废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计

1目录一、前言……………...........……………………………………………….....………31.1课题的来源及背景………………………………………………………….31.2课题的意义………………………………………………………………....31.3精馏塔的选择依据………………………………………………………….41.3.1选择填料塔的依据…………………………………………....……….41.3.2选择金属环矩鞍填料的依据……………………….......................…..4二、工艺设计要求…………………………..……………………………......……....52.1进料要求……………………………………………………………………..52.2分离要求……………………………………………………………………..52.3液体分布器设计要求………………………………………………………..52.4接管管径设计要求....………………………………………………………..52.5塔顶冷凝设计要求…………………………………………………………..52.6塔釜再沸器设计要求………………………………………………………..52.7填料层设计要求…....………………………………………………………..5三、工艺过程设计计算………………………………..………………......…………63.1物料衡算……………………………………………………………………..63.1.1原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率……………………………….63.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量………………………….63.1.3物料恒算……………………………………………………………….63.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率………………………………..63.1.5物料恒算表…………………………………………………………….73.2精馏塔设计计算…………………………............................………………..73.2.1操作温度……………………………………………………………….73.2.2塔径计算……………………………………………………………...103.2.2.1计算最小回流比及理论板数……………………….......…...103.2.2.2计算精馏段和提馏段的物性参数……………………..........143.2.2.3采用埃克特通用关联图计算泛点气速及塔径......................163.2.2.4圆整塔径后验算…………………...........…………………...173.2.3塔高计算………………………………...........................................…183.2.3.1填料层高度…………………………................................…..183.2.3.2填料层高度校核…………………................................……..183.2.4压降计算……………………………….......................................……193.2.4.1精馏段填料层压降……………..........................……………193.2.4.2提馏段填料层压降…………………….........................…….193.2.4.3填料层高度和压降汇总……………….......................……...193.2.5液体分布器计算………………………...............................…………193.2.5.1液体分布器的选型………….......................………………...193.2.5.3孔流速计算……………………...............................………...203.2.5.4布液计算………………………..............................………....203.2.5.5布液器设计…………………...............................…………...203.2.6接管管径计算………………………………...................................…203.2.6.1进料管管径的计算…………………...........................……...2023.2.6.2进气管管径的计算………………………………...………..203.2.6.3出气管管径的计算………………………………….......…...213.2.6.4回流管管径的计算………………………………….............213.2.6.5出液管管径的计算……………………………………….....213.2.6.6接管管径计算结果………………………………………......213.3冷凝器与再沸器计算与选型………………………………………………223.3.1冷凝器……………………………………………………...................223.3.1.1冷凝器换热面积计算………………………………………..223.3.1.2冷凝器的选型…………………………………………….....223.3.1.3总传热系数的核算………………………………………......223.3.1.4冷凝水用量计算……………………………………………..223.3.2再沸器…………………………………………………………….......223.3.2.1再沸器换热面积计算………………………………………..223.3.2.2再沸器的选型…………………………………………........233.3.2.3总传热系数的核算…………………………………....…......233.3.2.4再沸量计算………………………………......………..……..23四、问题讨论…………………………………..……………………….....………...244.1理论板和恒摩尔流假定的说明……..……………………….....……..…...244.2回流比的确定………………………..……………………….....…..……...244.3塔径的确定…………………………..……………………….....…..……...244.4填料层高度的确定…………………..……………………….....…..……...244.5精馏塔操作温度的确定……………..……………………….....…..……...244.6再沸器和冷凝器的热量衡算及选型…..…………………….....…..……...24五、填料精馏塔设计条件图………………….…………………..............................25六、废丙酮溶媒回收过程工艺流程图…………………….............................……25附录一附录二3一、前言1.1课题的来源及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，在二次操作中用丙酮来溶解和洗涤粗晶体，再通过结晶和过滤，得到产品盐酸四环素晶体和废丙酮溶媒。在废丙酮溶媒中，丙酮含量颇高，占到75%，而水占25%（质量分数），故可以通过精馏操作来回收丙酮以重复利用。“盐酸四环素”的生产过程如下图所示：1.2课题的意义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，既可以降低盐酸四环素的生产成本，又能使废水排放达到生产要求，达到保护环境、可持续发展的目的。这样做，不但具有很好的经济效益，而且可以获得可观的经济效益和社会效益，可谓是一举多得。因此，将废丙酮回收，降低排放废水中的丙酮含量，是一个很重要的课题。41.3精馏塔的选择依据1.3.1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，塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部主板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。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。而填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动，塔内两相浓度沿塔高连续变化。与板式塔相比，其基本特点是生产能力大，分离效率高，压力降小，持液量小，操作弹性大，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，故而采用填料精馏塔。1.3.2选择金属环矩鞍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。散装填料根据特点不同，又可分为拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料及弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料等。这次设计使用的是金属环矩鞍填料。该填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集中于一体，既减少了填料层内滞液死区，又提高了传质效率，保持了良好的机械强度，故而，金属环矩鞍填料是散装填料中应用较多，性能优良的一种填料。5二、工艺设计要求2.1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10吨（每天按24小时计）。其中原料液的组成为：组分组成（质量%）丙酮75水252.2分离要求产品中水分含量≤0.2%（质量%）残液中丙酮含量≤0.5%（质量%）2.3液体分布器设计要求管式液体分布器液位高度取mm160h小孔孔径取d=3mm孔流系数取C0=0.62.4接管管径设计要求要求气速流量控制在10~15m/s，液体流量控制在0.5~1.0m/s，计算完管径后要圆整为标准管。2.5塔顶冷凝器设计要求冷凝器采用冷却水作为冷流体冷却水进口温度：25℃冷却水温升：6~10℃总传热系数：K=400W/(m2·℃)2.6塔釜再沸器设计要求再沸器采用饱和水蒸气作为加热介质加热蒸汽：0.3MPa饱和水蒸气总传热系数：K=300W/(m2·℃)热损失：20%~30%2.7填料层设计要求填料层分段高度h=8D6三、工艺过程设计计算3.1物料恒算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分率：xF=0.75/58.080.75/58.080.25/18.02≈0.4821xD=0.998/58.080.998/58.080.002/18.02≈0.9936xW=0.005/58.080.005/58.080.995/18.02≈0.00163.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量进料：MF=0.4821×58.08+（1-0.4821）×18.02=37.3329g/mol精馏段：MD=0.9936×58.08+（1-0.9936）×18.02=57.8236g/mol提馏段：MW=0.0016×58.08+（1-0.0016）×18.02=18.0841g/mol3.1.3物料恒算F=310.010/2437.3329=11.1608kmol/h由物料衡算得：F=D+WFxF=DxD+WxW解得：D=5.4060kmol/hW=5.7548kmol/h3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流率310.010416.6667/24Fkgh5.406057.8236312.5944/DDDMkgh5.754818.0841104.0704/WWDMkgh