精馏塔设计.docx

一前言2二设计内容32.1 物料衡算32.2塔板数和操作参数52.3 筛板塔工艺计算62.3.1 塔径计算62.3.2 塔板详细设计82.3.3 塔板流体力学校核8 a板压降校核8 b液沫夹带量校核9 c溢流液泛条件校核10 d液体在降液管内停留时间校核10 e漏液点的校核102.3.4 负荷性能图11 a液相下限线11 b液相上限线11 c漏液线11 d过量液沫夹带线12 e溢流液泛线13 f精馏线和提馏线132.4 塔高及接管尺寸142.5 辅助设备的选型16三控制点说明163.1精馏段灵敏板温度控制163.2塔釜液位控制163.3进料流量控制163.4塔釜加热蒸汽温度控制16四数据汇总表17五符号说明19六参考文献20一、前言 塔设备的设计和选型是建立在对吸收解吸工段流程的模拟、优化的基础上。在满足工艺要求的条件下，考虑设备的固定投资费用和操作费用，进行进一步模拟计 算、设计和选型。设计主要包括工艺参数设计、基本参数设计和机械设计。工艺参数设计对该塔的生产能力、分离效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、塔板的选型和参数设计、塔板负荷性能校核等内容的设计；机械工程设计部分设计内容为塔设备的材质壁厚、封头、开口和支座地基等，同时对塔的机械性能做了校核。 本项目完成了对全厂5座塔设备的工艺参数设计、基本参数设计和机械设计，并选取其中最有代表性的萃取精馏塔给出了详细的计算和选型说明。详细的设备装配图见工艺设施工图。 萃取精馏塔是反应分离工段的关键设备之一，其作用是用acn将混合碳四中的1,3-丁二烯萃取分离，使抽余后的碳四符合后续过程的要求。重关键组分为产品1,3-丁二烯，轻关键组分为反2-丁烯、中间组分为碳四中残余的异丁烯，1-丁烯等混合物，送往后续进行进一步的分离。该塔的生产能力和分离效果直接影响到产量和产品的质量。 所以该精馏塔的设计应符合以下塔设备的基本要求： a) 生产能力大，即气液处理量大； b) 分离效率高，即气液相能充分接触； c) 适应能力及操作弹性大，即对各种物料性质的适应性强并且在负荷波 动时能维持操作稳定，保持较高的分离效率； d) 流体流动阻力小，即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降小； e) 结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资。2 设计内容2.1物料衡算 衡算图进料： 流量-100kg/h 温度-28 压力-1atm组分： 水-2.5wt% 乙醇-55.4wt% etbe-35.7wt% 叔丁醇-6.4wt%再沸器负荷-138.0kw塔顶出料： 流量-67.957kg/h 温度-13.3 压力-0.01atm组分: etbe-52.3wt% 乙醇-46.8wt% 水-0.7wt% 叔丁醇-微量 塔底出料： 流量-32.042kg/h 温度-51.6 压力-0.31atm组分: etbe-微量 乙醇-73.7wt% 水-6.3wt% 叔丁醇-19.5wt% 冷凝器负荷-139.1kw图2-2 物料衡算图 物料和能量衡算是pc精馏塔t-201塔的设计基础，物料和能量衡算的结果从流量和热负荷的角度决定了设备的总体尺寸。 该塔的物料主要分为3 个部分，第一部分是进料，主要成分是反应精馏后的etbe、乙醇等混合液；第二部分是塔顶出料，此部分是水、etbe、乙醇等的混合物；第三部分是塔釜出料，此部分是水、乙醇、叔丁醇的混合物，此外还有塔顶的回流和塔釜蒸汽等循环物料。 能量有两部分，加热负荷和冷却负荷。再沸器需要用高压蒸汽加热物料，使液体沸腾变为上升的蒸汽；塔顶的冷凝器需要用冷却水对物料进行冷却，将气体冷凝为液体，一部分采出，一部分作为回流。 根据 aspen plus 模拟的结果可得到以下数据： stagetemperature pressure barliquid flow kg/h vapor flow kg/hsyrface tension mn/m1-13.2995 0.0100 747.5231 747.5231 26.2025 2-2.5285 0.0161 569.1806 637.1373 26.4047 33.6056 0.0222 523.5144 591.4711 26.7389 47.8144 0.0284 581.6294 549.5860 27.0172 511.1282 0.0345 564.6698 532.6264 27.0923 613.8429 0.0406 555.0482 523.0048 27.1241 716.1667 0.0467 549.3487 517.3053 27.1274 818.2114 0.0529 545.8818 513.8384 27.1122 920.0447 0.0590 543.7751 511.7317 27.0853 1021.7111 0.0651 542.4853 510.4420 27.0509 1123.2414 0.0712 541.7385 509.6952 27.0118 1224.6585 0.0773 541.3535 509.3101 26.9697 1325.9794 0.0835 541.2460 509.2027 26.9259 1427.2177 0.0896 541.2678 509.2245 26.8811 1528.3839 0.0957 541.4109 509.3675 26.8359 1629.4867 0.1018 541.6400 509.5966 26.7906 1730.5333 0.1080 541.9308 509.8874 26.7454 1831.5296 0.1141 542.2559 510.2126 26.7004 1932.4806 0.1202 542.6207 510.5773 26.6558 2033.3925 0.1263 543.0177 510.9744 26.6106 2134.2668 0.1324 543.3978 511.3544 26.5709 2235.1010 0.1386 543.7863 511.7430 26.5306 2335.9096 0.1447 544.1936 512.1502 26.4905 2436.6883 0.1508 544.5986 512.5553 26.4518 2537.4402 0.1569 544.9691 512.9257 26.4145 2638.1674 0.1631 545.3692 513.3258 26.3787 2738.8716 0.1692 545.7770 513.7337 26.3447 2839.5544 0.1753 546.1548 514.1114 26.3127 2940.2172 0.1814 546.5193 514.4759 26.2830 3040.8612 0.1876 546.8650 514.8217 26.2561 3141.4874 0.1937 547.1943 515.1510 26.2325 3242.0976 0.1998 547.5039 515.4605 26.2127 3342.6921 0.2059 547.7883 515.7449 26.1976 3443.2722 0.2120 548.0447 516.0014 26.1880 3543.8387 0.2182 548.2699 516.2265 26.1851 3644.3925 0.2243 548.4619 516.4186 26.1901 3744.9347 0.2304 548.6208 516.5774 26.2044 3845.4661 0.2365 548.7501 516.7067 26.2297 3945.9879 0.2427 548.8573 516.8140 26.2678 4046.5012 0.2488 548.9590 516.9156 26.3205 4147.0075 0.2549 549.0834 517.0401 26.3894 4247.5083 0.2610 549.2768 517.2335 26.4759 4348.0055 0.2671 549.6105 517.5672 26.5803 4448.5013 0.2733 550.1904 518.1471 26.7011 4548.9981 0.2794 551.1692 519.1258 26.8343 4649.4986 0.2855 552.7602 520.7169 26.9713 4750.0052 0.2916 555.2550 523.2116 27.0969 4850.5203 0.2978 559.0424 526.9991 27.1867 4951.0458 0.3039 564.6304 532.5870 27.2044 5051.5836 0.3100 32.0434 532.5870 27.1000 所以取气液两相流量最大的板上的负荷量： ls=0.695 m3/h = 0.000193 m3/s = 818.90kg/m3r vs= 11970.669 m3/h= 3.325m3/s = 0.053kg/m3 r = 2.2实际塔板数和操作参数 本项目使用了aspen plus对此精馏塔进行了模拟见图2-1，可得理论塔板数为50块时，塔顶的etbe含量最高，加料板为第7块理论板。 精馏塔t201操作参数操作压力回流比加料状态所需理论板数加料位置1atm10t=2850第7块理论板 实际计算：用aspen查所以， 所以相对挥发度为，由图得： 由 可得实际板数为70块。 图2-1 回流比-理论板数关系图 2.3 精馏塔的塔体工艺计算 2.3.1塔径的计算根据经验可选板间距ht=0.45m。根据已知条件可以算出两相流动参数： =0.0072由筛板塔的泛点关联图(费尔关联图)查得c20=0.078m/s， 液相表面张力由aspen plus结果可得=26.4047mn/m，由此可算出液泛气速： 为设计计算方便，在初算塔径时，气速此时一般取的60% 80%，取返点百分率为80%，得到设计气速 u 和所需的气体流通面积 ,，取泛点百分率为80%,则：设计气速： =0.8= 8.18m/s= 所需的气体流通面积： 初算塔径：由于塔直径实现系列化，所求的值按标准值圆整，经圆整后塔径d=0.8m 。选择单流型塔板，单流型塔板堰长通常取0.6 d 0.8 d，取堰长lw=0.7d，堰长lw=0.7d=0.56m。查弓形降液管的宽度与面积图得查得溢流管面积和塔总面积之比为0.085，即： d的值按标准值圆整后塔径d=0.8m，和前述假设一致。 圆整后塔径下的塔横截面积： 降液管面积： 实际气相流通截面积： 操作气速： 实际泛点百分率： 按不同塔径的板间距经验值范围，塔径对应塔板间距ht=0.3m0.5 m，根据经验可选板间距ht=0.35m。 2.3.2 塔板详细设计 由于塔直径800 mm，故塔板选择分块式塔板，液体流量大小符合单溢流要求，故选单流型塔板。溢流堰选择平直堰，由于负压操作，取堰高=20mm=，因为塔直径较小，所以溢流装置使用垂直弓形降液管并选用平型受液盘。取底隙=20mm，取安定区宽=50mm，塔板靠近塔壁部分流出边缘区域，以供支持塔板边梁之用，取=50mm。由lw/d 与wd/d的关联图可知： 于是可以算出：m m 于是鼓泡区面积为：=0.3012 m2 取筛孔直径，孔的排列方式为三角形，则： 开孔率： 孔面积：=0.0437 m2 筛孔数：=225 筛板塔上筛孔按等边三角形排列，其中t为孔中心距，为每平方米开孔区的孔数。 2.3.3 精馏塔流体力学校核a. 板压降的校核 取板厚为，d=， - 由干板孔流系数与开孔率关联图（）查得孔流系数c0=0.67，由公式可求出干板压降： =0.0428m液柱堰上液高由下面公式求出：，其中式中修正系数由液流收缩系数e由关联得到。 =2.96 ，lw=0.7d由关联图可知e=1.02 以有效传质面积aa计算气相速度： =7.97m/s相应的气体动能因子： =1.839由关联图,查得液层充气系数=0.58b，则液层有效阻力为： =0.0135m液柱气相塔板压降： =0.0563m液柱全塔的效率70%，实际塔板数70块，则： =700.0563=3.541m液柱 =0.3atm=3.74m液柱 b.溢流液泛条件的校核 堰高 =20mm堰上清液高度 =0.0033m气相塔板压降 =0.0563m液柱液相在降液管内阻力损失： =4.5510-5板上液面落差=0 降液管内当量清液层高度： =0.080m该混合物不易发泡，取=0.6。降液管内泡沫层高度： =0.133m 3 s 不会产生严重的气泡夹带现象。 d.液沫夹带量的校核由flv=0.0072和实际泛点百分率0.707，在液沫夹带关联图上查得=0.1 =0.0993 (1.5-2)塔板具有足够的操作弹性。 2.3.4 负荷性能图 a. 液相下限线 令=6mm，并假设修正系数e=1.02,则=2.07 ls=0.59m3/h根据ls=0.59 m3/h，由 关联图查得修正系数e=1.02，表明计算结果正确。在负荷性能图处作垂线得到液相下限线。b. 液相上限线 液相上限值可根据下面公式计算，取停留时间=3s=17.94 m3/h在负荷性能图处作垂线ls=17.94 m3/h得到液相上限线。c. 漏液线 把漏液线近似看成直线，可由两点大致确定其位置。 第一点取液体流量为设计负荷ls=0.695 m3/h，其漏液点孔速=16.91m/s，相对应的气体流量为=2660.78 m3/h。第二点取液体流量为，设漏液点的孔速为=18m/s，相应的动能因子（以aa为基准） =0.4351根据塔板当量清液高度公式： =0.0188m，可以得到hc=0.0184，由hchd关联图得到漏液点的干板压降hd=0.006m水柱=0.0073m液柱 则假设正确，故其漏液点的孔速为16.25m/s。相应的气体流量为： =2556.40m3/h由以上两点可得漏液线。d. 过量雾沫夹带线 同样的，将此线近似视为直线，由两点确定其位置。 第一点取液气比与设计点相同，flv=0.0072。令=0.1，求出相应的雾沫夹带分率：=0.1007根据flv和，在液沫夹带关联图上查得泛点百分率85%。液泛速度已经得到，为uf=10.23m/s。故在时，un=0.85uf=0.869 m/s相应的气体流量和液体流量为： =14393.99m3/h=0.836m3/h第二点取液气质量流率比，算出flv=0.016，根据flv和y，在液沫夹带关联图上查得泛点百分率90%，根据flv=0.016和ht=0.35m，由筛板塔泛点关联图，查得c20=0.07，算出液泛速度： un=0.8uf=7.34m/s相应的气体流量和液体流量为： =13677.54m3/h=8.89m3/h由以上两点可得过量雾沫夹带线e. 溢流液泛线 对已设计的筛板塔，当降液管内当量清液高度 =0.222m时，将发生溢流液泛。 在一定液体流量l下，how 、 （由关联图,可知当气速较高时，液层充气系数0.57b趋近于常数)与气体流量无关，液面落差可忽略不计。这样就可求出液泛时的干板压降及相应的气体流量。 第一点取ls=20m3/h，求出=0.0314m、 。液泛时的干板压降为： =0.1036m相应的泛点孔速和气体流量为： =9614.25m3/h第二点取ls=30m3/h，求出how=0.0412m、。液泛时的干板压降为： =0.0413m相应的泛点孔速和气体流量为： =6066.95m3/hf.精馏线与提馏线第一点都为原点，精馏段上 ls=0.695 m3/h vs=11970m3/h 提馏段上 ls=3.024 m3/h vs=3011m3/h图2-3 负荷性能图 在负荷性能图2-3上，作出精馏与提馏的操作点，连接原点，即作出精馏段与提馏段操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。并可查得vs,max=1.248m3/svs,min=0.285m3/s故操作弹性为2.4 塔高及接管尺寸塔总高度（不含裙座）由下式决定，预估塔的效率为80% 由于此塔塔径较小，故取=1.0 m 。此物料较清洁故每隔十块板开一个人孔，s=8，=600mm。人孔直径450mm，考虑到进料口结构和物料状态，为了防止进料直冲塔板如防冲挡板、入口堰、缓冲管等，一般要比大一倍， 故取=600mm，由塔底产品量，储存时间和塔径和得到1m。则塔高=28.4mh - 塔高（不含裙座），m； n - 实际塔板数； s -人孔数目（不包括塔顶和塔底的人孔）； hd-塔顶空间，m；hb-塔底空间，m；ht-塔板间距，m；ht-开有人孔的塔板间距，m；hf-进料端高度，m。接管尺寸a. 塔顶蒸汽管： 塔顶到冷凝器的蒸汽导，必须具有合适的尺寸，以免压力降过大，减压精馏尤其要注意。管径按下式计算，取=50m/s=0.29m，圆整到300mm式中，-气相流量，/s -蒸汽速度，m/s，减压操作气速为30-50m/s。b.回流管 取=0.2m/s，则回流管直径为： =0.035m，圆整到40mm式中，-回流液量，kg/h -液相密度，kg/- 液相在回流管内的速度，m/s，通常，重力回流管内液流速度取 为0.20.5m/s。 c.进料管和塔釜出料管=0.010m，圆整到25mm式中： f - 进料量，kg/h； - 液相密度，；kg/ - 进料管内流速，m/s；通常由泵输送的可取1.21.5m/s。 =0.0053m，圆整到15mm2.5 辅助设备选型2.5.1塔底再沸器 热流体选用常压饱和水蒸汽，查阅资料得常压饱和水蒸汽液体焓 546.38kj/kg,蒸汽焓2723.9kj/kg,根据aspen plus模拟得出的热负荷量q=137983.72w，再沸温度50，平均温差21.7，取传热系数k=600所需换热面积10.6m,选用立式热虹吸式，再沸器型号：flb400-12.7-4.5/19-4校核a实/a计=1.2，符合要求 2.5.2冷凝器 假设冷却剂为水，水的进口温度10。出口温度为20。则 。根据aspen plus模拟得出的热负荷量139107w，取传热系数k=700，平均温差摄氏度12.2，算得所需传热面积16.30。所以选用固定管板式换热器，型号bel325-19.7-6/19-2 i，校核a实/a计=1.2，符合要求三控制点说明 在连续精馏操作中需改变和和控制的变量有：进料流量f、塔顶出料量d和回流量、塔釜液位h、塔釜加热量v，其中： 1、灵敏板温度用pt100温度计配数显仪表测定； 2、塔釜液位h用塔釜出料阀门控制； 3、塔釜加热量q用手动调节器调节；4、进料流量f、塔顶出料量d和回流量用手动阀门调节；四数据汇总表 表1 工艺数据汇总表项目数值与说明备注进料量f,kg/h100塔顶出料量d,kg/h67.957塔釜出料量w,kg/h32.042进料组分质量分率 % 水-2.5% 乙醇-55.4% etbe-35.7% 叔丁醇-6.4%回流比r10全塔效率，%70操作压力p，bar1全塔平均温度tm，25.6理论塔板数50全塔压降p,kpa30加料板位置 7降液管内的清液高度,m0.08泛点率，%71液沫夹带量 ev0.099进料速率uf m/s0.072塔顶出料速率ud，m/s50塔釜出料速率 uw，m/s0.15塔顶温度 13.3塔釜温度 51.6冷凝剂进料温度 10水蒸气温度 130表2 设备尺寸一览表项目数值备注塔径 d，m0.8塔板数 n70加料板位置7板间距，ht，m0.35开孔率 ，%14.5塔顶高度 h顶，m1塔底高度 h底，m0.5裙座高度 h裙，m2人孔数8堰长 lw，m0.56堰高 hw，mm20降液管底隙高度 h0,mm20