输送流量查IS型离心泵性能表，选用型离心泵能够满足操作要求。其输送流量为,扬程为29.6m。根据塔高计算扬程得到各流体输送泵的规格如下：型号转速nr/min流量扬程H/m效率%功率/kw必须气蚀余量（NPSH）/m用途L/s轴功率电机功率IS50-32-1602900154.1729.6562.1632.5萃取精馏原料输送IS-50-32-16029007.52.0834.3441.5932.0萃取精馏塔顶回流IS50-32-12529007.52.0822470.962.22.0溶剂回收塔进料IS-50-32-16029007.52.0834.3441.5932.0溶剂回收塔顶回流IS50-32-12529007.52.0822470.962.22.0溶剂回收预热原料7.2 原料预热器因为本设计采用共沸组成,80进料，设原料温度为40，因此需要一台原料预热器。本预热器的热流体采用的是回收利用的萃取剂。由Aspen Plus模拟结果得换热器传热面积为4.36m查管式换热器系列标准得，应选择碳钢管，管长2m，管数32根，2管程，公称直径273mm。换热面积S=4.87.3 塔顶冷凝器，冷凝水,由塔顶时，查物性手册得：气化潜热： 取 查管式换热器系列标准得，应选择碳钢管，管长，管数245根，1管程，公称直径600mm。换热面积S=36.57.4 塔釜再沸器，使用的水蒸汽，釜液出口温度，水蒸气出口温度为165由塔底时，查物性手册得：气化潜热： 取查管式换热器系列标准得，应选择碳钢管，管长6m，管数245根，1管程，公称直径。 换热面积S=113.57.5 循环萃取剂冷凝器 ，萃取剂出口温度， 冷凝水 由塔底时，查物性手册得：气化潜热： 取 查管式换热器系列标准得，应选择碳钢管，管长6m，管数94根，2管程，公称直径400mm。 换热面积S=43.57.6 公用工程Block IDBlock typeDutyUsage Gcal/hrkg/hrB4HEATER0.2821318728311.4803B1冷凝器RADFRAC0.7072508270971.4852B1再沸器RADFRAC0.94000874202070.795B2冷凝器RADFRAC0.3499759335119.5228B2再沸器RADFRAC0.4373118687462.37217.7冷凝器及再沸器选型汇总表4-1 冷凝器及再沸器型号及材质列表项目排列方式公称直径/mm管程数管长/mm管子尺寸/mm管子总数原料预热器正三角形2732200032塔顶冷凝器正三角形60012000245塔釜再沸器正三角形60016000245循环萃取剂冷凝器正三角形40026000948. 课程设计自我评价经过近三个周的奋战，化工原理课程设计终于圆满完成。这是个艰辛的过程，更是个丰收的过程。在理论知识方面，对课本上的知识有了更加深刻的认识，懂得了实际设计时的不易；在学习工作方面，学会了耐心、坚持与认真。当把自己近四十页的设计文档排版时，不管它设计的优不优秀，有没有瑕