30kt N甲基甲酰胺分离工艺设计工艺设计说明书.doc
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1、常州大学本科毕业设计 序号: 09449101常 州 大 学毕业设计( 2013届 )工艺计算说明书 学 生 廖 亚 运 学 号 09449101 学 院 石油化工学院 专业班级 轻化091 题 目 30kt/a N-甲基甲酰胺分离工艺设计 校内指导教师 黎 珊 专业技术职务 讲师 二零一三年六月目录第一章 物料衡算31.1原料的物料衡算31.2脱甲醇塔的物料衡算41.3精馏塔的物料衡算5第二章 脱甲醇塔的工艺计算52.1脱甲醇塔温度的计算52.1.1塔顶温度计算52.1.2塔底温度计算82.2回流比的计算92.3理论板的计算112.4加料板位置的确定112.5塔径的计算122.5.1进料温度
2、的计算122.5.2计算塔顶的物质物性122.5.3计算塔釜的物质物性132.5.4全塔的物质物性142.5.5空塔气速计算142.5.6气体体积流量的计算152.5.7塔径的计算与圆整152.6液体喷淋密度的验算152.7填料层高度的计算152.8塔高的计算16第三章 能量衡算163.1进料加热器的热负荷163.2塔顶全凝器的热负荷173.3塔釜再沸器的热负荷17第四章 换热器的选型184.1预热器E-1201184.2冷凝器的选型E-1202与校核184.2.1冷凝器的选型184.2.2冷凝器的校核194.3再沸器的选型E-1203204.4脱甲醇塔塔顶出料冷凝器E-120421第五章 精
3、馏塔工艺计算225.1.精馏塔温度的计算225.1.1塔顶温度计算225.1.2塔底温度计算235.2回流比的计算245.3理论板的计算255.4加料板位置的确定265.5塔径的计算265.5.1进料温度的计算265.5.2计算塔顶的物质物性265.5.3计算塔釜的物质物性275.5.4全塔的物质物性285.5.5空塔气速计算295.5.6气体体积流量的计算295.5.7塔径的计算与圆整295.6液体喷淋密度的验算295.7填料层高度的计算295.8塔高的计算30第六章 能量衡算及设备选型306.1精馏塔进料预热器E-1301306.2塔顶全凝器的热负荷E-1302316.3塔釜再沸器的热负荷
4、E-1303326.4精馏塔塔顶出料冷凝器E-1304336.5精馏塔塔釜出料冷凝器E-130533第七章 原料储罐与产品储罐的计算与选型347.1 原料储罐V-1101347.2脱甲醇塔塔顶产物储罐V-1102357.3 精馏塔塔顶出料产品储罐V-1103357.4 精馏塔塔釜出料产品储罐V-1104357.5 脱甲醇塔塔顶回流罐V-1201367.6 精馏塔塔塔顶回流罐V-1301367.7脱甲醇塔进入精馏塔之间的缓存罐V-120236第八章 管道的计算378.1主物料管道的计算378.2辅物料线的管径计算39第九章 泵的选型41附录1 ASPEN 模拟43 第一章 物料衡算1.1 原料的
5、物料衡算30kt/a N-甲基甲酰胺分离工艺设计以每年300天,7200小时计算,考虑到损耗量(20%的裕量)。已知提供的原料中含甲胺0.10%wt,水0.10%wt,甲醇40.00%wt,N-甲基甲酰胺57.00%wt,甲酸甲酯2.80%wt。查石油化工基础数据手册 第492页可知,甲醇的相对分子质量M=32.041g/mol g/mol查石油化工基础数据手册 第760页可知,甲胺的相对分子质量M=31.058g/mol查石油化工基础数据手册第686页可知甲酸甲酯的相对分子质量M=60.052g/mol查石油化工基础数据手册 续篇第1176页可知 N-甲基甲酰胺的相对分子质量M=59.086
6、g/mol可列出下表1-1表1-1进料物料组成表原材料wt%kg/hkmol/hmol%甲胺0.1050.16100.14甲酸甲酯2.801402.33132.02甲醇40.00200064.420055.81水0.1050.27760.24N-甲基甲酰胺57.00285048.234841.79合计100.005000115.4247100.001.2 脱轻塔物料衡算已知脱轻塔塔顶水的含量为0.01%,塔顶甲醇收率99%,分离过程为清晰分割。已知各组分的沸点(从低到高):甲胺甲酸甲酯甲醇水NMF。则塔顶组分有甲胺、甲酸甲酯、甲醇和水,塔釜为甲醇、水和NMF。设定水为重关键组分,甲醇为轻关键组
7、分。则:D=0.01%D+99%*2000+5+140,得D=2125.21 kg/h脱轻塔塔顶塔釜物料组成见表1-2和表1-3。表1-2 脱轻塔塔顶物料组成表wt%kg/hkmol/hmol%甲胺0.235.000.16100.25甲酸甲酯6.59140.002.33133.62甲醇93.171980.0061.795896.11水0.010.210.01170.02合计100.002125.2164.2998100.00表1-3 脱轻塔塔釜物料组成表wt%kg/hkmol/hmol%甲醇0.7020.000.62421.27水0.174.790.26600.54N-甲基甲酰胺99.1328
8、50.0048.234898.19合计100.0002874.7949.2150100.001.3精馏塔物料衡算 脱轻塔塔釜出料即为精馏塔进料,已知NMF的收率为99%,塔釜含量NMF 99.99%wt,水的含量为0.01%wt,假设分离过程为清晰分割,水为轻关键组分,NMF为重关键组分,则2850.00*99%+0.01%W=WW=2821.78 kg/h精馏塔塔顶塔釜物料组成见表1-4,表1-5。表1-4 精馏塔塔顶物料组成表wt%kg/hkmol/hmol%甲醇37.7320.000.624246.00水8.514.510.250418.45N-甲基甲酰胺53.7628.500.4823
9、35.55合计100.00053.011.3569100.00表1-5 精馏塔塔釜物料组成表wt%kg/hkmol/hmol%水0.010.280.01550.03N-甲基甲酰胺99.992821.5047.752499.97合计100.0002821.7847.7679100.002 工艺计算工艺流程图如下:图1 NMF的分离工艺流程图原料经预热器(heater)加热后先进入初馏塔(即脱轻塔),塔顶回收甲醇,要求甲醇回收率为99%,塔釜物料含NMF,进入精馏塔,塔顶主要成分为水,塔釜为NMF,要求NMF的回收率为99%,纯度达99.99%。第二章 脱甲醇塔的工艺计算2.1脱甲醇塔温度的计算2
10、.1.1塔顶温度计算塔顶操作压力为常压,93.17%wt为甲醇,则塔顶温度接近于常压下甲醇的沸点,查石油化工基础数据手册,常压下甲醇的沸点为64.6,已知塔顶压力为101.325KPa,气相组成见表2-1表2-1 脱甲醇塔塔顶气相组成序号分子式mol%1CH3NH20.252HCOOCH33.623CH3OH96.114H2O0.025HCONHCH30.00查化工原理下,P93 泡点温度计算公式:其中理想状态下:取温度为60计算,塔顶各组分的气相分压见表2-2表2-2 60时塔顶气相分压摩尔分数xi饱和蒸汽压/KpaKiKixi甲胺0.00251013.250010.00000.025甲酸甲
11、酯0.0362261.72252.58300.0935甲醇0.961184.60640.83500.8025水0.000219.85970.19600.0000求和0.9210取温度为70计算,塔顶各组分的气相分压表2-3表2-3 70时塔顶各组分分压摩尔分数xi饱和蒸汽压/KpaKiKixi甲胺0.00251312.158812.95000.0324甲酸甲酯0.0362351.19253.46600.1255甲醇0.9611125.33901.23701.1951水0.000231.10680.30700.0000求和1.3530数据来源于石油化工基础数据手册因为yi/Ki=1介于60和70
12、之间假设各物质在60-70的饱和蒸汽压随温度变化为线性变化(内插法)则1对应于Kixi的变化为:所以相对于60而言温度变化为:塔顶温度2.1.2塔底温度计算 本次设计中,为了便于计算,采用多设计一块理论板,而不再将再沸器看做一块理论板计算,即假定再沸器只提供热量使液体气化,而不再改变相平衡。全塔压降为15mmHg,所以塔釜压力为103.325KPa,N-甲基甲酰胺的含量为99.17%wt,所以查石油化工基础数据手册,常压下N-甲基甲酰胺的沸点为182.6已知塔釜压力为103.325KPa,气相组成见表2-4表2-4 脱甲醇塔塔釜气相组成序号分子式mol%1CH3NH20.002HCOOCH30
13、.003CH3OH1.274H2O0.545HCONHCH398.19查化工原理下,P93露点温度的计算公式:取温度为180计算,各组分xi见表2-5。表2-5 180时塔釜各组分xi摩尔分数yi饱和蒸汽压/KPaKiyi/Ki甲醇0.01272724.6326.36950.0005摩尔分数yi饱和蒸汽压/KPaKiyi/Ki水0.005410039.70720.0006N-甲基甲酰胺0.981994.540.91501.0731求和1.0742取温度为190计算,各组分xi见表2-6。表2-6 190时塔釜各组分xi摩尔分数yi饱和蒸汽压/KPaKiyi/Ki甲醇0.01273335.623
14、2.28280.0004水0.0054125512.14610.0004N-甲基甲酰胺0.9819123.411.19440.8221求和0.8229因为yi/Ki=1介于180和190之间假设各物质在180-190的饱和蒸汽压随温度变化为线性变化(内插法)则1对应于yi/Ki的变化为:所以相对于180而言温度变化为:塔釜温度2.2回流比的计算塔顶TD=61.9,通过内插法计算塔顶各组分的饱和蒸汽压,查石油化工基础数据手册例:T=60时,甲胺的饱和蒸汽压p=1013.25KPaT=70时,甲胺的饱和蒸汽压p=1312.16KPa所以T=61.9时,甲醇塔顶T=61.9时各组分的相对挥发度见表2
15、-7表2-7 塔顶各组分的相对挥发度摩尔分数xi饱和蒸汽压/Kpa相对挥发度a甲胺0.00251070.0448.95甲酸甲酯0.0363278.7212.75甲醇0.961188.664.06水0.000221.861.00其中,相对挥发度均为相对于重关键组分水而言的例如:同理甲醇塔釜T=183.0时各组分的相对挥发度,见表2-8表2-8 塔釜各组分的相对挥发度饱和蒸汽压/KPa相对挥发度a甲醇2907.932.70水1078.61.00N-甲基甲酰胺103.20.10全塔甲醇的相对挥发度所以对于全塔而言相对挥发度见表2-9表2-9 全塔相对挥发度序号分子式进料摩尔分数xF塔顶摩尔分数xD塔
16、底摩尔分数xW相对挥发度a1CH3NH20.00140.00250.000048.952HCOOCH30.02020.03620.000012.753CH3OH0.55810.96110.01273.314H2O0.00240.00020.00541.005HCONHCH30.41790.00000.98190.10参考化工原理下P96的最小回流比的计算公式:其中进料状态取为泡点进料,所以q=1取不同的值代入公式(1)用excel表格进行试差计算,见表2-10表2-10 值的试差计算a1xf1/(a1-)a2xf2/(a2-)a3xf3/(a3-)a4xf4/(a4-)a5xf5/(a5-)求
17、和1.0010.00140.02180.8002-2.5000-0.0472-1.73471.0020.00140.02180.8004-1.2500-0.0472-0.48431.0030.00140.02190. 8006-0.8000-0.0463-0.02231.0040.00140.02190.8010-0.6250-0.04700.14151.00310.00140.02190.8007-0.7742-0.04630.00351.00320.00140.02190.8008-0.7500-0.04710.02781.00330.00140.02190.8008-0.7273-0.0
18、4640.03071.00340.00140.02190.8009-0.7353-0.04710.03101.00350.00140.02190.8009-0.7143-0.04710.05201.00360.00140.02190.8009-0.6944-0.04710.07191.00370.00140.02190.8009-0.6757-0.04710.09071.00380.00140.02190.8010-0.6579-0.04710.1086所以=1.0031,代入公式(2)中取回流比为最小回流比的1.4倍作为回流比2.3理论板的计算参考化工原理下,P97理论板数的捷算公式:其中,
19、l代表轻关键组分,h代表重关键组分代入数据查化工原理下,P74所以理论板的计算公式为:代入数据 N=15.6所以理论板取为16块板2.4加料板位置的确定查化工原理下,P98代入数据得 Nminl=2.53又因为所以Nl=6.97加料板取为第7块2.5塔径的计算2.5.1进料温度的计算根据工艺要求,进料选取进料为0.12MPa下的泡点进料,参考化工原理下,P92的泡点温度计算公式:通过试差计算,进料温度为77.5。2.5.2计算塔顶的物质物性查石油化工基础数据手册得,塔顶在T=61.9下的物性见表2-11表2-11 塔顶各组分的物性序号分子式相对分子质量mol%液体密度g/cm3液体粘度mPa*
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