年处理量为2万吨丙烯-丙烷分离过程精馏塔设计

北京化工大学北方学院本科毕业设计（论文）北京化工大学北方学院NORTHCOLLEGEOFBEIJINGCHEMICALTECHNOLOGY（2012）届本科生毕业设计（理工类）题目：年处理量为2万吨丙烯-丙烷分离过程精馏塔设计学院：理工学院专业：应用化学学号：00000000姓名：11111指导教师：2222教研室主任（负责人）：2222北京化工大学北方学院本科毕业设计（论文）PAGE摘要精馏塔是进行精馏的一种塔式气液接触装置，又称蒸馏塔。有板式塔和填料塔两种类型。根据操作方式又分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸汽从塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移。蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体作为釜残液放出。关键词：丙烯，精馏塔，浮阀塔，开孔率AbstractDistillationisadistillationtowerforvapor-liquidcontactdevice,alsoknownasdistillation.Aplatecolumnandpackedcolumntypes.Accordingtomodeofoperationaredividedintocontinuousdistillationandbatchdistillation.Steamfromthebottomofthecolumnentry,andthedeclineinliquidcountercurrentcontactwiththetwoincontact,thedropinthevolatileliquid(lowboilingpoint)componentsiscontinuouslytransferredtothesteam.Thedifficultyofsteamvolatile(highboiling)componentcontinuedtodeclineinthetransferofliquid,steamthecloserthetopofthetower,thehighertheconcentrationofitsvolatilecomponents,whilethedeclineintheclosertowerbottomliquid,itshardtobemorevolatilecomponentsrichset,toachievecomponentseparation.Steamrisingfromthetopofthetowerintothecondenser,theliquidpartofthecondensateasrefluxliquidtoreturnintothedistillationtower,therestisremovedasdistillate.Towerbottomoutflowofliquid,someofwhichintothereboiler,thermalevaporation,thesteambacktotower,andtheotherpartoftheliquidasresiduarelease.Keywords：propylene，distillation，propylenedistillationtower，openingrate目录1绪论 11.1丙烯的性质 11.1.1丙烯的物理性质 11.1.2丙烯的化学性质 11.2概况 11.3精馏概述 11.4精馏装置流程 22设计计算 32.1毕业设计（论文）任务书 32.1.1设计(论文)的主要任务 32.1.2设计（论文）的主要内容 32.1.3设计（论文）的基本要求 32.2设计方案的确定 32.3精馏塔的物料衡算 42.3.1原料液及塔顶、塔釜丙烯的摩尔分数 42.3.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量 42.3.3物料衡算 42.4塔温的确定 42.4.1确定进料温度 42.4.2确定塔顶温度 52.4.3确定塔釜温度 52.5精馏塔板数的确定 62.5.1最小回流比的计算 62.5.2计算最少理论塔板数 72.5.3实际塔板数的计算 72.5.4进料位置的确定 82.6全塔热量衡算 82.6.1冷凝器的热量衡算 82.6.2再沸器的热量衡算 92.6.3全塔热量衡算 92.7精馏塔的塔体工艺尺寸计算 102.7.1物性参数确定 102.7.2塔径的计算 102.7.3塔高的计算 112.8塔板主要工艺尺寸的计算 122.8.1溢流装置计算 122.8.2塔板布置及浮阀数目与排列 132.9塔板流体力学验算 142.9.1气相通过浮阀塔板的压降 142.9.2淹塔 152.9.3雾沫夹带 162.10塔板负荷性能图 162.10.1雾沫夹带线 162.10.2液泛线 172.10.3液相负荷上限线 182.10.4漏液线 182.10.5液相负荷下限线 193塔附件设计 213.1接管——进料管 213.2法兰筒体与封头 213.3筒体与封头 213.3.1筒体 213.3.2封头 223.4人孔 224结论 235致谢 246参考文献 25北京化工大学北方学院本科毕业设计（论文）第25页共30页1绪论1.1丙烯的性质1.1.1丙烯的物理性质化学式C3H6，结构简式为CH3-CH=CH2，是重要的有机化工原料，丙烯是无色易燃气体，带有甜味，熔点为-185.20C，沸点为-47.401.1.2丙烯的化学性质丙烯的化学性质活泼，双键上可以发生加成、聚合、氧化反应。它是生产丙二醇、聚酯纤维的原料。丙烯在酸性催化剂存在下聚合，生成二聚体、三聚体和四聚体的混合物，可用做高辛烷酯燃料；丙烯与苯发生傅氏反应，生成异丙苯，它是合成苯酚和丙酮的原料。除了在双键发生反应之外，与双键相连的甲基上的氢具有一定的活性，在甲基上可以发生卤代和多种氧化反应。与氯在高温下发生-氢取代反应，生成3-氯-1-丙烯，这是制取甘油、树脂的原料。1.2概况丙烯，是三大合成材料的基本原料,在化工生产中扮演着重要的角色。主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等。丙烯的生产技术方法有很多种,常用的有从裂解气、炼厂气中分离技术、醇脱水技术以及卤代烷脱卤代氢技术。其中又以卤代烷脱卤代氢技术最为常用，卤代烷脱卤代氢比烃类蒸汽裂解技术能产生更多的丙烯。但当使用丙烷脱氢制备丙烯技术制备丙烯时，总收率只有74%～86%,丙烷不能全部转化为丙烯，反应产物会是丙烷与丙烯的混合物。因此，研究丙烯与丙烷的分离技术至关重要。1.3精馏概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。蒸馏过程按操作方式可分为间歇精馏和连续精馏。间歇精馏是一种不稳态操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏也是一种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。简单蒸馏和平衡蒸馏一般用于较易分离的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏，用普通精馏不能分离体系则可采用特殊精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分，改变被分离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的。特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般说来，当总压强增大时，平衡时气相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压下为气态的混合物，可采用加压精馏；沸点高又是热敏性的混合液，可采用减压精馏。1.4精馏装置流程精馏就是通过多级蒸馏，使混合气液两相混合接触和分离，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。流程如下：将原料（丙烯和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝液一部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和部分分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。2设计计算2.1毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：年处理量为2万吨丙烯—丙烷分离过程精馏塔设计2.1.1设计(论文)的主要任务(1)设计要求年处理量：20000t，每年按300天计算，每天24小时连续运转。原料组成：60%的丙烯和40%的丙烷（质量分数，下同）产品组成：塔顶丙烯含量不得低于98%，釜液丙烯含量不得大于2%总塔板效率为0.6(2)操作条件塔顶压强1.72MPa（表压）；进料热状况，自选；回流比，自选；塔釜加热蒸汽压力506kPa；单板压降不大于0.7kPa；塔板形式为浮阀。2.1.2设计（论文）的主要内容（1）精馏塔的物料衡算及塔板数的确定（2）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（3）精馏塔的塔体及塔板工艺尺寸计算（4）塔板的流体流体力学验算（5）塔板的负荷性能图的绘制（6）精馏塔接管尺寸计算（7）绘制带控制点的生产工艺流程图（A2图纸）（8）绘制主体设备图（A2图纸）2.1.3设计（论文）的基本要求（1）熟练查阅与课题有关资料（2）能在老师的指导下，综合运用所学知识和自学知识确立设计方案（3）能按时完成设计任务（4）能独立撰写设计任务书，要求语言流畅、逻辑性强、观点正确，能独立绘制设计图纸。2.2设计方案的确定本设计任务为分离丙烯和丙烷混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续操作方式的浮阀式精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内，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入储罐。该物系属易分离物系，操作回流比取最小回流比的1.6倍，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品冷却后送至储罐。2.3精馏塔的物料衡算2.3.1原料液及塔顶、塔釜丙烯的摩尔分数丙烯的摩尔质量MA=42.08kg/kmol，丙烷的摩尔质量MB=44.10kg/kmol原料液丙烯的摩尔分数：塔顶丙烯的摩尔分数：塔釜丙烯的摩尔分数：2.3.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量 原料液产品的平均摩尔质量：塔顶产品的平均摩尔质量：塔釜产品的平均摩尔质量：2.3.3物料衡算原料处理量：总物料衡算：丙烯物料衡算：联立解得2.4塔温的确定2.4.1确定进料温度操作压力为（绝对压力）假设：泡点进料，温度为450C，依查参考资料1，图1-44得到平衡常数值。因为所以确定进料温度为450C，进料组成的值见表2.12.4.2假设：塔顶露点温度为440C,同理查参考资料1，图1-44得因为所以确定塔顶温度为440C，塔顶物料组成的值见表2.22.4.3确定塔釜温度假设：塔釜温度为500C，查参考资料1，图1-35得因为误差超过2%，说明假设的温度过高。再假设：塔釜温度为490C，查参考资料1，图1-35得因为所以确定塔釜温度为490C，计算过程数据见表2.3、表2.表2.1进料组成的值进料0.6111.080.659880.3890.90.35010共计1.0001.911.00998表2.2塔顶物料组成的值塔顶物料0.9810.9840.99690.0190.980.01938共计1.00001.8741.01628表2.3塔釜温度计算过程数据（一）塔釜物料0.0211.150.024150.9791.051.02795共计1.00002.201.0521表2.4塔釜温度计算过程数据（二）塔釜物料0.0211.120.023520.9791.000.9790共计1.00002.121.002522.5精馏塔板数的确定2.5.1最小回流比的计算eq\o\ac(○,1)求相对挥发度差参考资料2,66页式（7-18）代入数据，得：丙烯丙烷所以其相对挥发度为相对挥发度见表2.5表2.5相对挥发度组分丙烯0.9841.121.04981.0605丙烷0.981.000.9899eq\o\ac(○,2)求最小回流比及操作回流比查参考资料2,87页式（7-40）因为是泡点进料进料丙烯-丙烷的现对挥发度：塔顶丙烯-丙烷的相对挥发度：塔釜丙烯-丙烷的相对挥发度：所以平均相对挥发度为：得相平衡方程式最小回流比取操作回流比2.5.2计算最少理论塔板数全回流时所需的最少理论塔板数（不包括再沸器）：2.5.3实际塔板数的计算由公式，得回流比下所需理论板数：实际塔板数：2.5.4进料位置的确定求精馏段理论板数：由公式，得：故进料位置为塔顶数起的第40层板处。2.6全塔热量衡算2.6.1冷凝器的热量衡算按参考资料2,31页式（6-27）式中——冷凝器的热负荷，——每千克塔顶蒸汽的焓，；——每千克塔顶液产品的焓，；——每千克气相纯组分的焓，；——每千克液相纯组分的焓，；——混合热。查参考资料3,158页图10-4，图10-5，得：丙烯丙烷式中——每千克由冷凝器上升蒸汽的焓，；——每千克冷凝液的焓，。2.6.2再沸器的热量衡算依据参考资料2,32页式（6-30），再沸器热损失忽略不计，得：式中——再沸器的热负荷，；——提馏段上升蒸汽的量，；——提馏段下降液体的量，；——每千克由再沸器上升的蒸汽焓，；——每千克釜液的焓，；——每千克在提馏段底层塔板上的液体焓，查参考资料3,158页图10-4，图10-5，图10-6得：丙烯丙烷2.6.3全塔热量衡算依据参考资料2,33页式（6-32）得:式中——热量损失，；——每千克进料的焓，。丙烯丙烷左边=

右边=所以，左边=右边。2.7精馏塔的塔体工艺尺寸计算2.7.1物性参数确定表2.6物性参数塔顶压力/KPa温度/0气相密度/kg/m3液相密度/kg/m3液相表面张力/mN/m1820442.604704.76塔底压力温度气相密度液相密度液相表面张力1985493.504473.602.7.2塔径的计算气相质量流量：液相质量流量：转换成体积流量：气相体积流量：液相体积流量：两相流动参数：初选塔板间距，查参考资料4，237页筛板塔泛点关联图，得：，所以，气体负荷因子：液泛气速：取泛点率0.7则操作气速：气体流道截面积：选取单流型弓形降液管塔板，查参考资料4，164页，取，则截面积：塔径：园整后，取符合参考资料5,237页表(10.2.6)及231页表(10.2.2)的要求。塔板实际结构参数校正：实际面积：降液管截面积：气体流道截面积：实际操作气速：实际泛点率：（要求在0.6至0.8之间）降液管流速：2.7.3塔高的计算实际塔板数为，理论塔板数（包括再沸器），其中精馏段40块，提馏段47块，则（块）实际精馏段为67-1=66块；提馏段为77块，塔板间距有效高度：，进料处两板间距增大为0.8m设8个人孔，每个人孔0.8m，裙座取5m，塔顶空间高度1.5m，釜液上方气液分离高度取1.8m.设釜液停留时间为20min，排出釜液流量：密度为釜液高度：，取其为0.03m总塔高度：2.8塔板主要工艺尺寸的计算2.8.1因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液管。eq\o\ac(○,1)堰长取eq\o\ac(○,2.)溢流堰高度溢流堰高度计算公式选用平直堰，堰上液层高度依下式计算，即近似取，则取板上液层高度，故eq\o\ac(○,3)弓形降液管宽度及截面积由，查参考资料6，38页图（3-5）得,,,故依参考资料6，38页式(3-41)验算液体在降液管中停留时间,即故降液管设计合理/eq\o\ac(○,4)降液管底隙高度计算公式取,则故降液管底隙高度设计合理。2.8.2塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因数，用参考资料6,42页（3-47）求孔速，即依参考资料6,42式（3-48）求每层塔板上的浮阀数，即注：采用F1型浮阀，重阀浮阀孔的直径取边缘区宽度，破沫区宽度。依参考资料6,40页式（3-45）计算鼓泡区面积，即浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。取同一横排的孔心距则可按下式估算排间距，即考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支承与衔接也要占取一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用107mm，而应小于此值，故取。按，以等腰三角形叉排方式作图，可得个。按重新核算孔速及阀孔动能因数：阀孔动能因数变化不大，仍在9~12范围内。塔板开孔率=2.9塔板流体力学验算2.9.1气相通过浮阀塔板的压降可根据参考资料6,42页式（3-49）计算塔板压降，即eq\o\ac(○,1)干板阻力由参考资料6,43页式（3-52）先计算临界孔速，即因，则可按参考资料6,42页式（3-50）计算，即eq\o\ac(○,2)板上充气液层阻力本设计分离丙烯和丙烷的混合物，即液相为碳氢化合物，可取充气系数。依参考资料6,43页式（3-53）计算，即eq\o\ac(○,3)克服表面张力所造成的阻力因本设计采用浮阀塔，其很小，可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压降相当的液柱高度为：eq\o\ac(○,4)单板压降2.9.2淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度。可用下式计算，即与气体通过塔板的压降相当的液柱高度。液体通过降液管的压头损失，因不设进口堰，故按参考资料6,45页式（3-62）计算，即板上液层高度，取因此取，，则可见，符合防止淹塔的要求2.9.3雾沫夹带按参考资料6,44页式（3-58）及式（3-59）计算泛点率：板上液体流径长度：板上液流面积：丙烯和丙烷可按正常系统按参考资料6,44页表（3-3）取物性系数，又由参考资料6,44页图（3-10）查得泛点负荷系数，将以上数据代入参考资料6,44页式(3-58)，得：又按参考资料6,44页式（3-59）计算泛点率，得：计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足液汽的要求。2.10塔板负荷性能图2.10.1雾沫夹带线按参考资料6,44页式（3-58）做出，即对于一定的物系及一定的塔板结构，式中、、、、及均为已知值，相对于的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出的关系式，据此做出雾沫夹带线。按泛点率=计算如下：整理得：（1）或雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，依式（1）算出相应的值列于表2.7中。表2.7雾沫夹带线数据0.0010.0022.442.422.10.2液泛线由确定液泛线。忽略式中项，将参考资料6式（3-62）、式（3-42）、式（3-50）、（3-51）及代入上式，得到：物系一定，塔板结构尺寸一定，则、、、、、、及等均为定值，而与又有如下关系，即：式中阀孔数与孔径亦为定值。因此，可将上式简化，得：（2）在操作范围内任取若干个值，依式（2）算出相应的值列于表2.8中。表2.8液泛线数据0.00050.0010.00150.0020.420.410.400.392.10.3液相负荷上限线液相的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3~5s。依参考资料6,38页式（3-41）知液体在降液管停留时间求出上限液体流量值（常数），在图上，液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。以作为液体在降液管中停留时间的下限，则（3）2.10.4漏液线对于F1型重阀，依计算，则又知，即式中、、均为已知数，故可由此式求出气相负荷的下限值，据此作出与液相流量无关的水平漏液线。以作出规定气体最小负荷的标准，则（4）2.10.5液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依下列的计算式计算出下限值，依次作出液相负荷下限线，改线为与气相流量无关的竖直直线。取，则（5）很据本设计附表1、附表2及式（3）~（5）可分别作出塔板负荷性能图上的5条线，见附图。图2.1塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：eq\o\ac(○,1)在任务规定的气液负荷下的操作点A（设计点），处在适宜操作区内的适中位置。eq\o\ac(○,2)塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制。eq\o\ac(○,3)按照固定的液气比，由图2.1查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限。所以操作弹性将计算结果汇总列于表2.9中。表2.9浮阀塔板工艺设计结果项目数值及说明备注塔径1.7板间距0.45塔板形式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速0.135堰长1.19堰高0.0608板上液层高度0.05降液管底隙高度0.0434浮阀数/个70等腰三角形叉排阀孔气速5.918阀孔动能因数9.54临界阀孔气速6.222孔心距0.075指同一横排的孔心距排间距0.107指相邻两横排的中心线距离单板压降382.69液体在降液管内停留时间6.81降液管内清液层高度0.0095泛点率10.5气相负荷上限2.30雾沫夹带控制气相负荷下限0.78操作弹性2.953塔附件设计3.1接管——进料管本设计采用直管进料管，管径的计算如下：式中——流体体积流量，；——流体流速，；——管子直径，。取，得取的进料管。3.2法兰筒体与封头由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，有不同的公称选用相应法兰。根据进料管选取进料管接管法兰：，。3.3筒体与封头3.3.1筒体用钢板卷制而成的筒体，其公称直径的值等于内径。当筒体直径较小时可直接采用无缝钢管制作，此时公称直径的值等于钢管外径。根据所设计的塔径，先按内压容器设计厚度，厚度计算公式如下：式中——计算压力，MPa，根据设计压力确定;——塔径；——焊接接头系数，对筒体指纵向焊接系数；——设计温度下材料的许用应力，MPa，与钢板的厚度有关。由上式计算出的计算厚度加上腐蚀裕量得到设计厚度。3.3.2封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得曲面高度，直边高度。选用封头。3.4人孔人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道。一般每隔8~10块塔板1个人孔，本设计的精馏塔共设1