化工原理优秀课程设计.docx
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1、化工过程和设备课程设计I丙烯-丙烷精馏装置及其辅助设备设计班 级:化工1402学 生 姓 名:张雪林学 号:41053指 导 教 师:全部健 姜晓滨 张磊完 成 日 期:7月1日大连理工大学Dalian University of Technology前 言化工原理课程是化学化工专业学生专业基础课程,作为化工专业出身学生,学好化工原理相关知识对以后从事化工专业相关工作及深入深造科研全部有着很关键意义。经过十二个月化工原理基础知识学习,我们已经基础了解了化工原理在化工生产中关键应用,同时也基础掌握了最基础化工过程计算方法和设计原理。本设计说明书关键包含概述、方案步骤介绍、精馏塔设计、再沸器设计、
2、辅助设备设计、管路设计、控制方案和经济核实等部分,对丙烯-丙烷精馏装置进行了具体分析设计计算和校核,对于再沸器、辅助设备和管路设计也做了具体设计说明和校对。经过此次化工原理课程设计,完成了对丙烯-丙烷精馏装置设计和计算,此次课程设计既是对化工原理课程学习一个总结,充足利用所学理论知识,也为以后从事化工相关行业工作打下良好基础,在加深对所学知识认识和了解同时,也将所学知识应用到实际化工生产设备设计计算之中,锻炼了将理论应用于实际和理论联络实际能力,相信课程设计在以后学习、工作中全部会起到良好作用。鉴于设计者经验和水平有限,本设计说明书中还存在很多问题和不足,期望老师给指导和帮助。目 录1 丙烯丙
3、烷精馏过程工艺及设备概述精馏是分离液体混合物(含可液化气体混合物)最常见一个单元操作,在化工、炼油、石化等工业中得到广泛应用。精馏过程是在能量分离剂驱动下(有时外加质量分离剂),利用液相混合物中各组分挥发度不一样,使气、液两相数次直接接触和分离,在此过程中易挥发组分由液相向气相转移,难挥发组分由气相向液相转移,实现原料混合液中各组分分离。该过程是同时传热、传质过程。为实现精馏过程,必需为该过程提供物流贮存、输送、传热、分离、控制等设备、仪表。由这些设备仪表等组成精馏过程生产系统称为精馏装置。1.1 设计目标和意义此次设计是为了确定一套年处理量为5105 kmol丙烯丙烷精馏装置设备尺寸及性能参
4、数,以取得较大生产能力及较高生产效率,并尽可能节省能源,降低污染并得到较高经济效益。1.2 方案确实定和论证1.2.1 精馏塔介绍精馏塔是精馏装置关键设备,气、液两相在塔内多级接触进行传质、传热,实现混合物分离,为确保精馏过程能稳定、高效地操作,适宜塔型及合理设计是十分关键。精馏塔是一圆形筒体,塔内装有多层塔板或填料,塔中部适宜位置设有进料板。两相在塔板上相互接触时,液相被加热,液相中易挥发组分向气相中转移;气相被部分冷凝,气相中难挥发组分向液相中转移,从而使混合物中组分得到高程度分离。根据塔内件结构,塔设备可分为板式塔和填料塔两大类。在板式塔中,塔内装有一定数量塔盘,气体以鼓泡或喷射形式穿过
5、塔盘上液层使两相亲密接触,进行传质。两相组分浓度沿塔高呈阶梯式改变。在填料塔中,塔内装填一定段数和一定高度填料层,液体沿填料表面呈膜状向下流动,作为连续相气体自下而上流动,和液体逆流传质。两相组分浓度沿塔高呈连续改变。本设计选择是板式塔。和填料塔相比较,在塔效率上,板式塔效率稳定;在液气比方面,板式塔适应范围较达,而填料塔则对液体喷淋量有一定要求;在安装维修方面,板式塔相对比较轻易进行;因为所设计塔径较大,所以在造价上,板式塔比填料塔更经济部分;而且,板式塔重量较轻。所以,在此次设计中,设计者选择了板式塔。表1.1 板式塔和填料塔性能比较项目板式塔填料塔压力降大小,适于要求压力降小场所空塔气速
6、小大塔效率稳定,大塔比小塔有所提升塔径在1400mm以下效率较高;塔径增大,效率常会下降液气比适应范围较大对液体喷淋量有一定要求持液量较大较小安装维修较轻易较困难造价直径大时通常比填料塔低直径小于800mm,通常比板式塔廉价;直径增大,造价显著增加重量较轻重材质要求通常见金属材料制作可用非金属耐腐蚀材料1.2.2 常见塔板类型比较(1)筛板塔板:突出优点是结构简单、造价低、塔板阻力小,但过去认为它很轻易漏液、操作弹性小,且易堵塞,应用不广。经过长久研究发觉,只要设计合理和操作合适,筛板仍能满足生产上所要求操作弹性,而且效率较高。现在已成为应用日趋广泛一个塔板。(2)泡罩塔板:在气液负荷有较大变
7、动时也可操作,且含有较高塔板效率,操作弹性较大,不易堵塞,对物料适应性强,长久以来应用较广。但泡罩塔板生产能力不大,结构过于复杂,不仅制造成本高,且塔板阻力大,液面落差也大,近些年来在很多场所已逐步为其它型式塔板所替换。(3)浮阀塔板:浮阀塔板是综合了泡罩和筛板优点研制出来。这种塔操作弹性大,阻力比泡罩塔板大为降低,其生产能力大于泡罩塔板。另外,这种塔板效率高。关键缺点是浮阀使用久后,因为频繁活动而易脱落或被卡住,操作失常。常见浮阀有F1和V4型两种,后者用于减压塔。在众多类型板式塔中,设计者选择了单溢流型浮阀塔板板式塔,相比较其它类型板式塔,浮阀塔板因为其开度可依据气体经过阀孔气速自动调整,
8、所以能够保持较低操作气速而不发生严重漏液,在较高气速下不产生过大气流阻力,所以采取浮阀塔板板式塔操作弹性大,生产能力大,塔板效率高。总而言之,设计者选择其作为分离设备原因。1.2.3 操作回流比精馏塔在开车时原料由进料板加入,或有开车前将料液直接加入釜中。当釜中料液达成合适液位时,再沸器开始加热,使液体部分汽化返回塔内。塔底气相沿塔上升至塔顶,再由塔顶冷凝器将其全部冷凝。开车初始阶段将凝液全部返回塔顶做回流液,即全回流。塔顶回流液沿塔下降,在下降过程中和塔底上升蒸汽数次逆向接触和分离。只要塔板数足够多,塔顶液相回流量足够大,在塔顶即可取得所要求纯度易挥发组分产品。塔底上升蒸汽和塔顶液体回流是精
9、馏过程连续进行必需条件。回流是精馏和一般蒸馏本质区分。精馏过程回流比是一个关键设计和操作参数,直接关系到设备投资和操作费用大小。当其它条件不变时,增大回流比加入再沸器和移出冷凝器热流量均随之增加,使设备费用和操作费用增加。因回流比R增大,使精馏段操作线斜率增大而远离平衡线,每块板分离能力提升,使得完成相同分离要求所需理论板数NT降低,精馏塔高度随之降低。不过因为回流比R增大,使塔内气、液相流量增大,引发辅助设备尺寸增大,塔径变大和塔板结构改变,从而影响到设备投资费用。由此可见,操作回流比改变对精馏装置生产成本影响是双重,故在设计时存在操作回流比优选问题。适宜回流比指操作费用和设备费用之和最小时
10、对应回流比,需进过衡算来决定,其正确值通常较难确定。初步设计时可取经验数据,工程设计通常取1.22.0倍最小回流比。本设计中,设计者选择操作回流比为最小回流比1.4倍。1.2.4 压力选择精馏塔设计和操作全部是基于一定塔压下进行,所以通常精馏塔总是首先要保持操作压力恒定。塔压改变对塔操作将产生以下影响:影响产品质量和物料平衡。 改变操作压力,会改变组分间相对挥发度,将使每块板上气液平衡组成发生改变。压力增加,组分间相对挥发度降低,分离效率下降,反之亦然。另外,操作压力对精馏塔所用热源及冷剂品味影响较大,而低温冷剂较难获取,其成本常高于热源成本,所以应尽可能避免使用高端冷剂。通常选择常压操作。假
11、如常压操作时,塔顶蒸汽露点低于常温,则应合适提升塔操作压力,使塔顶蒸汽露点升至常温以上,采取冷却水就能将塔顶蒸汽全部冷凝,此压力即适宜操作压力。不过,压力提得过高,将造成设备投资过大,所以应权衡操作费用和设备投资,选择一个适宜操作压力。然而,有时为了实现蒸馏在系统中能量集成,需依据热源用户所需温位,经过严格模拟计算,来确定该塔顶蒸汽提至所需温位时对应操作压力。本设计中常压下丙烯丙烷需低温冷冻方可实现精馏操作。为避免使用高端冷剂,设计者选择塔顶压力1.62MPa(表压)加压条件进行设计。1.2.5 再沸器再沸器作用是将塔底液体部分汽化后送回精馏塔,使塔内气液两相间接触传质得以进行。再沸器多和精馏
12、塔适用,再沸器是一个能够交换热量,同时有汽化空间一个特殊换热器,从塔底线提供液相进入到再沸器中。通常再沸器中部分液相被汽化。形成两相流被送回到塔中:气相组分向上经过塔盘、液相组分回塔底。 再沸器可分为立式和卧式两种,而立式又包含热虹吸式和强制循环式两种,卧式分为热虹吸式、强制循环式、釜式再沸器、内置式再沸器四种。此次设计采取立式热虹吸式再沸器是一垂直放置管壳式换热器。液体在自下而上经过换热器管程时部分汽化,由在壳程内载热体供热,它含有以下多个特点:将釜液和换热器传热管中气液混合物密度差作为循环推进力,使得釜液在精馏塔底和再沸器间流动循环;能得到很高传热系数;结构紧凑、配管简单、占地面积小;在加
13、热区内停留时间短,不易结垢,调整轻易,设备及运行费用低。因为壳程不能机械清洗,造成修理和维修难度增加,不宜高粘度、或脏传热介质;塔釜提供气液分离空间和缓冲区。立式热虹吸再沸器仅在循环量大时相当于一块理论板。同时因为是立式安装,所以增加了精馏塔裙座高度。丙烯丙烷装置再沸器热源可采取热水或热蒸汽,而因为蒸汽其相对轻易生产、输送、控制,而且含有较高冷凝潜热和较大表面传热系数。所以,本设计采取是1 atm,100 下饱和水蒸气。1.2.6 冷凝器用以将塔顶蒸汽冷凝成液体,部分冷凝液作塔顶产品,其它作回流液返回塔顶,使塔内气液两相间接触传质得以进行,最常见冷凝器是管壳式换热器。本设计用循环水作为冷却剂。
14、2 方案步骤2.1 精馏装置步骤精馏就是经过多级蒸馏,使混合气液两相经数次混合接触和分离,并进行质量和热量传输,使混合物中组分达成高程度分离,进而得到高纯度产品。步骤以下:原料(丙烯和丙烷混合液体)经进料管由精馏塔中某一位置(进料板处)流入塔内,开始精馏操作;当釜中料液建立起合适液位时,再沸器进行加热,使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶,由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸气凝液部分作为塔顶产品取出,称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下,在下降过程中和来自塔底上升蒸气数次逆向接触和分离。当流至塔底时,被再沸器加热部分汽化,其气相返回塔内作为气相回流,而
15、其液相则作为塔底产品采出。2.2 工艺步骤2.2.1 物料储存和运输精馏过程必需在合适位置设置一定数量不一样容积原料储罐、泵和多种换热器,以临时储存,运输和预热(或冷却)所用原料,从而确保装置能连续稳定运行。2.2.2 必需检测手段为了方便处理操作中问题,需在步骤中合适位置设置必需仪表,以立即获取压力、温度等各项参数。另外,常在特定地方设置人孔和手孔,方便定时检测维修。2.2.3 调整装置因为实际生产中各状态参数全部不是定值,应在合适位置放置一定数量阀门进行调整,以确保达成生产要求,可设双调整,即自动和手动两种调整方法并存,且随时进行切换。2.3 设备选择精馏塔选择浮阀塔,配以立式热虹吸式再沸
16、器。2.4 具体工艺步骤由泵P-101A/B将要分离丙烯丙烷混合物从原料罐V-101引出,送入精馏塔T-101中。T-101塔所需热量由再沸器E-103加入,驱动精馏过程后,其热量由冷凝器E-102从塔顶移出,使塔顶蒸汽全部冷凝,凝液存入回流罐V-102。凝液一部分经回流泵P-103A/B一部分送至T-101塔顶作为回流,余下部分作为产品送入丙烯产品罐V-103中。T-101塔排出釜液,由泵P-102A/B送入丙烷产品罐V-104中。另外,还应备一残液罐V-105,方便搜集不合格产品和停车时搜集装置内全部滞留物料,以待检测设备。3 精馏塔工艺设计3.1 精馏过程工艺步骤1. 分离序列选择对于双
17、组分精馏或仅采取单塔对多组分混合物进行初分步骤较为简单。假如将三个或三个以上组分混合物完全分离,其步骤是多方案。怎样选择分离序列通常有经验规则,如有序直观推断法来指导选择。(详见相关参考书)。2. 能量利用精馏过程是热能驱动过程,过程能耗在整个生产耗能中占有相当大比重,而产品单位能耗是考评产品关键指标,直接影响产品竞争能力及企业生存,故合理、有效地利用能量,降低精馏过程或生产系统能耗量是十分必需。(1)精馏操作参数优化在确保分离要求和生产能力条件下,经过优化操作参数,以减小回流比,降低能耗。(2)精馏系统能量集成着眼于整个系统有效能利用情况,尽可能降低有效能浪费,根据一定规则(如夹点技术理论)
18、,实现能量匹配和集成。3. 辅助设备4. 系统控制方案3.2 设计条件1. 工艺条件:饱和液体进料,进料丙烯含量xf65(摩尔百分数),处理量为60kmol/h塔顶丙烯含量xD98,釜液丙烯含量xw2,总板效率为0.6。2. 操作条件:(1)塔顶操作压力:P=1.62MPa(表压)(2)加热剂及加热方法:加热剂 饱和水蒸气 加热方法间壁换热(3)冷却剂及冷却方法:冷却剂循环冷却水 冷却方法间壁换热(4)回流比系数:R/Rmin=1.43. 塔板形式:筛板4. 处理量:qnF=60kmol/h5. 塔板设计位置:塔顶6. 安装地点:大连3.3 系统物料衡算和热量衡算3.3.1 物料衡算系统总物料
19、衡算 (3.1)轻组分物料衡算 (3.2)带入数值,得: ; 对应质量流量为:qmF = qnFMF = 60.0(0.6542+0.3544)=2562.0 kg/h (3.3)qmD= qnDMD = 39.38(0.9842+0.0244)=1655.5kg/h (3.4)qmW = qnWMW = 20.62(0.0242+0.9844)=906.5kg/h (3.5)式中 进料摩尔流量(kmol/h)、质量流量(kg/h)及摩尔分数; 塔顶产品摩尔流量(kmol/h)、质量流量(kg/h)及摩尔分数; 塔底产品摩尔流量(kmol/h)、质量流量(kg/h)及摩尔分数;3.3.2 热量
20、衡算塔底再沸器热流量 塔底再沸器加热蒸汽质量流量 塔顶冷凝器热流量 塔顶冷凝器冷剂质量流量 3.4 精馏塔塔板数确实定3.4.1 塔顶、釜温度确定(1)塔顶、釜温度确实定塔顶温度塔顶压力,依据分离要求塔顶组分中丙烯含量98%,能够以纯丙烯进行估算,查饱和丙烯蒸气压表得:。假设塔顶温度为43,查PTK图得:,因为,所以能够认为塔顶温度为43。塔釜温度假设塔釜温度;精馏塔理论塔板数为108(不含釜),则精馏塔实际塔板数为180。若令每块板压降均为为100mm液柱;液柱密度能够由塔顶液体密度近似替换,又因为塔顶丙烯含量为98%,所以能够由纯丙烯密度替换,查得,条件下丙烯密度为。则塔底压力:查饱和丙烷
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