(工艺技术)分离醋酸__水混合物常压精馏(筛板)塔的工艺设计

1、化工原理课程设计1课程编号化工原理课程设计板式精馏塔设计院系:_班级_姓名:_学号:_学分:_任课老师:_课程成绩:_化工原理课程设计-2 -2013 年 8 月 11 日目录一、设计任务书.3二、概述.5三、设计条件及主要物性参数.11四、工艺设计计算.13五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算.19六、塔板设计工艺设计.21七、塔板的校核.22八、塔板负荷性能曲.28九、辅助设备选型.35十、设计结果汇总表.42十一、对设计过程的评述和相关问题的讨论.43十二、主要符号说明.44化工原理课程设计7-3 -一、设计任务书1 设计题目分离醋酸水混合物常压精馏（筛板）塔的工艺2、设计条件1）生产能力：年产

2、量D=3万吨（每年生产日按330天计算）；2）原料：含醋酸30%（摩尔分数）的粗馏冷凝液，以醋酸一一水二元体系；3）采用直接蒸汽加热；4）采用泡点进料；5）塔顶馏出液中醋酸含量大于等于99.9%;6）塔釜残出液中醋酸含量小于等于2%；7）其他参数（除给出外）可自选；8）醋酸一一水的相对挥发度为a=1.65,醋酸密度为1.049,水的密度为0.998,混合液的表面张力=20mN/m；3、设计说明书的内容1）目录；2）设计题目及原始数据（任务书）；3）简述醋酸一水精馏过程的生产方法以及特点；4）论述精馏塔总体结构的选择和材料的选择；5）精馏过程的有关计算（物料衡算，理论塔板数，回流比，塔高，塔径,

3、 塔板设计管径等）；化工原理课程设计-4 -7）主体设备设计计算及说明；8）附属设备的选择；9）参考文献；10）后记及其他4、设计图要求1）绘制主要装置图，设备技术要求，主要参数，大小尺寸，部件明细表，标题栏；2）绘制设备流程图一张；3）用坐标纸绘制醋酸一一水溶液yx图一张，并且用图解法求理论塔板数；4）用坐标纸绘制温度与气液相含量的关系图；化工原理课程设计-5 -二、概述蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部 分冷凝达到轻重组分分离的方法。蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生 产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特 性，对选择、设计和

4、分析分离过程中的各种参数是非常重要的。蒸馏过程按操作方式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏是一种不稳态 操作，主要应用于批量生产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续 过程，是化工生产常用的方法。蒸馏过程按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。简 单蒸馏是一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。平衡蒸馏又称闪蒸，也是一 种单级蒸馏操作，常以连续方式进行。简单蒸馏和平衡蒸馏一般用于较易分离 的体系或分离要求不高的体系。对于较难分离的体系可采用精馏，用普通精馏 不能分离体系则可采用特殊精馏。特殊精馏是在物系中加入第三组分，改变被 分离组分的活度系数，增大组分间的相对挥发度，达到有效

5、分离的目的。特殊 精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。一般说来，当总压强增大时，平衡时气相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压 下为气态的混合物，可采用加压精馏；沸点高又是热敏性的混合液，可采用减 压精馏。虽然工业生产中以多组分精馏为常见，但为简化起见，本书主要介绍两组 分连续精馏过程的设计计算2.1 精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气（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，为化工原理课程设计-6 -了满足工业生产和需要，塔设

6、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。2.2 板式塔的常用塔

7、型及其选用板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和 按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收，有些类 型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以 气液系统为例），液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出； 气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。 根据目前国内外实际使用的情况，主要塔型是泡罩塔、筛板塔及浮阀塔。2.2.1泡罩塔化工原理课程设计-7 -泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作所使用

8、的塔设备中，曾占有主要地位，近三十年来由于塔设备有很大的进展，出现了 许多性能良好的新塔型，才使泡罩塔的应用范围和在塔设备中所占的比重有所 减少。但泡罩塔并不因此失去其应用价值，因为它具有如下优点。1操作弹性较大，在负荷变动范围较大时仍能保持较高的效率。2无泄漏。3液气比的范围大。4不易堵塞，能适应多种介质。泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修麻烦以及气相压力降 较大。然而，泡罩塔经过长期的实践，积累的经验比其他任何塔型都丰富，常 用的泡罩已经标准化。在处理非腐蚀性物料时，整个泡罩塔盘都可用碳钢制造。 泡罩塔盘的蒸气压力降虽然高一些，但在常压或加压下操作时，并不是主要问 题。2.2.

9、2筛板塔筛板塔也是很早出现的一种板式塔。20世纪50年代起对筛板塔进行了大 量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。 与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大（20%40%）,塔板效率高（10%15%），压力降低（30%50%），而且结构简单，塔盘造价减少40% 左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板(孔径可达2025mm)、导向筛板等多种型式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分。工业塔常用 的筛孔孔径为3化工原理课程设计-8 -8mm,按正三角形排列，孔间距与孔径的比

10、为2.55。近年来 有用大孔径(1025mm)筛板的，它具有制造容易、不易堵塞等优点，只是漏 液点稍高，操作弹性较小。与泡罩塔操作情况类似，液体从上一层塔盘的降液管流下， 横向流过塔盘， 经溢流堰进入降液管，流入下一层塔盘。依靠溢流堰来保持塔盘上的液层高度。 蒸气自下而上穿过筛孔时，分散成气泡，穿过板上液层。在此过程中进行相际 的传热和传质。筛板塔盘的特点如下。(1)结构简单，制造维修方便。(2)生产能力较大。(3)塔板压力降较低。(4)塔板效率较高，但比浮阀塔盘稍低。(5)合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性。(6)小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、黏性大的和带有固体粒子的 料液。2.2.3

11、浮阀塔20世纪50年代起，浮阀塔已大量用于工业生产，以完成加压、常压、减 压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m,塔高达83m,塔板数有数百块之多浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和 泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调 节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、 压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料 方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。 塔径从200mm到6400mm,使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m,塔高可

12、达80m,板数有的多达数百块。化工原理课程设计-9 -浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点。(1)处理能力大浮阀在塔盘上可安排得比泡罩更紧凑。 因此浮阀塔盘 的生产能力可比圆形泡罩塔盘提高20%40%。(2)操作弹性大 浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而 气缝速度几乎不变，因之能在较宽的流量范围内保持高效率。它的操作弹性为35,比筛板和舌形塔盘大得多。(3)塔板效率高 由于气液接触状态良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少。因此塔板效率较高，一般情况下比泡罩塔高15%左右。(4)压力降小 气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。在常压塔中每层

13、塔盘的压力降一般为400666.6Pa浮阀的型式很多，国内已采用的浮阀，女口V-1型、V-4型、V-6型、十字架 型和A型，其中常用的是V-1型和V-4型。浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸气自阀孔上升，顶开阀片， 穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在 相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。化工原理课程设计10 -2.3塔设备的用材塔设备与其他化工设备一样，置于室外、无框架的自支承式塔体，绝大多 数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好， 设计制造的经验也较成熟。特别是在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的 优点，因

14、而被广泛地采用。为此，有些场合为了满足腐蚀性介质或低温等特殊 要求，采用有色金属材料（如钛、铝、铜、银等）或非金属耐腐蚀材料，也有 为了减少有色金属的耗用量而采用渗铝、镀银等措施，或采用钢壳衬砌、衬涂 非金属材料的。用这类材料制成的塔设备，塔径一般都不大，当尺寸稍大时， 就得在塔外用钢架结构加强。此外，这些材料在制造、运输、安装等方面都各 有特点，在设计时还应参阅其他有关资料，认真加以考虑。可供制作塔设备内 件的材料，比之塔体用材，选择余地更大了。板式塔中的塔盘，以及浮阀、泡罩一类气液接触元件，由于结构较为复杂, 加之安装工艺和使用方面的要求（如浮阀应能自由浮动），所以仍是以钢材为主, 其他材

15、料（如陶瓷、铸铁等）为辅。填料的用材，往往只考虑制造成型方面的 性能，所以可用多种材料制成同一型式和外形尺寸的填料，以满足不同场合需 要。如拉西环最初是用瓷做的，以后又出现用钢、石墨或硬聚氯乙烯塑料等制 造；鲍尔环也有用钢、铝或聚丙烯塑料等制造；至于高效的丝网填料，则除了 用各种金属丝网外，还可将尼龙、塑料等编织成网，进而制得。总之，选材所 考虑得因素较多。化工原理课程设计11三、设计条件及主要物性参数1、生产能力3 1041000330 24 3600 60.012、原料以醋酸一一水二元体系，进料混合物为含醋酸初始浓度XF0.3 0的粗馏冷凝液3、产品要求塔顶馏出液中醋酸含量 XD0.999

16、塔釜残出液中醋酸含量 XW0.024、进料状况：泡点进料（q 1）5、主要物性参数1.醋酸的分子量：60.05，水的分子量：18.022.醋酸熔点为16.6C，沸点为117.9C，密度为1.049g/ml3.常压：101.3KPa4.在常压下，水的凝固点为0C,沸点为100C，密度为0.998g/ml。水在0C的凝固热为5.99KJ/mol（或80cal/g）,水在100C的汽化热为40.6KJ/mol（或542cal/g）5.醋酸一一水的相对挥发度为a 1.65，混合液的表面张力=20mN/m。年产量：F=3万吨/年（每年生产日按330天计算）;分子量：MA60.05MB18.02MD60.

17、05 0.999 18.02(1-0.999)60.010.0175Kmol /s化工原理课程设计126.温度为109.2C时，醋酸的粘度为：0.40mPa s，水的粘度为：0.22mPa s;化工原理课程设计13温度为109.2C时，醋酸的粘度为：0.40mPa s，水的粘度为：0.22mPa s7.醋酸一水气液平衡组成数据如下表所示醋酸一水(101.35kPs)温度/C醋酸摩尔分数液相 x气相 y118.21.0001.000108.20.7300.606105.30.5450.435103.80.4120.293102.80.3100.210101.90.2310.155101.30.1

18、670.114100.90.1140.081100.50.0700.050100.20.0320.023100.00.0000.000化工原理课程设计14 -四、工艺设计计算4.1 物料衡算xF=0.30,XD=0.999,xW=0.02,F=0.0175Kmol/s所以W F-D 0.0175 -0.00500.0125 Kmol/s4.2理论板数的计算1）逐板计算（q=1）:xe=XF=0.30XD=0.999xw=0.02醋酸一一水的相对挥发度为a=1.65所以相平衡方程:ynaXn1(a1)Xn1.65xn10.65xn或Xnynyna- (a1)yn1.65 0.65 yn所以ye1

19、.65xe1 0.65xe1.65 0.3010.65 0.300.4142因为DXFXWFXDXWXFX L0.30 0.02所以D0.017XD0.999 0.020.0050Kmol/sRmin因为FD W化工原理课程设计15 -xDye0.999 0.4142yeXe0.4142 0.30精馏段操作线所以 R2Rmin25.1210.24化工原理课程设计16 -Yn 1RLnXDR-10.2410.24_Xn0.99910.24 10.911Xn0.0889提馏段操作线RD FX(R 1) D10.240.0050Yn 1(R 1)0.0175(10.241)0.00501.222 x

20、n0.00445XnXW(因 qi)D0.01750.0050XW(10.241)0.0050第一块塔板上升的气相组成YiXD0.999由第一块塔板下降的液体组成V, yiD, XD12nYn+1VL“2 XiX2Yi0.999Xl1.65 0.65y；1.65-0.65 0.9990.9984F,XF N；XNINi+1由第二块塔板上升的气相组成y20.911X；0.0889 0.911 0.9984 0.0889 0.9984m+1由第二块塔板下降的液体组成m+1XmY20.9984X21.65 0.65y21.65-0.65 0.99840.9974由第三块塔板上升的气相组成N-1N-1

21、V ,ywXm+4XW,XWL ,XN-1NY30.911 禺 0.0889 0.911 0.9974 0.0889 0.9975逐板计算由第三块塔板下降的液体组成y30.9975X31.65 0.65 y31.65 -0.65由第四块塔板上升的气相组成y40.911x30.08890.911由第四块塔板下降的液体组成0.99590.99750.99590.08890.9962化工原理课程设计17 -如此反复计算得y50.9942X50.9905y0.9912X60.9856y?0.9868X70.9784y80.9802X80.9677y90.9705Xg0.9522y100.9564X10

22、0.9300yn0.9361X110.8988y120.9077X120.8563y130.8690X130.8008y140.8184X140.7320y150.7558X150.6523y160.6831X160.5664y170.6049X170.4813y180.5274X180.4035y190.4565X190.3373y200.3962X200.28450.30由于 X2XF=0.30,因此精馏段所需理论板数为19块，第20块为加料板。对于提馏段：其操作线方程为yn i1 .222 Xn0.00445所以，第21块塔板上升的气相组成y211.222 x200.004450.343

23、2X4y1.65 0.65y40.99621.65-0.65 0.99620.9937化工原理课程设计18 -因为XD0.999Xe=xF0.30 ye0.4142由气液平衡关系式可知，第21块塔板下降的液体组成同理可知:y220.2894X220.1980y230.2375X230.1588y240.1896X240.1242y250.1473X250.0948y260.1114X260.0706y270.0818X270.0512y280.0581X280.0360y290.0395X290.0243y300.0252X300.01546000Pa蒸汽速度/m/s122030505070(

24、2)回流液管径DR冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.20.5m/s，速度太大，则冷凝器的高度也相应增加。用泵回流时，速度可取1.52.5m/s。(3)进料管径dF料液由高位槽进塔时，料液流速取0.40.8m/s。由泵输送时，流速取为1.52.5 m/s。(4)釜液排除管径dW釜液流出的速度一般取0.51.0m/s。(5)饱和水蒸气管饱和水蒸气压力在295kPa(表压)以下时，蒸气在管中流速取为2040m/s; 表压在785kPa以下时，流速取为4060m/s;表压在2950 kPa以上时，流速取 为80m/s。9.5 加热蒸气鼓泡管加热蒸气鼓泡管(又叫蒸气喷出器)若精馏塔采用

25、直接蒸气加热时，在塔釜化工原理课程设计-50中要装开孔的蒸气鼓泡管。使加热蒸气能均匀分布与釜液中。其结构为一环式蒸 气管，管子上适当的开一些小孔。当小孔直径小时，汽泡分布的更均匀。但太小 不仅增加阻力损失，而且容易堵塞。其孔直径一般为510mm,孔距为孔径的510倍。小孔总面积为鼓泡管横截面积的1.2-1.5倍，管内蒸气速度为2025m/s。加热蒸气管距釜中液面的高度至少在0.6m以上，以保证蒸气与溶液有足够的接 触时间。9.6 离心泵的选择离心泵的选择，一般可按下列的方法与步骤进行：(1)确定输送系统的流量与压头液体的输送量一般为生产任务所规定， 如果流量在一定范围内波动，选泵时应按最大流量

26、考虑。根据输送系统管路的安 排，用柏努利方程计算在最大流量下管路所需的压头。(2) 选择泵的类型与型号首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型，然后按已确定的流量Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适 的型号。显然，选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量Qe和压头He完全相符，且考虑到操作条件的变化和备有一定的裕量，所选泵的流量和压头可稍大一点，但在该条件下对应泵的效率应比较高，即点(Qe、He)坐标位置应靠在泵的高效率范围所对应的H-Q曲线下方。另外，泵的型号选出后， 应列出该泵的各种性能参数。(3) 核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度时，可按N也102核算泵

27、的轴功率。化工原理课程设计-51十、设计结果汇总表塔板数30块溢流堰长0.77m板间距0.45m溢流堰型式平顶溢流堰塔板直径1.1m降液管结构普通弓型降液管溢流管面积0.0817m2受液盘型式普通平地受液盘气体流通面积0.8686m2安定区宽度0.08m回流比10.24边缘区宽度0.04m孔径6mm弓形降液盘宽度0.305m孔间距0.018m弓形受液盘宽度0.305m开孔率0.1024降液管底部间隙高度0.04m溢流堰高0.4m化工原理课程设计-52十、设计小结通过这次课程设计，我有了很多收获。首先，通过这一次的课程设计，我进一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识，包括对化工原理课程 中的一些精馏知识的理解，也让