1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计--化工原理课程设计.docx
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化工原理课程设计
1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计
学院：
化学生物与材料科学学院
专业：
化学工程与工艺
设计人：
二零一六年六月
设计任务
一、设计题目
设计分离丙酮-水混合液的填料精馏塔。
二、设计数据及条件
1、生产能力
年处理丙酮-水混合液：
1200吨（开工率：
300/年）；
2、原料组成
丙酮含量为80%（质量百分率，下同），水含量为20%
3、分离要求
产品中水分含量≤4%（质量分数）
残夜中丙酮含量≤4%（质量分数）
4、设计条件
操作方式：
连续精馏
操作压力：
常压
进料状态：
饱和液体进料
回流比：
R=3.59
塔填料：
500Y金属孔板波纹填料
塔顶冷凝器：
全凝器
三、设计计算内容
1、物料衡算
2、填料精馏塔计算
⑴操作条件的确定⑵塔径的确定⑶填料层高度的确定⑷填料层压降的计算⑸液体分布器设计计算⑹接管管径的计算
3、冷凝器和再沸器的计算与选型
4、填料塔结构图、填料结构图、填料支撑板结构图
摘要
本设计任务是“1200吨丙酮-水连续填料精馏塔设计”。
通过该课程设计，将在抗生素药物生产过程中的产生的废丙酮溶媒进行分离。
对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。
设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。
丙酮常压下的沸点是56.2℃，故可采用常压操作，用30℃的循环水进行冷凝。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。
因所分离的物系的重组分是水，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排出。
丙酮-水物系分离的难易程度适中，气液负荷适中，设计中选用500Y金属孔板波纹填料。
该设计说明书主要内容为：
物料衡算、理论塔板数计算、精馏塔塔体工艺尺寸计算、填料层高度的计算、填料层压降计算、液体分布器分布点密度计算、精馏塔接管尺寸计算。
在抗生素药物生产过程中的产生的废丙酮溶媒中由于含有大量丙酮，不能直接排放到环境中，如果进行丙酮回收，既可以降低生产费用，又能使废水排放达到生产要求。
因此，将废丙酮回收，降低排放废水中的丙酮含量，从而产生社会效益和经济效益，是一个很重要的课题。
设计主要结果：
理论塔塔板数为27，塔径为350mm，填料层分段高度为4m,填料层压降为3.3×10－3MPa,液体分布器布液点数为20。
关键字：
泡点进料;填料精馏塔;孔板波纹;设计计算
目录
1.绪论······································································6
1.1课题背景································································6
1.2.1选择填料塔的依据····················································6
1.2.2选择金属孔板波纹填料的依据··········································6
1.2精馏塔的选择依据························································6
2.设计方案及设计工艺流程确定·················································6
2.1工艺设计要求····························································6
2.1.1进料要求····························································6
2.1.2分离要求····························································7
2.1.3塔顶冷凝器设计要求··················································7
2.1.4液体分布器设计要求··················································7
2.1.5接管管径设计要求····················································7
2.2设计工艺流程····························································7
3.工艺过程设计计算···························································8
3.1填料精馏塔的物料衡算····················································8
3.1.1原料液及塔顶产品、塔釜产品的摩尔分率·································8
3.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量····························8
3.1.3物料恒算····························································9
3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流量·································9
3.1.5物料衡算结果一览表··················································9
3.2填料精馏塔设计计算······················································9
3.2.1操作温度····························································9
3.2.2塔径计算···························································10
3.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算·········································15
3.2.4填料层高度计算·····················································15
3.2.5填料层压降计算·····················································15
4.接管管径计算·······························································16
4.1进料管管径的计算·······················································16
4.2进气管管径的计算·······················································16
4.3出气管管径的计算·······················································16
4.4回流管管径的计算·······················································16
4.5出液管管径的计算·······················································17
4.6接管管径计算结果·······················································17
5.附属设备计算·······························································17
5.1液体分布器简要设计·····················································18
5.1.1液体分布器的选型···················································18
5.1.2孔流速计算·························································18
5.1.3布液计算···························································18
5.1.4分布点密度计算·····················································18
5.2冷凝器的计算与选型·····················································18
5.2.1冷凝器换热面积计算·················································18
5.2.2冷凝器的选型·······················································18
5.2.3总传热系数的核算···················································18
5.2.4冷凝水用量计算·····················································18
6.设计结果一览表·····························································19
7.设计小结···································································20
8.设计心得与体会·····························································21
参考文献·····································································22
1.绪论
1.1课题背景
废丙酮溶媒来自于抗生素类药物“盐酸四环素”的生产过程。
在抗生素类药物生产过程中，需要用丙酮溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废丙酮溶媒，其组成为含丙酮80%，水20%（质量分数）。
废液中由于含有大量丙酮，不能直接排放到环境中，如果进行丙酮回收，既可以降低生产费用，又能使废水排放达到生产要求。
因此，将废丙酮回收，降低排放废水中的丙酮含量，从而产生社会效益和经济效益，是一个很重要的课题。
1.2精馏塔的选择依据
1.2.1选择填料塔的依据
塔设备按其结构形式基本上可以分为两类：
板式塔和填料塔。
板式塔为逐板接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、压降低，操作弹性大，持液量小等优点。
同时也有投资费用较高，填料易堵塞等缺点。
填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。
过去，填料塔多推荐用于0.6-0.7m以下的塔径。
近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。
本设计目的是分离丙酮-水混合液，采用填料精馏塔。
1.2.2选择金属孔板波纹填料的依据
塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，填料塔的选择是填料塔设计的重要环节。
填料类型有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
规整填料根据特点不同，又可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。
这次设计使用的是金属孔板波纹填料。
2.设计方案及设计工艺流程确定
2.1工艺设计要求
2.1.1进料要求
进料采用饱和液体进料，废丙酮溶媒的处理量为每天4.15吨（每天按24小时计）。
其中原料液的组成为：
丙酮：
80%水：
20%
2.1.2分离要求
产品中水分含量≤4%
釡液中丙酮含量≤4%
2.1.3塔顶冷凝器设计要求
冷凝器采用冷水冷却作为冷流体，冷却水进口温度30℃，冷却水温升8~10℃，总传热系数600W/（m·℃）
2.1.4液体分布器设计要求
要求选用管式液体分布器.孔流速计算的系数为0.6,再分布器设计同液体分布器设计要求相同。
2.1.5接管管径设计要求
管径后要圆整为标准管。
2.2设计工艺流程
3.工艺过程设计计算
3.1精馏塔的物料衡算
3.1.1原料液及塔顶产品、塔釜产品的摩尔分率
丙酮的摩尔质量MA=58.03kg/kmol
水的摩尔质量MB=18.02kg/kmol
xF=0.8058.030.8053.03+0.2018.02=0.554
xD=0.9658.030.9658.03+0.0418.02=0.882
xW=0.0458.030.0458.03+（0.9618.02）=0.0127
3.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量
进料：
MF=0.554×58.03＋（1－0.553）×18.02=40.20kg/kmol
精馏段：
MD=0.882×58.03＋（1－0.882）×18.02=53.309kg/kmol
提馏段：
MW=0.0123×58.03＋（1-0.0123）×18.02=18.512kg/kmol
3.1.3物料恒算
废丙酮溶媒的处理量为1200吨/年，每年按300个工作日计算。
原料处理量F=1200000300×24×40.20=4.15kmol/h
总物料衡算4.15=D+W
丙酮物料衡算4.15×0.554=0.882D+0.0123W
联立解得D=2.585kmol/h
W=1.565kmol/h
3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流量
ωF=1200×1000300×24=166.67kg/h
ωD=D×MD=2.601×53.547=139.276kg/h
ωw=W×MW=1.549×18.06=27.973kg/h
3.1.5物料衡算结果一览表
表1.物料衡算表
流股
摩尔流量kmol/h
质量流量kg/h
丙酮质量分数
水质量分数
丙酮摩尔分数
水摩尔分数
F
4.15
166.67
0.80
0.20
0.554
0.446
D
2.585
139.276
0.96
0.04
0.882
0.118
W
1.565
27.973
0.04
0.96
0.0127
0.9873
3.2精馏塔设计计算
3.2.1操作温度
根据安托尼方程：
查阅手册得到相关数据
制得下图
t-x（y）
图1.时间与气（液）相关系图
由图1.可知tD=56.12℃,tw=89℃,tF=60℃
3.2.2塔径计算
3.2.2.1计算最小回流比及理论板数
查阅相关书籍[3]可得：
全塔平均相对挥发度为αm=1.5；
精馏段平均相对挥发度为αm'=1.62
表2.常压下丙酮-水气液平衡数据
丙酮摩尔分数
气相y
丙酮摩尔分数
液相x
丙酮摩尔分数
气相y
丙酮摩尔分数
液相x
0.0000
0.0000
0.8000
0.1965
0.0500
0.0087
0.8200
0.3554
0.1000
0.0094
0.8400
0.5012
0.1500
0.0124
0.8600
0.7012
0.2000
0.0136
0.8800
0.7652
0.2500
0.0178
0.9000
0.8215
0.3000
0.0187
0.9100
0.8526
0.3500
0.0200
0.9200
0.8785
0.4000
0.0212
0.9300
0.9011
0.4500
0.0293
0.9400
0.9163
0.5000
0.0324
0.9500
0.9321
0.5500
0.0378
0.9600
0.9483
0.6000
0.0501
0.9700
0.9602
0.6500
0.0693
0.9800
0.9730
0.7000
0.0894
0.9900
0.9855
0.7500
0.1275
1.0000
1.0000
0.0000
0.0000
0.8000
0.1965
由表2数据绘制的常压下丙酮-水气液平衡曲线，见下图：
图2.丙酮-水气液相平衡线
由于泡点进料可得：
xq=xF=0.554将其代入气液平衡方程
得：
yq=αxF1+（α-1）xF=0.650
最小回流比：
Rmin=xD-yqyq-xq=2.392
取R=1.5Rmin
得操作回流比：
R=3.59
N-NminN+1
R-RminR+1
图3.吉利兰图像
利用吉利兰图，求解全塔理论板数
当R-RminR+1=0.261时
N-NminN+2≈0.45
（1）
其中Nmin+1=logxD1-xD1-xWxWlogαm=16
（2）
Nmin=15
联立
（1）
（2）式，解得N=26.43取Nτ=27
精馏段理论板数
Nmin'+1=logxD1-xD1-xFxFlogαm'=3.729
Nmin'=2.729≈3
N'-Nmin'N'+2≈0.45
解得：
N'=6.78取Nτ'=7
表3.填料塔塔板数汇总表
理论塔板数
精馏段塔板数
提镏段塔板数
27
7
20
第8块为加料板
3.2.2.2计算精馏段和提馏段的物性参数
表4.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的密度表（kg/m3）
tD=56.12℃
tw=89℃
tF=60℃
水气相（V）
0.2214
0.1154
0.5956
水液相（l）
976.17
984.57
958.47
丙酮液相（l）
729.1
748.1
695.4
表5.丙酮和水在塔顶和塔底条件下的黏度数据表（mPa.s）
tD=56.12℃
tw=89℃
tF=60℃
水
0.3913
0.4891
0.2841
丙酮
0.2367
0.2106
0.1757
3.2.2.3精馏段塔径计算
精馏段塔径按第一块板的数据近似计算。
将y1=xD=0.882代入气液平衡方程
得：
y1=αx11+α-1x1=0.882x1=0.918
L1D=RL1=9.336kmol/h
V1y1=L1+DxDV1=11.469kmol/h
液相平均摩尔质量为：
MV1=y1×58.03+1-y1×18.02=54.749kmol/h
气象平均摩尔质量为：
ML1=x1×58.03+1-x1×18.02=53.309kmol/h
液相质量流量为：
WL=L1×ML1=9.336×53.309=494.708kg/h
气象质量流量为：
WV=V1×MV1=11.469×54.749=624.139kg/h
气相密度：
ρv1=Mv122.4×Pv1P0×T0T=54.74922.4×273.15273.15+56.12=2.007kgm3
液相密度：
ρL1=771.714kg/m3
液相粘度：
则：
查波纹填料的最大负荷因子图可知：
CS,max=0.078
CS=0.8CS,max=0.062
214m/s
.
1
2
1
1
=
=
-
v
l
v
s
C
u
r
r
r
302m
.
0
4
=
=
u
V
D
s
p
3.2.2.4提馏段塔径计算
提馏段塔径按进料板的数据近似计算，计算方法同精馏段。
提馏段相关数据：
WL＇=506.966kg/h
Wv＇=497.135kg/h
Ψ＇=0.044
Cs,max＇=0.075
Cs＇=0.060
u＇=1.383m/s
Vs＇=0.086
D=0.281m
比较精馏段与提馏段计算结果，二者基本相同，圆整塔径取D=350mm
3.2.3液体喷淋密度及空塔气速核算
精馏段液体喷淋密度为：
精馏段空塔气速为：
提馏段液体喷淋密度：
提馏段空塔气速为：
3.2.4填料层高度计算
填料层高度计算采用理论板当量高度法。
对500Y金属孔板波纹填料，查金属孔板波纹填料的性能参数表可得，每米填料理论板数为4-4.5块，取nt=4。
则：
HETP=1/nt=0.25m
由Z=NT×HETP，精馏段填料层高度为：
Z精=7×0.25=1，75m
Z‘精=1.75×1.25=2.188m
提馏段填料层高度为：
Z提=20×0.25=5m
Z’提=5×1.25=6.25m
设计取精馏段填料层高度为2.188m，提馏段填料层高度为6.25m
根据式（5-54），取填料层的分段高度为：
h=16×HETP=16×0.25=4m
3.2.5填料层压降计算
对500Y金属孔板波纹填料，查金属孔板波纹填料的性能参数表可得每米填料层压降为
精馏段填料层压降为：
提馏段填料层压降为：
填料层总压降为：
4.接管管径计算
4.1进料管管径的计算
取液体流速为0.8m/s
圆整后直径取20mm
4.2进气管管径的计算
取气体流速为
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