板式精馏塔设计方案

1 板式精馏塔设计方案 一、设计方案确定 馏流程 精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等 ,为保持塔的操作稳定性，流程中用泵直接送入塔原料，乙醇、水混合原料液经预热器加热至泡点后，送入精馏塔。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后经分配器 一部分回流，一部分经过冷却器后送入产品储槽，塔釜采用间接蒸汽再沸器供热 ， 塔底产品经冷却后为冷却水循环利用 。 塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业中以错流式为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要的优点是操作弹性较大，液气比范围较大，不易堵塞；但由于生产能力及板效率底，已逐渐被筛孔塔板和浮阀塔板所替代。筛孔塔板优点是结构简单，造价低，板上液面落差小，气体压强底，生产能力大；其缺点是筛孔易堵塞，易产生漏液，导致操作弹性减小，传质效率下降。而浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了前述两种塔板的优点。浮阀塔板结构简单，制造方便，造价底；塔板开孔率大，故生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间长，故 塔板效率较高。但浮阀塔板也有缺点，即不易处理易结焦、高粘度的物料，而设计的原料是乙醇 属于此类。故总结上述，设计时选择的是浮阀塔板。 产时日及处理量的选择：设计要求塔年处理 水溶液系统， 年工作日 300d，每天工作 24h。 择用板式塔不用填料塔的原因：因为精馏塔精馏塔对塔设备的要求大致如下： （ 1）生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。 2 （ 2）效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板 效率或传质效率。 （ 3）流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 （ 4）有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 （ 5）结构简单，造价低，安装检修方便。 （ 6）能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。 故选用板式塔。 式精馏塔选择浮阀塔的原因： （ 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%。 操作压力：常压精馏 对于乙醇水体系，在常压下已经是液态，且乙 醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。综上所述，选择常压操作。 q 值得选择：泡点进料 进料状态有五种，如果选择泡点进料，即 q=1时，操作比较容易控制，且不受季节气温的影响，此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造 3 时比较方便。 热方式：间接蒸汽加热 蒸馏釜的加热方式通常 采用间接蒸汽加热，设置再沸器。直接蒸汽加热只能用于塔底产物基本是水，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加，成本增加，故采用间接加热。 回流比的选择主要从经济观点出发，力求操作费与设备费最低， R= 4 艺草图 艺流程说明 一整套 精馏装置 应该包括 精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和 产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。 乙醇 水 混合液原料经预热器加热到 泡 点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续 地 从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分液体气化，产生上升蒸汽，一起通过各层塔 5 板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品，经 冷凝器冷却后送入贮槽。塔釜采用再沸器 加 热。塔底产品经冷却后送入贮槽。 二 工艺计算 料衡算 将质量分数转换成摩尔分数 2 0 6 8 7 4 8 8 8 5 9 6 7 4 8 8 k m /1 3 1 4 5 9 5 9 8 k m /8 1 5 4 0 6 6 8 6 k m o )0 0 0 19 5 0 19 5 6 6 1 解方程组，得 D 0 7 5 9 4 W hk m /1 1 1 5 6 1 hk m /0 6 0 1 4 4 6 7 hk m o /0 5 1 6 50 2 0 5 9 4 板数确定 论塔板数 由乙醇 水 相 平 衡 数 据 画 得 相 平 衡 图 ， 作 出 对 角 线 y=x ， 取 点（ 液体中酒精质量分数 蒸汽中酒精质量质量分数 沸点 液体中酒精摩尔分数 蒸汽中酒精摩尔分数 99 37 7 6 50 0 1 2 3 4 5 60 89 6 7 8 9 0 65 87 1 2 3 4 68 1 5 6 7 8 5 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 74 9 0 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 9 2 8 50 77 1 2 3 4 78 5 6 7 8 79 9 0 1 1 2 80 3 0 4 5 6 81 7 8 9 0 1 2 0 3 4 5 4 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 89 0 1 92 2 3 9 94 5 像图中可知在点 (有斜率最大值。设其值为 K. K= 由此可得 18 8 得 R 原设回流比与所求最优回流比相差不大，符合要求。 再沸器折旧费及操作元以及维修费，为精馏塔塔体的折旧费元为精馏塔总费用，31321 10 是塔体的费用，元是塔板的费用，元是塔体折旧率，式中0181, 为板数因子，由于塔为塔板类型因子，浮阀取为美元对人民币的汇率为总板效率为理论塔板数；为塔径， i 4 6 p 壁厚取的储量，可取塔底空间高度，塔顶空间高度，为塔板间距，头直边的长度，为筒体的长度加两端封为塔体的质量， m o 冷却水进出口温度，为冷却水的比热容，热，为塔顶馏出物的气化潜为塔顶馏出液的流率为回流比元为冷却水的价格，21122,./ 11 4( 6)( 元 /（ q=1 F、 和塔底产品流率， F=h,D=h 为操作时间， h/a 在 顶温度 料温度 底温度 精馏段平均温度 11 提溜段平均温度 m 平均摩尔质量的计算 由于 8 5 9 6 7 由内插法得： x 且 x , y 塔顶平均摩尔质量 1 3 1 4 5 9 6 7 6 8 9 6 7 2 4 5 4 3 5 6 8 4 4 3 5 0 1 2 4 3 4 5 9 6 8 4 5 9 2 8 1 5 4 0 6 7 8 7 6 8 6 7 8 7 5 7 1 2 1 8 9 9 5 2 1精馏段： 塔顶 ， 331 /107 2 5.0 塔底 Ct 时， 332 /10721.0 以上为通过查液体密度与温度关系图求的乙醇密度 有内插法求得 1t 时， 3. 9k g/ ）（水2t 时， 3/. 8k m ）（水得 3/2 5 6 进料，得 3k g / 2进料 故 3/ 进料 2提留段： 在提留段时 hK m o hK m o hK m o 在提留段 4109 5 5 ww 此时 ）之间介于（ 0 0 5 3 000 1 955 000 5 x ）（提 ）（提水的密度水33/396590水水时在时在 在 t= 3/0100 m 水时 3443/14 醇与温度关系图中查得乙醇的密度从液体密度33)(/2 9 21/底进料 K ( 水（醇）时精馏段在塔顶 K P 水（醇）时在进料段K P ）（）（进料顶 3)()()(/21精馏精馏进料顶精馏 ）（ 14 m o m o 0 0 0/ 0 0 0 0/1 0 9 0 7 0 0 1(33-)()(3)()(精馏精馏精馏精馏 51 0 时在时在时乙醇的饱和蒸汽压为在提留段温度0100 ）（时在时在时水的饱和蒸汽压为在水水水水进料底 ）（ M 提留 M 进料 料提馏塔釜 M 提馏 M 进料 料提馏塔釜 3/1 2 7 6 提馏底塔釜 3)( 釜提 15 33-)()( 釜提在精馏段时： 上液层厚度板间距0(a xm a 查史密斯关联图得实际空塔气速圆整到在提留段： 0(以精馏段直径为主1222m a a 粘度的计算 温度 60 80 100 乙醇 16 o o 7 8 7 6 7 8 7 全塔效率）（进料板）（值下的求在在塔底在塔顶水醇水乙醇三 实际板数 块，塔尺寸 高 塔高为 H（不含底座） (12195( 塔总高为裙座高 17 径 流装置 取堰长）到（堰长选用单溢流降液管 故成立验算根据平直堰堰高符合液封要求的流速为取液体通过降液管底隙降液管底隙高度 8 0 1 87 4 ,板布置及浮阀数目 222 查得从弓形堰校正系数图上由 验算液体在降液管中停留时间 t 18 提留段精馏段均使用符合要求 体力学验算 阀空数的计算 提留段：精馏段：型重阀），求阀空气速（采用取阀空动能因子每层塔板上浮阀数 块取板上浮阀数为块取提留段：块取精馏段： 19 浮阀空数图 板开孔率 两边安定区宽度取边缘区宽度 浮阀排列方 式采用等腰三角形叉排，取等边三角形高 t=752)ar c s i (2222为鼓泡区面积且则排间距2222 c s i 20 %11%100)6%100)(20220 塔板开孔率在常压操作时开孔率在 10%到 14%之间，所以验算准确。 降为气体痛过上液层的压气体通过干板压降，压降，为气体通过一层塔板的 11）阀全开后（）阀全开前（提馏所以由于提留段：精馏段：临界空速： 0111 为板上有效液层厚度湿板压降 提馏提馏精馏精馏提留段精馏段降为表面张力所产生的压 4 精馏提馏提馏提馏精馏精馏精馏单板压降 9 50 6 7 5 提馏单板压降 21 塔校核与液（雾）沫夹带 为防止淹塔现象要控制降液管中请液层高度 )( 损失液体通过降液管的压头提馏段精馏段 7 5 7 2 4 0 ）（在精馏段： 精馏 3 7 2 4 11 精馏 0 ）（在提留段： 提馏发生液泛给定条件下降液管不会所以在设计塔板的结构）（均小于与）（取前已经选定提馏精馏提馏 0,计算泛点百分率校核雾沫夹带 %1 0 泛点率 80%查泛点负荷系数图得在精馏段： 22 %80%以上均符合要求 带 精馏段p p 6 7 9 7 6 )(水蒸气乙醇气乙醇气水蒸气精馏）（，在查图求的）（%57) 1 7 8 8 m / )空塔气速为）取的值（由在提留段： p p y /）（）（，在水蒸气醇气乙醇气水蒸气%()()( 23 液 ,4633m i i i 气相最小负荷，选型重阀，重量为选取的不会发生过量液漏提馏精馏提馏精馏394.1/i i nm i i 0%0020点取极限夹带2提留段 (204232204232精馏段液泛线为：为阀空数为阀空直径， 4 24 3液相流量5106 3103 : : 25 精馏段负荷性能图 提留段负荷性能图 i nm a xm i nm a x 8 i nm a xm i nm a x3 26 提留段：精馏段：的下限值，提留段提留段精馏段精馏段在提留段：在精馏段：时重阀直径为的下限值，求出气相负荷为气体最小负荷比标准型重型取对于五、机械强度计算 塔底强度校核 102m i nm i 为常压操作圆筒体厚度考虑到塔体较高，内径较小，应适当增加厚度且取为 17用，则有效厚度为15头壁厚 t 22 采用标准椭圆封头8头与筒体为了便于等厚焊接取封 荷与应力分析 27 质量载荷计算 (850,414. 4 (4内外内外，(4 31)-(43,，裙座高度为塔体与裙座的质量为内外内外423 103 6 1 人孔法兰接管等质量 f 4内构件质量 ,21 3 9 3 2三种，取为塔板厚度标准有块，取为为塔板数目 4 3 27 8 5 0104941 3 9 4 300100)2322225外内外，取保温层厚度保温层质量 225 扶梯平台质量 扶梯单位长 度上的质量为 40kg/m,操作平台共 平台间距（ 2m 8m）取 5m。操作平台宽 1200度 3/150 180直角 层取操作时塔内物料质量 327/进料塔釜塔顶 28 水充水质量 7654320 107 2 1 i a 09 2 6 4 8 4 中， ， 0 M P ， 6218 ， 载荷与风弯矩 将塔沿高度分成五段 ： P= 塔高 = 0 10 若在合肥郊区建厂，则 梯的附加宽度： 00梯） 操作平台的附加量： （ A/ 其最大值为一，计算塔段 10层平台迎风面积为 4=（ 2 5 106） /1000=40029 0+2 i+4=1824+2 100+200+400=2624体各段风力： 1300 0130 1010