聚乙烯醇精馏项目设计方案.doc

聚乙烯醇精馏项目设计方案第一章 聚乙烯醇的综述1.1前言聚乙烯醇（简称PVA）是目前已发现的唯一具有水溶性且无毒的高聚物，别名为PVA,Poval。聚乙烯醇（简称PVA）是由德国化学家W.O.Herrmann和W.WHachnel博士于1924年合成的，1926年实现了小规模生产，工业化生产源于上世纪50年代，我国上世纪60年代中期，从日本进口引进生产技术生产。聚乙烯醇的结构式为CH2CH(OH)n，其中n表示聚合度。聚乙烯醇的物理性质受化学结构、醇解度、聚合度的影响。它是近三十年来发展起来的高分子化合物，由于合成技术的不断提高和价格的不断下降，其用途日益广泛，发展速度很快。其性能介于橡胶和塑料之间，按用途可分为纤维和非纤维两大用途。1.2聚乙烯醇的性质及用途1.2.1聚乙烯醇的性质 聚乙烯醇 (polyvinyl alcoho1) ，简称 PVA ，分子式一CH C H (O H ) 一 ，为白色片状 、絮状或粉末状固体 ，无味无毒 、无污染 ，可在80 90 水中溶解 ，是一种由醋酸乙烯经醇解聚合而成的水溶性高分子聚合物 ，分纤维用和非纤维用两种。其水溶液有很好的黏接性和成膜性，能耐油类、润滑剂和烃类等大多数有机溶剂，具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质。 PVA 性能由其聚合度、黏度和醇解度决定 ，随着聚合度的提高 ，PVA 溶液的黏度 、黏着性 、成膜性 、刚性都相应增大 ，但水溶性、浆膜的柔软性变差，溶液的流动性、浸润性能也相应降低。PVA的醇解度在 88 (摩尔分数)左右，具有良好的水溶性，但醇解度过高或过低，水溶性反61而降低【1-3】。1.2.2聚乙烯醇的应用 由于PVA具有独特的强力粘接性、皮膜柔韧性、平滑性、耐油性、耐溶剂性、保 护胶体性、气体阻绝性、耐磨性以及经特殊处理具有的耐水性，因此除了作纤维原料外，还被大量用于生产涂料、粘合剂、纸品加工剂、乳化剂、分散剂、薄膜等产品，应用范围遍及纺织、食品、医药、建筑、木材加工、造纸、印刷、农业、钢铁、高分子化工等行业。聚乙烯醇树脂系列产品系白色固体，外型分絮状、颗粒状、粉状三种；无毒无味、无污染，可在8090水中溶解。主要用于纺织行业经纱浆料、织物整理剂、维尼 纶纤维原料；建筑装潢行业107胶、内外墙涂料、粘合剂；化工行业用作聚合乳化剂、分散剂及聚乙烯醇缩甲醛、缩乙醛、缩丁醛树脂；造纸行业用作纸品粘合剂；农业方面用于土壤改良剂、农药粘附增效剂和聚乙烯醇薄膜；还可用于日用化妆品及高频淬火剂等方面。1.3聚乙烯醇市场前景1.3.1国外市场前景目前，全球共有20多个国家和地区生产聚乙烯醇，装置的总生产能力已达1100kta，93万吨年约为93万吨年。世界上聚乙烯醇生产能力和产量最大的国家依次是中国、日本、美国和朝鲜，其生产能力占世界聚乙烯醇总生产能力的85904。在消费结构上，各国的重点有所不同 图 1-1 美国 西欧 日本 中国聚乙烯醇的消费结构目前日本的聚乙烯醇出口量最大，北美和西欧则是最大的进口地区。目前世界涂料和粘合剂消耗聚乙烯醇的量占聚乙烯醇总消费量的60一70，是世界聚乙烯醇最主要的消费市场。根据预测，今后几年世界涂料市场的规模将逐年增长，由此可见，世界聚乙烯醇的消费形势仍十分乐观5。2009- -20 14 年 ，世界聚乙烯醇的消费量将 以年均约 395的速度增长，到 2014 年总消费量将达到约 1279 万吨。1.3.2 国内市场前景我国目前有电石乙烯，天然乙烯，石油乙烯三种原料路线的大约13套聚乙烯醇生产装置，生产过程采用高碱两种碱法醇解工艺，总产量约为32万吨，居世界首位。近年来，通过对原有的设备进行了改造和扩建，国内聚乙烯醇总生产能力已达440 kta，生产工艺也由单一的高碱皂化法发展为高、低碱皂化法并举，产品由单纯的维纶化纤原料发展为广泛应用于涂料、纺织浆料、胶粘剂、建材等20多个行业的基础原料。目前，国内外聚乙烯醇资源量充足，市场供应压力较大。国际方面，日本正在通过合并重组的方式提高PVA的生产能力。东南亚近年产品直接覆盖中国内地市场；而国内多家聚乙烯醇生产装置已经正在进行扩大生产能力，结果将会比原来的产能增加13左右，这样在需求未能放大的情况下，国内市场将面临较大的供应压力。欧美市场是我国聚乙烯醇的重要出口地区，由于世界经济回升缓慢，其市场需求增长不力，导致我国聚乙烯醇出口增长难度加大。另外从近几两年的进出口情况看，进口呈现不断增长的趋势。加入WTO效应在进口方面进一步显现，进口增长还将加快。近年来随着我国展 对聚乙烯醇的需求量不断增加。2004 年我 国聚乙烯 醇的表观消费量为 46.17 万吨 ，2007 年达到51.15 万吨 ，同比增长约 2.90。2009 年表观消费量47.89 万 吨，同比增长约 4.45，2004- 2009 年表观 消费量的年均增长率约为0.73。 图1-2 中国近年来聚乙烯醇的表观消费量 有关人士认为，聚乙烯醇在经历了几年的低谷蓄势以后，将可能步人新一轮的旺盛期6。以下几方面的有利条件将为市场提供有利的支持：(1)宏观经济预期良好，支持市场稳步上升。(2)相关行业的发展和下游市场的兴旺，保证聚乙烯醇需求稳定增长。(3)不断开发的新产品，拓展了聚乙烯醇的应用空间。(4)生产和设备的复杂性，决定了供应规模的稳定性，但是我们也要看到，一些不利因素的存在也对现有的聚乙烯醇带来负面影响：聚乙烯醇资源量的进一步增加；国际反倾销浪潮的连带影响；产品成本上升以及动力、能源紧张对市场带来的影响。聚乙烯醇市场虽然存在一定的不利因素，但聚乙烯醇市场的底部在反复的夯打之后已经十分坚实，在明年经济快速增长的促进下，必然会走出一番靓丽行情。1.4聚乙烯醇的生产工艺1.4.1生产方法 按原料分有：乙烯法和乙炔法两类，其中乙炔法又分为电石乙炔法和天然气乙炔法。20世纪60代以前，世界各国主要采用电石乙炔法，到50年代后期才陆续采用天然气乙炔法。70年代以后，由于石油化工迅速发展，生产聚乙烯醇的原料路线从电石乙炔路线转向石油乙烯路线。目前，国际上生产聚乙烯醇的路线以乙烯法为主导，其数量占总产能的72。美国已经完成了乙炔法向乙烯法路线的转变，日本乙烯法也占70以上7。 图1-3 中国聚乙烯醇生产方法比例图1.4.1.1乙烯直接合成法石油裂解乙烯直接合成法，由日本可乐丽公司(原仓敷人造丝公司)首次开发成功并用于工业化生产。目前，国际上生产聚乙烯醇的工艺路线以乙烯法占主导地位，其数量约占总生产能力的72。美国已完成了乙炔法向乙烯法的转变，日本的乙烯法也占70以上，而中国的生产企业只有两家为乙烯法。其工艺流程包括：乙烯的获取及醋酸乙烯(VAc)合成、精馏、聚合、聚醋酸乙烯(PVAc)醇解、醋酸和甲醇回收五个工序。石油乙烯法的工艺特点：生产规模较乙炔法大，产品质量好，设备易于维护、管理和清洗、热利用率高，能量节约明显，生产成本较乙炔法低30以上。1.4.1.2电石乙炔合成法电石乙炔合成法，最早实现工业化生产，其工艺特点是操作比较简单、产率高、副产物易于分离，因而国内至今仍有1O家工厂沿用此法生产，且大部分应用高碱法生产聚乙烯醇。但由于乙炔高碱法工艺路线产品能耗高、质量差、成本高，生产过程产生的杂质污染环境亦较为严重，缺乏市场竞争力，属逐渐淘汰工艺。国外先进国家早于20世纪7O年代已全部用低碱法生产工艺。1.4.1.3天然气乙炔合成法天然气乙炔为原料的Borden法，不但技术成熟，而且生产的乙炔有利于综合利用，VAc的生产成本较电石乙炔法低5070，但天然气乙炔法投资和技术难度都较大。在天然气、煤和电力丰富的地区，天然气乙炔法仍具有生命力。欧洲及朝鲜等国家以天然气乙炔为主，我国也有套生产装置采用该方法8。三种路线各有优缺点其生产工艺及特点比较见表9: 表1-4聚乙烯醇生产工艺及特点比较原料路线石油乙烯天然气乙炔电石乙炔反应方式固定床气相法固定床气相法沸腾床气相法温度/150200170210170210压力/Mpa0.490.98常压常压空速/(Lh-1)20402100250280110150原料配比（摩尔比）乙烯：醋酸：氢=9:4:15乙炔：醋酸=1：（71）乙炔：醋酸=1：（31）续表：催化剂组成钯/金Zn（Ac）2/活性炭Zn（Ac）2/活性炭催化剂寿命56个月3个月56个月单程转化率/%152060703035空时效率/r/(m3)682.22.51.01.3优点副产物少，设备腐蚀性小，催化剂活性高，产品质量好热能利用好，催化剂廉价易得，副反应少技术成熟，投资少，催化剂易得缺点催化剂贵重乙炔成本高电石污染严重1.4.2乙炔法生产原理【10】 （1）乙炔发生 一定粒径的电石加入乙炔发生器后，与水进行反应得到粗乙炔气体。 （2）醋酸乙烯(VAc)的合成 （3） 醋酸乙烯(VAc)的聚合【11】以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，甲醇为溶剂，VAc 经聚合生成聚醋酸乙烯(PVAc) 副反应： （4） 聚醋酸乙烯的醇解 【12】醇解过程主要发生以下3 个反应 a) 酯交换反应(碱起到催化剂作用) b) 皂化反应(PVAc 皂化) c) 副反应(醋酸甲酯皂化) 上述三个反应中,反应 a 是主要反应,绝大多数的 PVAc 通过反应生成 PVA。反应b和反应c是副反应,其中反应b属于水解反应,只在体系有水的情况下发生,而且随着体系含水量的增加而加快。反应c因反应生成的醋酸甲酯和碱液浓度较低,反应速度较慢,但随体系含水率升高,反应加快。 （5）醋酸、甲醇回收 以电石为原料在乙炔发生器中与水反应生成乙炔；乙炔再与醋酸合成反应，生成的反应液经过精馏得到醋酸(VAc)，VAc在引发剂的作用下聚合生成聚醋酸乙烯(PVAc)；PVAc再醇解得到最终产品PVA。这是乙炔法生产聚乙烯醇的原理。 图1-5 聚乙烯醇的工艺流程图【13】1.5小结1.经过多年的发展，我国聚乙烯醇的生产基本上能够满足国内实际需求。生产工艺技术正在向低碱醇解方向发展但是，目前我国生产的聚乙烯醇品种仍然比较单一大多数为普通粘度和醇解度的常规产品，主要用于建筑胶粘剂、低档纺织浆料等领域，中、低聚合度和高聚合度的产品极少，低醇解度(小于80(摩尔比)及嵌段品种等高精细化和特种产品很少，主要依靠进口来解决。2.随着川维、皖维等厂正在进行或者计划进行新一轮的聚乙烯醇扩产工程我国聚乙烯醇的生产能力将大大增加届时的生产能力将出现过剩各个企业应在考虑提高聚乙烯醇产能力的同时重点考虑如何自身增加聚乙烯醇分流消化能力在做大做强聚乙烯醇产业链上多下功夫3.目前，我国聚乙烯醇生产原料主要采用电石乙炔虽然具有许多优点符合我国目前的资源利用情况，原油价格走高也是必然的趋势，电石乙炔路线在一定时期内仍将保持一定的成本优势。但从长远、可持续发展的角度看，还是应该在恰当的时机适当发展天然气乙炔路线和乙烯路线逐步实现多种生产工艺共存。4.目前，我国聚乙烯醇及其下游产品的出口已有进一步扩大的趋势在扩大聚乙烯醇的生产规模和开发生产高精细化、特种产品聚乙烯醇品种的项目势在必行5.建议产业界提前筹谋应对可能发生的产能过剩。除了积极开拓新的应用领域外还应该充分利用我国聚乙烯醇产品价格相对比较便宜的优势，通过技术进步，进一步提高产品质量，降低生产成本，积极扩大出口，以规避市场风险，保证聚乙烯醇行业健康稳步发展 第二章 设计方案的确定 本次设计所针对的聚乙烯醇精馏塔系统的设计，他所对应的是粗醋酸乙烯酯精制流程。而精馏工序中四塔所精馏的醋酸乙烯酯是能够达到聚合原料的纯度要求，所以本设计应确定对四塔设备的设计。 确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： (1)满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 （2） 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。 降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方。（3）保证安全生产 例如醋酸乙烯酯属易燃物料， 不能让其蒸汽弥漫车间， 也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。 2.1塔设计原则 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，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。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： (1) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 (2) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 (4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (6) 塔内的滞留量要小。 实际上， 任何塔设备都难以满足上述所有要求， 况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点， 设计时应根据物系性质和具体要求， 抓住主要矛盾，进行选型。 2.2 装置流程的确定 精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器等装备，热量自塔底输入，物料在塔中多次部分被汽化和冷凝进行精馏操作，由冷凝器中冷却介质将热量带走。工业生产中多应用连续蒸馏，具有生产能力大，产品质量稳定等优点，塔顶冷凝装置采用全凝器以便准确的控制回流比。在设计过程中还应考虑余热的利用。 2.3 板型选择 本次设计是通过对筛板塔和浮阀塔的计算和生产能力，塔板效率，操作效率，操作弹性，压力降，以及操作和造价等多方面的比较，根据实际选型选择四塔采用筛板塔。2.4 操作压力的选择 精馏操作有常压，加压和减压。本设计采用常压操作，原因有以下几点： (1) 甲醇和醋酸乙烯在常压下呈液态，不必采用加压装置。 (2) 能用水将馏出物冷却，在常压下实现醋酸乙烯和聚醋酸乙烯的分离。 (3) 醋酸乙烯和聚醋酸乙烯不属于热敏性物料，混合液沸点不高，不必采用减压蒸馏。 2.5 附属设备的选择 本设计选择用冷却水冷却，采用冷凝器。塔釜一般采用间接蒸汽加热，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热，设置再沸器。 2.6 回流比的选择与塔板数 实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。 为了是塔设备合操作费用实现最优化组合，本设计四塔 R10。2.7 工艺流程图 见附录。第三章 醋酸乙烯酯精馏四塔(T-204)的工艺设计 3.1 精馏工序的物料衡算及操作条件的确定基准：年产30000吨聚乙烯醇。精馏送出醋酸乙烯量： 已知皖维采用低碱法生产的聚乙烯醇平均纯度为94%，按照年生产时间8000小时计算，醇解工序收率为99.5%，精馏工序的收率99.8%，聚合转化率为50%，则30000100080000.9444=精馏送出醋酸乙烯量8699.5% 精馏送出醋酸乙烯量=6924kg/h 年产30000吨聚乙烯醇的聚合转化率为50%根据三塔加料中醋酸乙烯99.8%=精馏送出醋酸乙烯量（假定收率99.8%）聚合转化率为50% 三塔加料中醋酸乙烯的量=692499.850%=13875.752kg/h物料平衡表根据进料百分比得： 表3-1 三塔进料序号名称公斤/时组成（重量%）12345678醋酸乙烯（VAC）醋酸甲酯（MeOAC）水（H2O）乙醛（Aed）丙酮（Me2CO)甲醇（MeOH）硫叉二苯胺（TDA）醋酸（HAC）13875.752213.25471.08542.65114.2174.2651.4220.06497.61.50.50.30.10.030.10.00045三塔馏出液中水的重量与进料水量不变馏出液组分量 ： 71.0854.53%=1569.205kg/h 表3-2 三塔馏出液序号名称公斤/时组成（重量%）123456醋酸乙烯（VAC）醋酸甲酯（MeOAC）水（H2O）乙醛（Aed）丙酮（Me2CO)甲醇（MeOH）1254.109177.32071.08546.60515.5354.55179.9211.34.532.970.990.29四塔的进料为三塔的馏出液，则四塔进料可知表3-3 四塔进料序号名称公斤/时组成（重量%）g/molkmol/h摩尔%1234567合计醋酸乙烯（VAC）醋酸甲酯（MeOAC）水（H2O）乙醛（Aed）丙酮（Me2CO)甲醇（MeOH）硫叉二苯胺（TDA）1254.109177.32026.12346.60515.5354.5513.9201528.16382.6311.71.722.791.00.310086741844583214.5832.3961.4511.0590.2680.14219.89973.2912.047.2925.3221.3470.714100四塔馏出液中丙酮量与进料丙酮量不变，则馏出液量 15.5357.26%=213.981kg/h馏出液组分表3-4 四塔馏出液序号名称公斤/时组成（重量%）g/molkmol/h摩尔%123456合计醋酸乙烯（VAC）醋酸甲酯（MeOAC）水（H2O）乙醛（Aed）丙酮（Me2CO)甲醇（MeOH）10.699136.9476.18440.22815.5354.551214.1445.064.02.8918.87.262.181008674184458320.1241.8510.3440.9140.2680.1423.6433.89850.8109.44325.0897.3573.898100釜出液组分表3-5 四塔釜出液序号名称公斤/时组成（重量%）g/molkmol/h摩尔%1234合计醋酸乙烯（VAC）醋酸甲酯（MeOAC）水（H2O）硫叉二苯胺（TDA）1243.4140.37319.9393.9201307.64293.542.971.510086741814.4580.5451.10816.11189.7403.3836.877100表3-6尾气序号名称公斤/时组成（重量%）g/molkmol/h摩尔%1乙醛（Aed）6.377100440.1451003.1.2 物性数据查找计算及汇总 （1） 数均分子量计算（按摩尔百分比）进料平均分子量= MVAcVAc%+MMeOACMeOAC%+MH2OH2O%+MAedAed%+MMe2COMe2CO%+MMeOH MeOH%=8673.29%+7412.04%+187.292%+445.322%+581.347%+320.314%=76.475馏出平均分子量=MVACVAc%+MMeOACMeOAC%+MH2OH2O%+MAedAed%+MMe2COMe2CO%+MMeOHMeOH%=863.898%+7450.810%+189.443%+4425.089%+587.357%+323.898%=59.206釜液平均分子量=MVACVAC%+MMeOACMeOAC%+MH2OH2O%=8689.704+743.383+186.877=81.223（2） 汽化潜热Hi（按质量百分比）查得如下表：表3-7组分汽化潜热表名称VAcHAc甲醇水醋酸甲酯乙醛丁烯醛汽化潜热Hi（kJ/kg）379.76394.671129.52253410.8584.77400进料平均汽化潜热=HiVAcVAc%+Hi甲醇甲醇%+Hi水水%+Hi醋酸甲酯醋酸甲酯%+Hi乙醛乙醛%=379.7682.63%+1129.50.3%+22531.72%+410.811.7%+584.772.97%=421.367kJ/kg馏出平均汽化潜热=HiVACVAc%+HiMeOACMeOAC%+HiH2OH2O%+HiAedAed%+HiMeOHMeOH%=379.765.0%+410.864.0%+22532.89%+584.7718.8%+1129.52.18%=481.572kJ/kg釜液平均汽化潜热=HiVACVAC%+HiMeOACMeOAC%+HiH2OH2O%=379.7693.54%+410.82.97%+22531.5%=401.223kJ/kg （3）比热（按质量百分比） 查表得：表3-8组分比热表名称VAcHAc甲醇水醋酸甲酯乙醛丙酮比热c（kJ/kg）2.011.9762.54.182.11.402.20 进料平均比热=CVAcVAc%+CMeOACMeOAC%+CH2OH2O%+CAedAed%+CMeOH MeOH%+CMe2COMe2CO%=2.0182.63%+2.111.7%+4.181.72%+1.402.97%+2.50.3%+2.201.0%=2.05kJ/kg 馏出平均比热=CVAcVAc%+CMeOACMeOAC%+CH2OH2O%+CAedAed%+CMeOH MeOH%+CMe2COMe2CO%=2.015.0%+2.164.0%+4.182.89%+1.4018.8%+2.52.18% +2.207.26%=2.04 kJ/kg 釜液平均比热=CiVACVAC%+CiMeOACMeOAC%+CiH2OH2O%=2.0193.54%+2.12.97%+4.181.5% =2.01kJ/kg（4）液相重度（按质量百分比）查表得：表3-9组分密度表名称VAc甲醇水醋酸甲酯乙醛丙酮密度（kg/m3）9307921000932783784进料平均密度=VAcVAc%+MeOACMeOAC%+H2OH2O%+AedAed%+MeOH MeOH%+Me2COMe2CO%=93082.63%+93211.7%+10001.72%+7832.97%+7920.3%+7841.0%=928.17kg/m3 馏出平均温度=VAcVAc%+MeOACMeOAC%+H2OH2O%+AedAed%+MeOH MeOH%+Me2COMe2CO%=9305.0%+93264.0%+10002.89%+78318.8%+7922.18% +7847.26%=893.27kg/m3釜液平均密度=iVACVAC%+iMeOACMeOAC%+iH2OH2O%=93093.54%+9322.97%+10001.5%=931.11kg/m3序号项目单位条件1塔顶温度502塔中温度603塔底温度704加料温度305回流比R106馏出液中含醋酸乙烯%（重）107釜液中含醋酸甲酯%（重）38塔顶压力kpa101.3259馏出液温度5 表3-10 操作条件（5） 汽相重度D 按如下公式计算，其中为数均分子质量。p为塔顶压力，t分别为进料温度、馏出温度、塔底温度。则进料汽相重度馏出汽相重度釜液汽相重度物性数据见下表：表3-11 物性数据汇总表名称单位进料馏出釜液精馏段平均提馏段平均平均分子量g/mol76.47559.20681.22367.84178.849比热kJ/kg2.052.042.012.052.03汽化潜热kJ/kg421.367481.572401.223451.470411.295汽相重度kg/m33.0742.5942.8832.8342.979液相重度kg/m3928.17893.27931.11910.72929.64表面张力dyn/cm20.5219.86粘度cp0.460.12 3.2精馏塔汽液负荷计算 因为塔中分子汽化潜热不等，所以不能用恒分子流的方法计算气液负荷。本方法计算用热平衡与物料平衡联立的方法计算气液负荷一、通过全塔热平衡计算再沸器的热负荷Qs图 3-1全塔热平衡全塔热平衡等式QS + QF + QD =QP + QM + QW + QE进料热QF=进料比热进料量加料温度=2.051528.16330=93982kJ/h回流热QD=馏出比热馏出量回流比馏出温度 馏出热 塔顶热QP=馏出比热馏出量（回流比+1）+馏出汽化潜热馏出量（回流比+1）釜液热QW=釜液比热釜液量釜液排出温度QM=0 假设全塔热损失为 QS2951774 kJ/h 二、由第二块板以下热量衡算和物料衡算，求提馏段上升汽量和下降液体量用C代表比热代表汽化潜热mQm热量平衡： (3-1)物料平衡： (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) (3-6)将式(3-3) (3-4) (3-5) (3-6) 代入式(3-1)，得 m=0得： (3-7) (3-7) .W 釜出液总量 3、 求精馏段气液负荷进料热状况参数 进料板以上第一块板的气相负荷VS1 其中，进料流量; 釜液汽重密度;精馏段顶板气相负荷VS21. 由于回流液温度低，产生内回流量 馏出液汽重密度精馏段平均气相负荷 进料板上一块板的液相负荷Ls1 精馏段顶板液相负荷Ls2 精馏段平均液相负荷LS 3.3精馏四塔塔板数的确定141精馏段物料衡算 相邻两层板间汽液两流组成间(相遇两流)的关系，可通过对塔顶至精馏段任意两层板间截面所作的物料衡算导出。对图10-2l中的虚线图作总物料衡算，可得 易挥发组分的物料衡算方程为或 式中 离开n板液相中轻组分的摩尔分率； 离开n+1板气相中轻组分的摩尔分率； 离开n板液相摩尔流率，kmol/h； 离开n+1板汽相摩尔流率，kmol/h。2恒摩尔流假定 (1)恒摩尔汽化 假定在精馏塔的精馏段内，由每层板上升的汽相摩尔流率都相等，在提馏段也是如此。即 精馏段 提馏段 式中 精馏段每板的汽相摩尔流率，kmolh； 提馏段每板的汽相摩尔流率，kmolh。 应当指出,精馏段和提馏段汽相摩尔流率不一定相等。(2)恒摩尔溢流 假定在精馏塔的精馏段内，由每层板下降的液相摩尔流率都相等，在提馏段也是如此。即 式中 L精馏段内液体的摩尔流量，kmol/h；提馏段内液体的摩尔流量，kmol/h。 同样，精馏段和提馏段的液相摩尔流率不一定相等。 3精馏段操作线方程在恒摩尔流假定下，式可以写成 而 并令，则可得 进料中轻组分的组成，摩尔分率或质量分率； 塔顶产品中轻组分的组成，摩尔分率或质量分率： 塔底产品中轻组分的组成，摩尔分率或质量分率。 已知精馏塔的条件=11.6%,=64%，=2.97%，=1.3，=10相对挥发度 相平衡方程精馏段操作线方程塔釜汽相回流比得：提馏段操作线方程两操作线交点横坐标为：（4）理论板数计算 精馏段： 提留段： 故理论塔板数为11块 取塔板效率为0.3实际塔板数:110.337精馏段5 第18块塔板为加料板提留段为20块塔板3.4 精馏塔的工艺设计153.4.1塔径的初步设计塔板间距HT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许。高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可降低；但是板间距过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种不同情况予以考虑。如对易发泡的物系，板间距应取大一些，以保证塔的分离效果。板间距与塔径之间的关系，应根关系，应根据实.情况，结合经济权衡，反复.整，已做出最佳选。设计时通常根据塔径的大小下表所列经验数据可作为设计初步的参考值。化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小于600mm。本次设塔板间距，塔板上液层高度1.精馏段由，安全系数=0.60.8，式中C可由化工工艺设计手册史密斯关联图查出：图3-4史密斯关联图横坐标数值：取板间距：,，则查图可知：，则圆整：横截面积：，空塔气速：2. 提馏段横坐标数值：取板间距：,，则查图可知：，,则圆整：横截面积:,空塔气速：3.4.2 溢流堰及降液管的设计 本设计选择单溢流的弓形降液管。 堰长 取 本设计采用平直堰，堰上液高度按下列公式计算 式中 - 液体体积流量 - 液流收缩系数 - 堰上液流高度 -堰长液流收缩系数可关联为如下两参数的函数： 液流收缩系数的数值可根据液流收缩系数计算图19查取。图3-5液流收缩系数计算图(1) 精馏段： ，查图得，堰上液层高度对塔板的操作性能有很大的影响。堰上液层高度太小，会造成液体在堰上分布不均，影响传质效果，设计时，使堰上液层高度大于6mm，若小于此值须采用齿形堰；堰上液层高度太大，会增大塔板压降及雾沫夹带量。一般设计时不宜大于6070mm，超过此值时可改用双溢流形式。则溢流堰上液头高度 前假设，取内、外堰高要求 (2) 提馏段： ，查图得，则 前假设， 取内、外堰高 要求 3.4.3 弓形降液管的宽度和横截面 图3-7弓形降液管的参数图由在弓形降液管的参数图中查得，则,验算降液管内停留时间：(1) 精馏段：(2) 提馏段：停留时间，故降液管可使用。3.4.4 降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管底边与塔板间的距离。确定的原则是：保证液体夹带的悬浮固体在通过底隙时不致沉降下来而堵塞通道；同时又要有良好的液封，防止气体通过降液管造成短路。降液管底隙高度 应低于出口堰高度，才能保证降液管底端有良好的液封，一般应不低于6mm。降液管底隙高度可用下式计算：设间隙流速为 则降液管底隙高度一般不宜小于，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。在设计中，塔径较小时可取为，塔径较大时可取为左右，最大可达。 1.精馏段 取降液管底隙高度， 则 液流通过间隙时的速度 符合工艺要求。2.提馏段取降液管底隙高度，则 液流通过间隙时的速度 符合工艺要求。 3.4.5 筛孔的设计本此设计的物系有腐蚀性，可选用不锈钢板，取筛孔直径筛孔直径采用正三角形排列，取孔中心距取稳定区宽取边缘安装区宽1.开孔区面积 ， 2.总开孔面积 而对于正三角形排列，开孔率与孔间距之间的关系用下式表示：，则 即3.每层板上筛孔数N 4.筛孔气速 (1)精馏段： (2)提馏段：3.4.6 筛板塔的流体力学的计算 1.塔板压降 (1)干板压降 由查干筛孔的流量系数图得图3-8筛孔的流量系数图精馏段： 提馏段： (2)湿板压降 式中 塔板上液层充气系数，可由充气系数关联图查出，其横坐标图3-9充气系数关联图 精馏段：，查图得，则 提馏段：,查图得 (3)克服液体表面张力的阻力 克服液体表面张力的阻力可近似为 精馏段： 提馏段： (4)气体通过每层塔板液柱高度可按下式计算： 精馏段： 精馏段总压降液柱 提馏段： 提馏段总压降液柱 2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，由于本设计的塔径与液流量均不大，故可忽略液面落差的影响. 3雾沫夹带雾沫夹带的计算采用Hunt关联式19：对于单流型塔板：，1)精馏段： 2)提馏段： 二者的，故本设计中在允许范围内。 4 漏液点气速 对于筛板塔，漏液点气速可由下式来计算： 取C0流量系数为0.77 (1)精馏段： 实际孔速 稳定系数 (2)提馏段： 实际孔速 稳定系数 故本设计中漏液点气速符合要求。 5液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从下式的关系，即 hW-外堰的高 m hOW-液流高度 m -进出口堰之间的液面高度, m hP-通过每层板的气相总压降 m hd-液相流出降液管的局部阻力 m 其中液体流过降液管的局部阻力由计算，很小，可忽略。 (1)精馏段：液柱，则 取，则 (2)提馏段：液柱，则 取，则 故本设计不会产生液泛。6.负荷上限 精馏段 当雾沫夹带为eV=0.1Kg/Kg气时的上限气速 所以负荷上限为355%提馏段当雾沫夹带为eV=0.1Kg/Kg气时的上限气速 所以负荷上限为219%塔附件的工艺设计及选型3.5 塔附件的工艺设计及选型板式塔的塔附件主要包括各种接管、裙座、除沫器、人孔及吊柱等。3.5.1工艺接管1.塔顶蒸汽接管 本设计塔顶蒸汽速度取塔顶蒸汽流量： 则查表，本设计采用热轧无缝钢管。 2.进料管管径料液由高位槽流入塔内时，进料管内流