1、課程名稱學生學號院（系）專業班級時間學生中山火炬職業技術學院大型作業報告（2010/2011學年第二學期）化工原理課程設計0905010114生物醫藥系精細化學品生產技術精化0911月08S-1月15日陳茂陽指導教師：_李曉璐_2011年1月13日中山火炬職業技術學院生物醫藥系前言化工生產中所處理的原料，中間產物，粗產品幾乎都是由若干組分組成的混合物，而且其中大部分都是均相物質。生產中為了滿足儲存，運輸，加工和使用的需求，時常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態的物質.芳香族化合物是化工生產中的重要的原材料，而苯和甲苯是各有其重要作用。苯是化工工業和醫藥工業的重要基本原料，可用來制備染料，樹

2、脂，農藥，合成藥物，合成橡膠，合成纖維和洗滌劑等等；甲苯不僅是有機化工合成的優良溶劑，而且可以合成異氰酸酯，甲酚等化工產品，同時也可以用來制造三硝基甲苯，苯甲酸，對苯二甲酸，防腐劑，染料，泡沫塑料，合成纖維等。精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業得到廣泛應用。精餾過程在能量計的驅動下，使氣，液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各相分揮發度的不同，使揮發組分由液相向氣相轉移，難揮發組分由氣相向液相轉移。實現原料混合物中各組成分離該過程是同時進行傳質傳熱的過程。本次設計任務為設計一定處理量的精餾塔，實現苯甲苯的分離。苯甲苯體系比較容易分離，待處理料液清潔。因

3、此用篩板塔。篩板塔也是很早出現的一種板式塔，20世紀50年代起對篩板塔進行了大量工業規模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設計方法。與泡罩塔相比，篩板塔具有下列優點：生產能力(20%40%)塔板效率(10%50%)而且結構簡單，塔盤造價減少40%左右，安裝，維修都較容易。本課程設計的主要內容是過程的物料衡算，熱量衡算，工藝計算，結構設計和校核。目錄第一節：標題丙烯丙烷板式精餾塔設計第二節：丙烯丙烷板式精餾塔設計任務書第三節：精餾方案簡介第四節：精餾工藝流程草圖及說明第五節：精餾工藝計算及主體設備設計第六節：輔助設備的計算及選型第七節：設計結果一覽表第八節：對本設計的評述第九節：工

4、藝流程簡圖第十節：參考文獻第一節設計題目丙烯丙烷板式精餾塔設計第二節任務書處理量：64kmol/h產品質量：進料65%塔頂產品98%塔底產品2%1、工藝條件：丙烯丙烷飽和液體進料進料丙烯含量65%（摩爾百分數）塔頂丙烯含量98%釜液丙烯含量2%總板效率為0.62、操作條件：塔頂操作壓力1.62MPa（表壓）加熱劑及加熱方法：加熱劑熱水加熱方法間壁換熱冷卻劑：循環冷卻水回流比系數：1.21.41.63、塔板形式：浮閥4、處理量：F=64kml/h5、安裝地點：廣東中山火炬開發區6、塔板設計位置：塔頂第三節精餾方案簡介(1)精餾塔的物料衡算；(2)塔板數的確定：精餾塔的工藝條件及有關物件數據的計算

5、精餾塔的塔體工藝尺寸計算；塔板主要工藝尺寸的計算；塔板的流體力學驗算：塔板負荷性能圖；精餾塔接管尺寸計算；繪制生產工藝流程圖；繪制精餾塔設計條件圖；對設計過程的評述和有關問題的討論。設計方案的確定及工藝流程的說明原料液由泵從原料儲罐中引出，在預熱器中預熱至84C后送入連續板式精餾塔(篩板塔)，塔頂上升蒸汽流采用強制循環式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產品經冷卻至25C后送至產品槽；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣相流，塔釜殘液送至廢熱鍋爐。第四節：精餾工藝流程草圖及說明一、流程方案的選擇1.生產流程方案的確定：原料主要有三個組分：C2。、C3二、C3。，生產方案有兩種：(見下圖A,B

6、)如任務書規定：C2C3=C3iC4iC4二W%5.0073.2020.800.520.48100為按揮發度遞減順序采出，圖（B）為按揮發度遞增順序采出。在基本有機化工生產過程中，按揮發度遞減的順序依次采出餾分的流程較常見。因各組分采出之前只需一次汽化和冷凝，即可得到產品。而圖（B）所示方法中，除最難揮發組分外。其它組分在采出前需經過多次汽化和冷凝才能得到產品，能量（熱量和冷量）消耗大。并且，由于物料的內循環增多，使物料處理量加大，塔徑也相應加大，再沸器、冷凝器的傳熱面積相應加大，設備投資費用大，公用工程消耗增多，故應選用圖（A）所示的是生產方案。2.工藝流程分離法的選擇：在工藝流程方面，主要

7、有深冷分離和常溫加壓分離法。脫乙烷塔，丙烯精制塔采用常溫加壓分離法。因為C2，C3在常壓下沸點較低呈氣態采用加壓精餾沸點可提高，這樣就無須冷凍設備，可使用一般水為冷卻介質，操作比較方便工藝簡單，而且就精餾過程而言,獲得高壓比獲得低溫在設備和能量消耗方面更為經濟一些，但高壓會使釜溫增加，引起重組分的聚合，使烴的相對揮發度降低，分離難度加大。可是深冷分離法需采用制冷劑來得到低溫，采用閉式熱泵流程，將精餾塔和制冷循環結合起來，工藝流程復雜。綜合考濾故選用常溫加壓分離法流程。二、工藝特點：1、2、三、操作特點：脫乙烷塔：根據原料組成及計算:精餾段只設四塊浮伐塔板,塔頂采用分凝器、全回流操作丙烯精制塔：

8、混合物借精餾法進行分離時它的難易程度取決于混合物的沸點差即取決于他們的相對揮發度丙烷丙烯的沸點僅相差56工所以他們的分離很困難，在實際分離中為了能夠用冷卻水來冷凝丙烯的蒸氣經常把C3餾分加壓到20大氣壓下操作，丙烷丙烯相對揮發度幾乎接近于1在這種情況下，至少需要120塊塔板才能達到分離目的。建造這樣多板數的塔，高度在45米以上是很不容易的，因而通常多以兩塔串連應用，以降低塔的高度。1、壓力：采用不凝氣外排來調節塔內壓力，在其他條件不變的情況下，不凝氣排放量越大、塔壓越低：不凝氣排放量越小、塔壓越高。正常情況下壓力調節主要靠調節伐自動調節。2、塔低溫度：恒壓下，塔低溫度是調節產品質量的主要手段，

9、釜溫是釜壓和物料組成決定的，塔低溫度主要靠重沸器加熱汽來控制。當塔低溫度低于規定值時，應加大蒸汽用量以提高釜液的汽化率塔低溫度高于規定值時，操作亦反。四、改革措施：丙烯精制塔頂冷卻器由四臺串聯改為兩臺并聯，且每臺冷卻器設計時采用的材質較好，管束較多，傳熱效果好。五、設想：若本裝置采用DCS控制操作系統，這樣可以使操作者一目了然，可以達到集中管理，分散控制的目的。能夠使信息反饋及時，使裝置平穩操作，提高工作效率。為了降低能耗丙烯塔可以采用空冷。第五節：精餾工藝計算及主體設備設計精餾塔的工藝設計計算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設計計算，塔板的布置，塔板流體力學性能的校核及繪出塔板的性能負荷圖

10、。1物料衡算與操作線方程通過全塔物料衡算，可以求出精餾產品的流量、組成和進料流量、組成之間的關系。物料衡算主要解決以下問題：（1）根據設計任務所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產品的濃度）計算出每小時塔頂、塔底的產量；（2）在加料熱狀態q和回流比R選定后，分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量；（3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程，通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況，塔內各段的上升蒸汽量和下降液體量，為計算理論板數以及塔徑和塔板結構參數提供依據。通常，原料量和產量都以kg/h或噸/年來表示，旦在理想板計算時均須轉換為kmol/h。在設計時，氣液流量又須

11、用m3/s來表示。因此要注意不同的場合應使用不同的流量單位。2、塔物料衡算F=D+WFXf=DXD+WXw則代入數據為64=D+W64*65%=D*98%+W*2%解得D=42.09375kmol/h,W=21.90625kmol/h塔內氣、液相流量精餾段：L=RD,V=L+D提留段：L=L+F,V=V熱量衡算再沸器熱流量：qr=Vrv再沸器加熱蒸氣質量流量：Gr=Qr/rR冷凝器熱流量：Qc=Vrv冷凝器冷卻劑的質量流量：Gc=Qc/Cv(t1-t2)塔板數的計算相對揮發度利用試差法求相對揮發度匚塔頂揮發度底拙利用Antoine方程也丹D=A-計算內烯和內烷的飽和蕉汽壓T+C我3-1Anto

12、ine常數物質ABC丙烯15,70271807.53-26.15丙烷L5.72601B72.46-25.16表壓P=1620kpa，則塔頂絕壓Ptop=1.62+0.101325=1.721325kpaLnPA=15.7027-1807.53/316.1-26.15PA=12948.48mmHg=1726.373kpa同理得PB=10830.29mmHg=1443.921kpaYA=P-PB/(PA-PB)=0.982KA=PA/P=1.0O2933XA=yA/KA=0.982/1.002933=0.977同理得yB=0.02,KB=0.838842,XB=yB/KB=0.024JX=yA/K

13、A+yB/KB=1.0009775y-l=1.000977-l=0.0009776mm滿足E取1的條件取Hw=0.05m，清夜層高度Hl由選取的堰高Hw確定Hl=Hw+How=0.05+0.028=0.078m液流強度Lh/lw=31.5946/1.022=30.91100降液管底隙液體流速u=Ls/lwhb=0.191m/s6000Pa蒸汽速度/m/s12-2030-5050-70(2)回流液管徑DR冷凝器安裝在塔頂時,冷凝液靠重力回流，一般流速為0.20.5m/s,速度太大，則冷凝器的高度也相應增加。用泵回流時，速度可取1.52.5m/s。（3）進料管徑dFF料液由高位槽進塔時，料液流速取

14、0.40.8m/s。由泵輸送時，流速取為1.52.5m/s。（4）釜液排除管徑dWW釜液流出的速度一般取0.51.0m/S。（5）飽和水蒸氣管飽和水蒸氣壓力在295kPa（表壓）以下時，蒸氣在管中流速取為2040m/s；表壓在785kPa以下時，流速取為4060m/s；表壓在2950kPa以上時,流速取為80m/s。加熱蒸氣鼓泡管加熱蒸氣鼓泡管（又叫蒸氣噴出器）若精餾塔采用直接蒸氣加熱時，在塔釜中要裝開孔的蒸氣鼓泡管。使加熱蒸氣能均勻分布與釜液中。其結構為一環式蒸氣管，管子上適當的開一些小孔。當小孔直徑小時，汽泡分布的更均勻。但太小不僅增加阻力損失,而且容易堵塞。其孔直徑一般為510mm孑罷巨

15、為孔徑的510倍。小孔總面積為鼓泡管橫截面積的1.2-1.5倍管內蒸氣速度為2025m/s。加熱蒸氣管距釜中液面的高度至少在0.6m以上，以保證蒸氣與溶液有足夠的接觸時間。離心泵的選擇離心泵的選擇，一般可按下列的方法與步驟進行：（1）確定輸送系統的流量與壓頭液體的輸送量一般為生產任務所規定，如果流量在一定范圍內波動，選泵時應按最大流量考慮。根據輸送系統管路的安排，用柏努利方程計算在最大流量下管路所需的壓頭。（2）選擇泵的類型與型號首先應根據輸送液體的性質和操作條件確定泵的類型然后按已確定的流量Qe和壓頭He從泵的樣本或產品目錄中選出合適的型號。e顯然，選出的泵所提供的流量和壓頭不見得與管路要求

16、的流量Qe和壓頭He完全相符，且考慮到操作條件的變化和備有一定的裕量，所選泵的流量和壓頭可稍大點，但在該條件下對應泵的效率應t匕較高，即點（Qe、He）坐標位置應靠在泵的高效率范圍所對應的H-Q曲線下方。另外，泵的型號選出后，應列出該泵的各種性能參數。（3）核算泵的軸功率若輸送液體的密度大于水的密度時，可按N,QHkW核102耳算泵的軸功率。第六節：輔助設備的計算及選型精餾裝置的主要附屬設備包括蒸氣冷凝器、產品冷凝器、塔底再沸器、原料預熱器、直接蒸汽鼓管、物料輸送管及泵等。前四種設備本質上屬換熱器，并多采用列管式換熱器，管線和泵屬輸送裝置。下面簡要介紹。回流冷凝器按冷凝器與塔的位置，可分為：整

17、體式、自流式和強制循環式。（1）整體式如圖6-1（a）和（b）所示。將冷凝器與精餾塔作成一體。這種布局的優點是上升蒸汽壓降較小，蒸汽分布均勻，缺點是塔頂結構復雜，不便維修，當需用閥門、流量計來調節時，需較大位差，須增大塔頂板與冷凝器間距離，導致塔體過高。該型式常用于減壓精餾或傳熱面較小場合。圖6-1冷凝器的型式（2）自流式如圖6-1（c）所示。將冷凝器裝在塔頂附近的臺架上，靠改變臺架的高度來獲得回流和采出所需的位差。（3）強制循環式如圖6-1（D）（e）所示。當冷凝器換熱面過大時，裝在塔頂附近對造價和維修都是不利的，故將冷凝器裝在離塔頂較遠的低處，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情況下，

18、冷凝器采用臥式，因為臥式的冷凝液膜較薄，故對流傳熱系數較大，且臥式便于安裝和維修。管殼式換熱器的設計與選型管殼式換熱器的設計與選型的核心是計算換熱器的傳熱面積，進而確定換熱器的其它尺寸或選擇換熱器的型號。.1流體流動阻力(壓強降)的計算管程流動阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器,其阻力3,等于各程直管阻力、回彎阻力及進、出口阻力之和。一般情況下進、出口阻力可忽略不計，故管程總阻力的計算式為Ap，(Ap+Ap)FNNi12tsp(6-1)式中p1、Ap2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降,Pa；F結垢校正因數，對25mmx2.5mm的管子取1.4；對19mmx2mm的管

19、子取1.5；Np管程數；N串聯的殼程數。上式中直管壓強降可按第一章中介紹的公式計算；回彎管的壓強降山2由下面的經驗公式估算，即Ap，3些2I2丿(6-2)殼程流動阻力殼程流動阻力的計算公式很多在此介紹埃索法計算殼程壓強降的公式，即Ap，(Ap+ApN012SS(6-3)式中一流體橫過管束的壓強降,Pa；卑流體通過折流板缺口的壓強降，pa；FS殼程壓強降的結垢校正因數；液體可取1.15,氣體可取1.0。Ap，Ffn(N+1)U2o10cB2Ap，N(3.5-2h)U2(6-4)式中F2bD2管子排列方法對壓強降的校正因數，對正三角形排列F=0.5，對轉角三角形為0.4，正方形為0.3；f殼程，流體的摩擦系數；Nc橫過管束中心線的管子數；Nc值可