正丁醇脫水化工工藝設(shè)計(jì)

1、常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 目 錄1.物料衡算11.1物料流程簡(jiǎn)圖11.2物料衡算12.熱量衡算22.1原料預(yù)熱器熱量衡算22.2塔塔頂冷凝器熱量衡算22.3塔塔釜再沸器熱量衡算22.4塔塔頂冷卻器熱量衡算22.5塔塔頂冷凝器熱量衡算22.6塔塔釜再沸器熱量衡算32.7塔塔頂冷卻器熱量衡算32.12物料裝置帶出的熱量32.13系統(tǒng)熱量衡算43.精餾塔的設(shè)計(jì)43.1精餾塔的工藝計(jì)算43.2精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算93.3塔板主要工藝尺寸113.4篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算133.5塔板負(fù)荷性能圖144.設(shè)備選型164.1罐體選型164.2換熱設(shè)備174.3 泵的選型265.管徑計(jì)算與選型（摘自GB

2、8163-88）285.1物料管道的計(jì)算和選型285萬(wàn)噸/年正丁醇脫水裝置工藝設(shè)計(jì)1. 物料衡算1.1 物料流程簡(jiǎn)圖圖1 正丁醇脫水工藝流程簡(jiǎn)圖1.2 物料衡算（1）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率水的摩爾質(zhì)量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質(zhì)量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.4XD = 0.001XW = 0.999(2) 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF = 0.474+(1-0.4) 18= 40.4 kg/kmolMD =0.00174+(1-0.001) 18= 18.056 kg/kmolMW = 0.99974+(1-0.999) 18=

3、 73.944 kg/kmol(3)物料衡算 原料處理量：5萬(wàn)噸/年，年操作330天 F = =6313.13 kg/h= = 156.26 kmol/h總物料衡算 156.26 = D + W正丁醇物料衡算 156.260.4 = 0.001D + 0.999W得：(4)對(duì)塔物料衡算塔及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率水的摩爾質(zhì)量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質(zhì)量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.476XD = 0.246XW = 0.999物料衡算：204.618 =D+W正丁醇物料衡算：204.6180.476=0.246D+0.999WF=204.618kmo

4、l/h D=142.114kmol/h W=62.504kmol/h(5) 對(duì)塔及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率水的摩爾質(zhì)量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質(zhì)量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.022XD = 0.249XW = 256PPM物料衡算：F=D+W對(duì)正丁醇物料衡算：F XF =D XD +W XWF=102.087kmol/hD=8.331kmol/hW=93.756kmol/h熱量衡算1.3 原料熱量衡算查Aspen物性數(shù)據(jù)庫(kù)的t = 40 水和正丁醇定壓比熱容：Cp水 = 71.056 kJ/kmolK CpC4H9OH=215.059 kJ/kmo

5、lKQ1 = =156.260.4215.059(313.15-293.15) +156.260.671.056(313.15-293.15) =112kw1.4 塔塔頂冷卻器熱量衡算查Aspen的冷卻器的結(jié)果得到在93 冷卻到40 過(guò)程中：Q2 = 1899.1227kw1.5 塔塔釜再沸器熱量衡算查Aspen物性數(shù)據(jù)庫(kù)水和正丁醇在117.6 的汽化潛熱： rC4H9OH= 43090.92 kJ/kkmol r水 = 39945.5 kJ/kmolQ3 = =62.50443090.92=748.154kW1.6 塔塔釜再沸器熱量衡算查Aspen物性數(shù)據(jù)庫(kù)水和C4H9OH在99.8 的汽化

6、潛熱：r水 = 40813.26 kJ/kmol rC4H9OH = 45256.62 kJ/kmolQ4 = = 0.99993.75640813.26 + 0.00193.75645256.62 = 1063.03 kW1.7 分層器的熱量衡算Q5 =7.33kW1.8 物料裝置帶出的熱量查Aspen物性數(shù)據(jù)庫(kù)水和C4H9OH在27 的定壓比熱容：Cp水 = 3.86 kJ/kgK CpC4H9OH = 2.814 kJ/kgKQ6 = =4631.3312.814（303.15-298.15）+ 1694.6493.86（303.15-298.15） =27.2 kW1.9 系統(tǒng)熱量衡算

7、Q加 = Q移 + Q損外界向系統(tǒng)提供的熱量- Q加物料離開(kāi)系統(tǒng)帶走的熱量- Q移系統(tǒng)損失的熱量- Q損Q加 = Q1 + Q3 + Q4 + Q5= 112+748.154+1063.03+7.33=1930.514kwQ移 = Q2 + Q6 =1899.1227+27.2=1926.3227kwQ損= Q加 + Q移 =1930.5141926.3227=4.1913kw 3精餾塔的設(shè)計(jì)3.1精餾塔的工藝計(jì)算（1） 塔板數(shù)NT 最小回流比及操作回流比的確定利用Aspen工程軟件中的精餾捷算模塊（DSTWU）模擬出雙塔精餾5萬(wàn)噸/正丁醇脫水工藝，使塔頂與塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都達(dá)到99.9%。

8、 理論板數(shù)求取用Aspen工程軟件中的嚴(yán)格計(jì)算的模塊（RadFrac）建立雙塔精餾的連續(xù)流程，調(diào)整各塔的塔板數(shù)、進(jìn)料板位置、塔壓、板壓降和各塔塔頂餾出流量來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)塔的塔頂產(chǎn)品與最終塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.9%。并實(shí)現(xiàn)塔之間冷凝放熱與再沸需熱的熱集成。得出理論板數(shù)：塔 總理論板數(shù) NT =7(包括再沸器) NF = 1 塔 總理論板數(shù) NT =5(包括再沸器) NF =1 實(shí)際板數(shù)的求取全塔效率為50%塔 提餾段實(shí)際板數(shù) N提 =7/0.5 =14塔 提餾段實(shí)際板數(shù) N提 = 5/0.5 =10 (2)精餾塔的工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 操作壓力計(jì)算塔 塔頂操作壓力 PD1 =101.3

9、25 kPa 進(jìn)料板壓力 PF1 = 101.325kPa 塔釜操作壓力 PW1 = 101.325 kPa 精餾段操作壓力 P精1 =101.325 kPa 提餾段操作壓力 P提1=101.325kPa塔 塔頂操作壓力 PD2 = 101.325 kPa 進(jìn)料板壓力 PF2 = 101.325 kPa 塔釜操作壓力 PW2 = 1101.325Pa 精餾段操作壓力 P精2 = 101.325 kPa 提餾段操作壓力 P提2= 101.325 kPa 操作溫度計(jì)算塔 塔頂溫度 tD1 =366.103 K 進(jìn)料板溫度 tF1 = 366.103 K 塔釜溫度 tW1 = 390.74 K 精餾

10、段平均溫度 t精1 = 366.103 K 提餾段平均溫度 t提1= 378.42K塔 塔頂溫度 tD2 = 365.59 K 進(jìn)料板溫度 tF2 = 365.59 K 塔釜溫度 tW2 =372.61 K 精餾段平均溫度 t精2 = 365.59 K 提餾段平均溫度 t提2= 369.1K 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔 塔頂平均摩爾質(zhì)量 MVD1 = 0.24574 + (1-0.245) 18 = 31.72 kg/kmolMLD1 = 0.46174 + (1-0.461) 18 = 43.816 kg/kmol進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量MVF1 = 0.24574 + (1-0.245) 18 = 31

11、.72 kg/kmol MLF1 =0.46174 + (1-0.461) 18 = 43.816 kg/kmol塔釜平均摩爾質(zhì)量 MVD1 = 0.99674 + (1-0.996) 18 = 73.77 kg/kmolMLD1 = 0.9994674 + (1-0.99946) 18 = 73.97 kg/kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量MV精1 =31.72 kg/kmolML精1 = 43.648 kg/kmol提餾段平均摩爾質(zhì)量MV提1 = = 52.745 kg/kmolML提1 = = 58.9 kg/kmol塔 塔頂平均摩爾質(zhì)量 MVD2 =0.25874 + (1-0.258) 1

12、8 = 32.448 kg/kmolMLD2 = 0.039574 + (1-0.0395) 18 = 20.212 kg/kmol進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量 MVD2 =0.25874 + (1-0.258) 18 = 32.448 kg/kmolMLD2 = 0.039574 + (1-0.0395) 18 = 20.212 kg/kmol塔釜平均摩爾質(zhì)量 MVD2 = 0.020774 + (1-0.0207) 18 = 19.16kg/kmolMLD2 = 0.0010774 + (1-0.00107) 18 = 18.06 kg/kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量MV精2 =32.448kg/kmo

13、lML精2 = 20.212z kg/kmol提餾段平均摩爾質(zhì)量MV提2 = = 25.44 kg/kmolML提2 = = 18.906 kg/kmol 平均密度計(jì)算塔 氣相密度 精餾段 V精1 = = = 1.056 kg/m3 提餾段 V提1 = = = 1.70 kg/m3液相平均密度塔頂液相密度 LD1 = 790.14 kg/m3進(jìn)料板液相密度 LF1 = 790.14 kg/m3塔釜液相密度 L W1 = 715.55 kg/m3精餾段液相平均密度 L精1 =790.14 kg/m3提餾段液相平均密度 L提1 = = 752.845 kg/m3塔 氣相密度 精餾段 V精2 = =

14、 = 1.08 kg/m3 提餾段 V提2 = = = 0.84 kg/m3液相平均密度塔頂液相密度 LD2 = 895.230kg/m3進(jìn)料板液相密度 LF1 = 895.230kg/m3塔釜液相密度 L W1 = 917.48 kg/m3精餾段液相平均密度 L精2 = 895.230 kg/m3提餾段液相平均密度 L提2 = = 906.355 kg/m3 液體表面張力塔 塔頂液相表面張力 LD1 = 40.65 mN/m 進(jìn)料板液相表面張力 LF1 = 40.65mN/m 塔釜液相表面張力 LW1 =16.48mN/m 精餾段液相平均表面張力 L精1 = 40.65 mN/m提餾段液相平

15、均表面張力 L提1 = = 28.565 mN/m塔 塔頂液相表面張力 LD2 = 58.05 mN/m 進(jìn)料板液相表面張力 LF2 = 58.05 mN/m 塔釜液相表面張力 LW2 = 58.27 mN/m 精餾段液相平均表面張力 L精2 =58.05 mN/m提餾段液相平均表面張力 L提2 = = 58.16 mN/m 液體平均粘度塔 塔頂液相粘度 LD1 = 0.41881 mPas 進(jìn)料板液相粘度 LF1 =0.41881 mPas塔釜液相粘度 LW1 = 0.38907 mPas精餾段液相平均粘度 L精1 =0.41881 mPas提餾段液相平均粘度 L提1 = = 0.40394

16、 mPas塔 塔頂液相粘度 LD2 = 0.31316 mPas 進(jìn)料板液相粘度 LF2 = 0.31316 mPas塔釜液相粘度 LW2 = 0.28137mPas精餾段液相平均粘度 L精2 = 0.31316 mPas提餾段液相平均粘度 L提2 = = 0.297235mPas3.2精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算（1） 塔徑的計(jì)算塔精餾段的氣、液相體積流率為：V = (R+1)D = 2.7142.114= 383.71 kmol/hL = RD = 1.7142.114 = 241.6 kmol/hVs = = =3.202 m3/sLs = = =3.71 10-3 m3/s由化工原理下冊(cè)

17、式10-29umax = C取板間距HT = 0.3 m 板上液層高度 hL = 0.05 m查化工原理下冊(cè)圖10-42得 C20 = 0.06由化工原理下冊(cè)式10-28C = umax = C= 1.89m/s取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為：U=0.7umax = 0.71.89 = 1.324 m/sD=按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為：D = 1.8 m塔截面積：AT = 0.7851.82 =2.5434 m2u =塔 按塔的塔徑計(jì)算方法得出塔圓整后的塔徑：D = 1.8 m根據(jù)塔徑選取板間距HT = 0.3 m（2） 精餾塔有效高度的計(jì)算塔提餾段有效高度為： 在進(jìn)料板上方留0.8m的空間，故精餾

18、塔的有效高度為： 塔提餾段有效高度為： 在進(jìn)料板上方留0.8m的空間，故精餾塔的有效高度為： 3.3塔板主要工藝尺寸（1） 溢流裝置計(jì)算 因塔徑D =1.8 m ，科選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。 堰長(zhǎng) 取溢流堰高度由，選用平直堰化工原理下冊(cè) 式10-34近似取，則=0.015m 所以選取齒形堰化工原理下冊(cè) 10-35設(shè)齒深 =0.017 m板上液層高度弓形降液管寬度和截面積由，查化工原理下冊(cè) 圖10-40得; 驗(yàn)算液體正在降液管中停留時(shí)間，即：故設(shè)計(jì)合理 降液管底隙高度由化工原理課程設(shè)計(jì)式3-14選用凹形受液盤(pán)，深度（2） 塔板布置 塔板的分塊因D =1.8 m，故塔板不分塊 邊緣區(qū)

19、寬度確定取WS = WS = 0.065 m WC = 0.035 m 開(kāi)孔面積計(jì)算 開(kāi)孔面積按化工原理下冊(cè) 式10-34，即：其中故 =2.025 篩孔算及其排列本設(shè)計(jì)任務(wù)中的物系無(wú)腐蝕性，可選用= 3mm碳鋼板，取篩孔的直徑d0 =15 mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心據(jù)t為：篩孔數(shù)目n為：開(kāi)孔率為：氣體通過(guò)篩孔的氣速為：3.4篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算（1） 干板阻力hC計(jì)算干板阻力hC由化工原理課程設(shè)計(jì) 式3-26計(jì)算由 查化工原理下冊(cè) 圖10-45得C0=0.75 = 0.0295m（2） 氣體通過(guò)液層的阻力h1計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力h1由化工原理課程設(shè)計(jì)式3-31計(jì)算 = 1.33 m/

20、s查化工原理下冊(cè) 圖10-46得（3） 液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由化工原理課程設(shè)計(jì)式3-34計(jì)算 = 0.001166 m氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度hp = 0.06367 m氣體通過(guò)每層塔板的壓降為：3.5塔板負(fù)荷性能圖（1） 漏液線由化工原理課程設(shè)計(jì)式3-38 得： （2） 液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：由化工原理課程設(shè)計(jì)式3-36 整理的：（3） 液相負(fù)荷下限線 取堰上液層高度，齒深0.15m得：（4） 液相負(fù)荷下限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限得:(5) 液泛線令 由 聯(lián)立得：忽略，將與，與，與的關(guān)系式帶入上式，并整理得：式中： =0.6 其中取0.45 =

21、0.65將相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入整理，得：圖2 塔塔板負(fù)荷性能圖4設(shè)備選型4.1罐體選型（1） 原料罐原料罐以儲(chǔ)存5天的量計(jì)安全系數(shù)為0.8 則根據(jù)HG21502.1-92 鋼制圓筒形固定頂儲(chǔ)罐系列公稱容積 1000m3公稱直徑 11500mm公稱高度 10650mm（2） 塔釜產(chǎn)品罐產(chǎn)品以儲(chǔ)存1天的量計(jì)安全系數(shù)為0.8 則根據(jù)HG5-1579-85 立式儲(chǔ)罐公稱容積 200 m3公稱直徑 6550mm公稱高度 6500mm（3） 塔釜產(chǎn)品罐產(chǎn)品以儲(chǔ)存1天的量計(jì)安全系數(shù)為0.8 則根據(jù)HG5-1580-85 臥式儲(chǔ)罐公稱容積 63m3公稱直徑 2800mm公稱長(zhǎng)度 9400mm4.2換熱設(shè)備（1） 原

22、料預(yù)熱器 確定物性數(shù)據(jù)（物性數(shù)據(jù)查Aspen物性數(shù)據(jù)庫(kù)）原料 飽和水蒸氣 水在130的相關(guān)物性密度 935.0kg/m3定壓比熱容 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 汽化潛熱 2182 kJ/kg 計(jì)算總傳熱系數(shù)熱流量 =112kw平均傳熱溫度 蒸汽用量 傳熱面積假設(shè)傳熱系數(shù)傳熱面積考慮15%的面積裕度 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算化工原理?yè)Q熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(shù)(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 219公稱壓力PN/MPa 1.6管程數(shù)N 1管子根數(shù)n 33中心排管數(shù) 7管程流通面積/m2 0.0058換熱管長(zhǎng)度L/mm 1500計(jì)算換熱面積

23、/m2 2.8折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 ，故可取取折流板間距，則，故B取100mm折流板數(shù)（2） 塔塔釜再沸器熱流體 93117.6冷凝水 140140 設(shè) 考慮15%的裕度面積 化工原理?yè)Q熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(shù)(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 325公稱壓力PN/MPa 4管程數(shù)N 4管子根數(shù)n 68中心排管數(shù) 11管程流通面積/m2 0.0030換熱管長(zhǎng)度L/mm 6000計(jì)算換熱面積/m2 23.9蒸汽用量流量（3） 塔塔頂冷卻器熱流體 9340冷凝水

24、2530 設(shè) 考慮15%的裕度面積 化工原理?yè)Q熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(shù)(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 400公稱壓力PN/MPa 0.6管程數(shù)N 4管子根數(shù)n 146中心排管數(shù) 14管程流通面積/m2 0.0065換熱管長(zhǎng)度L/mm 4500計(jì)算換熱面積/m2 38.3冷凝水流量（4） 塔塔釜再沸器熱流體 92.899.8塔釜液 120120 設(shè) 考慮15%的裕度面積 化工原理?yè)Q熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(shù)(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 3

25、25公稱壓力PN/MPa 1.6管程數(shù)N 1管子根數(shù)n 99中心排管數(shù) 11管程流通面積/m2 0.0175換熱管長(zhǎng)度L/mm 6000計(jì)算換熱面積/m2 34.9蒸汽用量流量4.3 泵的選型（1）原料泵原料的體積流量 揚(yáng)程 查化工原理IS型單級(jí)單吸離心泵性能表IS型單級(jí)單吸離心泵型號(hào) IS50-32-125轉(zhuǎn)速n/(r/min) 1450流量m3/s 7.5揚(yáng)程H/m 4.6效率/% 55軸功率kW 0.17電機(jī)功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.5質(zhì)量(泵/底座)/kg 32/38（4） I塔塔釜產(chǎn)品泵液體的體積流量 揚(yáng)程 查化工原理IS型單級(jí)單吸離心泵性能表IS型單級(jí)單

26、吸離心泵型號(hào) IS50-32-125轉(zhuǎn)速n/(r/min) 1450流量m3/s 7.5揚(yáng)程H/m 4.6效率/% 55軸功率kW 0.17電機(jī)功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.5質(zhì)量(泵/底座)/kg 32/38(7) II塔塔釜產(chǎn)品泵體的體積流量 查化工原理IS型單級(jí)單吸離心泵性能表IS型單級(jí)單吸離心泵型號(hào) IS50-32-125轉(zhuǎn)速n/(r/min) 1450流量m3/s 3.75揚(yáng)程H/m 5.4效率/% 43軸功率kW 0.13電機(jī)功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.0質(zhì)量(泵/底座)/kg 32/385管徑計(jì)算與選型（摘自GB8163-88）5

27、.1物料管道的計(jì)算和選型（1） 原料輸送管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：382.5無(wú)縫鋼管（2） 塔的物料管道 I塔塔頂蒸汽出料管設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：1905無(wú)縫鋼管 I塔塔釜出料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：542.5無(wú)縫鋼管 塔進(jìn)料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：382.5無(wú)縫鋼管（3）物料管道II塔釜出料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：322.5無(wú)縫鋼管II塔物料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：322.5無(wú)縫鋼管II塔頂出料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：733無(wú)縫鋼管（4）I塔的冷卻器出料管道設(shè)計(jì)管內(nèi)物質(zhì)的流速：管內(nèi)的體積流量V確定管徑：選型：383無(wú)縫鋼管1國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編.化工設(shè)計(jì)手冊(cè)M.上下冊(cè).2版.北