《化工原理》課程設計廢丙酮溶媒回收過程填料精餾塔設計

1、化工原理課程設計設計題目：廢丙酮溶媒回收過程填料精餾塔設計學 院： 班 級： 指導教師： 學生姓名： 成 績：化工原理課程設計任務書一、設計題目廢丙酮溶媒回收過程填料精餾塔設計本設計項目是根據(jù)生產(chǎn)實際情況提出的二、設計任務及條件1、原料液組成組分組成（質(zhì)量%）丙酮75水252、分離要求產(chǎn)品中水分含量0.2%（質(zhì)量%）殘液中丙酮含量0.5%（質(zhì)量%）3、處理能力廢丙酮溶媒處理量_11_噸/天（每天按24小時計）4、設計條件操作方式：連續(xù)精餾操作壓力：常壓進料狀態(tài)：飽和液體進料回流比：根據(jù)設計經(jīng)驗自行確定塔填料：金屬環(huán)聚鞍填料，填料規(guī)格自選塔頂冷凝器：全凝器三、設計計算內(nèi)容1、物料衡算2、填料精餾

2、塔計算操作條件的確定 塔徑的確定 填料層高度的確定填料層壓降的計算 液體分布器設計計算 接管管徑的計算3、冷凝器和再沸器的計算與選型4、填料精餾塔設計圖5、廢丙酮溶媒回收過程工藝流程圖目 錄第1章前言5 1.1課題的來源及背景.5 1.2 課題的意義.5 1.3精餾塔的選擇依據(jù).5 1.3.1選擇填料塔的依據(jù).5 1.3.2選擇金屬環(huán)矩鞍填料的依據(jù).6第2章工藝設計要求.72.1進料要求.72.2分離要求.72.3塔頂冷凝設計要求.72.4塔釜再沸器設計要求.72.5接管管徑設計要求.72.6液體分布器設計要求.7第3章工藝過程設計計算83.1物料恒算.8 3.1.1原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的摩

3、爾分率.8 3.1.2原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量.8 3.1.3物料恒算.8 3.1.4原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量流率.8 3.1.5物料恒算表.83.2操作條件.93.2.1操作壓力.93.2.2操作溫度.93.3塔徑計算103.3.1計算最小回流比及理論板數(shù).10 3.3.2計算精餾段和提餾段的物性參數(shù).11 3.3.3采用?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖計算泛點氣速及塔徑.123.3.4圓整塔徑后驗算.143.4塔高計算143.4.1填料層高度.14 3.4.2填料層高度校核.15 3.5壓降計算15 3.5.1精餾段填料層壓降.15 3.5.2提餾段填料層壓降.15 3.5.3填料層高度和

4、壓降匯總.153.6液體分布器計算16 3.6.1液體分布器的選型.16 3.6.2分布點密度計算.16 3.6.3孔流速計算.16 3.6.4布液計算.16 3.6.5布液器設計.163.7接管管徑計算16 3.7.1進料管管徑的計算.163.7.2 進氣管管徑的計算.173.7.3出氣管管徑的計算.173.7.4 回流管管徑的計算.173.7.5 出液管管徑的計算.173.7.6接管管徑計算結(jié)果.173.8冷凝器與再沸器計算與選型183.81冷凝器18 3.8.2再沸器.183.9設計結(jié)果匯總18第4章問題討論.20第5章參考文獻.21第6章附錄.22第1章 前 言1.1課題的來源及背景廢

5、丙酮溶媒來自于抗生素類藥物“鹽酸四環(huán)素”的生產(chǎn)過程。原料發(fā)酵四環(huán)素堿溶解、洗滌丁醇結(jié)晶、過濾晶體溶解洗滌丙酮結(jié)晶過濾母液廢丁醇溶媒晶體鹽酸四環(huán)素母液廢丙酮溶媒1.2 課題的意義廢丙酮溶媒丙酮 75水25丙酮溶媒丙酮 99.8水0.2精制降低生產(chǎn)成本經(jīng)濟效益減少環(huán)境污染社會效益1.3精餾塔的選擇依據(jù) 1.3.1選擇填料塔的依據(jù)塔設備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為兩類：板式塔和填料塔。板式塔為逐板接觸式汽液傳質(zhì)設備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、壓降低，操作彈性大，持液量小等優(yōu)點。同時也有投資費用較高，填料易堵塞等缺點。本設計目的是分離丙酮-水混合液，采用篩板式精餾塔。 1.3.2選擇金屬環(huán)矩鞍填料的依據(jù)

6、塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，填料塔的選擇是填料塔設計的重要環(huán)節(jié)。 填料類型有很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料根據(jù)特點不同，又可分為拉西環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、階梯環(huán)填料及弧鞍填料、矩鞍填料、環(huán)矩鞍填料等。這次設計使用的是金屬環(huán)矩鞍填料。第2 章 工藝設計要求2.1 進料要求進料采用飽和液體進料，廢丙酮溶媒的處理量為每天_11_噸（每天按24小時計）。其中原料液的組成為：組分組成（質(zhì)量%）丙酮75水252.2 分離要求產(chǎn)品中水分含量0.2%（質(zhì)量%）殘液中丙酮含量0.5%（質(zhì)量%）2.3 塔頂冷凝器設計要求冷

7、凝器采用冷卻水作為冷流體，冷卻水進口溫度25，冷卻水溫升810，總傳熱系數(shù)600w/( m2)2 .4 塔釜再沸器設計要求再沸器采用0.3 mpa的飽和水蒸氣為加熱介質(zhì)來使塔釜釜液汽化，同時蒸汽冷凝放出汽化熱，總傳熱系數(shù)400w/( m2)，熱損失為20%30%2.5 接管管徑設計要求要求氣速流量控制在1015 m/s，液體流量控制在0.51.0 m/s，計算完管徑后要圓整為標準管。2.6 液體分布器設計要求管式液體分布器 液位高度取分布點密度取220260 點/m2塔截面小孔孔徑取3mm第3章 工藝過程設計計算3.1物料恒算3.1.1原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的摩爾分率丙酮的摩爾分率：0.993

8、60.00160.48233.1.2原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 精餾段：md57.82 g/mol進料：mf37.33 g/mol提餾段：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原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量流率 kg/h kg/h kg/h3.1.5物料衡算表見表3.9.13.2操作條件3.2.1操作壓力操作壓力選為常壓3.2.2操作溫度 a. 塔頂溫度的計算：假設t=330.34k，根據(jù)安托尼方程：其中安托尼常數(shù)：丙酮 a=16.

9、6513 b=2940.46 c=35.93水 a=18.3036 b=3816.44 c=46.13可得：=6.6613則： mmhg由于 則： 其中y丙酮=xd=0.9936同理，則 假設不成立。假設t=330.33k，方法同上可得， 則 假設成立所以，塔頂溫度td=57.33 0cb.進料溫度的計算假設t=360.928k，=7.6037則： mmhg由于 則： 其中y丙酮=xd=0.9936同理，則 假設不成立。假設t=360.926k，方法同上可得， 則 假設成立所以，進料溫度tf=87.926 0cc塔釜溫度的計算假設t=329.2k，=6.6248則： mmhg由于 則： 其中y

10、丙酮=xd=0.9936同理，則 假設不成立。假設t=373.123k，方法同上可得， 則 假設成立所以，塔釜溫度tw=100.123 0c3.3塔徑計算3.3.1計算最小回流比及理論板數(shù)常壓下丙酮-水氣液平衡數(shù)據(jù)丙酮摩爾分數(shù)液相x丙酮摩爾分數(shù)氣相y丙酮摩爾分數(shù)液相x丙酮摩爾分數(shù)氣相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 0.8

11、215 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 由上表數(shù)據(jù)繪制的常

12、壓下丙酮-水氣液平衡曲線，見附圖1在y=x上取點(xd,xd)即點(0.9936,0.9936)，過該點作丙酮-水氣液平衡曲線的切線，得到切點坐標為(0.9483,0.9600)，即xq=0.9483，yq=0.9600最小回流比經(jīng)小組商量，取最小回流比=2.88 操作回流比精餾段操作曲線：q線：進料方式為飽和液體進料，所以q=1，則作過(xf,xf) 即(0.4821,0.4821)的豎直線可得到q線提餾段操作曲線：其中 則提餾段操作曲線的方程為： 見附圖1由作圖法得：理論塔板數(shù):23精餾20提餾：3第21塊為加料板，第24塊為再沸器3.3.2計算精餾段和提餾段的物性參數(shù)丙酮和水在塔頂和塔底

13、條件下的密度表（kg/m3)狀態(tài)tf=72.750ctd=57.220ctw=99.980c水氣相g0.22140.11540.5956液相l(xiāng)976.17984.57958.47丙酮液相l(xiāng)729.1748.1695.4丙酮和水在塔頂和塔底條件下的黏度數(shù)據(jù)表(mpa.s)tf=72.750ctd=57.220ctw=99.980c水0.39130.48910.2841丙酮0.23670.21060.1757塔頂?shù)奈镄詤?shù)：溫度：57.33 0c氣相流量： kmol/h液相流量： kmol/h氣相組成： 液相組成： 氣相質(zhì)量分率：液相質(zhì)量分率：氣相平均摩爾質(zhì)量： g/mol液相平均摩爾質(zhì)量： g/

14、mol氣相密度： kg/m3液相密度： 則 kg/m3液相粘度： mpa.s進料、塔底的物性參數(shù)計算方法同塔頂相似。精餾段的物性參數(shù)取塔頂和進料的物性參數(shù)的算術平均即得。提餾段的物性參數(shù)取塔釜和進料的物性參數(shù)的算術平均即得。計算結(jié)果見表3.9.33.3.3采用?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖計算泛點氣速及塔徑對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為精餾段： kg/s kg/s?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖中的橫坐標由圖中讀出，縱坐標值約為0.19則將g=9.81 m/s2 =150 m-1 =1.178代入縱坐標中計算，可得 m/s取 m/s提餾段： kg/s kg/s?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖中的橫坐標由圖中讀出，縱坐標值約為0.21則將

15、g=9.81 m/s2 =150 m-1 =1.0393代入縱坐標中計算，可得 m/s取 m/s3.3.4圓整塔徑后驗算精餾段： 提餾段：圓整塔徑，取 mm圓整后驗算： 1.泛點率 精餾段：提餾段：精餾段和提餾段的泛點率均在0.50.8 2. d / d 核算 d=0.4 m d=0.0383液體噴淋密度校核最小噴淋密度其中最小潤濕速率 m3/(mh) m2/m33.4塔高計算3.4.1填料層高度等板高度給定為0.431精餾段： m m提餾段： m m3.4.2填料層高度校核精餾段：8d=80.4=3.2 m 13 m需要分段，133.2=4.06255精餾段分為5段，提餾段不需要分段。3.5

16、壓降計算 壓降計算用?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖，不同的是先計算出橫坐標和縱坐標，查，算提餾段、精餾段填料層壓降提餾段、精餾段分別算，最后由算總壓降。3.5.1精餾段填料層壓降橫坐標：將u=1.471 m/s m-1代入縱坐標：由?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖可得： pa/m pa3.5.2提餾段填料層壓降橫坐標：將u=1.651 m/s m-1代入縱坐標：由?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖可得： pa/m pa3.5.3填料層高度和壓降匯總 pa3.6液體分布器計算3.6.1液體分布器的選型 管式，排管式3.6.2分布點密度計算 分布點密度在（220260 點/m2塔截面）范圍內(nèi)選取，計算分布器布液點數(shù)。分布點密度取230 點/m2

17、塔截面布液點數(shù)為 按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結(jié)果為：主管直徑，支管直徑，采用5根支管，支管中心距為95mm,實際分布點數(shù)n=31，3.6.3孔流速計算 注意取值范圍： 取 則：3.6.4布液計算取，計算，換算成質(zhì)量流量w，與最小布液量對照，大于最小布液量即可。 kg/s3.6.5布液器設計分布器的示意圖。3.7接管管徑計算3.7.1進料管管徑的計算取液體流速為0.8 m/s m圓整后直徑取20 mm3.7.2 進氣管管徑的計算取氣體流速為12 m/s m圓整后直徑取125mm3.7.3出氣管管徑的計算取氣體流速為12 m/s m圓整后直徑取125 mm3.7.4 回流

18、管管徑的計算取液體流速為0.8 m/s m圓整后直徑取32 mm3.7.5 出液管管徑的計算取液體流速為0.8 m/s m圓整后直徑取20 mm3.7.6接管管徑計算結(jié)果見表3.9.33.8冷凝器與再沸器計算與選型3.81冷凝器= kj/sm查表選s=22 m2總傳熱系數(shù)的核算 冷凝器的選型：g400-16-22冷凝水用量計算：kg/s3.8.2再沸器kj/s 再沸器的選型:查表得s=8 m2選型為gch400-16-8總傳熱系數(shù)的核算： 蒸汽用量計算:3.9設計結(jié)果匯總表3.9.1物料衡算表流股流量質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)kg/hkmol/h丙酮水丙酮水f458.3312.290.750.250.4

19、8210.5179d343.285.9370.9980.0020.99360.0064w114.866.3530.0050.9950.00160.9984表3.9.2接管管徑計算結(jié)果摩爾流量(kmol/h)平均摩爾質(zhì)量(g/mol)密度(kg/m3)v(m3/h)u(m/s)d(m)圓整后(mm)進料管34.5221.12911.5770.00022220.80.018820出氣管28.1757.823.120.14512.00.124125進氣管28.1718.121.1260.125912.00.1156125回流管22.2357.70748.6390.0004760.80.02832出液

20、管34.5218.46946.0740.00018700.80.017320表3.9.3塔頂、進料、塔底、精餾段、提餾段的物性參數(shù)塔頂進料塔底精餾段提餾段溫度57.3387.926100.12372.62894.0245氣相流量28.1728.1728,1728,1728,17液相流量22.2334.5234.5228.37534.52氣相組成0.99360.66850.00240.83110.3355液相組成0.99040.07600.01100.53320.0435氣相質(zhì)量分率0.99800.86670.00770.94070.6193液相質(zhì)量分率0.99700.20960.03460.7

21、8640.1278氣相平均摩爾質(zhì)量57.8244.8018.1251.3131.46液相平均摩爾質(zhì)量57.7021.1218.4639.4119.79氣相密度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章問題討論塔型的選擇因素很多。主要有物料性質(zhì)、操作條件、塔設備的制造安裝和維修等。1、 與物性有關的因素（1） 本設計任務為分離丙酮-水混合物，對于二元混合物的分離，應該使用連續(xù)精餾。（2） 易起泡的物系在板式塔中有較嚴重的霧沫夾帶現(xiàn)象或引起液泛，應選填料塔。本設計為丙酮和水，可選用板式塔。（3） 對于有懸浮物或容易聚合物