热泵设计

课程设计报告院别：材料与化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：工艺2011级卓越班题目：苯、甲苯热泵精馏工艺设计教师：..学生：...学号：11031010511苯、甲苯热泵精馏工艺设计四川理工学院材料与化学工程系，工艺卓越班摘要：在化工生产中精馏是应用最广泛的化工分离单元操作，也是主要的能源耗费场所。精馏塔的热集成是精馏过程节能的重要途径，而热集成中的热泵精馏更是最具有节能潜力的技术之一。因此，在精馏过程中采用热泵精馏降低能耗和成本来提高经济效益具有重要的现实意义。热泵精馏是既向塔底供热又向塔顶供冷的逆卡诺循环系统，节能的效果显著，但如何在生产中应用热泵精馏是个难点。本文采用Aspenplus模拟苯、甲苯热泵精馏工艺设计，编辑得到了物料平衡表和热量平衡表，并对精馏塔的工艺尺寸进行了计算。关键词：热泵精馏；Aspenplus；工艺设计；精馏塔1.设计要求题目：苯、甲苯的热泵精馏工艺的设计处理量：150kt/a年工作时间：330天原料规格：苯进料组成40%，甲苯进料组成60%分离要求：塔顶苯不低于98%，塔釜苯不高于3%，均为摩尔百分率2.文献调研2.1热泵精馏的提出精馏塔是现代炼油、化工等工业生产过程中使用最为广泛的分离设备，同时也是化工过程中最主要的耗能单元之一。根据美国化学过程工业协会1991的统计数据,在石油和化工工业中,平均每年消耗相当于9.86亿桶原油的能源,其中大约43%用于分离过程。精馏过程的性能,将对化工企业的运行成本和经济效益产生深远影响。例如,某精馏塔塔顶浓度从99.9%降低0.2%到99.7%,那么可节约高达13.5%的能量。相反,如果塔顶产品工艺要求是99.8%,而实际产品纯度是99.9%,能量消耗则提高了10%。为了提高精馏过程的性能,人们提出了各种节能结构,如热集成、热耦合以及本文研究的热泵。热泵技术的发展经历了一个多世纪。1824年卡诺首先提出热力学循环理论之后,1852年开尔文具体提出了热泵的设计思想,当时由于条件所限并没有立即得以实现。直到1917年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产上。到20世纪20一30年代,热泵逐步发展起来。随着世界范围对节约能源、保护环境越来越重视,热泵以其吸收环境热能或回收低温废热来高效制取高温热能的突出优势,正在得到充分展现。目前国内外生产的热泵主要用于住宅和商业建筑的空调。在产业上应用还不普遍,主要用于低温干燥,如木材、食品等行业。精馏是化工过程中最重要且应用最广泛的分离操作,其缺点是能耗大,热力学效率低,许多工厂的精馏工段总效率低于10%。精馏有许多节能措施。其中一个较优方案是热泵精馏,其节能效果与经济效益非常显著。80年代末期,瑞士Sulzer公司在乙苯一苯乙稀等精馏装置上采用了热泵,通过一个进料量为60/h、年处理量250Kt的苯乙烯常规塔与热泵塔数据比较,表明热泵精馏装置的引进大大减少了苯乙烯生产的能耗。国内锦州炼油厂、九江炼油厂丙烷一丙烯分离装置中采用了热泵技术,节约了大量的能耗费用。2.2物料性质根据设计任务要求，查阅相关资料得到苯及甲苯的主要物性如下表。表2-1苯的主要性质化学式C6H6分子量78.11g/mol密度/25℃0.8765g/cm3挥发性易挥发沸点80.1℃外观无色透明熔点5.5℃水溶性1.8g/L表2-2甲苯的主要性质化学式C7H8分子量92.14g/mol密度/25℃0.866g/cm3挥发性不易挥发沸点110.6℃外观无色透明熔点-94.9℃水溶性微溶于水3.工艺设计3.1工艺流程设计根据热泵精馏原理以及苯、甲苯的相关性质，设计如下工艺流程图。P0101为离心式水泵，E0101-0103为换热器，V0101-0102为分离器E0104为冷凝器，T0101为精馏塔工艺流程简述：原料经离心泵输送到换热器，换热到110℃送入精馏塔中，轻组分苯从塔顶出来后，经过一次换热，温度达到110℃，再经过一个压缩机后升温，然后与塔釜分离器流出的一部分釜夜换热，然后经过一个冷凝器和一个塔顶分离器，一部分作为产品流出，一部分循环回精馏塔中。而塔釜出来的流体经过分离器后一部分作为产品流出，一部分与塔顶气体换热后回到精馏塔。通过塔顶与塔釜换热从而实现了节能目的。3.2流程模拟结果根据设计的工艺流程图在Aspenplus中模拟得到流程图如下：在Aspenplus中编辑得到该热泵精馏的物料平衡表2-1与热量平衡表2-2，如下：表2-1热泵精馏物料平衡表物流号1234567TemperatureC252511083114.3110170.5Pressurebar1.0131.21.21.11.21.15VaporFrac0011011MoleFlowkmol/hr226.207226.207226.207408.626259.047408.626408.626MassFlowkg/hr19050.87919050.87919050.87931937.24123674.23231937.24131937.241VolumeFlowcum/hr21.97721.9786005.10510999.31230.4911833.9443014.731MoleFlowkmol/hrC6H6127.75127.75127.75407.34513.866407.345407.345C7H898.45798.45798.4571.281245.1811.2811.281MoleFracC6H60.5650.5650.5650.9970.0540.9970.997C7H80.4350.4350.4350.0030.9460.0030.003物流号891011121314TemperatureC142.9808080114.3120114.3Pressurebar51.11.11.11.21.21.2VaporFrac0.649000010MoleFlowkmol/hr408.626408.626122.588286.038155.428155.428103.619MassFlowkg/hr31937.24131937.2419581.17222356.01614204.53914204.5399469.693VolumeFlowcum/hr1850.20739.20911.76327.44618.2944233.83812.196MoleFlowkmol/hrC6H6407.345407.345122.204285.1418.328.325.546C7H81.2811.2810.3840.897147.109147.10998.072MoleFracC6H60.9970.9970.9970.9970.0540.0540.054C7H80.0030.0030.0030.0030.9460.9460.946表2-2热泵精馏热量平衡表物流号891011121314TemperatureC142.9808080114.3120114.3Pressurebar51.11.11.11.21.21.2VaporFrac0.649000010MoleFlowkmol/hr408.626408.626122.588286.038155.428155.428103.619物流号1234567TemperatureC252511083114.3110170.5Pressurebar1.0131.21.21.11.21.15VaporFrac0011011MoleFlowkmol/hr226.207226.207226.207408.626259.047408.626408.626MassFlowkg/hr19050.87919050.87919050.87931937.24123674.23231937.24131937.241VolumeFlowcum/hr21.97721.9786005.10510999.31230.4911833.9443014.731EnthalpyGcal/hr1.7621.7624.1978.5961.8468.8719.563MassFlowkg/hr31937.24131937.2419581.17222356.01614204.53914204.5399469.693VolumeFlowcum/hr1850.20739.20911.76327.44618.2944233.83812.196EnthalpyGcal/hr8.3175.5591.6683.8911.1082.3540.7394.精馏塔的设计4.1设计宗述4.1.1概述塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在化工厂、石油化工厂、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大影响。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。4.1.2设计依据《钢制压力容器》（GB150-2011）《钢制塔式容器》（JB4710-92）《F1型浮阀》（JBT1118）《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》（HG21514-95）《钢制压力容器用封头标准》(JB/T4746-2002)《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)4.1.3设计任务设计一座精馏塔，将苯和甲苯分离并且要求塔顶苯的摩尔分数不小于97%，塔釜苯不高于3%。4.2塔型及塔盘的选择4.2.1塔型的选择塔设备只有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。表3-1填料塔与板式塔的比较塔型项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。较大空塔气速(生产能力)小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。较大塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高。较稳定、效率较高液-气比对液体量有一定要求。适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。1）与物性有关的因素①易起泡的物系，如处理量不大时，宜选用填料塔为宜。因为填料塔能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛；②具有腐蚀性的介质，可以选用填料塔；③具有热敏性的物料必须减压操作，以防止过热引起分解货聚合，故选用压力降较小的塔型；④黏性较大的物性，可选用大尺寸填料。板式塔的传质效率较差；⑤含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜；⑥操作过程中有热效应的系统，选用板式塔为宜。因塔盘上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。2）与操作条件有关的因素①若气相传质阻力大，宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之受液相控制的系统，宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中的鼓泡；②大的流体负荷可选用填料塔，若要用板式塔则采用板上液层阻力小的塔型（如筛板和浮阀）；③低的液体负荷一般不宜选用填料塔；④液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜选用板式塔。3）其他因素①对于多数情况，塔径小于800mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优于选用板式塔，对减压操作过程，宜采用新型填料；②一般填料塔比板式塔重；③大塔以板式塔造价较低。塔内的物料为苯和甲苯的混合流体，无腐蚀性，黏度较小，无悬浮物，经初步计算塔径大于800mm，综上所述，加压精馏塔宜选为板式塔。4.2.2塔盘的选择根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板