丙烯-丙烯精馏装置设计化工原理课程设计(39页).doc
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1、-丙烯-丙烯精馏装置设计化工原理课程设计-第 39 页过程工艺与设备课程设计任务书丙烯-丙烷精馏装置设计学 院(系):化工与环境生命学部专 业:学 生 姓 名: 学 号:指 导 教 师:吴雪梅、李祥村评 阅 教 师:吴雪梅、李祥村 完 成 日 期:2013年7月4日大连理工大学Dalian University of Technology前言 本设计说明书包括概述、流程简介、精馏塔、再沸器、辅助设备、管路设计和控制方案共七章。 说明中对精馏塔的设计计算做了详细的阐述,对于再沸器、辅助设备和管路的设计也做了正确的说明。 由于只有两周的时间做,第二周内,我几乎每天都在熬夜写,只有封面、目录和前言部
2、分为打印、其余部分均为手写,部分数据上可能会有一些错误,如保留位数的不同,计算的错误等。前后的数据由于工程量浩大也许有不一致的地方,属于学生我自己的能力不够,请老师谅解! 感谢老师的指导和参阅!目录第一章 概述1第二章 方案流程简介3第三章 精馏过程系统分析5第四章 再沸器的设计 14第五章 辅助设备的设计 21第六章 管路设计 25第七章 控制方案 27设计心得及总结 28附录一 主要符号说明29附录二 参考文献31第一章 概述精馏是分离过程中的重要单元操作之一,所用设备主要包括精馏塔及再沸器和冷凝器。1 精馏塔精馏塔是一圆形筒体,塔内装有多层塔板或填料,塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板
3、上相互接触时,液相被加热,液相中易挥发组分向气相中转移;气相被部分冷凝,气相中难挥发组分向液相中转移,从而使混合物中的组分得到高程度的分离。简单精馏中,只有一股进料,进料位置将塔分为精馏段和提馏段,而在塔顶和塔底分别引出一股产品。精馏塔内,气、液两相的温度和压力自上而下逐渐增加,塔顶最低,塔底最高。本设计为浮阀塔,浮阀的突出优点是效率较高取消了结构复杂的上升管和泡罩。当气体负荷较低时,浮阀的开度较小,漏夜量不多;气体负荷较高时,开度较大,阻力又不至于增加较大,所以这种塔板操作弹性较大,阻力比泡罩塔板大为减小,生产能力比其大。缺点是使用久后,由于频繁活动而易脱落或被卡住,操作失常。所以塔板和浮阀
4、一般采用不锈钢材料。2 再沸器作用:用以将塔底液体部分汽化后送回精馏塔,使塔内气液两相间的接触传质得以进行。本设计采用立式热虹吸式再沸器,它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化,由在壳程内的载热体供热。立式热虹吸特点:循环推动力:釜液和换热器传热管气液混合物的密度差。 结构紧凑、占地面积小、传热系数高。壳程不能机械清洗,不适宜高粘度、或脏的传热介质。塔釜提供气液分离空间和缓冲区。3 冷凝器 (设计从略)用以将塔顶蒸气冷凝成液体,部分冷凝液作塔顶产品,其余作回流液返回塔顶,使塔内气液两相间的接触传质得以进行,最常用的冷凝器是管壳式换热器。第二章 方案流程简介1 精馏
5、装置流程精馏就是通过多级蒸馏,使混合气液两相经多次混合接触和分离,并进行质量和热量的传递,使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:原料(丙稀和丙烷的混合液体)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。气相沿塔上升直至塔顶,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
6、作为塔底产品采出。2 工艺流程1) 物料的储存和运输 精馏过程必须在适当的位置设置一定数量不同容积的原料储罐、泵和各种换热器,以暂时储存,运输和预热(或冷却)所用原料,从而保证装置能连续稳定的运行。2) 必要的检测手段为了方便解决操作中的问题,需在流程中的适当位置设置必要的仪表,以及时获取压力、温度等各项参数。另外,常在特定地方设置人孔和手孔,以便定期的检测维修。3) 调节装置由于实际生产中各状态参数都不是定值,应在适当的位置放置一定数量的阀门进行调节,以保证达到生产要求,可设双调节,即自动和手动两种调节方式并存,且随时进行切换。3 设备选用精馏塔选用浮阀塔,配以立式热虹吸式再沸器。4 处理能
7、力及产品质量处理量: 70kmol/h产品质量:(以丙稀摩尔百分数计)进料:xf65塔顶产品:xD98塔底产品: xw2第三章 精馏过程系统设计 丙烯、丙烷精馏装置设计第一节 设计条件1.工艺条件:饱和液体进料,进料丙烯含量xf65(摩尔分数)塔顶丙烯含量xD98,釜液丙烯含量xw2,总板效率为0.6。2操作条件: 1)塔顶操作压力:P=1.62MPa(表压)2)加热剂及加热方法:加热剂水蒸气 加热方法间壁换热3)冷却剂:循环冷却水4)回流比系数:R/Rmin=1.6。3塔板形式:浮阀4处理量:qnfh=70kmol/h 5安装地点:大连 6塔板设计位置:塔顶第二节 物料衡算及热量衡算一 物料
8、衡算全塔物料衡算:=60 kmol/h ,=0.65 , =0.98 , =0.02解得:=45.93 kmol/h ,=24.06 kmol/h进料状态混合物平均摩尔质量=0.98*42+0.02*44=42.04kg/kmol; =0.018*42+0.982*44=43.964 kg/kmol;二 塔内气、液相流量:塔内气、液相流量:1)精馏段:; 2)提馏段: 三 热量衡算1) 再沸器加热蒸气的质量流量:2) 冷凝器热流量: 冷凝器冷却剂的质量流量: 第三节 塔板数的计算假设塔顶温度t=42.5 C 塔顶压力Pt=1.72MPa查P-K-T图得:kA=1.05 ;kB=0.92 则顶=
9、kA/kB=1.05/0.92=1.141 ;假设精馏塔的塔板数是143块,每块板的压降为100mmH2O; 塔底压力为P=1.86Mpa;塔顶温度t=53 C, kA=1.19 ;kB=1.03;则底=kA/kB=1.19/1.03=1.155 =1.148;当Xe=0.65时,Ye=0.681;Rmin=9.74 R=1.6Rmin=15.59;Nmin=56.39;=0.751-();解得=87;=143;进料位置: =23.67;解得:=40P=P+=1.72+0.1*9.8*37*0.001=1.756 Mpa查表Pc=45.5 Tc=91.6C Pr=P/Pc=17.2/45.5=
10、0.378Tr=T/Tc=0.865查表Z=0.72 =38.2953C纯丙烷的=474第四节 精馏塔工艺设计1. 物性数据定性温度T取塔顶温度TD=316.1K,塔底温度T2=325.23K的平均温度320.65K液相密度(51.77,1.78MPa)表面张力(51.77,1.78MPa)丙烯453.74.16丙烷445.364.65气相密度(51.77,1.78MPa)表面张力(51.77,1.78MPa)丙烯47.86丙烷40.35液相密度L = 0.982*453.7+0.018*445.36=453.55 kg/ m3V =47.86*0.98+40.35*0.02=47.71 kg
11、/ m3液相表面张力:= 4.65*0.982+4.16*0.018=4.63 mN/m2. 初估塔径摩尔质量:Mv=0.98*42+0.02*44=42.04g/mol; ML=0.976*42+0.024*44=42.048g/mol;质量流量:Wv=VMv=738.675*42.04/3600=8.63kg/sWL=LML=746.175*42.048/3600=8.72kg/s假设板间距HT=0.45m;两相流动参数: 0.267 查化工原理(下册)P107筛板塔泛点关联图,得:C20=0.053=4.63所以,气体负荷因子: =0.0396 液泛气速: 0.155m/s 取泛点率0.
12、7 操作气速:u = 泛点率 uf=0.11 m/s气体体积流量= Wv/V=0.181 m3/s气体流道截面积: =1.65 m2 选取单流型弓形降液管塔板,取Ad / AT=0.09; 则A / AT=1- Ad / AT =0.91 截面积: AT=A/0.91=2.19 m2塔径: =1.67m圆整后,取D=1.6m符合化工原理书P108表6.10.1及P110表6.10.2的经验关联 实际面积: =2 m2 降液管截面积:Ad=AT-A=0.18 m2气体流道截面积:A=AT(1-)=1.82 m2实际操作气速: = 0.11 m/s 实际泛点率:u / uf =0.71与所取0.7
13、基本符合则实际HT=0.45m,D=1.6m,uf =0.155m/s,u=0.11m/s, AT =2 m2 ,A=1.82 m2 ,u / uf =0.713. 塔高的估算实际塔板数为Np,理论板数为NT=140(包括再沸器),其中精馏段61块,提馏段79块,则Np=(NT-1)/0.6+1=139/0.6+1=233(块)实际精馏段为102-1=101块;提馏段为132块,塔板间距HT =0.45 m有效高度:Z= HT (Np-1)=104.4m;进料处两板间距增大为0.8m设置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
14、20min,排出釜液流量= Wv/V=0.181 m3/s密度为b =453.55kg/m3釜液高度:Z= /(3* 1.62 )=0.024m 取其为0.03m 总塔高h=Z+8*(0.8-0.45)+5+1.5+1.8+0.03+2*(0.7-0.45)=116.03m第五节 溢流装置的设计1 降液管(弓形)由上述计算可得:降液管截面积:Ad=A-AT = 0.18 m2由/=0.099,查化工原理(下册)P113的图6.10.24可得:lw/D=0.73所以,堰长lw=0.73D=1.168 m2 溢流堰 取E近似为1则堰上液头高: 29.51mm6mm取堰高hw=0.029m,底隙hb
15、=0.035m液体流经底隙的流速: /3600=0.266m/s第六节 塔板布置和其余结构尺寸的选取1.取塔板厚度=4mm 进出口安全宽度bs=bs=80mm 边缘区宽度bc=50mm由/=0.09,查化工原理(下册)P113的图6.10.24可得:bd/D=0.14所以降液管宽度: =0.224m =0.496mr= =0.75m有效传质面积: = 1.228 m2 采用F1Z-41型浮阀,重阀浮阀孔的直径=0.039 m初取阀孔动能因子=11,计算适宜的阀孔气速=1.60浮阀个数 =952.浮阀排列方式由于直径较大,所以采用分块式塔板,等腰三角形排列.孔心距t=(0.907*(Aa/Ao)
16、0.5 *=0.110m取t=100mm浮阀的开孔率 6.6%10%=1.60= 11.05所以=11正确第七节 塔板流动性能校核1 液沫夹带量校核 =0.340.8 由塔板上气相密度及塔板间距查化工单元过程及设备课程设计书图5-19得系数=0.120根据表5-11所提供的数据,K可取K=1。Z=D-2=1.2m=1.64m2 =0.45 Hd 所以不会发生液泛。4 液体在降液管中的停留时间液体在降液管中的停留时间应大于3-5s =4.935s5s 满足要求,则可避免严重的气泡夹带。5 严重漏液校核当阀孔的动能因子低于5时将会发生严重漏夜,故漏液点的气速可取=5的相应孔流气速 =0.765 m
17、/s =2.091.5 满足稳定性要求第八节 负荷性能图以气相流量为纵坐标,液相流量为横作标1 过量液沫夹带线根据前面液沫夹带的较核选择表达式:由此可得液沫夹带线方程:=0.373-3.89 此线记作线(1)2 液相上限线对于平直堰,其堰上液头高度必须大于0.006m,取=0.006m ,即可确定液相流量的下限 取E=1,代入 lw,可求得lw的值,则 Lh=3.07*lw=3.59m/h此线记作线(2)-与纵轴平行3. 严重漏液线当阀孔的动能因子低于5时将会发生严重漏夜,故取时,计算相应气相流量则 =312.38此线记作线(3) 与横轴平行4 液相上限线 58.32(291.6)720由上述
18、关系可作得线(4)5浆液管液泛线Hd=HT+hW令 将 其中 =0 为避免降液管液泛的发生,应使其中 =0.05 hf= ho+hl+h其中h可忽略不记 将各式代入(*)式可得液泛方程线:1.34* 10-5 *=0.1755-2.63* qLh2/3-7.68* qLh 此线记作线(5)计算降液管液泛线上的点:如表所示液相流量1020304050气相流量110110691034994949第四章 再沸器的设计一 设计任务与设计条件1选用立式热虹吸式再沸器 其壳程以水蒸气为热源,管程为塔底的釜液。釜液的组成为(摩尔分数)丙稀=0.02,丙烷=0.98塔顶压力:1.72MPa塔底压力Pw=172
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