丙烯—丙烷板式精馏塔设计(共28页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上大 型 作 业 报 告（2010/2011学年第二学期）课程名称 化工原理课程设计 学生学号 院（系） 专 业 班 级 时 间 学 生 指导教师:_2011年1月13日前 言化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质. 芳香族化合物是化工生产中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工业和医药工业的重要基本原料，可用来制备染料，树脂，农药，合成药物，合成橡胶，合成纤维和洗涤剂等等；甲苯不仅是有机化工合成的优良

2、溶剂，而且可以合成异氰酸酯，甲酚等化工产品，同时也可以用来制造三硝基甲苯，苯甲酸，对苯二甲酸，防腐剂，染料，泡沫塑料，合成纤维等。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯甲苯的分离。苯甲苯体系比较容易分离，待处理料液清洁。因此用筛板塔。筛板塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对筛板塔进行了大量

3、工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核。目录第一节：标题 丙烯丙烷板式精馏塔设计第二节：丙烯丙烷板式精馏塔设计任务书第三节：精馏方案简介第四节：精馏工艺流程草图及说明第五节：精馏工艺计算及主体设备设计第六节：辅助设备的计算及选型第七节：设计结果一览表第八节：对本设计的评述第九节：工艺流程简图第十节：参考文献第一节 设计题目丙烯丙烷板式精馏塔设计第二节 任务书

4、处理量：64kmol/h产品质量：进料 65%塔顶产品 98%塔底产品 2%1、工艺条件：丙烯丙烷 饱和液体进料进料丙烯含量 65% (摩尔百分数)塔顶丙烯含量 98%釜液丙烯含量 2%总板效率为0.62、操作条件：塔顶操作压力1.62MPa(表压) 加热剂及加热方法：加热剂热水加热方法间壁换热冷却剂：循环冷却水回流比系数：1.2 1.4 1.63、塔板形式：浮阀4、处理量：F=64kml/h5、安装地点：广东中山火炬开发区6、塔板设计位置：塔顶第三节 精馏方案简介(1) 精馏塔的物料衡算；(2) 塔板数的确定：(3) 精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算；(4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(

5、5) 塔板主要工艺尺寸的计算；(6) 塔板的流体力学验算：(7) 塔板负荷性能图；(8) 精馏塔接管尺寸计算；(9) 绘制生产工艺流程图；(10) 绘制精馏塔设计条件图；(11) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计方案的确定及工艺流程的说明原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至84后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却至25后送至产品槽；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。第四节：精馏工艺流程草图及说明一 、流程方案的选择1. 生产流程方案的确定：原料主要有三个组分：C2、C3、C3，生产

6、方案有两种：（见下图A，B）如任务书规定： C2 C3 C3 iC4 iC4 W% 5.00 73.20 20.80 0.52 0.48 100 图（A）为按挥发度递减顺序采出，图（B）为按挥发度递增顺序采出。在基本有机化工生产过程中，按挥发度递减的顺序依次采出馏分的流程较常见。因各组分采出之前只需一次汽化和冷凝，即可得到产品。而图（B）所示方法中，除最难挥发组分外。其它组分在采出前需经过多次汽化和冷凝才能得到产品，能量（热量和冷量）消耗大。并且，由于物料的内循环增多，使物料处理量加大，塔径也相应加大，再沸器、冷凝器的传热面积相应加大，设备投资费用大，公用工程消耗增多，故应选用图（A）所示的是

7、生产方案。2.工艺流程分离法的选择：在工艺流程方面，主要有深冷分离和常温加压分离法。脱乙烷塔，丙烯精制塔采用常温加压分离法。因为C2，C3在常压下沸点较低呈气态采用加压精馏沸点可提高，这样就无须冷冻设备，可使用一般水为冷却介质，操作比较方便工艺简单，而且就精馏过程而言,获得高压比获得低温在设备和能量消耗方面更为经济一些，但高压会使釜温增加，引起重组分的聚合，使烃的相对挥发度降低，分离难度加大。可是深冷分离法需采用制冷剂来得到低温，采用闭式热泵流程，将精馏塔和制冷循环结合起来，工艺流程复杂。综合考滤故选用常温加压分离法流程。二、 工艺特点：1、 脱乙烷塔：根据原料组成及计算:精馏段只设四块浮伐

8、塔板,塔顶采用分凝器、全回流操作2、 丙烯精制塔：混合物借精馏法进行分离时它的难易程度取决于混合物的沸点差即取决于他们的相对挥发度丙烷丙烯的沸点仅相差56所以他们的分离很困难,在实际分离中为了能够用冷却水来冷凝丙烯的蒸气经常把C3馏分加压到20大气压下操作，丙烷丙烯相对挥发度几乎接近于1在这种情况下，至少需要120块塔板才能达到分离目的。建造这样多板数的塔， 高度在45米以上是很不容易的，因而通常多以两塔串连应用，以降低塔的高度。三、操作特点：1、 压力：采用不凝气外排来调节塔内压力，在其他条件不变的情况下，不凝气排放量越大、塔压越低：不凝气排放量越小、塔压越高。正常情况下压力调节主要靠调节伐

9、自动调节。 2、塔低温度：恒压下，塔低温度是调节产品质量的主要手段，釜温是釜压和物料组成决定的，塔低温度主要靠重沸器加热汽来控制。当塔低温度低于规定值时，应加大蒸汽用量以提高釜液的汽化率塔低温度高于规定值时，操作亦反。四、改革措施：丙烯精制塔顶冷却器由四台串联改为两台并联，且每台冷却器设计时采用的材质较好，管束较多，传热效果好。五、设想： 若本装置采用DCS控制操作系统，这样可以使操作者一目了然，可以达到集中管理，分散控制的目的。能够使信息反馈及时，使装置平稳操作，提高工作效率。为了降低能耗丙烯塔可以采用空冷 。第五节：精馏工艺计算及主体设备设计精馏塔的工艺设计计算，包括塔高、塔径、塔板各部分

10、尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。1 物料衡算与操作线方程通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量；（2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量；（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。通常，原料量和产量都以kg/h或吨

11、/年来表示，但在理想板计算时均须转换为kmol/h。在设计时，汽液流量又须用m3/s来表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。2、塔物料衡算F=D+WFXf=DXD+WXw则代入数据为64=D+W 64*65%=D*98%+W*2%解得D=42.09375kmol/h，W=21.90625kmol/h塔内气、液相流量精馏段：L=RD,V=L+D提留段：L=L+F, V=V3.热量衡算再沸器热流量：qr=Vrv再沸器加热蒸汽质量流量：Gr=Qr/rR冷凝器热流量：Qc=Vrv冷凝器冷却剂的质量流量：Gc=Qc/Cv(t1-t2)塔板数的计算相对挥发度利用试差法求相对挥发度表压P=1620

12、kpa,则塔顶绝压Ptop=1.62+0.=1.kpaLnPA=15.7027-1807.53/316.1-26.15PA=12948.48mmHg=1726.373kpa同理得PB=10830.29mmHg=1443.921kpaY A=P-PB/(PA-PB)=0.982KA=PA/P=1.XA=y A/KA=0.982/1.=0.977同理得y B=0.02,KB=0.,XB=y B/KB=0.024X=y A/KA+y B/KB=1.y-1=1.-1=0.6mm满足E取1的条件取Hw=0.05m,清夜层高度Hl由选取的堰高Hw确定Hl=Hw+How=0.05+0.028=0.078m液

13、流强度Lh/lw=31.5946/1.022=30.91100降液管底隙液体流速u=Ls/lwhb=0.191m/s0.5m/s,符合要求8. 塔板流动性能的校核所得泛点率低于0.8，故不会产生过量的液沫夹带计算干板阻力由以上3个阻力之和求塔板阻力=0.109m12.塔板负荷性能图1.过量液沫夹带线2.液相下限线How=2.84*0.001E(Lh/lw)2/3=0.006取E=1,lw=1.022,Lh=3.07lw=3.14/h此为液相下限线3.严重漏液线3.液相上限线4、精馏塔主体设备设计计算4.1、再沸器精馏塔底的再沸器可分为：釜式再沸器、热虹吸式再沸器及强制循环再沸器。（1）釜式式再

14、沸器如图6-2（a）和（b）所示。（a）是卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，再进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面，部分液体则通过再沸器内的垂直挡板，作为塔底产物被引出。液体的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留810分钟，以分离液体中的气泡。为减少雾沫夹带，再沸器上方应有一分离空间，对于小设备，管束上方至少有300mm高的分离空间，对于大设备，取再沸器壳径为管束直径的1.31.6倍。（b）是夹套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，一般液面维持在容积的70%左右。夹套式再沸器，常用于传热面较小或间歇精馏中。（2）热虹吸式再沸器如图

15、6-2（c）、（D）、（e）所示。它是依靠釜内部分汽化所产生的汽、液混合物其密度小于塔底液体密度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器又称自然循环再沸器。这种型式再沸器汽化率不大于40%，否则传热不良。（3）强制循环再沸器如图6-2中（f）所示。对于高粘度液体和热敏性气体，宜用泵强制循环式再沸器，因流速大、停留时间短，便于控制和调节液体循环量。原料预热器和产品冷却器的型式不象塔顶冷凝器和塔底再沸器的制约条件那样多，可按传热原理计算。 图6-2 再沸器的型式4.2、管路尺寸的确定、管路阻力计算及泵的选择接管直径 各接管直径由流体速度及其流量，按连续性方程决定，即： （6-

16、7）式中：VS流体体积流量，m3/ s；u流体流速，m/ s；d管子直径，m。（1）塔顶蒸气出口管径DV 蒸气出口管中的允许气速UV应不产生过大的压降，其值可参照表6-1。表6-1 蒸气出口管中允许气速参照表操作压力（绝压） 常压14006000Pa6000 Pa蒸汽速度/m/s 122030505070（2）回流液管径DR冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.20.5m/s，速度太大，则冷凝器的高度也相应增加。用泵回流时，速度可取1.52.5m/s。 （3）进料管径dF料液由高位槽进塔时，料液流速取0.40.8m/s。由泵输送时，流速取为1.52.5 m/s。（4）釜液排除管径

17、dW釜液流出的速度一般取0.51.0m/s。（5）饱和水蒸气管饱和水蒸气压力在295kPa（表压）以下时，蒸气在管中流速取为2040m/s；表压在785 kPa以下时，流速取为4060m/s；表压在2950 kPa以上时，流速取为80m/s。加热蒸气鼓泡管加热蒸气鼓泡管（又叫蒸气喷出器）若精馏塔采用直接蒸气加热时，在塔釜中要装开孔的蒸气鼓泡管。使加热蒸气能均匀分布与釜液中。其结构为一环式蒸气管，管子上适当的开一些小孔。当小孔直径小时，汽泡分布的更均匀。但太小不仅增加阻力损失，而且容易堵塞。其孔直径一般为510mm，孔距为孔径的510倍。小孔总面积为鼓泡管横截面积的1.21.5倍，管内蒸气速度为

18、2025m/s。加热蒸气管距釜中液面的高度至少在0.6m以上，以保证蒸气与溶液有足够的接触时间。离心泵的选择离心泵的选择，一般可按下列的方法与步骤进行： （1）确定输送系统的流量与压头 液体的输送量一般为生产任务所规定，如果流量在一定范围内波动，选泵时应按最大流量考虑。根据输送系统管路的安排，用柏努利方程计算在最大流量下管路所需的压头。 （2）选择泵的类型与型号 首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后按已确定的流量Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。显然，选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量Qe和压头He完全相符，且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量

19、，所选泵的流量和压头可稍大一点，但在该条件下对应泵的效率应比较高，即点（Qe、He）坐标位置应靠在泵的高效率范围所对应的H-Q曲线下方。另外，泵的型号选出后，应列出该泵的各种性能参数。 （3）核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度时，可按核算泵的轴功率。第六节：辅助设备的计算及选型精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、直接蒸汽鼓管、物料输送管及泵等。前四种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。下面简要介绍。 回流冷凝器按冷凝器与塔的位置，可分为：整体式、自流式和强制循环式。（1）整体式如图6-1(a)和(b)所示。将冷凝器与精馏

20、塔作成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。 图6-1 冷凝器的型式（2）自流式如图6-1（c）所示。将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。（3）强制循环式如图6-1（D）、（e）所示。当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情况下，冷凝器采用卧式，因为卧式的冷凝液膜较薄，故对流传热系数较大，且卧式便于安装和

21、维修。 管壳式换热器的设计与选型管壳式换热器的设计与选型的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其它尺寸或选择换热器的型号。.1流体流动阻力（压强降）的计算（1）管程流动阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其阻力pi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般情况下进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为 (6-1)式中 P1、P2分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa； Ft结垢校正因数，对25mm2.5mm的管子取1.4；对19mm2mm的管子取1.5；NP管程数；Ns串联的壳程数。上式中直管压强降P1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强

22、降P2由下面的经验公式估算，即 (6-2)（2）壳程流动阻力 壳程流动阻力的计算公式很多，在此介绍埃索法计算壳程压强降P0的公式，即 (6-3)式中 P1流体横过管束的压强降，Pa；P2流体通过折流板缺口的压强降，Pa；FS壳程压强降的结垢校正因数；液体可取1.15，气体可取1.0。 (6-4)式中 F管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5，对转角三角形为0.4，正方形为0.3；f0壳程流体的摩擦系数；Nc 横过管束中心线的管子数；Nc值可由下式估算：管子按正三角形排列： (6-5)管子按正方形排列： (6-6)式中 n换热器总管数。NB折流挡板数；h折流挡板间距； u0按壳

23、程流通截面积A0计算的流速，m/s，而A0=h(D-ncd0)。2管壳式换热器的选型和设计计算步骤(1)计算并初选设备规格a确定流体在换热器中的流动途径b根据传热任务计算热负荷Q。c确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。d计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。e依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选择总传热系数K值。f由总传热速率方程Q = KStm，初步计算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸（如D、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列标准选择设备规格。（2）计算管程、壳程压强降 根据初定的

24、设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压降不符合要求，要调整流速，在确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。（3）核算总传热系数计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻Rsi和Rso，在计算总传热系数K，比较K的初设值和计算值，若K /K=1.151.25，则初选的换热器合适。否则需另设K值，重复以上计算步骤。第七节：设计结果一览表1、操作条件及物性系数操作压力： 塔顶 1.62MPa 塔底1.69 MPa操作温度： 塔顶 塔底名 称数 值塔顶气相密度28.03kg/m3塔顶液相密度471.2535kg/m3气

25、相体积流量590.379液相体积流量31.595塔顶液相表面张力4.7612、 塔板主要工艺尺寸水力学核算第八节：对本设计的评述作为本学期难得的一次大型作业报告，我个人而言，收获良多，首先是看到了自己的不足，例如一些以前学习过的内容能够得到复习，毕竟差不多一年过去了，CAD课程内容所教授的内容，许多都已经不记得了，通过这次大型课题报告，让我们重新学习和掌握CAD课程。而且由于类似这种大型作业报告，需要考虑多方面的问题，必须多方面考虑周全，所以这次作业，也让我在做事方面想得更加周全，面面俱到，这对于我们这些学生而言，是非常难得的。本人参照了指导老师给我们的指导资料，并参考了其他学长的个人设计格式

26、，查阅了较多的关于本专业的相关资料文献，花费了不少的时间勉强完成了这个设计方案，但由于个人专业知识缺乏和时间上比较仓促，所以未能完成得很好。通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。至此，对于里面一些不当的操作及数据，我总结出了以下原因：1、 物

27、料平衡的影响和制约根据精馏塔的总物料衡算可知，不能任意增减，否则进、出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。2、 塔顶回流的影响回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节、控制产品的质量。3、 进料热状况的影响当进料状况（xF和q）发生变化时，应适当改变进料位置，并及时调节回流比R。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况，保证在精馏塔的适宜位置进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。4、 塔釜温度的影响釜温是由釜压和物料组成决定的。精馏过程中，只有保持规定的釜温，才能确保产品质量。因此釜

28、温是精馏操作中重要的控制指标之一。5、操作压力的影响塔的压力是精馏塔主要的控制指标之一。在精馏操作中，常常规定了操作压力的调节范围。塔压波动过大，就会破坏全塔的气液平衡和物料平衡，使产品达不到所要求的质量。第九节：工艺流程简图第十节：参考文献塔的工艺计算,石油化工工业部石油化工规划设计院编写，1981年，石油工业出版社出版。姚玉英主编,化工原理上、下册，天津大学化工原理教研室编，1995年8版，天津科学技术出版社出版。化学工程手册第13篇，气液传质设备，化学工程手册编辑委员会编写，1984年，化学工业出版社出版。长江大学付家新主编化工原理课程设计；天津大学化工原理教研室编化工原理课程设计。专心-专注-专业