廢丙酮溶媒回收課題設(shè)計(jì)

1、正文部分:第一部分：前言本次課程設(shè)計(jì)的題目為“廢丙酮溶媒回收過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì)”。廢丙酮溶媒來(lái)自于抗生素類(lèi)藥物“鹽酸四環(huán)素”的生產(chǎn)過(guò)程，在二次操作中用丙酮來(lái)溶解和洗滌粗晶體，再通過(guò)結(jié)晶和過(guò)濾得到產(chǎn)品鹽酸四環(huán)素晶體和廢丙酮溶媒。在廢溶媒中丙酮含量頗高， 故可以通過(guò)精餾操作來(lái)回收丙酮以重復(fù)利用，這樣做既可以降低生產(chǎn)成本，又可以減少環(huán)境污染，不但具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以獲得可觀(guān)的環(huán)境效益和社會(huì)效益，可謂一舉多得。鹽酸四環(huán)素生產(chǎn)過(guò)程如下圖所示。原料發(fā)酵四環(huán)素堿丙酮結(jié)晶過(guò)濾溶解洗滌鹽酸丁醇晶體溶解、洗滌結(jié)晶.過(guò)濾母液廢丙酮溶媒晶體鹽酸四環(huán)素母液廢丁醇溶媒第二部分：工藝設(shè)計(jì)要求25% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同

2、），分離要求為產(chǎn)品中水分含量0.5%，廢丙酮溶酶的處理量為16噸/每天（一天按原料液組成為丙酮為 75%，水為不高于0.2%，釜?dú)堃褐斜坎桓哂?4小時(shí)計(jì)算），設(shè)計(jì)條件為常壓下連續(xù)精餾，進(jìn)料狀態(tài)為飽和液體進(jìn)料，回流比自定，填料 塔填料為金屬環(huán)矩鞍，規(guī)格自選，計(jì)算所需物性數(shù)據(jù)可通過(guò)化工設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢(xún)。第三部分：工藝設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程1物料衡算由廢丙酮溶酶的處理量為16噸/每天可得，進(jìn)料流股 FXi成為丙酮為 75% ，0.75/58.080.75/58.08 0.25/180.25/18水為 25%0.4818X20.75/58.08 0.25/180.5182 ，Mfx-|M 1x2M 20.48

3、1858.08 0.51821837.3116666.7kg/h，由原料液中丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)摩爾質(zhì)量g / mol，則有進(jìn)料流股的摩爾流量為F 666737.31由總衡算式可得17.86kmol / h。F D W，由丙酮衡算式可得0.75F0.998D0.005W，代入數(shù)值可得：D 500.19kg/h , W 166.51kg/ h ,同理亦可求得塔頂流股和塔底流股中丙酮和水各自的摩爾分?jǐn)?shù)以及平均摩爾質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)下表：物料衡算結(jié)果一覽表流 股流量質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)平均摩爾質(zhì)量g/molKg/hKmol/h丙酮水丙酮水F666.717.860.750.250.48180.518237.31D50

4、0.198.650.9980.0020.99350.006557.82W166.519.210.0050.9950.001550.9984518.062填料塔設(shè)計(jì)計(jì)算2.1操作條件確定（操作溫度計(jì)算）由設(shè)計(jì)要求可知，該精餾塔為常壓操作，操作壓力為101.325Kpa，即760mm Hg柱，所以求出操作溫度即可，而操作溫度包括進(jìn)料溫度tF ,塔頂溫度tD，以及塔釜溫度tW，可用試差法計(jì)算。計(jì)算過(guò)程如下:進(jìn)料溫度tF :假設(shè)初值為t=72.5 OC ，由安東尼方程可得：oP1exp AoP2exp At 273.15 CBexp16.65132940.46k1oP1t 273.151283.537

5、60y1k1 人1.689 0.48181 y1Cexp18.30361.689,k20.8137 ,y272.5 273.15 35.93】3816.4472.5 273.15 46.13】oP2k2x2y20.00884 0.0005，故不符合誤差精度,1283.53mmHg260.28mmHg，型空0.3427600.342 0.5182需重新計(jì)算，設(shè)0.1775 ，貝U 有t=72.77C ,同理可得 y1 =0.8204 , y2 =0.1795，可得1y1y20.0001 0.0005，故進(jìn)料溫度為 72.77oC。塔頂溫度tD :假設(shè)初值為t=57.0 oC ,由安東尼oP1ex

6、p AoP2exp At 273.15 C42940.46exp16.651357.0 273.15 35.933816.44exP18303657.0 273.15 46.13778.38mmHg129.85mmHg ,k1遊81.024760o,k2 R 空型 0.171P 760Xi里 099350.9700k11.024y20.0065X2 瓦 0.1710.03801 x1x20.0080.0005，不符合要求，故需重新計(jì)算，設(shè)t=57.23OC，同理可得 x1 =0.9625,x2 =0.0376，可得1 x-ix20.0001，符合精度要求,故塔頂溫度為o-57.23 C。塔底溫

7、度tw :假設(shè)初值為100C ，由安東尼方程可得：oP1exp AoP2expAt 273.15 C exP16513B2940.46100.0 273.15 35.933816.442783.85mmHgk1oP1t 273.15 C exp18.3036 100.0 273.15 46.1759.94mmHg2 3.663，k2760oP2759.947600.9999y1 k1x13.663 0.001550.0057 , y2 k2x20.99990.998450.9984 ,則有設(shè) t=99.88 oC，同理可得1 y1 y 0.0040.0005，不符合要求，需重新計(jì)算,y1 =0

8、.00566， y2 =0.9941，可得 1 y1 y 0.00023，符合精度要求，故塔底溫度為99.88 oC。綜上，有精餾塔操作條件如下表所示:操作壓力101.325Kpa操作溫度tF72.77 oCtD57.23 oCtW99.88 oC2.2塔徑計(jì)算2.2.1最小回流比及操作回流比確定由丙酮一水汽液平衡數(shù)據(jù)可得體系的汽液平衡曲線(xiàn)（見(jiàn)下圖），可知該曲線(xiàn)非正常曲線(xiàn),故可通過(guò)作圖法做切線(xiàn)由切線(xiàn)斜率求得最小回流比Rmin，進(jìn)而求得R 1.3Rmin 。具體作圖步驟為：首先由汽液平衡數(shù)據(jù)描點(diǎn)做圓滑曲線(xiàn)并作對(duì)角線(xiàn)，然后做直線(xiàn)x=0.9935并標(biāo)出與對(duì)角線(xiàn)交點(diǎn)A，再過(guò)A點(diǎn)做汽液平衡曲線(xiàn)的切線(xiàn)，如

9、圖所示，最后解得切線(xiàn)斜率并求出Rmin 。通過(guò)作圖法可得斜率k=0.697，則有k %0.697，解得2.3，則rnin1R 1.3Rmin2.99。2.2.2精餾塔氣液相負(fù)荷計(jì)算精餾段，有V(R 1)D(2.991) 8.6534.51kmol/h1995.57kg/ h ，提餾段，L/2.2.3精餾塔塔徑計(jì)算RD 2.99有V/8.6525.86kmol /h 1495.43kg /h，(1 q)FV 34.51kmol / h 1287.57kg /h ，17.8625.8643.72kmol / h 1631.19kg/ h，精餾塔塔徑計(jì)算的基本公式為:Diu4VsVsVMm ，而 u

10、 (0.50.85)uF，3600 V精餾段塔徑計(jì)算：Wl 1495.43kg / hwV 1995.57 kg / hUF可通過(guò)?？颂仃P(guān)聯(lián)圖查得。但是精餾段和提餾段需分別計(jì)算，然后加以圓整，若相差較 大應(yīng)采用變徑塔，相差不大可統(tǒng)一圓整至規(guī)范值。故精餾段和提餾段塔徑分別為482mm和475mm,相差不大，可圓整為500mm，即精餾塔塔徑為500mm。2.2.4對(duì)塔徑進(jìn)行校核，包括泛點(diǎn)率校核和最小液體噴淋密度校核等。2.2.4.1泛點(diǎn)率校核：精餾段：u4VsD240.2599,u1.324m/ s，故Uf1.3240.649，符合要求，0.252.0394Vs40.2722u1.386提溜段：u

11、21.386m/s，可得一0.542，合乎要求。D20.25Uf2.5592.242最小液體噴淋密度校核：V nRT 2.133kg/m3，Lxi i792.38kg/m3，則 wWv0.0389，埃2克特關(guān)聯(lián)圖可知縱坐標(biāo)為0.192，故0.20.192，其中170 (取 DN25),H2O984792.381.242g 9.81m/ s0.3214Uf2.039m/ su 0.7uf1.427m/sVM m 34.513600 V57.823600 2.1330.2599m3 / s，故 Di4 0.25991.4270.482m。提餾段塔徑計(jì)算wL/ 1631.19kg /h ，wV/ 1

12、287.57kg /hmpnRT1.314kg/m3，0.53W./V/xi i 839kg / m3，則一0.05，查圖WV/L/2得縱坐標(biāo)為0.18，故UV/L.20.18，其中g(shù)L/V/L/LX i 0.491 ，可得 uF2.559m / s ，取 uH2O9808391.168，0.6uF1.5354m/ s ，又有VM m34.51 37.313600 V3600 1.3140.2722m3/s，故 Di4Vs 4 0.2722u I 1.53540.475m 。設(shè)計(jì)要求有 Lw min 0.03，DN 25 有 a 185，故 Um.min a 5.55，精1631.190199

13、0 n，故1495.43餾段有U792.38 9.61 Umin，提餾段有U0.250.25液體噴淋密度校核合乎要求。2.243 D/d 校核:500 DN 25，故D/d20 8，符合要求。25綜上所述，可得精餾塔塔徑為500mm。2.2.5填料層高度計(jì)算2.2.5.1理論板數(shù)和進(jìn)料位置的確定理論板數(shù)和進(jìn)料位置通過(guò)簡(jiǎn)捷算法即吉利蘭圖法獲得。在該丙酮一水體系中，由前面數(shù)據(jù)可求得體系的平均相對(duì)揮發(fā)度784.45/131.27 2775.22/756.69 1294.19/263.28 4.8524，貝 U3Nminl住lg16.279 ,而 R RminR 12 992 3 0. 1729 ,查

14、吉利蘭圖可2.99 1N N0.47,N 2故可得 N 13.62。 求進(jìn)料位置，Nm.lg12.23 ,橫坐標(biāo)不變，故仍有NN2N0.47 ,求得N/5.98，故總理論板數(shù)為14,加料板為6 （自上向下）2.2.5.2填料層高度計(jì)算計(jì)算公式為Z Nt HETP , Nt為理論板數(shù)，HETP為填料的等板高度，本設(shè)計(jì)采 用DN 25金屬環(huán)矩鞍填料，其等板高度為HETP 0.412m。精餾段填料高度：Z 5 0.412 2.06m, Z/ 1.25Z 2.575m，取 Z=2.6m,提餾段填料高度：Z 9 0.412 3.71m, Z/ 1.25Z 4.635m，取 Z=4.7m，而8D 0.5

15、8 4m，故精餾段不需分段，提餾段需分為2段，每段高度為2.35m2.2.6填料層壓降計(jì)算仍然通過(guò)?？颂仃P(guān)聯(lián)圖獲得，其中DN 25有p 138。0.52精餾段：WL 亠 0.0389 , U p 0.2 0.0657，可得49 9.81Pa/mWvLgLZ0.52提餾段：L V/0.05,pV0.2L0.0429 ,可得一p 28.5 9.81Pa/mWV/LgrZ故總壓降為 pp Z1-p Z2.56kPa。ZZ2.2.7液體分布器設(shè)計(jì)計(jì)算基本計(jì)算公式為：Ls d；nu。, uo 2g H ,0.5 0.6，設(shè)計(jì)要求為：4H 120 200mm，分布點(diǎn)密度為220-260點(diǎn)/平方米塔截面。計(jì)

16、算過(guò)程為；取 H 150mm 0.15m，0.55， 可得uo.2一9.8廠(chǎng)0.15 0.55 0.9435m/ s，點(diǎn)數(shù)為 n 2400.252 47.12 48，0.85n 0.85 48 41，故可取點(diǎn)數(shù)為n 43，點(diǎn)孔分布見(jiàn)液體分布器設(shè)計(jì)圖（附錄）。液體 流量為 Ls 1495.43 1.887m3/h 5.24 10 4m3/s， 故792.385.24 10 4dO 43 0.9435，可解得 do 4.06 10 3m 0.00406m，取 do 4mm，4則有Uo 0.9697m/s，貝U H 0.158m 158mm，在允許范圍之內(nèi)，合乎要求。2.2.8接管管徑計(jì)算設(shè)計(jì)要求為

17、：氣速為10 15m/s，液速為0.5 1m/s，計(jì)算結(jié)果需圓整為標(biāo)準(zhǔn)管。進(jìn)料管：飽和液體進(jìn)料，V 0.7946m3/h 2.21 104m3/s，由V d2u ,8394取DN20,則有u 0.703m/s,符合要求。進(jìn)氣管:V1287.57979.89m3 / h0.272m3 /s,取 DN 175,則 u11.31m/s,1.314合乎要求。出氣管:V1995.57935.57m3/h0.26m3/s，取 DN150，則 u14.71m/s,2.133合乎要求?；亓鞴?V1495.431.887m3/h5.24 10 4m3/s，取 DN32，則 u0.65m/s ,792.38合乎要

18、求。出液管:V1631.191.944m3/h5.4 104m3/s ,取 DN32，則 u0.67m/s,839合乎要求。綜上，各接管均為標(biāo)準(zhǔn)管，其尺寸標(biāo)注見(jiàn)于精餾塔設(shè)計(jì)條件圖（附錄）。2.2.9冷凝器計(jì)算及選型塔頂餾出物中丙酮含量為0.998 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），故可近似為純丙酮處理，丙酮汽化熱為Qc Vrr fHg fHl 273.3 238.734.6kJ / mol 595.73kJ / kg , 則 熱負(fù)荷34.51kmol / h 34.6kJ / mol 1.194 106kJ/h，而 K 600W / (m3 C),Tm 26.93 oC，可得 S400,管程匚 20.53m2，選

19、取列管式換熱器公稱(chēng)直徑為K Tm數(shù)為4,長(zhǎng)度為3000mm，換熱面積為19.6 m2，即G400IV-16-20型號(hào)。,則冷卻水用量為此時(shí)K 為 628.36W/(m3 C)，又有Qc WcCpcTwc1.194 106kJ / h10C 4.183kJ/(m2 C)2.85 1 04kg/h684t/day。2.2.10再沸器計(jì)算及選型塔底物系可按純水計(jì)算，設(shè)計(jì)要求為：加熱蒸汽為0.3MPa 水蒸氣，3K 400W / (mC），熱損失為20-30%。熱負(fù)荷為QBL/r/43.72kmol / h 18g /mol2258kJ / kg61.777 10 kJ /h，查詢(xún)水蒸氣性質(zhì)表可知0.

20、3MPa水蒸汽溫度為133.3 C，冷凝水于飽和溫度排出，可得Tm 33.42c，故可得 S 代36.92m2，選取立式熱虹吸式再沸器為公稱(chēng)直徑800mm，管數(shù)為 205，管長(zhǎng)為1500mm，2其換熱面積為 34.2 m 即GCH800-10-35型號(hào)。此時(shí) K431.87W /(m3S TmC），又有Qb Wh，可求得理論加熱蒸汽量為61.777 10 kJ /hwh819.6kg / h2168.1 kJ/kg塔徑計(jì)算公式：Di19.67t/day，熱損失為25%，則實(shí)際加熱蒸汽用量24.6t/ day 。為；wh (1 0.25)wh 1024.5kg / h第四部分：設(shè)計(jì)計(jì)算中引用公式

21、及數(shù)據(jù)說(shuō)明1引用公式說(shuō)明b安東尼方程：In p A，其中T單位為K，丙酮和水的安東尼系數(shù)見(jiàn)下表:T C物質(zhì)ABC丙酮16.65132940.4635.93水18.30363816.4446.13K值方程：kpi:i，其中p為精餾塔的操作總壓力，為101.325Kpa，即760mmHg柱。P汽液平衡關(guān)系式:y kiXi，其中k為相平衡常數(shù)，即上述的 K值。，VsVMm ，其中Mm為平均摩爾質(zhì)量，V為氣相密度。36000.5?？颂仃P(guān)聯(lián)圖所用公式：橫坐標(biāo)為2W ，縱坐標(biāo)為UgV 0.2L L塔徑校核公式：Umin丄，要求為U Umin d24吉利蘭圖的計(jì)算公式:Nminlg1 XW R R1，圖中橫

22、坐標(biāo)為 Rm1，縱坐標(biāo)為R 1XWNgin其中N 2，八為體系的平均相對(duì)揮發(fā)度。等板高度法計(jì)算公式：Z Nt HETP，其中HETP為填料的等板高度。液體分布器計(jì)算公式:LsdOnuo, uo 、2g H，其中 H為液位高度，u為孔速。4換熱器計(jì)算公式：Qc Vr , S-Q, Qc WcCpc T ,K Tm第五部分：?jiǎn)栴}與討論1板式塔和填料塔的對(duì)比板式塔是使用量最大、 應(yīng)用范圍最廣的氣液傳質(zhì)設(shè)備，在板式塔中，氣液兩相逐級(jí)接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續(xù)相，氣相為分散相。一般而論，板式塔的空塔氣速較高， 因而生產(chǎn)能力較大， 塔板效率穩(wěn)定，操作彈性大，且造價(jià)低，檢修

23、、 清洗方便，故工業(yè)應(yīng)用較為廣泛。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相間接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔結(jié)構(gòu)較板式塔更為簡(jiǎn)單，填料以亂堆或整砌的方式放置在支撐板上面。填料上方安裝填料壓板以限制填料隨上升的氣流的運(yùn)動(dòng)。填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，在正常操作條件下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。填料分為散裝填料和整裝填料，散裝填料包括拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、金屬環(huán)矩鞍等類(lèi)型，規(guī)整填料包括格柵填料、波紋填料、脈沖填料等，本設(shè)計(jì)方案中采用金屬環(huán)矩鞍填料， 其將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集中于一體，使氣液分布更為均勻，傳質(zhì)效率得以提高。與板式塔相比，填料塔具有以下特點(diǎn)：a生產(chǎn)能力大，b分離效率高，c壓

24、力降小，d持 液量小，f操作彈性大。其不足之處有，填料造價(jià)高、對(duì)側(cè)線(xiàn)進(jìn)料和復(fù)雜精餾不太適合等。2設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中方法選取說(shuō)明以及出現(xiàn)偏差的原因2.1理論板和恒摩爾流假定的說(shuō)明所謂理論板是指離開(kāi)這種板的氣液兩相組成上互成平衡，溫度相等的理想化塔板， 其前提條件是氣液兩相充分接觸、各自組成均勻、塔板上不存在傳熱傳質(zhì)的阻力。引入恒摩爾流的假定是為了簡(jiǎn)化精餾計(jì)算，恒摩爾氣流是指在精餾塔中，從精餾段或提餾段每層塔板上升的氣相摩爾流量各自相等，同樣，恒摩爾液流是指每層塔板下降的液相， 摩爾流量分別相等。這一假定的主要條件是兩組分的摩爾汽化熱相等，同時(shí)氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略，塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。本設(shè)計(jì)方案在計(jì)算氣液 相負(fù)荷以及塔徑的確定過(guò)程中， 應(yīng)用了該假定， 不可避免的產(chǎn)生了結(jié)果的偏差。 在實(shí)際操作 中每層理論板的氣液相負(fù)荷是不同的， 本設(shè)計(jì)中根據(jù)假定分別計(jì)算了精餾段和提餾段的氣液 相負(fù)荷， 在確定塔徑時(shí)適當(dāng)采用簡(jiǎn)化算法， 即精餾段計(jì)算采用塔頂數(shù)據(jù)， 提餾段計(jì)算采用進(jìn) 料數(shù)據(jù)，最后加以圓整。2.2 回流比的確定 一般的，最小回流比的確定有兩種方法，即經(jīng)驗(yàn)公式法和作圖法，由于本設(shè)計(jì)涉及的 物系為丙酮水物系， 其汽液平衡曲線(xiàn)為非正常曲線(xiàn)， 故不能采用經(jīng)驗(yàn)公式法， 只能采用作 圖法加以確定 （方法見(jiàn)前所述） ，作圖過(guò)程中人為誤差不可避免，