異丙醇脫水萃取精餾課程設計

1、化學化工學院課程設計專業(yè)年級 ：10級 化學工程與工藝姓 名 ：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx指導老師 ：xxxxx老師、xxx老師 目錄一、設計任務書4二、概述5精餾塔操作對塔設備的要求和類型5對塔設備的要求5塔設備類型5精餾塔的計算步驟6三、工藝流程確定及說明7四、工藝計算7物料衡算7熱量衡算8熱量衡算8換熱器的選型9冷凝器的選型9再沸器的選型10冷卻水和加熱蒸汽的消耗量10精餾塔塔板數(shù)的確定10精餾塔進料位置的確定11精餾塔塔徑的確定12物性數(shù)據(jù)的計算12平均分子質量的計算12平均溫度的計算124.6.3 平均密度計算13氣、液相體積流率的確定13液相平均表面張力的確定13

2、液相粘度的確定14精餾塔的有效高度的計算14塔板結構設計14溢流裝置計算14塔板布置16篩板的流體力學驗算17五、塔板負荷性能圖19漏液線19液沫夾帶線20液相負荷下限線21液相負荷上限線21液泛線22六、塔附件設計計算23各接管尺寸和材質的確定23原料液進料管23溶劑加料管24釜殘液出料管24回流液管24塔頂上升蒸汽管25人孔和裙座尺寸的確定25筒體與封頭25筒體25封頭26輸送設備的計算及選型27七、計算結果匯總27八、自我評價29九、參考文獻30一、設計任務書專業(yè)：化學工程與工藝班級：xxx學號：xxx姓名：xxx指導老師：xxx（一）設計題目：異丙醇和水的萃取精餾分離（二）設計任務：1

3、.原料名稱：異丙醇和水體系2.原料組成：共沸組成（異丙醇87.4%，水12.6%）3.產品要求：采用萃取精餾進行分離，要求得到異丙醇的純度為99.5%，水能夠達標排放；溶劑采用乙二醇（EG）。4.生產能力：產量4萬噸/年5.公用工程：循環(huán)水、蒸汽二、概述對塔設備的要求精餾所進行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質，而作為氣(汽)、液兩相傳質所用的塔設備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達到較高的傳質效率。但是，為了滿足工業(yè)生產和需要，塔設備還得具備下列各種基本要求：氣(汽)、液處理量大，即生產能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。操作穩(wěn)定，彈性大，即當塔設備

4、的氣(汽)、液負荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質效率下進行穩(wěn)定的操作并應保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。流體流動的阻力小，即流體流經(jīng)塔設備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。結構簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調節(jié)和檢修。塔內的滯留量要小。實際上，任何塔設備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點，設計時應根據(jù)物系性質和具體要求，抓住主要矛盾，進行選型。塔設備類型氣液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精

5、餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級接觸型氣液傳質設備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀五十年代以后，隨著石油、化學工業(yè)生產的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。篩板塔也是傳質過程常用的塔設備，它的主要優(yōu)點有：結構比浮閥塔更簡單，

6、易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。塔板效率高，比泡罩塔高15左右。壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。篩板塔的缺點是：塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。操作彈性較小(約23)。小孔篩板容易堵塞。精餾塔的計算步驟本設計按以下幾個階段進行：設計方案確定和說明。根據(jù)給定任務，對精餾裝置的流程、操作條件、主要設備型式及其材質的選取等進行論述。蒸餾塔的工藝計算，確定塔高和塔徑。塔板設計：計算塔板各主要工藝尺寸，進行流體力學校核計算。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。管路及附屬設備的計算與選型，如再沸器、冷凝器。書寫說明書。繪

7、制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設備圖。三、工藝流程確定及說明Aspen plus 流程模擬圖流程簡述：原料液異丙醇（質量分數(shù)87.4%）和水（質量分數(shù)12.6%）以常壓40進料，在萃取精餾塔B1中經(jīng)過萃取精餾在塔頂?shù)玫疆a品異丙醇（質量純度99.5%），塔釜為乙二醇和和水的混合物，然后經(jīng)過溶劑回收塔B2回收溶劑，從塔釜得到回收的溶劑EG，塔頂是脫除的水（達標雜質<=1000ppm）,回收的溶劑EG溫度很高（），一部分用來給萃取精餾塔加熱，另一部分用來給原料預熱使其達到79，此時溶劑的溫度還比較高(106)，需用冷卻水給其降溫使其冷卻到80，回收的溶劑繼續(xù)循環(huán)利用。四、工藝計算由Aspen

8、Plus模擬各物流說明如下：物流說明物流1234568名稱原料進口溶劑進口塔1產品出口塔1釜液出口塔2產品出口塔2釜液出口預熱后原料進口由Aspen Plus模擬結果可得下表：物流組分1kg/h2kg/h3kg/h5kg/h6kg/h1+2-3-5-6kg/h總物料10000IPA8EGH2O從上表可清晰的看到該操作物料守恒。熱量衡算由Aspen Plus模擬結果可得以下物流的熱負荷見下表：物流28側線補給34HGcal/hHGcal/hHGcal/h冷凝器和再沸器的熱負荷如下表：模塊冷凝器再沸器HGcal/hHGcal/h0.05由上表得=，在誤差允許的范圍內，所以該操作熱量守恒。換熱器的選

9、型由Aspen Plus模擬結果可得3，總傳熱系數(shù)K=850W/(·K),查手冊得B3選擇如下參數(shù)的換熱器:DN/mmPN/MPa管程數(shù)Np管子根數(shù)n中心排管數(shù)管程流通面積/換熱管長度L/m計算換熱面積材質25×21912552000碳鋼10，總傳熱系數(shù)K=850W/(·K),查手冊得B5選擇如下參數(shù)的換熱器:DN/mmPN/MPa管程數(shù)Np管子根數(shù)n中心排管數(shù)管程流通面積/換熱管長度L/m計算換熱面積材質25×273423270.00502000碳鋼10冷凝器的選型由Aspen Plus模擬結果可得冷凝器的換熱量，熱流體,冷流體，所以，估計總傳熱系數(shù)，

10、得總傳熱面積查手冊得冷凝器的具體參數(shù)如下：工程壓力/MPa管程數(shù)殼程數(shù)管長/m管徑/m管束圖型號公稱換熱面積/計算換熱面積/規(guī)格型號設備質量/kg50021619A80793100再沸器的選型由Aspen Plus模擬結果可得冷凝器的換熱量，熱流體,冷流體，所以，估計總傳熱系數(shù)，得總傳熱面查手冊得冷凝器的具體參數(shù)如下：DN/mmPN/MPa管程數(shù)Np管子根數(shù)n中心排管數(shù)管程流通面積/換熱管長度L/m計算換熱面積材質25×5002164154500碳鋼104.2.5冷卻水和加熱蒸汽的消耗量BlockDuty/kwUseage kg/h冷卻水冷凝器8B5熱蒸汽再沸器4.3精餾塔塔板數(shù)的確

11、定由Aspen Plus模擬軟件的模型分析工具Sensitivity得萃取精餾塔塔頂產品異丙醇的質量純度與理論板數(shù)的關系圖如下：由上圖可知，萃取精餾塔的理論板數(shù)為22，取塔板效率為40%,得實際塔板數(shù)為22/0.4=55。精餾塔進料位置的確定由Aspen Plus模擬軟件的模型分析工具Sensitivity得萃取精餾塔塔頂產品異丙醇的質量純度與進料位置的關系圖如下：由上圖可知，進料位置在12塊板時塔頂產品異丙醇達到純度要求，實際進料位置為12/0.4=30塊板。4.5精餾塔塔徑的確定由Aspen Plus軟件模擬5m時，得到篩板塔的塔徑為m，按標準塔徑圓整后為1.4m，用Tray Rating

12、核算塔徑得最大液泛因子為<0.8，所以精餾塔選用直徑為1.4m的篩板塔。物性數(shù)據(jù)的計算4.6.1平均分子質量的計算由Aspen Plus模擬結果得質量流量和摩爾流量如下：塔板位置溫度壓力bar液相流量kg/h氣相流量kg/h液相流量kmol/h氣相流量kmol/h塔頂進料板由上表可求得所以精餾塔的液相的平均分子質量為=精餾塔的氣相的平均分子質量為=平均溫度的計算塔頂溫度進料板溫度精餾塔的平均溫度T=（81.50+98.28）/2=89.894.6.3平均密度計算氣相平均密度的計算由Aspen Plus模擬結果Profiles中得，液相平均密度的計算由Aspen Plus模擬結果Profi

13、les中得，精餾段液相平均密度為4.6.4氣、液相體積流率的確定由Aspen Plus模擬結果Profiles中得，塔頂氣相流量為進料板氣相流量為1.689 m3/s塔頂液相流量為0.0044 m3/s m3/s4.6.5液相平均表面張力的確定由Aspen Plus模擬結果Profiles中得，塔頂液相的表面張力為進料板液相的表面張力為37.87 mN/m精餾段液相平均表面張力為：4.6.6液相粘度的確定由Aspen Plus模擬結果Profiles中得，塔頂液相的粘度為進料板液相的粘度為精餾段液相平均粘度為 精餾塔的有效高度的計算精餾塔有效高度為 若在進料板上方開一人孔，其高度為，故精餾塔的

14、有效高度為4.8塔板結構設計由以上計算可知精餾塔的塔徑為1400mm>800mm，選用板式塔中的篩板塔。篩板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管和受液盤等幾部分。其尺m,可選用單溢流弓形降液管，不設進口堰，采用凹形受液盤。各項計算如下：.1溢流裝置計算堰長 取溢流堰高度由，選用平直堰，堰上液層高度近似取E=1，則取板上清液層高度，=弓形降液管寬度和截面積由 故 依式（5-9）驗算液體在降液管中停留時間，即 故降液管設計合理。降液管底隙高度依式（5-11） 取 故降液管底隙高度設計合理。 選用凹形受液盤，深度.2塔板布置塔板的分塊塔板分塊數(shù)（5-3）塔徑/mm800-12001400-1600

15、1800-20002200-2400塔板分塊數(shù)3456因，故塔板采用分塊式。查表5-3得，板塊分為4塊。安定區(qū)寬度的確定取溢流堰前的安定區(qū)寬度進口堰后的安全區(qū)寬度無效區(qū)寬度的確定取無效區(qū)的寬度開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按式（5-12）計算，即 其中 故 篩孔計算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角形排列，取孔中心距篩孔數(shù)目 開孔率為 氣體通過篩孔的氣速為 綜上，結合塔板結構的標準化參數(shù)將塔板結構參數(shù)列表如下：塔徑D/mm塔截面積At/塔板間距H/mm弓形降液管降液管面積Af/Af/AtLw/D堰長Lw/mm管寬Wd/mm14004501029225.3篩板的流體

16、力學驗算1.塔板壓降干板阻力 干板阻力 由 故氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力由式（5-20）計算： 查圖5-11，得。故液體表面張力的阻力計算 液體表面張力所產生的阻力由式（5-23）計算： 氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計算： 氣體通過每層塔板的壓降為： 符合操作要求對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 3.液沫夾帶液模夾帶量由式（5-24）計算：故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。4.漏液對篩板塔，漏液點氣速可由式（5-25）計算：實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 因 1.5<1.77<2故在本設計中無明顯漏液。5.液泛為防止塔內發(fā)生

17、液泛，降液管內液層高異丙醇-水物系屬一般物系，取，則板上不設進口堰，可由式（5-30）計算，即故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。五、塔板負荷性能圖5.1漏液線漏液線，又稱氣相負荷下限線。氣相負荷低于此線將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象，氣、液不能充分接觸，使塔板效率下降。 整理得 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表。由此表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1。 液沫夾帶線當氣相負荷超過此線時，液沫夾帶量過大，使塔板效率大為降低。對于精餾，一般控制ev0.1kg液/kg氣。以ev=0.1kg液/kg為限,求Vs-Ls關系如下: 由 整理得 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表。0.

18、0015由此表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2。5.3液相負荷下限線液相負荷低于此線，就不能保證塔板上液流的均勻分布，將導致塔板效率下降。 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。由式（5-7）得 取E=1，則 p 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。液相負荷上限線該線又稱降液管超負荷線。液體流量超過此線，表明液體流量過大，液體在降液管內停留時間過短，進入降液管的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。以作為液體在漿液管中停留時間的下限，由式（5-9）得 據(jù)此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷上限線4。液泛線若操作的氣液負荷超過此線時，塔內將發(fā)生液泛現(xiàn)象，

19、使塔不能正常操作。液泛可分為降液管液泛和液沫夾帶液泛兩種情況，在浮閥塔板的流體力學驗算中通常對降液管液泛進行驗算。為使液體能由上層塔板順利地流入下層塔板，降液管內須維持一定的液層高度Hd令聯(lián)立得 式中 將有關數(shù)據(jù)帶入，得： 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出值，計算結果列于下表： 由此表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖： 在負荷性能圖上，作出操作點A(Ls=0.005,Vs=1.59)，連接OA，即作出操作線。由圖可看出，該篩板上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖查得 故操作彈性為 六、塔附件設計計算各接管尺寸和材質的確定6.1.1原料液進料管由Aspen

20、Plus模擬結果得，進料體積流量取適宜的輸送速度，故經(jīng)圓整選取無縫鋼管，規(guī)格：實際管內流速：6.1.2溶劑加料管由Aspen Plus模擬結果得，進料體積流量取適宜的輸送速度，故經(jīng)圓整選取無縫鋼管，規(guī)格：實際管內流速：6.1.3釜殘液出料管由Aspen Plus模擬結果得，釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度，則經(jīng)圓整選取無縫鋼管，規(guī)格：實際管內流速：6.1.4回流液管由Aspen Plus模擬結果得，回流液體積流量：利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度，故經(jīng)圓整選取無縫鋼管，規(guī)格：實際管內流速：6.1.5塔頂上升蒸汽管由Aspen Plus模擬結果得，塔頂上升蒸汽的體積流量：取適宜速度，那

21、么經(jīng)圓整選取無縫鋼管，規(guī)格：實際管內流速：人孔和裙座尺寸的確定人孔采用500mm，人孔所在兩板之間的間距為800mm，每10塊板設計一個人孔，塔頂封頭處一個，塔釜處設計一個，一共7個人孔。裙座總高度2500mm，座體開設兩個人孔（500mm），一個排氣孔，寬度為200mm。筒體與封頭筒體精餾塔可視為內壓容器，其各種參數(shù)如下：設計壓力：該精餾塔在常壓下操作，設計壓力取設計溫度：該精餾塔加熱介質采用水蒸汽，設計溫度取200許用應力：該精餾塔采用鋼板卷焊而成，材料選用,查得焊縫系數(shù)：本設計采用全焊透對接焊，對焊縫作局部無損探傷，則由以上數(shù)據(jù)，可計算壁厚得：由計算厚度查得，鋼板負偏差,腐蝕余量圓整取封

22、頭本設計采用橢圓形封頭，材料選用，除封頭的拼接焊縫需無損探傷外，其余均需對接焊縫局部無損探傷，則由計算厚度查得，鋼板負偏差m,腐蝕余量圓整取輸送設備的計算及選型根據(jù)塔高計算揚程得到各流體輸送泵的規(guī)格如下：型號轉速nr/min流量揚程H/m效率%功率/kw必須氣蝕余量（NPSH）/m用途L/s軸功率電機功率IS50-32-12529002247萃取精餾原料輸送IS-50-32-1602900443萃取精餾塔頂回流IS50-32-12529002247溶劑回收塔進料IS-50-32-1602900443溶劑回收塔頂回流IS50-32-12529002247溶劑回收預熱原料七、計算結果匯總序號項目數(shù)

23、值序號項目數(shù)值1平均溫度21邊緣區(qū)寬度，m2平均壓力22開孔區(qū)面積3液相平均密度23安定區(qū)寬度，m4平均粘度24氣相平均密度5平均表面張力25人孔直徑，m6氣相流量26人孔數(shù)目77液相流量27篩孔直徑，m8理論塔板數(shù)2228篩孔數(shù)目56069實際塔板數(shù)5529孔中心距t，m10有效段高度Z，m30開孔率，%11塔徑D，m140031空塔氣速u，m/s12板間距，m32篩孔氣速，m/s13溢流形式單溢流33穩(wěn)定系數(shù)14降液管形式弓形34每層塔板壓降，kPa15堰長，m35負荷上限液泛控制16堰高，m36負荷下限漏液控制17板上液層高度，m37液沫夾帶，（kg液/kg氣）18堰上液層高度，m38氣相負荷上限，19降液管底隙高度39氣相負荷下限，20塔板分塊數(shù)440操作彈性八、自我評價本次課程設計通過給定的生產操作工藝條件自行設計一套異丙醇-水物系的分離的萃取精餾塔設備。通過三周的努力，經(jīng)過復雜的計算和優(yōu)化，終于設計出一套較為完善的萃取精餾塔設備，完成此關于異丙醇-水的化工設計說明書。其各項操作性能指標均能符合工藝生產技術要求，而且操作彈性大，生產能力強，達到了預期的目的。                    這次課程