乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏设计说明书(共42页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录1 工艺设计背景乙酸乙酯和乙酸丁酯是工业上重要的溶剂。乙酸丁酯是优良的有机溶剂,广泛用于硝化纤维清漆中,在人造革、织物及塑料加工过程中用作溶剂,也用于香料工业。工业中的乙酸丁酯是由醋酸和正丁醇在催化剂存在下酯化而得,根据催化剂不同,可分为硫酸催化法、HZSM-5催化剂催化法、杂多酸催化法、固体氯化物催化法等。其中硫酸催化法工艺比较成熟,但副反应较多。本设计针对硫酸催化法生产乙酸丁酯时产生的一股物流(含乙酸乙酯30%、乙酸丁酯70%),设计常压精馏塔对此二元物系进行分离。要求塔顶馏出液中乙酸乙酯的回收率为95%,釜残液中乙酸丁酯的回收率为97%。该工艺物流的处理量
2、为7200吨/年。产品均需要冷却到40。塔釜采用外置再沸器,冷公用工程为循环水(2030),热公用工程为饱和水蒸汽,环境温度为20。已知物性图表见附录。操作条件见下表:表1 设计操作条件操作压力常压进料热状况冷液进料,进料温度为60回流比6.8塔釜加热蒸汽压力0.4MPa(表压)塔板类型筛板工作日每年300天,每天24小时连续运行本设计主要包括:筛板精馏塔工艺设计、精馏塔辅助设备设计(含列管式换热器、离心泵)填料塔工艺设计。2 工艺设计方案2.1 工艺说明从乙酸乙酯乙酸丁酯的核心生产装置精馏装置着手,进行分析。工艺如图所示。原料经离心泵送入换热器,经釜液余热预热后进入精馏塔,精馏塔釜设置再沸器
3、,最后乙酸乙酯从塔顶蒸出,经塔顶换热器冷凝后,冷凝液部分泡点回流,另一部分进入换热器,进一步冷却为乙酸乙酯产品采出。塔釜得到的釜液,首先进入预热换热器,将原料液预热到指定温度(60),然后进入二级换热器冷却为乙酸丁酯产品。专心-专注-专业2.2 工艺流程图Stream NameS1S4S6S7S9S11S12Description原料液预热后料液馏出液釜液馏出液产品换热后釜液釜液产品PhaseLiquidLiquidLiquidLiquidLiquidLiquidLiquidTotal Stream PropertiesRateKG-MOL/HR9.4319.4313.4565.9743.45
4、65.9745.974KG/HR1000.0001000.000306.000694.000306.000694.000694.000TemperatureC20.00060.00078.633123.76740.00076.02940.000PressureATM1.0001.2001.0001.1001.0001.1001.100Molecular Weight106.034106.03488.529116.16188.529116.161116.161Acentric Factor0.40160.40160.36600.42220.36600.42220.4222Watson K (UO
5、PK)9.9169.9169.46910.1139.46910.11310.113Standard Liquid DensityKG/LIT0.8910.8910.9050.8850.9050.8850.885Liquid Phase PropertiesRateKG-MOL/HR9.4319.4313.4565.9743.4565.9745.974KG/HR1000.0001000.000306.000694.000306.000694.000694.000M3/HR1.1281.1840.3690.9070.3490.8410.806Std. Liquid RateM3/HR1.1221.
6、1220.3380.7840.3380.7840.784Molecular Weight106.034106.03488.529116.16188.529116.161116.1613 工艺计算3.1物料衡算原料组成: 乙酸乙酯:30% 乙酸丁酯:70%流量: F=7200吨/年塔顶流出液: 回收率:%塔釜流出液: 回收率:%乙酸乙酯(以下用A代表):摩尔质量MA=88.11kg/kmol摩尔百分数xA=( 0.3/88.11)/(0.3/88.11+0.7/116.16)=0.361乙酸丁酯(以下用B代表):摩尔质量MB=116.16kg/kmol摩尔百分数xB=1xA =0.639原料液平
7、均摩尔质量:M平均=88.110.361+116.160.639=106.03kg/kmolF=(7200103)/(30024)=1000kg/h全塔物料衡算:F=D+W D/F=( xFxW) /( xD -xW) A=DxD/FxF=0.95 B=W(1-xW)/F(xF)=0.97 由计算得馏出液摩尔流量D=3.415kmol/h 馏出液摩尔分数 xD =0.947釜液液摩尔流量W=6.016kmol/h 釜液液摩尔流量 xW=0.02833.2 热量衡算精馏是大量耗能的单元操作,能量消耗是操作费用的主要损失。通过热量衡算,确定再沸器的热负荷和塔底的冷凝负荷,进而可算出加热蒸汽消耗量和
8、冷公用工程循环水用量。总热量衡算 QF+QB=QC+QD+QW+QL进料代入塔内热量QF = = 1.23105kJ/h塔顶产品带出热量QD = = 3.13104 kJ/h塔釜产品带出热量QW = = 6.56104 kJ/h冷凝器热负荷QC = = 1.65105 kJ/h蒸馏釜热负荷QB = = 1.38105 kJ/h热损失QL=1.38104 kJ/h本工艺利用釜液加热原料液,充分利用热能,具体表现为:节约冷公用工程循环水12.05吨/日,节约加热水蒸气4.82吨/日。达到较好的节能效果,证明工艺过程比较合理。4 工艺设备设计4.1 筛板精馏塔设计4.1.1馏出液和釜残液的流量和组成
9、冷物料进料量:F=(7200103)/(30024)=1000kg/h全塔物料衡算:F=D+W D/F=( xFxW) /( xD -xW) A=DxD/FxF=0.95 B=W(1-xW)/F(xF)=0.97 由计算得D=3.415kmol/h xD =0.947W=6.016kmol/h xW=0.02834.1.2 理论塔板数及理论最佳进料位置图1 乙酸乙酯和乙酸丁酯二元混合物的t-x(y)关系图由图t-x(y)查得,进料液泡点温度tb=99.68塔顶温度:78.96 塔底温度:122.11进料温度 tF = 60平均温度 tm=( tb+tF) /2=79.84进料热状态参数:进料平
10、均摩尔热容:CpL = xF CpA+(1xF)CpB = 229.31 kJ/(kmolK)进料平均摩尔汽化潜热:r = xFrA+(1xF)rB = 35.14 kJ/mol故求得热状态参数: q=1.26进料热状态参数q线方程:精馏段操作线方程:提馏段操作线方程:精馏段气相摩尔流量:V = (R+1)D = 26.637 kmol/ h 精馏段液相摩尔流量:L = RD = 23.222 kmol /h提馏段气相摩尔流量:V = V(1q)F = 29.083 kmol/h 提馏段液相摩尔流量:L = L+qF = 35.105 kmol/h利用作图法确定理论板数:图2 理论板数的确定由
11、图可知,精馏段理论板数为2,提馏段理论板数为3,第三块板为最佳进料理论板。4.1.3 实际塔板数的设计计算 定性温度计算由t x(y)图查得塔顶温度 tD=78.96 塔底温度tW=122.11 定性温度 tm=( tD +tW)=100.54 平均黏度L计算由图5查得 A = 0.21cp B=0.31cpL = xFA + (1xF) B = 0.27cp 平均相对挥发度计算塔底相对挥发度 W = yw/(1yw)(1xw)/ xw=4.03塔顶相对挥发度 D = xD/(1xD)(1x1)/ x1=4.03平均相对挥发度 = ( xD+ xw)1/2由Oconnell公式得全塔效率:ET
12、=0.49k(L)-0.245=0.42精馏段实际塔板数:NT=2/ ET =4.76块5块提馏段实际塔板数:NT=3/ ET =7.14块8块实际最佳进料板位置为第六块塔板实际塔板数N = 13块(包括再沸器,塔顶设全凝器)。4.1.4 精馏段设计筛板塔精馏段负荷性能图:操作点为 操作弹性 满足工业生产中对操作弹性的要求,操作点位置基本合理。详细设计过程如下:(1)塔径的确定由txy图可知:塔顶流出液的平均摩尔质量:=106.03 kg/kmol进料板上的组成:,进料板的平均摩尔质量=105.52 kg/kmol精馏段液相的平均摩尔质量为(+)/2=105.78 kg/kmol塔顶气相的平均
13、摩尔质量为kg/kmol进料板气相的平均摩尔质量为=95.6 kg/kmol精馏段气相的平均摩尔质量 kg/kmol精馏段气相的平均密度kg/m3所以,精馏段的液相的平均密度为kg/ m3气液两相体积流量: 则,两相流动体积参数:取塔板间距HT = 400 mm = 0.4m。由筛板塔泛点关联图1可得:,当定性温度t=()/2,液相表面张力:mN/m故,气体负荷因子:=液泛气速: 取本物系的泛点率为0.8取堰长由图10-40,知溢流管面积与塔板总面积之比:即,塔板总面积:因而,精馏段塔径:m根据塔设备系列化规格,圆整到D=0.6m=600mm则,塔板实际面积: m2降液管实际面积: m2气体实
14、际流速: m/s因此,实际泛点率为(2)塔盘设计降液管的面积降液管的宽度:由图3-353可得,=0.15D=0.09取选取安定区 边缘区有效传质面积:=0.156m筛孔的设计:选孔径为,孔间距孔隙率 溢流堰长度 m 堰上清液层高度 m选择平顶溢流堰 采用垂直弓形降液管,普通平底受液盘取其间距m。(3)塔板流动性能的校核 塔板压降干板压降:孔速: 选用普通碳钢管: 由图10-454可得: 干板压降: 液层阻力: 由图5查的:充气系数:液层阻力: 总的压降: 液沫夹带的校核取相对泡沫密度液面落差: =0.0476= m降液管阻力损失: m降液管内清液高度: m降液管中液体停留时间: 漏液点的校核由
15、eduljee6提出的公式:可得漏液点孔速: 故,稳定系数 液沫夹带的校核气液两相参数: 泛点率为0.706由液沫夹带关联图查得液沫夹带率 液沫夹带量:0.1kg液体/kg干气(4)负荷性能图 液相下限线堰上清液层高度:m故,液相体积流量: m 液相上限线取液体在降液管中的停留时间为3s由: 漏液线将漏液线近似看做直线,取设计点处:气相体积流量: m3/s取干板压降: m以上两式求得: m3/s由筛板漏液点关联图查得:漏液点当量清液高度: 求得 m3/s 过量液沫夹带取ev=0.1kg液体/kg干气取设计点处: 由液沫夹带关联图查得此时的液泛率为0.92设计气速 气液两相参数: 由液沫夹带关联
16、图查得泛点率为0.96 溢流液泛线当降液管清液高度时,发生溢流液泛在一定液体流量下,(由图10-467可知,当气速较高时,充气系数趋近于0.57)与气体流量无关,液面落差可忽略不计,从而求出液泛时的干板压降和及相应的气体流量。利用两点连线法求得筛板塔精馏段负荷性能图:操作点为 操作弹性4.1.5 提馏段设计提馏段负荷性能图 操作弹性为 满足工业生产中对操作弹性的要求,操作点位置基本合理。详细设计过程如下:(1)塔径的设计 定性温度计算进料板温度t3=98.08 塔底温度tW=122.11 定性温度tm=( t3 +tW)=110.1 平均摩尔质量计算MV=y3MA+(1y3) MB=95.6k
17、g/kmolML=x3MA+(1x3) MB=93.91kg/kmol塔釜:xW=0.0283 yW=0.119 MV=yWMA+(1yW) MB=112.82kg/kmolML=xWMA+(1xW) MB=115.37kg/kmol提馏段平均摩尔质量MV平均=104.21 kg/kmol ML平均=104.64 kg/kmol 平均密度计算利用气体状态方程求得气体平均密度v平均=PMV平均/RT=(101.3104.21) /8.314(110.1+273)=3.31kgm-3液相平均密度塔釜液相平均密度(按乙酸丁酯计)tW=122.11 L=774 kgm-3进料板液相密度x3 =0.37
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