天津大学化工原理课程设计废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计打印版

天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告1《化工原理》课程设计报告废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计学院天津大学化工学院专业分子科学与工程班级1班学号姓名指导教师吴松海天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告2《化工传质与分离过程》课程设计任务书一、设计题目废丙酮溶媒回收过程填料精馏塔设计本设计项目是根据生产实际情况提出的二、设计任务及条件1、原料液组成组分组成（质量%）丙酮75水252、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%）3、处理能力废丙酮溶媒处理量______9_____吨/天（每天按24小时计）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：根据设计经验自行确定塔填料：金属环矩鞍填料，填料规格自选三、设计计算内容1、物料衡算2、填料精馏塔计算1）操作条件的确定2）塔径计算3）填料层高度计算4）填料层压降计算5）液体分布器设计计算6）接管管径的计算3、冷凝器和再沸器的计算与选型4、填料精馏塔设计条件图5、废丙酮溶媒回收过程工艺流程图天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告3目录一、前言……………………………………………………………………………………………51.1课题的来源………………………………………………………………………………51.2课题的意义………………………………………………………………………………51.3精馏塔的选择……………………………………………………………………………61.3.1塔设备的选择………………………………………………………………………61.3.2填料的选择…………………………………………………………………………6二、工艺设计要求…………………………………………………………………………………72.1进料要求…………………………………………………………………………………72.2分离要求…………………………………………………………………………………72.3液体分布器设计要求……………………………………………………………………72.4接管管径设计要求………………………………………………………………………72.5塔顶冷凝设计要求………………………………………………………………………72.6塔釜再沸器设计要求……………………………………………………………………72.7填料层设计要求…………………………………………………………………………7三、工艺过程设计计算……………………………………………………………………………83.1物料衡算…………………………………………………………………………………83.1.1原料液及塔顶、塔釜产品的摩尔分率……………………………………………83.1.2原料液及塔顶、塔釜产品的平均摩尔质量………………………………………83.1.3物料恒算……………………………………………………………………………83.1.4原料液及塔顶、塔釜产品的质量流率……………………………………………83.1.5物料恒算表…………………………………………………………………………93.2精馏塔设计计算…………………………………………………………………………93.2.1操作温度……………………………………………………………………………93.2.2塔径计算…………………………………………………………………………113.2.2.1计算最小回流比及理论板数………………………………………………113.2.2.2计算精馏段和提馏段的物性参数…………………………………………153.2.2.3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…………………………………………………………………………193.2.3.1填料层高度…………………………………………………………………193.2.3.2填料层高度校核……………………………………………………………193.2.4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…………………………………………………………203.2.4.3填料层高度和压降汇总……………………………………………………203.2.5液体分布器计算…………………………………………………………………203.2.5.1液体分布器的选型…………………………………………………………203.2.5.2孔流速计算…………………………………………………………………203.2.5.3布液计算……………………………………………………………………20天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告43.2.5.4布液器设计……………………………………………………………………213.2.6接管管径计算………………………………………………………………………213.2.6.1进料管管径的计算……………………………………………………………213.2.6.2进气管管径的计算……………………………………………………………213.2.6.3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……………………………………………………………223.3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………………………………………………………………233.3.2再沸器………………………………………………………………………………233.3.2.1再沸器换热面积计算…………………………………………………………233.3.2.2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、问题与体会…………………………………………………………………………………244.1遇到问题的解决…………………………………………………………………………244.2个人体会…………………………………………………………………………………24五、生产工艺流程图………………………………………………………………………………24六、填料精馏塔设计条件图………………………………………………………………………24附录一附录二附录三天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告5一、前言1.1课题的来源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，需要用丙酮来溶解和洗涤粗晶体，洗涤过滤后产生废丙酮溶媒，其组成为含丙酮75%，水25%（质量分数），丙酮含量颇高，故可通过精馏过程回收丙酮。盐酸四环素生产流程如下：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，用精馏的方法进行丙酮回收，既可以降低生产成本，又能减少环境污染，从而产生社会效益和经济效益。天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告61.3精馏塔的选择1.3.1塔设备的选择塔设备按其塔内气液接触构件的结构形式基本上可以分为两类：板式塔和填料塔。板式塔为逐级接触式汽液传质设备，而填料塔为微分接触式汽液传质设备。板式塔和填料塔的选择主要依据以下几个方面：(1)生产能力。由于板式塔和填料塔的液体流动和传质机理不同，单位塔截面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。(2)分离效率。一般情况下，填料塔每米的理论级数大于板式塔，所以填料塔具有较高的分离效率。(3)压力降。填料塔由于空隙率高，压降远远小于板式塔，节约能耗，有利于热敏性物质分离。(4)操作弹性。填料塔的操作弹性主要取决于液体分布器的设计。(5)结构，制造及造价等。填料塔较板式塔结构简单，易修理，造价也低。因此，综合考虑本设计目的是分离丙酮-水混合液，采用填料精馏塔。1.3.2填料的选择填料类型有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料又称乱堆填料，根据特点不同，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。环矩鞍填料是兼顾环形与鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般由金属材质制成，又称金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料与鞍形填料的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环填料和阶梯环填料，是工业应用最为普遍的一种散装填料。天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告7二、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9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160mmH小孔孔径取3mmd孔流系数取0.62.4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8-10℃，总传热系数600W/(m2·℃)2.6塔釜再沸器设计要求再沸器采用0.3MPa的饱和水蒸气为加热介质来使塔釜釜液汽化，同时蒸汽冷凝放出汽化热，总传热系数400W/(m2·℃)，热损失为20%~30%2.7填料层设计要求填料层分段高度h=8D天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告8三、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：0.75/58.08=0.48210.75/58.080.25/18.02Fx0.998/58.08=0.99360.998/58.080.002/18.02Dx0.005/58.080.00160.005/58.080.995/18.02Wx3.1.2原料液及塔顶产品、塔釜产品的平均摩尔质量进料：0.482158.0810.482118.0237.33g/molFM精馏段：0.993658.0810.993618.0257.82g/molDM提馏段：0.001658.0810.001618.0218.08g/molWM3.1.3物料恒算391010.05kmol/h2437.33F由物料恒算得：FDWFDWFDWxxx解得：4.868kmol/hD5.182kmol/hW3.1.4原料液及塔顶产品、塔釜产品的质量流率3910375kg/h24F4.86857.82281.5kg/hDDDM5.18218.0893.69kg/h3.1.5物料衡算表天津大学2010级本科生《化工原理》课程设计报告9表1.物料衡算表流股流量质量分数摩尔分数kg/hkmol/h丙酮水丙酮水F375.010.050.750.250.48210.5179D281.54.8680.9980.0020.99360.0064W93.695.1820.0050.9950.00160.99843.2精馏塔设计计算3.2.1操作温度A.塔顶