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1、烟台大学化工学院课程设计说明书设计题目：异丙醇-水萃取精馏分离学 号：学生姓名：专业班级： 化101-3指导教师：2013年7月4日课程设计任务书一、设计题目异丙醇-水萃取精馏分离二、设计任务1、原料名称：异丙醇-水共沸体系2、原料组成：含异丙醇 87.4%（质量百分比）3、产品要求：塔顶产品中异丙醇含量99.9%，水能够达标排放4、生产能力：年产量1万吨/年5、溶剂采用：NMF （N-甲酰吗啉）6、设备形式：浮阀塔7、生产能力：300天/年，每年24h运行8、进料状况：共沸组成进料9、操作压力：常压10、加热蒸汽压力：11、冷却水温度：进口300，出口400三、设计内容1、设计方案的选定及流
2、程说明2、精馏塔的物料衡算3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4、塔板数的确定5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算6、塔板主要工艺尺寸的计算7、塔板的流体力学验算8、9、10、11、12、13、四、1、2、五、2013塔板负荷性能图换热器设计精馏塔接管尺寸计算绘制生产工艺流程图绘制板式精馏塔的总装置图撰写课程设计说明书一份设计要求工艺设计说明一份工艺流程图一张，主要设备总装配图一张（采用 AoutCAD 绘制）设计完成时间年 6 月 24 日-2013 年 7 月 13 日目录1. 概述62.工艺流程确定及说明62.1 塔板类型62.2 加料方式72.3 进料状况72.4 塔顶冷凝方式72.5 回
3、流方式72.6 加热方式82.7 操作压力的确定83. Aspen Plus 化工流程模拟83.1 模型建立93.2 工艺流程93.3 模拟计算103.4 灵敏度分析与参数优化103.4.1 原料进料位置的影响103.4.2 萃取剂进料位置的影响113.4.3 塔板数与溶剂量对分离效果的影响134. 塔板的工艺设计134.1 精馏塔的全塔物料和能量衡算134.2 实际塔板数计算144.3 塔径计算144.4 溢流装置的确定144.4.1溢流堰长lW144.4.2溢流堰高度h 15w4.4.3弓形降液管宽度W和弓形截面积A 15df4.4.4降液管底隙高度h1504.5 塔板布置及浮阀数目与排列
4、164.5.1 浮阀数目164.5.2 排列164.5.3 校核175. 塔板的流体力学计算185.1 气体通过浮阀塔板的压力降185.2 液泛185.3 雾沫夹带185.4 塔的负荷性能图195.4.1 雾沫夹带线195.4.2 液泛线195.4.3 液体负荷上限线195.4.4 漏液线205.4.5 液相负荷下限线205.4.6 操作性能负荷图206. 塔附件设计226.1 接管226.1.1 进料管226.1.2 回流管226.1.3 塔顶蒸汽出料管236.1.4 塔釜出料管236.1.5 塔釜进气管236.1.6 再沸器接管246.2 筒体与封头246.2.1 筒体246.2.2 水压
5、试验校核246.2.3 封头256.2.4 裙座256.2.5 地脚螺栓256.3 塔的总体高度256.3.1 塔的部的空间高度256.3.2 进料板高度266.3.3 设有人孔的塔板间距266.3.4 封头高度266.3.5 裙座高度266.3.6 塔底空间高度266.3.7 精馏塔总高度26附属设备设计277.1 原料离心泵的选型277.2 原料预热器287.3 塔顶冷凝器287.4 塔釜再沸器297.5 循环萃取剂冷凝器307.6 公用工程317.7 冷凝器及再沸器选型汇总318. 课程设计自我评价319. 参考文献321.蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的
6、压力、温度下，其挥发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。在工业精馏设 备中，使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触，以进行气液相际传质，结 果是气相中的难挥发组分部分转入液相，液相中的易挥发组分部分转入气相，也 即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。 工业中的蒸馏多为多组分精馏，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机 合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。本设计选取异丙醇-水萃体系，异丙醇是一种重要的有机化工原料和有 机溶剂，主要用在制药、化妆品、塑料、香料、涂料及电子工业上。异丙醇一般 通过丙烯
7、水合法得到，再用蒸馏法蒸出异丙醇，但常压下异丙醇与水在80.3 时形成共沸物，共沸物中异丙醇质量分数为 87.4。因此，采用普通蒸馏方法 难以得到高纯度的异丙醇。传统的异丙醇一水共沸物分离采用共沸精馏法，通常 用苯做为共沸剂，此种工艺的能耗较大，且共沸剂在生产操作中存在人身危害和 环境污染问题。近几年文献中对异丙醇一水分离新工艺进行了较多研究，萃取精 馏是其中一种重要手段相对传统的共沸精馏而言，由于萃取精馏所采用溶 剂沸 点较高，不易挥发，溶剂从塔釜排放，因而具有 能耗低、污染少、溶剂易于回 收等优点，但萃取精馏存在溶剂用量大、回收成本高的不足。2. 工艺流程确定及说明2.1塔板类型精馏塔的塔
8、板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板.浮阀塔的优点：1. 生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔 板，生产能力比泡罩塔板大20%40%,与筛板塔接近。2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持 正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间 较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体 压降及液面落差比泡罩塔小。5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%， 但是比筛板塔高 20%30。综合考虑，本设计选用浮阀塔。
9、2.2加料方式本精馏塔加料选择泵直接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自 动控制系统来实现流量及流速的调节。2.3 进料状况本精馏塔选择共沸组成进料.2.4 塔顶冷凝方式本精馏塔选择全凝器，用水冷凝。2.5 回流方式本设计采用强制回流。2.6加热方式加热方式可分为：直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热在一定 的回流比条件下，塔底蒸汽对回流液有一定的稀释作用，从而使理论板数增 加，设备费用上升，所以本设计采用间接蒸汽加热。2.7操作压力的确定塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选 取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来 综合考虑，一般有
10、下列原则：1.压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费 用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操 作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸汽可以用普通冷 却水进行冷却，一般不采用加压操作。2. 考虑利用较高温度的蒸汽冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气 冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使 用加压操作。综合考虑以上因素本设计采用常压精馏。3. Aspen Plus化工流程模拟用Aspen Plus化工流程模拟软件，根据萃取精馏分离共沸物的适宜溶 剂的要求和文献报道，选择N-甲酰吗啉作为萃取剂，对异丙醇一水共沸
11、体 系的萃取精馏过程进行模拟，并系统讨论了各操作参数对分离效果的影响， 得到最优工艺参数。对异丙醇一水共沸体系的萃取精馏过程进行模拟与优化。以N-甲酰吗 啉为萃取剂，基于UNIFAC模 型，使用Aspen Plus化工模拟软件中的RadFrac 模块进行萃取精馏模拟，并利用灵敏度分析模块对各工艺参数进行灵敏度分 析与优化。3.1模型建立RadFrac是一个严格模型，可用于模拟所有类型的多级气、液分离操作， 如普通精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸 馏等。适用体系包括气、液两相传质体系，气、液、液三相传质体系，窄沸 程和宽沸程传质体系等。对气、液两相存在强非理想物系和理
12、想物系都有良 好的模拟效果，模拟数据具有可指导性。使用Aspen Plus模拟软件进行模拟计算时，要尤其注意热力学模型的 选择，其正确与否直接影响计算的物理性能的准确程度，并影响计算结果的 精确度。由于本计算体系中的异丙醇、N-甲酰吗啉等均是极性化合物，故选 用UNIFAC活度系数模型。3.2工艺流程流程：原料从8号流股加入，经换热器B3预热后流入萃取精馏塔B1，萃取剂 从1号流股进入萃取精馏塔B1，在塔内萃取精馏后，异丙醇从塔顶经2号 流股采出，N-甲酰吗啉和水从塔釜经3号流股流入精馏塔B2进行分离，水 从塔顶经4号流股采出，N-甲酰吗啉从塔釜经5号流股流入换热器B3对原 料进行预热，之后从
13、6号流股流出，进入换热器B4换热降温至79*后流入 1号流股，对萃取剂进行循环利用。3.3模拟计算原料进料为异丙醇一水共沸体系，流量1250kg/h,组成为87. 4%（质 量分数）的异丙醇和12. 6% （质量分数）的水，萃取剂为N-甲酰吗啉，两股 进料的温度均为80*，操作压力为常压。萃取精馏塔共有25块板（包括塔 顶冷凝器和塔底再沸器），原料从第13块板进料，萃取剂从第3块板进料。 在初设操作参数下进行模拟计算，考察以N-甲酰吗啉做萃取剂时的分离效 果。然后通过Aspen Plus模拟软件中的“Sensitivity模块，研究原料 进料位置、萃取剂进料位置、回流比以及萃取剂和原料进料比对
14、塔的分离效 果及塔的热负荷的影响，进而寻找最佳操作条件。在N-甲酰吗啉萃取剂作用下，异丙醇一水共沸体系被破坏，塔顶馏出 液中异丙醇质量分数可达到较好的分离效果。初设参数可以用于萃取精馏系 统下一步操作参数优化工作。3.4灵敏度分析与参数优化灵敏度分析步骤：由左侧数据浏览窗口选择Model Analysis Tools | Sensitivity,进 入Object manager页面，点击New,出现Create new ID对话框，点击OK。 在 Model Analysis Tools | Sensitivity | S-1| Input| Define 页面， 点击New，出现Creat
15、e new variable对话框，输入变量名F ,点击OK。在Variable Definition对话框中定义F变量。进入 Model Analysis Tools | Sensitivity | S-1| Input| Vary 页 面，定义操纵变量。3.4.1原料进料位置的影响在相同条件下，原料进料位置的不同将对分离效果产生影响，不同的精 馏效果导致塔底和塔顶组成产生改变，进而影响再沸器和冷凝器的热负荷， 因此，存在最佳进料位置。改变原料异丙醇一水共沸体系的进料位置，考察 原料进料位置对分离效果和热负荷的影响，模拟结果如图1、2。图 1 原料进料位置对分离效果的影响599u99uSensitivity S-1 R esults Summary
