7200吨每年乙酸乙酯乙酸丁酯精馏塔装置设计.doc

7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 I 首届山东省“隆腾双利杯”大学生化工过 程实验技能竞赛 7200 吨吨/年乙酸乙酯年乙酸乙酯乙酸丁酯乙酸丁酯 精馏装置设计精馏装置设计 设 计 人： 单 位： 指导教师: 完成时间: 2010-12-8 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 II 目目 录录 课程设计任务书课程设计任务书 .I 摘摘 要要.II 第一章第一章 文献综述文献综述.1 第二章第二章 设计方案的确定设计方案的确定.2 2.1 操作条件的确定.2 2.2 确定设计方案的原则.2 第三章第三章 塔体计算塔体计算.4 3.1 设计方案的确定.4 3.2 精馏塔的物料衡算.4 3.2.1 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.4 3.2.2 物料衡算.5 3.3 全凝器冷凝介质的消耗量.5 3.3.1 热量计算.5 3.3.2 热能利用.6 3.4 塔板数的确定 .7 3.4.1 理论塔板层数的确定.7 3.4.2 全塔效率的估算.8 3.4.3 实际塔板数.9 第四章第四章 精馏塔主体尺寸的计算精馏塔主体尺寸的计算.10 4.1 精馏塔的体积流量的计算.10 4.1.1 精馏段体积流量.10 4.1.2 提馏段体积流量.11 4.2 塔径的计算.12 4.3 塔高的计算 .14 第五章第五章 塔板结构尺寸的确定塔板结构尺寸的确定.15 5.1 塔板结构 .15 5.2 塔板尺寸.15 5.2.1 塔板基本尺寸.15 5.2.2 筛孔数目.16 5.3. 弓形降液管.16 5.3.1 堰高.16 5.3.2 降液管底隙高度.16 5.4 筛孔排列.17 第六章第六章 流体力学验算及塔板负荷性能图流体力学验算及塔板负荷性能图.18 6.1. 气体通过精馏段的压力降(单板压降).18 6.1.1 干板阻力.18 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 III 6.1.2 液层压力降.18 6.1.3 由表面张力引起的阻力.18 6.2. 精馏段漏液验算.18 6.3. 精馏段液泛验算 .19 6.4. 精馏段雾沫夹带验算.19 6.5. 气体通过提馏段的压力降(单板压降).19 6.5.1 干板阻力.19 6.5.2 液层压力降.19 6.5.3 由表面张力引起的阻力.20 6.6. 提馏段漏液验算 .20 6.7. 提馏段液泛验算.20 6.8. 提馏段雾沫夹带验算.21 6.9. 精馏段操作性能负荷图.21 6.9.1 雾沫夹带上限线.21 6.9.2 液泛线.21 6.9.3 液体负荷上限线.22 6.9.4 漏液线.22 6.9.5 液相负荷下限线.22 6.10 提馏段操作性能负荷图.23 6.10.1 雾沫夹带上限线.23 6. 10.2 液泛线.23 6.10.3 液体负荷上限线.24 6.10.4 漏液线.24 6.10.5 液相负荷下限线.24 第七章第七章 塔附件设计塔附件设计.25 7.1 泵的计算及选型 .25 7.2. 换热器 .25 7.2.1 设计任务及确定设计方案.25 7.2.1 换热器计算.25 7.2.1 换热器核算.27 附：填料塔的填料层高度的计算附：填料塔的填料层高度的计算.30 设计小结设计小结.32 附录附录.33 参考文献参考文献.34 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 I 课程设计任务书课程设计任务书 一、课题名称 乙酸乙酯乙酸丁酯分离过程板式精馏塔（筛板塔）设计。 二、课题条件（原始数据） 原料：乙酸乙酯 乙酸丁酯 年处理量： 7200t 原料组成（乙酸乙酯的质量分率）：0.30 操作压力：常压 进料温度：60 回流比：6.8 单板压降：自选 进料状态：冷夜进料 塔顶产品浓度：塔顶的乙酸乙酯含量不小于95%(质量分数) 塔底的产品浓度：苯含量不大于 3%(质量分数) 塔顶：采用全凝器 塔釜：饱和蒸汽间接加热 塔板形式：筛板 生产时间：300 天/年，每天 24h 运行 设备形式：筛板塔 三、设计内容（包括设计、计算、论述、实验、绘图等） 1 设计方案的选定 2 精馏塔的物料衡算 3 塔板数的确定 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度、比 热等） 5 精馏塔塔体工艺尺寸的计算 6 塔板主要工艺尺寸的计算 7 塔板的流体力学验算 8 塔板负荷性能图 9 换热器设计 11 制生产工艺流程图（带控制点） 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 II 摘摘 要要 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工炼油石油化工等工业中得到 广泛的应用。本设计的题目是乙酸乙酯乙酸丁酯二元物系筛板式精馏塔的设计。在确定的 工艺要求下，确定设计方案，设计内容包括精馏塔工艺设计计算，塔辅助设备设计计算，精 馏工艺过程流程图，精馏塔设备结构图，设计说明书。 关键词：板式塔；乙酸乙酯乙酸丁酯；工艺计算；流程图 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 1 第一章第一章 文献综述文献综述 塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触 部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷 射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填 料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下 者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。 工业上对塔设备的主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气 流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少； （6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。 乙酸乙酯又称 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，被广泛用于醋酸纤维、 乙基纤维、氯化橡胶、合成橡胶、涂料及油漆等的生产过程中。其主要用途有：作为工业溶 剂，用于涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造纤维等产品中；作为粘合剂，用于印刷油墨、人 造珍珠的生产；还可以作为提取剂，香料原料等。 工业上一般由醋酸和正丁醇在有催化剂的情况下酯化而得，其中硫酸催化工艺成熟， 但副反应较多，研究和改进乙酸乙酯与乙酸丁酯的精馏设备是有现实意义的，也是非常 重要的。 塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到 了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事 项是非常必要的。 筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，呈正三角形排列。上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板 上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群） 。 筛板塔是 1932 年提出的，当时主要用于酿造，其优点是结构简单，制造维修方便，造 价低，气体压降小，板上液面落差较小，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮 阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体 粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔 径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多，所以在本设计中设计该种塔型。 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 2 第二章第二章 设计方案的确定设计方案的确定 2.1 操作条件的确定 确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例 如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面 结合课程设计的需要，对某些问题作如下阐述。 2.1.1 操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的 性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相 对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的 设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时， 一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的 处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量， 或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。在本设计采用常压作为操 作压力。 2.1.2 进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料 状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操 作比较容易控制，不致受季节气温的影响。但在本设计中采用的是冷夜进料。 2.2 确定设计方案的原则 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： 2.2.1 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。计 算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，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 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 3 是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 2.2.2 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。本设计中将考虑到能量的合理利用。 2.2.3 保证安全生产 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。 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 4 第三章第三章 塔体计算塔体计算 3.1 设计方案的确定 本设计采用连续精馏流程，冷液进料。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下 一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用饱和蒸汽间接加热， 塔底产品冷却后送至储罐。 3.2 精馏塔的物料衡算 3.2.1 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。 原料液的摩尔组成： 30/88.11 0.36103 30/88.11 70/116.16 f n x nn 乙酸乙酯 乙酸乙酯乙酸丁酯 同理可求得：0.96161,0.03918 DW xx 原料液的平均摩尔质量： (1)0.36103 88.11(1 0.36103) 116.16106.03311/ fff Mx MxMkg kmol 乙酸乙酯乙酸丁酯 同理可求得：89.18684/,115.06100/ DW Mkg kmol Mkg kmol 由图 1 可查得原料液、塔顶和塔底混合物的沸点。将上述计算结果汇总于表 1。 表 1 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度 名称原料液馏出液釜残液 (%) f x 30950.03 (摩尔分数) f x 0.361030.961610.03918 摩尔质量/kg kmol（）106.0331189.18684115.06100 沸点温度（）99.2578.21121.75 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 5 t-x-y 图 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 0. 55 0. 6 0. 65 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 1 t 图 1 3.2.2 物料衡算 以年工作日为 300 天，每天开车 24 小时计，进料量为： 3 7200 10 9.43102/ 300 24 106.03311 Fkmol h 由全塔的物料衡算方程可写出： FDW fDW FxDxWx 解得： 3.29063/Dkmol h6.14039/Wkmol h 3.3 全凝器冷凝介质的消耗量 3.3.1 热量计算 塔顶全凝气的热负荷： , 4 1 45 1 0.96161 32.231 0.9616136.79 10003.24 10/ 25.66691 3.24 108.31738 10/ rkJ kmol QVrkJ h 取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为 20和 30则 平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：4.1785/ pc CkJ kg C x(y) 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 6 5 1 1 21 8.31738 10 19905.18129/ ()4.1785 (3020) pc Q Wkg h ctt 塔顶冷却器热负荷： 在下，查的产品的比热容 1 189.84290/ p ckJ kmol k 1 189.84290/ p ckJ kmol k 21 3.29063 189.8429 38.2123869.89/ p QDctkJ h 冷却水用量 2 2 21 23869.89 571.25500/ ()4.1785 (3020) pc Q Wkg h ctt 塔底再沸器热负荷： 2 6 32 0.03918 32.231 0.0391836.7936.61100/ 27.81108 36.611 10001.0182 10/ rkJ mol QV rkJ h 、 在表压为 0.4MPa 的条件下查的饱和水蒸气的汽化潜热为 3 2107.40000/rkJ kg 饱和水蒸气用量： 6 3 3 3 1.0182 10 483.155/ 2107.4 Q Wkg h r 塔底冷却器热负荷： 下查的塔底产品的比热容 40 121.75 2 m 在t203.67096/ pf ckJ kmol k 5 42 6.14039 242.7298121.75401.2184 10/ p QWctkJ h 冷却水用量： 5 4 4 12184 10 2909.612/ 4.1875 10 pc Q WkJ h ct 3.3.2 热能利用 以塔釜产品对预热原料液，则将原料由 20到 60所需的热量为。 f Q 其中，查得，此时原料液的比热容: 2060 40 2 fm t 203.67096/ pf ckJ kmol k 原料所需热量： 4 9.43102 203.67096 407.6833 10/ fpf QFctkJ h 由于，所以理论上可用塔釜产品对原料液加热。 4f QQ 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 7 同理，塔顶饱和蒸汽也可以将原料液预热至所需温度。 3.4 塔板数的确定 3.4.1 理论塔板层数的确定 0.3610399.25 ff xtC时溶液泡点为 ， 99.2560 79.62500 2 平均温度 C 在 79.625 时，=126.1/(),=247.5/() pp ckJkmol k ckJkmol k 乙酸乙酯乙酸丁酯 原料液平均比热容,=126.1 0.36103+247.5 (1 0.36103)203.67096/() p ckJkmol k 原料液的汽化热 ，进而可求的 33 0.36103 32.23 10(1 0.36103) 36.79 1035143.7032/ m rkJ kmol 35143.7032203.67096 39.25 1.22747 35143.7032 mp m rct q r 1 q5.396181.58715 11 f q yxxx qq 线方程 1 0.871790.12328 11 D R yxxx RR 精馏段的操作线方程 q(0.37805,0.45286)d线方程与精馏段操作线方程的交点坐标 综上，可绘制图 2xy由此可在图上画出提馏段操作线方程， 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 8 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 0. 55 0. 6 0. 65 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 1 图 2 由图 2 得理论塔板数为：5 块（精馏段 2 块，提馏段 2 块，加料板 1 块） 3.4.2 全塔效率的估算 用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：O conenell 由相平衡方程式 可得： 1(1) x y x 根据乙酸乙酯乙酸丁酯体系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) 1 0.96161 D yx 1 0.8440 x (加料板)0.72103 f y 0.36103 f x (塔釜)0.14888 w y 0.03918 w x 因此可以求得： 1 4.62981,4.57439,4.28980 fw 全塔的相对平均挥发度： 1 4.62981 4.289804.45656 mw 全塔的平均温度： 78.21 121.75 99.98 22 DW m tt tC 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 9 在温度下查得99.98 C0.208,0.315mPa smPa s 乙酸乙酯乙酸丁酯 因为 LiLi x 所以，0.96161 0.208(1 0.96161) 0.3150.21211 LD mPa s 同理可得0.31081 LW mPa s 全塔液体的平均粘度： ()/ 2(0.21211 0.31081)/ 20.26146 LmLDLW mPa s 全塔效率 0.245 0.245 1 0.49()0.4947.198% (4.49550 0.26146) TL E 3.4.3 实际塔板数 由图二得，精馏段的理论塔板数为右上：2 块， 实际塔板数为：/12/0.47198 16 TPT NNE 精馏段精馏段 块 同上，有图可知提馏段的理论塔板数为：2 块， 则实际塔板数为：/12/0.47198 16 TPT NNE 提馏段提馏段 块 加料板：1 块 实际塔板数为：13 块 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 10 第四章第四章 精馏塔主体尺寸的计算精馏塔主体尺寸的计算 4.1 精馏塔的体积流量的计算 4.1.1 精馏段体积流量 整理精馏段的已知数据列于表 2，由表中数据可知： 液相平均摩尔质量： 1 106.03311 92.4858 99.25946/ 22 lfl MM Mkg kmol 液相平均温度： 99.2578.21 88.73 22 fD m tt tC 表 2 精馏段的已知数据 位置进料板塔顶(第一块板) 0.3 f x 1 0.95 D yx 质量分数(%) 0.66222 f y 1 0.80407x 0.36103 f x 1 0.96161 D yx 摩尔分数 0.72103 f y 1 0.84400 x 106.03311 Lf M 1 92.48580 L M 摩尔质量()/kg kmol 95.93511 Vf M 1 89.18684 V M 温度()99.2578.21 在平均温度下查得 33 815.4/,809.8/kg mkg m 乙酸乙酯乙酸丁酯 液相平均密度为： 11 LmLm Lm xx 乙酸乙酯乙酸丁酯 其中，平均质量分数 0.30.80407 0.55204 2 Lm x 所以， 3 812.88188/ Lm kg m 精馏段的液相负荷：由6.8 3.2906322.37628/LRDkmol h 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 11 3 22.37628 99.25946 2.73232/ 812.88188 n Lm LM Lmh 同理可计算出精馏段的汽相负荷。 精馏段的负荷列于表 3。 表 3 精馏段的汽液相负荷 名称液相气相 平均摩尔质量()/kg kmol99.2594692.56098 平均密度() 3 /kg m812.881883.11888 体积流量() 3 /mh2.73232(0.000758978) 3 /ms 761.73317(0.21159 3 /ms ) 4.1.2 提馏段体积流量 整理提馏段的已知数据列于表 4，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷， 结果列于表 5。 表 4 提馏段的已知数据 位置塔釜进料板 0.03 W x 0.30 f x 质量分数 0.11714 W y 0.66222 f y 0.03918 W x0.36103 f x 摩尔分数 0.14888 W y0.72103 f y 115.061 LW M106.03311 Lf M 摩尔质量/kg kmol 111.984 VW M95.93511 Vf M 温度/121.7599.25 表 5 提馏段的汽液相负荷 名称液相汽相 平均摩尔质量()/kg kmol110.54606103.95956 平均密度() 3 /kg m782.867893.28815 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 12 体积流量() 3 /mh4.79417(0.00133171) 3 /ms879.28703(0.24425) 3 /ms 4.2 塔径的计算 由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的 径相等。有以上的计算结果可以知道： 汽塔的平均蒸汽流量： 3 ()0.211590.24425 0.22792/ 22 SJST S VV Vms 汽塔的平均液相流量： 3 ()0.0007589780.00133171 0.00104534/ 22 SJST S LL Lms 汽塔的汽相平均密度： 3 3.118883.28815 3.20352/ 22 VJVT V kg m 汽塔的液相平均密度： 3 812.88188782.86789 797.87489/ 22 LJLT L kg m 塔径可以由下面的公式给出： 4 S V D u 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。 max (0.6 0.8)uu max u max LV V uC 取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间：0.35 T Hm 1 500.05hmmm 1 0.350.050.30 T Hhm 功能参数： 0.00104534797.87489 ()0.07238 0.227923.20352 SL SV L V 从史密斯关联图（图 2）, 查得：， 20 0.059C 7200 吨/乙酸乙酯-乙酸丁酯精馏装置设计 13 史密斯关联图（图 2） 由于，在平均温度下由表面张力手册查的： 0.2 20( ) 20 CC 精馏段乙酸乙酯乙酸丁酯的平均表面张力，提馏段乙酸乙酯乙酸 2 1 30.34734/dyn m 丁酯的平均表面张力 2 2 26.90581/dyn m 平均表面张力 2 28.62658/dyn m 所以： 0.2 28.62658 0.059()