《化工原理》课程设计-废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计

1、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_11_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：金属环聚鞍填料，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

2、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5 1.1课题的来源及背景.5 1.2 课题的意义.5 1.3精馏塔的选择依据.5 1.3.1选择填料塔的依据.5 1.3.2选择金属环矩鞍填料的依据.6第2章工艺设计要求.72.1进料要求.72.2分离要求.72.3塔顶冷凝设计要求.72.4塔釜再沸器设计要求.72.5接管管径设计要求.72.6液体分布器设计要求.7第3章工艺过程设计计算83.1物料恒算.8 3.1.1原料液及塔顶、塔釜产品的摩

3、尔分率.8 3.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量.8 3.1.3物料恒算.8 3.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率.8 3.1.5物料恒算表.83.2操作条件.93.2.1操作压力.93.2.2操作温度.93.3塔径计算103.3.1计算最小回流比及理论板数.10 3.3.2计算精馏段和提馏段的物性参数.11 3.3.3采用埃克特通用关联图计算泛点气速及塔径.123.3.4圆整塔径后验算.143.4塔高计算143.4.1填料层高度.14 3.4.2填料层高度校核.15 3.5压降计算15 3.5.1精馏段填料层压降.15 3.5.2提馏段填料层压降.15 3.5.3填料层高度和

4、压降汇总.153.6液体分布器计算16 3.6.1液体分布器的选型.16 3.6.2分布点密度计算.16 3.6.3孔流速计算.16 3.6.4布液计算.16 3.6.5布液器设计.163.7接管管径计算16 3.7.1进料管管径的计算.163.7.2 进气管管径的计算.173.7.3出气管管径的计算.173.7.4 回流管管径的计算.173.7.5 出液管管径的计算.173.7.6接管管径计算结果.173.8冷凝器与再沸器计算与选型183.81冷凝器18 3.8.2再沸器.183.9设计结果汇总18第4章问题讨论.20第5章参考文献.21第6章附录.22第1章 前 言1.1课题的来源及背景废

5、丙酮溶媒来自于抗生素类药物“盐酸四环素”的生产过程。盐酸原料发酵四环素碱溶解、洗涤丁醇结晶、过滤晶体溶解洗涤丙酮结晶过滤母液废丁醇溶媒晶体盐酸四环素母液废丙酮溶媒1.2 课题的意义废丙酮溶媒丙酮 75水25丙酮溶媒丙酮 99.8水0.2精制降低生产成本经济效益减少环境污染社会效益1.3精馏塔的选择依据 1.3.1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。本设计目的是分离丙酮-水混合液，采用筛板式精馏塔。 1.3.2选择金属环矩鞍填料的

6、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_11_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

7、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物料恒算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：0.9

8、9360.00160.48233.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量 精馏段：MD57.82 g/mol进料：MF37.33 g/mol提馏段：MW18.08 g/mol3.1.3物料恒算 F12.29 kmol/h 由物料恒算得：F=D+WFXF=DXD+WXW解得：D=5.937 kmol/h W=6.353 kmol/h3.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率 kg/h kg/h kg/h3.1.5物料衡算表见表3.9.13.2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 a. 塔顶温度的计算：假设T=330.34K，根据安托尼方程：其中安托尼常数：丙酮 A=1

9、6.6513 B=2940.46 C=35.93水 A=18.3036 B=3816.44 C=46.13可得：=6.6613则： mmHg由于 则： 其中y丙酮=xD=0.9936同理，则 假设不成立。假设T=330.33K，方法同上可得， 则 假设成立所以，塔顶温度tD=57.33 0Cb.进料温度的计算假设T=360.928K，=7.6037则： mmHg由于 则： 其中y丙酮=xD=0.9936同理，则 假设不成立。假设T=360.926K，方法同上可得， 则 假设成立所以，进料温度tF=87.926 0CC塔釜温度的计算假设T=329.2K，=6.6248则： mmHg由于 则： 其

10、中y丙酮=xD=0.9936同理，则 假设不成立。假设T=373.123K，方法同上可得， 则 假设成立所以，塔釜温度tW=100.123 0C3.3塔径计算3.3.1计算最小回流比及理论板数常压下丙酮-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

11、.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

12、的常压下丙酮-水气液平衡曲线，见附图1在y=x上取点(xD,xD)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xq=0.9483，yq=0.9600最小回流比经小组商量，取最小回流比=2.88 操作回流比精馏段操作曲线：q线：进料方式为饱和液体进料，所以q=1，则作过(xF,xF) 即(0.4821,0.4821)的竖直线可得到q线提馏段操作曲线：其中 则提馏段操作曲线的方程为： 见附图1由作图法得：理论塔板数:23精馏20提馏：3第21块为加料板，第24块为再沸器3.3.2计算精馏段和提馏段的物性参数丙酮和水在塔顶和

13、塔底条件下的密度表（kg/m3)状态tf=72.750CtD=57.220CtW=99.980C水气相g0.22140.11540.5956液相l976.17984.57958.47丙酮液相l729.1748.1695.4丙酮和水在塔顶和塔底条件下的黏度数据表(mPa.s)tf=72.750CtD=57.220CtW=99.980C水0.39130.48910.2841丙酮0.23670.21060.1757塔顶的物性参数：温度：57.33 0C气相流量： kmol/h液相流量： kmol/h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： g/mol液相平均摩尔质量：

14、g/mol气相密度： kg/m3液相密度： 则 kg/m3液相粘度： mPa.s进料、塔底的物性参数计算方法同塔顶相似。精馏段的物性参数取塔顶和进料的物性参数的算术平均即得。提馏段的物性参数取塔釜和进料的物性参数的算术平均即得。计算结果见表3.9.33.3.3采用埃克特通用关联图计算泛点气速及塔径对于散装填料，其泛点率的经验值为精馏段： kg/s kg/s埃克特通用关联图中的横坐标由图中读出，纵坐标值约为0.19则将g=9.81 m/s2 =150 m-1 =1.178代入纵坐标中计算，可得 m/s取 m/s提馏段： kg/s kg/s埃克特通用关联图中的横坐标由图中读出，纵坐标值约为0.21

15、则将g=9.81 m/s2 =150 m-1 =1.0393代入纵坐标中计算，可得 m/s取 m/s3.3.4圆整塔径后验算精馏段： 提馏段：圆整塔径，取 mm圆整后验算： 1.泛点率 精馏段：提馏段：精馏段和提馏段的泛点率均在0.50.8 2. D / d 核算 D=0.4 m d=0.0383液体喷淋密度校核最小喷淋密度其中最小润湿速率 m3/(mh) m2/m33.4塔高计算3.4.1填料层高度等板高度给定为0.431精馏段： m m提馏段： m m3.4.2填料层高度校核精馏段：8D=80.4=3.2 m 13 m需要分段，133.2=4.06255精馏段分为5段，提馏段不需要分段。3

16、.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，算提馏段、精馏段填料层压降提馏段、精馏段分别算，最后由算总压降。3.5.1精馏段填料层压降横坐标：将u=1.471 m/s m-1代入纵坐标：由埃克特通用关联图可得： Pa/m Pa3.5.2提馏段填料层压降横坐标：将u=1.651 m/s m-1代入纵坐标：由埃克特通用关联图可得： Pa/m Pa3.5.3填料层高度和压降汇总 Pa3.6液体分布器计算3.6.1液体分布器的选型 管式，排管式3.6.2分布点密度计算 分布点密度在（220260 点/m2塔截面）范围内选取，计算分布器布液点数。分布点密度取230 点/

17、m2塔截面布液点数为 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5根支管，支管中心距为95mm,实际分布点数n=31，3.6.3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W，与最小布液量对照，大于最小布液量即可。 kg/s3.6.5布液器设计分布器的示意图。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0.8 m/s m圆整后直径取20 mm3.7.2 进气管管径的计算取气体流速为12 m/s m圆整后直径取125mm3.7.3出气管管径的计算取气体流速为12 m/s m圆整后直径取125 mm3.7.4

18、回流管管径的计算取液体流速为0.8 m/s m圆整后直径取32 mm3.7.5 出液管管径的计算取液体流速为0.8 m/s m圆整后直径取20 mm3.7.6接管管径计算结果见表3.9.33.8冷凝器与再沸器计算与选型3.81冷凝器= KJ/Sm查表选S=22 m2总传热系数的核算 冷凝器的选型：G400-16-22冷凝水用量计算：kg/s3.8.2再沸器KJ/s 再沸器的选型:查表得S=8 m2选型为GCH400-16-8总传热系数的核算： 蒸汽用量计算:3.9设计结果汇总表3.9.1物料衡算表流股流量质量分数摩尔分数kg/hkmol/h丙酮水丙酮水F458.3312.290.750.250

19、.48210.5179D343.285.9370.9980.0020.99360.0064W114.866.3530.0050.9950.00160.9984表3.9.2接管管径计算结果摩尔流量(kmol/h)平均摩尔质量(g/mol)密度(kg/m3)V(m3/h)u(m/s)d(m)圆整后(mm)进料管34.5221.12911.5770.0.80.018820出气管28.1757.823.120.14512.00.124125进气管28.1718.121.1260.125912.00.1156125回流管22.2357.70748.6390.0.80.02832出液管34.5218.46

20、946.0740.0.80.017320表3.9.3塔顶、进料、塔底、精馏段、提馏段的物性参数塔顶进料塔底精馏段提馏段温度57.3387.926100.12372.62894.0245气相流量28.1728.1728,1728,1728,17液相流量22.2334.5234.5228.37534.52气相组成0.99360.66850.00240.83110.3355液相组成0.99040.07600.01100.53320.0435气相质量分率0.99800.86670.00770.94070.6193液相质量分率0.99700.20960.03460.78640.1278气相平均摩尔质量5

21、7.8244.8018.1251.3131.46液相平均摩尔质量57.7021.1218.4639.4119.79气相密度3.121.2471.1262.1741.187液相密度748.639911.577946.074830.108928.826液相粘度0.3500.3140.22990.3320.27195第4章问题讨论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、 与物性有关的因素（1） 本设计任务为分离丙酮-水混合物，对于二元混合物的分离，应该使用连续精馏。（2） 易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，应选填料塔。本设计为丙酮和水，可选用板式塔。（3） 对于有悬浮物或容易聚合物系的