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1、化工过程与设备课程设计 I丙烯-丙烷精馏装置及其辅助设备的设计班 级：化 工 1402学 生 姓 名：学 号：指 导 教 师：完 成 日 期：2 017年 7 月 1 日大连理工大学Dalian University of Technology丙烯-丙烷精馏装置前 言化工原理课程是化学化工专业学生的专业基础课程，作为化工专业出身的学生，学好化工原理相关知识对今后从事化工专业相关工作及进一步深造科研都有着非常重要的意义。经过一年化工原理基础知识的学习，我们已经基本了解了化工原理在化工生产中的重要应用，同时也基本掌握了最基础的化工过程计算方法和设计原理。本设计说明书主要包括概述、方案流程简介、精馏
2、塔设计、再沸器设计、辅助设备设计、管路设计、控制方案和经济核算等部分，对丙烯-丙烷精馏装置进行了详细的分析设计计算和校核，对于再沸器、辅助设备和管路的设计也做了详细的设计说明和校对。通过本次化工原理课程设计，完成了对丙烯-丙烷精馏装置的设计和计算，本次课程设计既是对化工原理课程学习的一个总结，充分利用所学的理论知识，也为今后从事化工相关行业工作打下良好的基础，在加深对所学知识的认识和理解的同时，也将所学的知识应用到实际化工生产设备的设计计算之中，锻炼了将理论应用于实际和理论联系实际的能力，相信课程设计在以后的学习、工作中都会起到良好的作用。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
3、和不足，希望老师给予指导和帮助。丙烯-丙烷精馏装置目 录丙烯-丙烷精馏装置1 丙烯丙烷精馏过程工艺及设备概述精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，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同，使气、液两相多次直接接触和分离，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的分离。该过程是同时传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。由这些设备仪表等构成的精馏过程生产系统称为精馏装置。1.1
4、设计的目的和意义本次设计是为了确定一套年处理量为 5105 kmol 的丙烯丙烷精馏装置的设备尺寸及性能参数，以获得较大的生产能力及较高的生产效率，并尽量节约能源，减少污染并得到较高的经济效益。1.2 方案的确定和论证1.2.1 精馏塔简介精馏塔是精馏装置的核心设备，气、液两相在塔内多级接触进行传质、传热，实现混合物的分离，为保证精馏过程能稳定、高效地操作，适宜的塔型及合理的设计是十分关键的。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，从而使混合物中的组分得
5、到高程度的分离。按照塔的内件结构，塔设备可分为板式塔和填料塔两大类。在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。本设计选取的是板式塔。与填料塔相比较，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，板式塔相对比较容易进行；由于所设计的塔径较大，所以在造价上，板式塔比填料塔更经济一些；而且，
6、板式塔的重量较轻。所以，在本次设计中，设计者选择了板式塔。丙烯-丙烷精馏装置表 1.1 板式塔和填料塔的性能比较项目 板式塔 填料塔压力降 大 小，适于要求压力降小的场合空塔气速 小 大塔效率 稳定，大塔比小塔有所提高塔径在 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 较容易 较困难造价 直径大时一般比填料塔低直径小于 800mm,一般比板式塔便宜；直径增大，造价显著增加重量 较轻 重材质要求 一般用金属材料制作 可用非金属耐腐蚀材料1.2.2 常用塔板类型的比较（1）筛板塔板：突出优点是结构简单、造价低、塔板阻力小
7、，但过去认为它很容易漏液、操作弹性小，且易堵塞，应用不广。经过长期研究发现，只要设计合理和操作适当，筛板仍能满足生产上所要求的操作弹性，而且效率较高。目前已成为应用日趋广泛的一种塔板。（2）泡罩塔板：在气液负荷有较大变动时也可操作，且具有较高的塔板效率，操作弹性较大，不易堵塞，对物料适应性强，长期以来应用较广。但泡罩塔板的生产能力不大，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，近些年来在许多场合已逐渐为其他型式的塔板所取代。（3）浮阀塔板：浮阀塔板是综合了泡罩和筛板的优点研制出来的。这种塔操作弹性大，阻力比泡罩塔板大为减少，其生产能力大于泡罩塔板。另外，这种塔的板效率高。主要缺
8、点是浮阀使用久后，由于频繁活动而易脱落或被卡住，操作失常。常用的浮阀有 F1 和 V4 型两种，后者用于减压塔。在众多类型的板式塔中，设计者选择了单溢流型浮阀塔板的板式塔，相比较其它类型的板式塔，浮阀塔板由于其开度可根据气体通过阀孔的气速自动调节，因此可以保持较低的操作气速而不发生严重漏液，在较高气速下不产生过大的气流阻力，因此采用浮阀塔板的板式塔操作弹性大，生产能力大，塔板效率高。综上所述，设计者选择其作为分离设备的原因。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。当釜中的料液达到适当液位时，再沸器开始加热，使液体部分汽化返回塔内。塔底的气相沿塔上升至
9、塔顶，再由塔顶冷凝器将其全部冷凝。开车的初始阶段将丙烯-丙烷精馏装置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，在下降的过程中与塔底上升蒸汽多次逆向接触和分离。只要塔板数足够多，塔顶的液相回流量足够大，在塔顶即可获得所要求纯度的易挥发组分产品。塔底上升蒸汽和塔顶液体回流是精馏过程连续进行的必要条件。回流是精馏与普通蒸馏的本质区别。精馏过程的回流比是一个重要的设计和操作参数，直接关系到设备投资和操作费用大小。当其他条件不变时，增大回流比加入再沸器和移出冷凝器的热流量均随之增加，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，每块板的分离能力提高，使得
10、完成相同分离要求所需的理论板数 NT 减少，精馏塔高度随之降低。但是由于回流比 R 增大，使塔内气、液相流量增大，引起辅助设备尺寸增大，塔径变大以及塔板结构的改变，从而影响到设备的投资费用。由此可见，操作回流比变化对精馏装置生产成本的影响是双重的，故在设计时存在操作回流比的优选问题。适宜回流比指操作费用和设备费用之和最小时对应的回流比，需进过衡算来决定，其准确值一般较难确定。初步设计时可取经验数据，工程设计一般取 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的 1.4 倍。1.2.4 压力的选择精馏塔的设计和操作都是基于一定塔压下进行的，因此一般精馏塔总是首先要保持操
11、作压力的恒定。塔压的变化对塔的操作将产生如下影响：影响产品质量和物料平衡。 改变操作压力，会改变组分间的相对挥发度，将使每块板上的气液平衡的组成发生改变。压力增加，组分间的相对挥发度降低，分离效率下降，反之亦然。此外，操作压力对精馏塔所用的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，因此应尽可能避免使用高品位的冷剂。通常选取常压操作。如果常压操作时，塔顶蒸汽的露点低于常温，则应适当提高塔的操作压力，使塔顶蒸汽露点升至常温以上，采用冷却水就能将塔顶蒸汽全部冷凝，此压力即适宜的操作压力。但是，压力提得过高，将导致设备投资过大，所以应权衡操作费用和设备投资，选择一个适宜的操作压
12、力。然而，有时为了实现蒸馏在系统中的能量集成，需根据热源用户所需的温位，通过严格的模拟计算，来确定该塔顶蒸汽提至所需温位时相应的操作压力。本设计中常压下丙烯丙烷需低温冷冻方可实现精馏操作。为避免使用高品位冷剂，设计者选择塔顶压力 1.62MPa（表压）的加压条件进行设计。1.2.5 再沸器丙烯-丙烷精馏装置再沸器的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。再沸器多与精馏塔合用，再沸器是一个能够交换热量，同时有汽化空间的一种特殊换热器，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。形成的两相流被送回到塔中：气相组分向上通过塔盘、液相组分回塔底。 再沸器
13、可分为立式和卧式两种，而立式又包括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。本次设计采用立式热虹吸式再沸器是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热，它具有如下几个特点：将釜液和换热器传热管中气液混合物的密度差作为循环推动力，使得釜液在精馏塔底与再沸器间流动循环；能得到非常高的传热系数；结构紧凑、配管简单、占地面积小；在加热区内的停留时间短，不易结垢，调节容易，设备及运行费用低。由于壳程不能机械清洗，造成修理和维修的难度增加，不适宜高粘度、或脏的传热介质；塔釜提供气液分离空间和缓冲区。立式热虹吸再沸器仅
14、在循环量大时相当于一块理论板。同时由于是立式安装，因而增加了精馏塔裙座的高度。丙烯丙烷装置再沸器的热源可采用热水或热蒸汽，而因为蒸汽其相对容易生产、输送、控制，并且具有较高的冷凝潜热和较大的表面传热系数。所以，本设计采用的是 1 atm，100 下的饱和水蒸气。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，其余作回流液返回塔顶，使塔内气液两相间的接触传质得以进行，最常用的冷凝器是管壳式换热器。本设计用循环水作为冷却剂。2 方案流程2.1 精馏装置流程精馏就是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，使混合物中的组分达到高程度的分离，进而得到高
15、纯度的产品。流程如下：原料（丙烯和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，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，在下降过程中与来自塔底的上升蒸气多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加丙烯-丙烷精馏装置热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。2.2 工艺流程2.2.1 物料的储存和运输精馏过程必须在适当的位置设置一定数量不同容积的原料储罐
16、、泵和各种换热器，以暂时储存，运输和预热（或冷却）所用原料，从而保证装置能连续稳定的运行。2.2.2 必要的检测手段为了方便解决操作中的问题，需在流程中的适当位置设置必要的仪表，以及时获取压力、温度等各项参数。另外，常在特定地方设置人孔和手孔，以便定期的检测维修。2.2.3 调节装置由于实际生产中各状态参数都不是定值，应在适当的位置放置一定数量的阀门进行调节，以保证达到生产要求，可设双调节，即自动和手动两种调节方式并存，且随时进行切换。2.3 设备选用精馏塔选用浮阀塔，配以立式热虹吸式再沸器。2.4 具体工艺流程由泵 P-101A/B 将要分离的丙烯 丙烷混合物从原料罐 V-101 引出，送入精馏塔 T-101 中。T-101 塔所需的热量由再沸器 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
