精馏塔及其附属设备的计算参考设计书.doc

目录摘 要1Abstract2绪 论3第一章 设计原则与步骤41.1 设计任务41.2 设计原则41.3 设计步骤5第二章 精馏塔工艺设计62.1产品流量和组成的确定62.2塔板数的确定72.2.1进料线方程的确定72.2.2操作线方程82.2.3理论塔板数求解82.2.4实际板数的求取92.3精馏塔主体尺寸的计算102.3.1相关参数和物性数据计算102.3.2塔径的计算122.3.3精馏塔有效高度的计算142.3.4填料塔高度的计算142.4 塔板主要工艺尺寸的计算152.4.1溢流装置计算152.4.2 筛孔数目、筛孔排列及塔板布置162.5塔板流体力学验算172.5.1单板压降172.5.2液面落差182.5.3雾沫夹带192.5.4漏液192.5.5液泛192.6塔板负荷性能图202.6.1精馏段塔板负荷性能图202.6.2提馏段塔板负荷性能图22第三章 辅助设备263.1接管263.1.1进料管263.1.2回流管263.1.3塔顶蒸汽出口管263.1.4塔底出料管273.1.5塔顶蒸气出料管273.2换热器的计算283.2.1塔顶冷凝器设计：283.2.2塔底再沸器的选型303.2.3塔顶产品冷却器选型313.2.4塔底产品冷却器选型333.3储罐的选择343.4离心泵的选择343.4.4进料泵的选择343.4.2回流泵的选择35第四章 工艺流程36第五章 精馏塔的节能设计375.1精馏塔节能概述375.2节能方案37第六章 设计结论40设计总结41致谢42参考文献43附录1 一般设计安全规范44附录2 设计过程中主要符号说明45附录3 Aspan软件模拟结果47摘 要精馏、吸收、解析作为典型的化工分离单元操作广泛用于液体混合物的分离，特别是在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。本设计目标是进行低烃气体混合物的分离，根据要求选用筛板精馏塔，设计内容主要包含物料横算、塔板数确定、塔高塔径计算、流体力学验算、辅助设备设计及工艺流程图等六个部分。设计的主要参数为：塔高6.85米、塔径0.7米、5块理论板、全塔效率47%、11块实际板（不含再沸器）、第6块板为加料板；通过干板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算，塔板结构参数均满足设计要求；塔顶使用全凝器，部分回流。本设计在节能方面主要采用内部能量热集成方法，通过在进料板附近设计提馏段上升蒸汽压缩机和精馏段液体中间加热器，实现了热能的有效回收利用并减少塔底蒸汽用量。关键词：醋酸乙酯；醋酸丁酯；精馏；筛板塔；精馏塔节能1、 设备选型及典型设备设计1） 典型非标设备精馏塔/吸收塔的工艺设计，编制计算说明书。2） 典型标准设备换热器的选型设计，编制计算说明书。3） 其他重要设备的设计及选型说明。4） 编制设备一览表。AbstractAs a typical chemical separation distillation unit operation was widely used in the separation of liquid mixtures especially in the chemical， petrochemical， light industry and other industrial production process.The design goal of this program are separation the mixture of ethyl acetate and butyl acetate. In this program, the separation of sieve plate distillation column is used according to the design requirements. The main sections of the design include the material calculation，plate number of the tower, tower diameter calculation， checking of fluid dynamics，design of affiliated equipment and flow chart of six parts. The height of the tower is 6.85 m and the diameter of the tower is 0.7 m. It needs five theoretical plates to separate the mixture and the whole tower efficiency is 47%. It should have 11 actual plates (excluding the reboiler) and the sixth tray is the feeding tray. According to the fluid checking calculation of the pressure drop， leakage， flooding， and entrainment，it can be demonstrated that the tray structure parameters satisfy the design requirements completely. The full condenser and part of reflux are used in top of the tower. The method of internal energy saving heat integration method is the main design in this program. The results shows the energy saving method is effective.Keywords：ethyl acetate; butyl acetate; distillation; sieve column; distillation energy绪 论化工生产中常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。互溶液体混合物的分离有多种方法例如精馏、萃取、膜分离等，其中精馏是最为常用。精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。目前从国内外实际使用情况看，筛板塔的应用越来越广泛，主要是因为它具有：(1) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。(2) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。(3) 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。(4) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。同时，筛板塔也存在一定的缺陷，主要表现在：(1) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。(2) 操作弹性较小(约23)。(3) 小孔筛板容易堵塞。 第一章 设计原则与步骤 1.1 设计任务醋酸乙酯是一种用途广泛的精细化工产品，具有优异的溶解性、快干性，用途广泛，是一种非常重要的有机化工原料和极好的工业溶剂。其主要用途有：作为工业溶剂，用于涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造革、油毡着色剂、人造纤维等产品中；作为粘合剂，用于印刷油墨、人造珍珠的生产；作为提取剂，用于医药、有机酸等产品的生产；作为香料原料，用于菠萝、香蕉、草莓等水果香精和威士忌、奶油等香料的主要原料。醋酸丁酯广泛用于聚氯酯漆、丙烯酸树酯漆、硝基漆、过氧乙烯漆等稀释剂；在日光灯中萤光粉粘合剂，涂饰剂生产中作溶剂；在医药工业中可作生产红霉素的有机溶剂；还用作樟脑、矿油、油脂、合成树脂、天然及合成橡胶、照相软片、香料等的良好溶剂。本设计任务为分离醋酸乙酯-醋酸丁酯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏流程。设计中采用60进料，将原料液送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 1.2 设计原则总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。 保证生产安全 生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。 1.3 设计步骤本次设计主要是针对醋酸乙酯-醋酸丁酯二元液体混合物系的分离，由于分离要求非常高，因此选用精馏操作来实现该任务。根据对工业生产中各种常见板式塔的特点进行分析和设计任务的要求，本设计选用筛板精馏塔。一般的精馏装置包括精馏塔、再沸器、冷凝器、釜液冷却器、产品冷却器及回流泵等设备。精馏的原理是多次部分汽化与多次部分冷凝，因此在设计和操作过程中，充分考虑热量的利用是经济生产的关键。一般情况下，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，如何选用高效节能、投资低的节能工艺是设计的关键。具体设计步骤如图所示：塔板数确定确定设计方案塔高和塔径计算产品流量和组成确定流体力学验算附属设备计算选型设计说明书和绘图图1-2 设计步骤第二章 精馏塔工艺设计2.1产品流量和组成的确定已知：原料液的质量组成为0.3，乙酸乙酯和乙酸丁酯的摩尔质量分别为：和 =，计算原料液的摩尔分数和流量分别为：所以原料液的平均摩尔质量：。由物料衡算知： 同时，已知乙酸乙酯的塔顶回收率和乙酸丁酯的塔釜回收率分别为： 由式可得： D=6.660kmol/h W=9.287kmol/h 表2.1 物料衡算结果项目数据项目数据F15.947 kmol/h0.415D6.660kmol/h0.944W9.287 kmol/h0.03562.2塔板数的确定根据常压下乙酸乙酯-乙酸丁酯的溶液平衡数据，绘制曲线。得到，如下所示曲线。2.2.1进料线方程的确定当时，由乙酸乙酯乙酸丁酯的相图，查得溶液的泡点温度为96.5，查得泡点温度下乙酸乙酯和乙酸丁酯的汽化热分别为3.233和3.679。所以平均汽化热为：平均温度T=79.6下，乙酸乙酯和乙酸丁酯比热容为CP1=189.1和CP2=234.9 ，可算得混合液体比热容为：所以，q线方程为：y=3.262x-0.939。2.2.2操作线方程取故精馏段操作线方程式中 R回流比同理，提馏段操作线方程y=1.5x-0.0182.2.3理论塔板数求解dyx54123由图可知总理论板数为5，第3块板为进料板，精馏段理论板数为2，提留段理论板数为3（包括蒸馏釜）。精馏段Y1=0.944 X1=0.8Y2=0.88 X2=0.64Y3=0.816 X3=0.516Xf提留段 Y4=0.756 X4=0.43Y5=0.627 X5=0.288Y6=0.414 X6=0.145Y7=0.20 X7=0.0566Y8=0.067 X8=0.0170.8，可行，所以要选用单壳程。所以校正后的温度为参照列管式换热器中K范围，根据两流体的具体情况，初步选定总传热系数K=300 于是换热器的传热面积可初步确定，即： 取安全系数为0.8，可得换热面积为：根据上述计算数据，通过查JB/T471592固定管板式换热器与基本参照的对照，选出适合的换热器类型，结果如下表：表3.6 换热器型号及参数表项目结果项目结果壳径/mm273管子尺寸25mm2.5mm公称压力/Kpa1.6管长/m1.5计算换热面积/m3.5管子总数32管程数2管子排列方式正三角形壳程数1折流挡板形式弓形3.2.4塔底产品冷却器选型将产品由冷却到 表3.7 59.28下有机液体物热容值下表名称乙酸乙酯乙酸丁酯199249.5 先按理想逆流传热温差进行计算，对逆流传热温差进行校正。由R和P查温度校正系数图，假设为单壳程，温度校正系数为0.8，可行，所以要选用单壳程。所以校正后的温度为。参照列管式换热器中K的大致范围，根据两流体的具体情况，初步选定总传热系数K=450 于是换热器的传热面积可初步确定，即：表3.8 换热器型号及参数表项目结果项目结果壳径/mm273管子尺寸25mm2.5mm公称压力/Kpa1.6管长/m1.5计算换热面积/m23.5管子总数32管程数2管子排列方式正三角形壳程数1折流挡板形式弓形3.3储罐的选择根据设计任务，查阅化工工艺设计手册，最终选择容器的类型为，卧式无折边球形封头容器 ，具体参数如下: 公称容积：25m3 公称直径：2400mm 长度：5200mm3.4离心泵的选择3.4.4进料泵的选择原料液的流量：60时查表得,乙酸乙酯的密度,乙酸丁酯的密度：。由得：，所以原料液的体积流量：。进料板高度：0.8+0.356=2.25m，选择50Y-60。根据Gomez-Thodos方程查（）60时，计算的。取安全系数=0.5m，则：3.4.2回流泵的选择由前面计算可知=23.22，=88.475，所以=可选用选择型号为50Y-60油泵为回流泵。 第四章 工艺流程 带控制点工艺流程图第五章 精馏塔的节能设计5.1精馏塔节能概述在化工生产过程中，分离是非常重要的一个过程单元，它直接决定了最终产品的质量和收率，工业生产中占据着主导地位的分离方法就是精馏，精馏是利用混合物中各组分挥发度的不同，利用能量交换和气液间传质进行分离的单元操作，具有独特的优势。据估计，化工过程中40-70的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95。同时，同时精馏在热力学上是低效的耗能过程，有极高的热力学不可逆性。因此，在当今世界能源日益短缺的情况下，对精馏过程的节能研究就显得十分重要，它的每一个进展都会带来巨大的经济效益和社会效益。精馏塔的节能优化，目标是在产品满足质量指标的情况下，能耗最小。但影响精馏操作的因素很多，研究时，人们提出了一系列的方法来降低精馏装置的能耗，这其中包括：采用高效规整填料代替普通板式塔或低效填料，改善再沸器或冷凝器的换热效果，改变精馏塔进料状态或进料位置，增设中间再沸器或冷凝器，应用热泵技术，采用多效精馏和特殊精馏技术，改变多塔精馏过程的流程，降低回流比，改变塔的操作压力等。在本次筛板精馏的设计过程中，对两个在精馏过程中常用的技术进行论证具体如下：5.2节能方案方案(1)本次设计为了充分利用塔釜再沸器中出来的剩余蒸气热量，设计中把传统塔从进料处分成两个内部存在能量集成的精馏塔, 分别称为精馏段和提馏段。把从精馏段下来的液体通过增加的塔底辅助换热器使其温度升高，再回到提馏段，这样大大减少了塔底再沸器的热负荷，充分利用了蒸气的剩余热量，节约了生产成本，在本次分离体系中节约能量22%。具体计算如下：(1)物性的确定 进料板有机蒸汽t1=83.32加热到t2=95.2表5.1 下有机液体物热容值下表乙酸乙酯乙酸丁酯204254根据平均温度查得：(2)计算节省热负荷原来塔釜热负荷Q=289KW节能为21.33%。方案(2)热泵精馏技术的论证（参照专利，专利号200910022126.8）该装置在原有精馏塔的基础上，新增预热器、压缩机、辅再沸器、后冷器、液体缓冲罐和阀门等设备，将这些设备通过管道与精馏塔塔顶蒸汽和塔底液体管路连接，构成开式热泵系统；所述的热泵精馏节能改造方法可通过阀门进行合适切换，从而使精馏塔可工作在正常的精馏模式，也可按照需要工作在热泵精馏模式，从而达到节能的目的。具体工艺如下：但由于本次分离体系为醋酸乙酯和醋酸丁酯，精馏塔塔顶和塔釜温差为39，而且由于普通列管式换热器的温差不大于50，所以从换热器6出来的温度应在80左右，而从塔顶出来的混合物温度为83，所以考虑到成本问题和热量利用能力，热泵技术在分离醋酸乙酯和醋酸丁酯体系中不合适。为此本设计参考有关文献总结出热泵精馏技术适用的范围：对于塔顶产品不适合直接压缩而塔釜产品气化后再压缩可行的物系特别适用；可用于常压或加压下、塔底和塔顶温差小于20 、塔釜液干净无毒的精馏过程。采用该流程是否经济合算，要使用优化设计程序计算后作出评价。工艺路线图方案(3)保温隔热 精馏过程所涉及的塔、换热器以及各种管道等设备设施其材质的导热系数都比较高，若其处于北方较寒冷地区，若不对其采取保温隔热措施，则会造成大量热量消耗，因此应在涉及的设备及管道上采取保温隔热措施来减少热消耗。本次设计采用普通型泡沫石棉进行管道的保温。第六章 设计结论1. 本设计选用筛板精馏塔完成了醋酸乙酯和醋酸丁酯混合物的分离，设计分离能力为7200t/a、原料液组成为0.30（质量分数）、塔顶乙酸乙酯回收率为95%，、塔底乙酸丁酯回收率为97%。2. 该工艺流程设计内容包含了物料横算、塔板数确定、塔高塔径及塔板结构计算、流体力学验算、辅助设备设计和工艺流程图等六个部分。3. 本设计塔高为6.85米、塔径0.7米、板间距为0.35、全塔效率47%、11块实际板数（不含再沸器）、第6块板为加料板。4. 每层塔板实际压降均小于物料衡算时的取值，操作可行；漏液稳定性系数均大于1.5在操作时不会出现明显漏液；每千克气体中夹带的液体量均小于0.1千克操作时不会出现明显雾沫夹带；进液管中泡沫液层总高度小于上层塔板的出口堰，故不会发生漏液现象，综上所有流体力学验算均在稳定范围内。塔的操作弹性较大，设计结果满足任务要求。5. 在设计过程中，对精馏塔的几种常用的节能方式进行设计论证。首先，在设计过程中对一种改进的热泵技术进行计算论证，在论证过程中，发现这种技术对于醋酸乙酯和醋酸丁酯体系不合适，此种方法节能效果不明显；然后考虑到精馏过程的特点和生产的实际，设计中把传统塔从进料处分成两个内部存在能量集成的精馏塔, 分别称为精馏段和提馏段。我们把从精馏段下来的液体通过增加的塔底辅助换热器使其温度升高，再回到提馏段，这样大大减少了塔底再沸器的热负荷，充分利用了蒸气的剩余热量，节约了生产成本，在本次分离体系中节约能量22%左右，但还需要做进一步的方案改进和论证（比如压缩机的使用）该种方法有望使精馏过程的能量节省50%-60%；特别的采用保温隔热措施也会大大节省过程中的能量。设计总结经过这段时间的查阅文献、计算和整理，使我们对以往学过的知识有了进一步的认识，同时培养了我们理论联系实际的能力，这次精馏塔设计加深了我们对化工生产过程的理解和认识，并锻炼了我们的逻辑思维能力，同时也让我们深深地感受到工程设计的复杂性以及我们了解的知识的狭隘性。此次设计培养了我们的自学能力，设计中的许多知识都需要查阅资料和文献，并要求加以归纳、整理和总结。通过自学及老师的指导，不仅巩固了所学的化工原理知识，更极大地拓宽了我们的知识面，让我们更加认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来工作无疑将起到重要的作用。在此次计过程中，我们的收获很大，感触也很深，更觉得学好基础知识的重要性。同时通过这次设计，我们深深地体会到与交流的重要性。通过与同学或者是老师的交换看法很容易发现自己认识的不足，从而让自己少走弯路。 致谢参考文献1朱开宏,吴俊生译.分离过程原理.北京:上海:华东理工大学出版社,20072张红兵,郭长生,武志怡，周国庆等.化工工艺设计手册(第三版).北京:化学工业出版社,20083刘光启,姚玉英,黄凤廉.化工原理(修订版上册).天津:天津科技技术出版社,20094刘光启,姚玉英,黄凤廉.化工原理(修订版下册).天津:天津科技技术出版社,20095大连理工教研室编.化工原理课程设计.大连:大连理工大学出版社,19946陈均志,李磊.化工原理实验及课程设计.北京:电子工业出版社,20087柴诚敬,王军等.化工原理课程设计.天津:天津科学技术出版社,20098李功样,陈兰英.常用化工单元设备设计(第二版).广州:华南理工大学出版社,20099王福安,蒋登高.化工数据引导.北京:化学工业出版社,1995附录1 一般设计安全规范 防雷电规范主要依据是国际电工委员会IEC1312_13雷电电磁脉冲的防护、电子计算机机房设计规范、电子设备雷击导则、建筑物防雷设计规范