聚乙烯醇精馏一塔设计
摘要
目前，聚乙烯醇行业正处于产能急剧扩张，技术更新换代的时期，由此，对于聚乙烯醇生产相关设备的研究及设计显得尤为重要。本次设计，充分调查了国内外聚乙烯醇市场状况和行业发展方向，学习聚乙烯醇制造工艺，对所研究的聚乙烯醇行业有了较深认识。
通过查阅相关的资料，系统的学习了聚乙烯醇的工艺流程，其包括：乙炔发生、醋酸乙烯酯制备、精制、聚合，聚醋酸乙烯酯的醇解。乙炔法制造的醋酸乙烯酯含有较多杂质，不利于醋酸乙烯酯的聚合，必须通过精馏工序将其提纯精制。本次设计针对醋酸乙烯酯精制，根据实际生产需求，设计醋酸乙烯酯精馏工段二塔及三塔，计算精馏塔设备相关参数并对附属设备计算选型，绘制工艺流程图、设备结构图。
关键词：聚乙烯醇、醋酸乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、精馏工序，精馏塔
I
Abstract
At present, the polyvinyl alcohol profession is being in produces can expand suddenly, the technology renewal time, from this, appears regarding the polyvinyl alcohol production correlation equipment research and the design especially importantly.This design, investigated the domestic and foreign polyvinyl alcohol market condition and the profession development direction fully, the study polyvinyl alcohol manufacture craft, to the polyvinyl alcohol profession which studies has had known deeply.
Through the consult related material, the system study polyvinyl alcohol technical process, it has included: The acetylene has, the vinyl acetate preparation, the purification, the polymerization, the polyvinyl acetate alcoholysis.The acetylene law manufacture vinyl acetate includes many impurities, does not favor the vinyl acetate the polymerization, must through the selective evaporation working procedure its depuration purification.This design in view of vinyl acetate purification, according to actual production demand, design vinyl acetate selective evaporation construction section two towers and three towers, computation rectifying tower equipment correlation parameter and to appurtenance computation shaping, plan flow chart, equipment structure drawing.
Key words: Polyvinyl alcohol;Polyvinyl acetate; Polyvinyl acetate ester;Distillation process;Distillation columns
II
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
目录
摘要.................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................. I I 第一章聚乙烯醇的综述 (1)
1.1引言 (1)
1.2 聚乙烯醇的国内外现状 (1)
1.2.1 世界聚乙烯醇的研究现状及消费结构 (1)
1.2.2我国聚乙烯醇研究现状及消费结构 (2)
1.3 聚乙烯醇的简介 (4)
1.3.1 聚乙烯醇(PV A)的定义 (4)
1.3.2 聚乙烯醇的性质 (4)
1.3.3 聚乙烯醇树脂的命名 (5)
1.4 聚乙烯醇生产原理及工艺流程 (5)
1.4.1乙炔法生产原理 (5)
1.4.2 聚乙烯醇的工艺流程说明 (7)
1.5 聚乙烯醇的应用 (9)
1.6 小结 (10)
第二章设计方案的确定 (11)
2.1 塔设计原则 (12)
2.2 装置流程的确定 (13)
2.3 板型选择 (13)
2.4 操作压力的选择 (13)
2.5 附属设备的选择 (14)
2.6 回流比的选择与塔板数 (14)
i
2.7 工艺流程图 (14)
第三章醋酸乙烯酯精馏二塔(T-202)的工艺设计 (14)
3.1 精馏工序的物料衡算及操作条件的确定 (14)
3.2 气液负荷计算 (18)
3.3 精馏塔理论塔板数的计算 (22)
3.4 精馏塔的工艺设计 (24)
3.4.1塔径的初步设计 (24)
3.4.2 溢流堰及降液管的设计 (26)
3.4.3 弓形降液管的宽度和横截面 (27)
3.4.4 降液管底隙高度 (27)
3.4.5 筛孔的设计 (28)
3.4.6 筛板塔的流体力学的计算 (29)
3.4.7 塔板负荷性能图 (32)
3.5 塔附件的工艺设计及选型 (37)
3.5.1工艺接管 (37)
3.5.2法兰 (39)
3.5.3筒体和封头 (39)
3.5.4除沫器 (39)
3.5.5吊柱 (40)
3.5.6裙座 (40)
3.5.7人孔 (41)
3.6塔总体高度设计计算 (41)
3.7 附属设备的初步计算 (42)
3.7.1冷凝器(NQ-202)的选型 (42)
3.7.2再沸器(ZF-202)的设计 (43)
3.8本章符号说明表 (44)
ii
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
第四章醋酸乙烯酯精馏三塔(T-203)的工艺设计 (47)
4.1 三塔精馏工序的物料衡算 (47)
4.2 气液负荷计算 (48)
4.3 理论塔板数的计算 (52)
4.4 精馏塔的工艺设计 (53)
4.4.1 塔径的初步设计 (53)
4.4.2溢流堰及降液管的设计 (55)
4.4.3弓形降液管的宽度和横截面 (56)
4.4.4降液管底隙高度 (56)
4.4.5 塔板布置及浮阀数目与排列 (56)
4.4.6 漏液点气速 (58)
4.4.7塔板流体力学计算 (58)
4.4.8 塔板的负荷性能图 (61)
4.5 塔附件的工艺设计及选型 (66)
4.5.1工艺接管 (66)
4.5.2法兰 (68)
4.5.3 筒体和封头 (68)
4.5.4 除沫器 (69)
4.5.5吊柱 (69)
4.5.6裙座 (69)
4.5.7人孔 (70)
4.6塔总体高度设计计算 (70)
4.7附属设备的初步计算 (71)
4.7.1 冷凝器(NQ-203)的选型 (71)
4.7.2再沸器(ZF-203)的设计 (72)
4.8 本章符号说明表 (73)
iii
第五章设计总结 (76)
附录 (77)
参考文献 (78)
致谢 (80)
iv
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
第一章聚乙烯醇的综述
1.1引言
聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcoho，简称PV A）外观为白色粉末，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间【1】，它的用途可分为纤维和非纤维两大用途[2-3]。
由于PV A具有独特的强力粘结性、皮膜柔韧性、平滑性、耐油性、耐溶剂型、保护胶体性、气相阻绝性、耐磨性以及经特殊处理的具有的耐水性，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、木料加工、造纸、印刷、农业、钢铁、高分子化工等行业。PVA 还可作PVA橡胶、感光材料、临时保护膜、高频淬火剂、阴极射线管、石油钻井凝固剂、光学抛光剂、防潮剂、防雾剂、水泥灰浆和土壤的改良剂，及室内空气净化除臭剂，甚至还可用于液晶显示等，具有十分广阔的应用前景【4】。
1.2 聚乙烯醇的国内外现状
1.2.1 世界聚乙烯醇的研究现状及消费结构[5]
2008年世界聚乙烯醇产能已经接近150万吨/年，中国产能为66.6万吨/年，占世界总产能的45%，是世界上聚乙烯醇产能最大的国家，预计到2012年，世界总产能将超过180万吨/年，而消费量在125万吨，产能过剩将不可避免。中国聚乙烯醇也将面临过剩，到2012年，产能将超过85万吨/年，消费量在65万吨，拓展产业链，提高高端产品比例成为企业发展重要抓手。
1. 生产现状
1
图表1.1 2010年世界聚乙烯醇产能分布情况
2. 世界主要地区聚乙烯醇消费结构
图表1.2 世界主要地区聚乙烯醇消费结构
PV A还用做薄膜及医疗上的应用。
1.2.2我国聚乙烯醇研究现状及消费结构
1.聚乙烯醇行业市场发展趋势
2
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3
图表1.3 2009-2013年我国聚乙烯醇行业市场规模增长趋势
2.聚乙烯醇产能情况
图表1.4 2006-2011年1-11月我国聚乙烯醇产业产能
3.中国聚乙烯醇的消费结构
图表1.5 中国聚乙烯醇的消费结构
其他的组分有聚乙烯醇薄膜及医药、化妆品行业的功能材料等。
1.3 聚乙烯醇的简介
1.3.1 聚乙烯醇(PV A)的定义
聚乙烯醇树脂是以乙烯法生产的醋酸乙烯为原料，经溶液聚合、无水低碱醇解得。工艺具有物耗低、能耗低、污染小的特点，是一种环保型产品，聚乙烯醇主要有完全醇解型和部分醇解型两大类。
中文名称：聚乙烯醇
英文名称2：polyvinyl alcohol, 简称PVA
CAS No.:9002-89-5
分子式：[C2H4O]n
1.3.2 聚乙烯醇的性质[6]
聚乙烯醇的化学性质在于它的仲醇基的存在，它在一定程度上类似纤维素，它能进行多元醇典形的化学反应，能够酯化和醚化，能与碱金属、醛反应。也能与二硫化碳和氢氧化钠反应生成黄原酸盐。具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质。
4
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5
其水溶液有很好的粘接性和成膜性；能耐油类、润滑剂和烃类等大多数有机溶剂；溶于水，为了完全溶解一般需加热到65～75℃。不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等,微溶于二甲基亚砜。120～l50℃可溶于甘油.但冷至室温时成为胶冻。 1.3.3 聚乙烯醇树脂的命名
聚乙烯醇树脂根据其平均聚合度、 醇解度、 主要用途和醇解工艺进行分类命名。
□ — □ □ （□）
如：某种聚乙烯醇树脂(PVAL)，平均聚合度为1700(17),醇解度为99.8%(mol/mol)(99),纤维用（F ）,高碱醇解制备的（H ）,其名称为：PVAL 17-99F(H)。 没有PVAL 这个名称，L 代表低碱醇解制备工艺 此处应为 PVA17-99F （H ）
1.4 聚乙烯醇生产原理及工艺流程
聚乙烯醇是由醋酸乙烯(VAc)经聚合醇解而制成，通常有两种原料路线，一种是以乙烯为原料，制醋酸乙烯，再制得聚乙烯醇；另外一种是以乙炔(分为电石乙炔和天然气乙炔)为原料制备醋酸乙烯，再制得聚乙烯醇。目前，国外主要采用乙烯原料生产聚乙烯醇，而我国则大部分采用乙炔法生产聚乙烯醇,其中有些公司已经致力于生物质酒精路线（采用木薯）研究，但目前处于摸索中。当前，聚乙烯醇生产技术的进展主要表现在聚合工艺、醇解技术、改性技术以及新产品开发等几个方面。 1.4.1乙炔法生产原理[7]
1) 电石制乙炔
22222Ca(OH)H C O 2H CaC +→+ (1-1) 2) 醋酸乙烯(VAc)的合成
平均聚合度，两位阿拉伯数字
醇解度，两位阿拉伯数字 主要用途，英文字母 醇解工艺，英文字母
6
22322COOCHCH CH Zn COOH CH H C ??→?+
+ (1-2)
3) 醋酸乙烯(VAc)的聚合[8]
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 )
C
H 2CH
C O
O CH 3
CH 2CH
C O
O CH 3
n
℃
65AIBN
n 主反应：
(1-3)
副反应：CHO CH COOCH CH OH CH V Ac 3333+→+ (1-4) CHO CH COOH CH O H V Ac 332+→+ (1-5) 4) 聚醋酸乙烯的醇解[9] 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)
CH 2CH
C O O CH 3
n +
OH
nCH 3NaOH
+
3
3COOCH nCH CH 2CH
OH
n
(1-6)
b) 皂化反应(PVAc 皂化)
CH 2CH
C O O CH 3
n +
nNaOH
CH 2CH
OH
n
+nCH3COONa
(1-7)
c) 副反应(醋酸甲酯皂化)
COONa CH OH CH NaOH COOCH CH 3333+→+ (1-8)
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
OH CH COOH CH 阴离子树脂COOH CH 3
33+?????→? (1-9) 423423SO Na COOH CH SO H COONa 2CH +→+ (1-10) 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
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
7
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。 1.4.2 聚乙烯醇的工艺流程说明[10-11]
聚乙烯醇的生产工艺包括：乙炔发生、醋酸乙烯制备、醋酸乙烯精制、醋酸乙烯聚合、 聚醋酸乙烯醇解和醇解废液回收。
电石水
乙炔
醋酸
催化剂
粗醋酸乙烯酯
醋酸乙烯酯
AIBN 甲醇
精馏
聚醋酸乙烯酯
聚乙烯醇
醇解
NaOH 甲醇溶液
图1-1 聚乙烯醇的工艺流程图
1.醋酸乙烯酯的精制工艺流程
实际制备的是粗醋酸乙烯酯(VAc)，聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成对VAc 的纯度要求很高，所以醋酸乙烯酯需要精制，以下是介绍醋酸乙烯酯的精馏过程。
精馏一塔的进料液是气体分离塔的第一循环液，该塔将乙醛等轻组分从塔顶分离出去，塔顶蒸汽经过冷凝后部分送往八塔和萃取七塔，不凝气体送往合成工段的水洗塔。塔顶馏出液送往精馏二塔。二塔的目的是将醋酸与醋酸乙烯分开，塔釜液送往精馏五塔。塔顶所得的馏出液达到VAc 的合成指标，就可以直接去合成，若没达到要求将送往三塔继续精制。三塔原料的来源还有聚合工段的未聚合的VAc ，该塔作用是脱轻组分，将乙醛与醋酸甲酯蒸出冷凝加入四塔，并中采出VAc 送往聚合工段。釜液可送往一、二、三、四塔做阻聚剂使用。四塔的作用是将馏出液中的VAc 回收回来，该塔顶蒸出醋酸甲酯及乙醛等冷凝送往回收，釜液送往三塔。五塔采用用水共沸的方法使水和巴豆醛形成共沸物从塔顶蒸出，塔底加入工艺水制备醋酸后回收。精馏六塔进料是五塔的馏出液，同样采取共沸精馏分离巴豆醛及醋酸水溶液，巴豆醛回收，醋酸进行提浓。用一般精馏的方法很难将醋酸乙烯与乙醛分开，所以七塔采用萃取的方法
将它们分离，由于低温时醋酸乙烯在水中的溶解度小，内通-7℃的冷冻盐水进行冷却可以提高水对乙醛对的选择性。八塔主要处理一塔的馏出液、七塔萃余液及九塔的中采液。它的作用是尽可能的将加料中的乙醛从塔顶蒸出，蒸汽冷凝后部分回流，部分送往萃取塔，釜液送往三塔进料。九塔是萃取塔的萃取液，合成工段水洗塔的排出水合并加入，塔底吹入蒸汽精馏，在九塔的中部侧线采出VAc送往聚合工段的分层器，塔底废液送至下水道。
2.聚合工段的工艺流程
1)聚合工艺流程的介绍
首先把一定量的甲醇加入引发剂配置槽中，开动搅拌器，再把称量好的偶氮二异丁腈徐徐投入，继续搅拌，待完全溶解后，引发剂溶液用双柱塞计量泵连续加入预热器中。同时，溶剂甲醇和单体醋酸乙烯分别用泵连续加入预热器，开车时，夹套内通水蒸汽，把三种物料加热到60℃，然后流入第一聚合釜。正常运转中，夹套内蒸汽停止。物料在第一聚合釜中进行引发初聚合，聚合率约20%第二聚合釜使醋酸乙烯的聚合率达到50%左右。聚合热也靠甲醇和醋酸乙烯的蒸发带出，蒸汽在尾气冷凝器中用地下水冷凝，凝液再回流至第二聚合釜中。
2)精馏工艺流程的介绍
第一精馏塔也叫脱单体塔，该塔的作用是把未聚合的醋酸乙烯单体从塔顶脱出，该塔顶部还加入工艺水，其与醋酸乙烯形成共沸物，冷凝冷却后，水和醋酸乙烯能够分层，相互溶解度小很容易把水和醋酸乙烯分开。
第二精馏塔塔顶蒸出的醋酸乙烯和水，在冷凝器内冷凝冷却后，进入卧式分层器，上层为醋酸乙烯，除去杂质后用于聚合。下层为水，含醋酸乙烯2－3%，用泵全部打回流，做为萃取水的一部分，送往回收工段第三精馏塔，与回收工段的甲醇水溶液合并进行精馏。
3.聚醋酸乙烯酯的醇解工艺流程
聚醋酸乙烯酯的醇解有酸法水解和碱法水解，本论文主要介绍低碱法制备聚乙烯醇的工艺流程。聚醋酸乙烯酯甲醇溶液由齿轮泵输送，与氢氧化钠甲醇溶液同时加入混合机中，混合均匀后进入皮带醇解机，第一粉粹机中将醇解后物料切成长方体，再由第二粉粹机切成粒状，经挤压机挤压后干燥得到PVA成品。
工艺的叙述顺序仍然有些交叉和混乱建议把蓝字部分合并写具体格式为
工艺名称+工艺方程式+工艺流程简述
8
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
比如：（1）乙炔发生
方程式
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）合成
方程式
等等等等……
最后给一个整体的流程见图即可
1.5 精馏精制系统介绍
根据任务书，本次论文主要设计为精馏工序二三塔的具体结构以及附属设备，
要介绍二三塔在流程中的作用主要目的是用这段文字将之前的叙述与之后的设计连接起来
1.6 聚乙烯醇的应用
1. 薄膜[12]
PVA薄膜材料根据性能主要有水溶性薄膜、阻隔性薄膜、可生物降解薄膜。
2. 涂料、胶黏剂、催化剂[13]
PVA与水玻璃、膨润土、石灰、丙烯酸丁酯等混合可作为内外墙涂料。
3. 应用于造纸[14]
PVA作为一种传统的表面施胶剂,由于含有极性羟基,能与纸浆纤维形成氢键,可提高纸张强度。
4. 用作纤维[15]
水溶性PVA维纶纤维是一种很有价值的功能性差别化纤维,不仅有理想的水溶温度、强度和伸度,还具有良好的耐酸、耐碱、耐干热等化学性能,溶于水后无味、无毒,水溶液呈无色透明状,较短时间内能自然分解,对环境无污染,是合成纤维中少数可生物降解的绿色环保材料之一。
5. 生物应用
9
PVA是一种无毒性,具有生物可降解性和良好生物相容性的高分子材料,可作为医药、化妆品行业中的功能材料。
1.7 小结
1.聚乙烯醇新的聚合工艺、醇解工艺以及改性技术的不断发展，不仅降低了生产成本，提高了产品的质量，也为不同品种聚乙烯醇的大规模生产提供了有利条件，但目前这些工艺大都还停留是在试验研究阶段，仍需要进行不断的工作。
2.经过多年的发展，我国聚乙烯醇的生产能力和产量有了很大的发展，基本上能够满足国内实际生产的需求，产品也实现了多样化，生产工艺技术正在逐渐向低碱醇解方向发展，但是，与国外先进国家相比，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。国内具有自主知识产权的高聚合度和低聚合度、低醇解度的产品较少，仍主要依靠进口来解决，因应该积极开发这些高附加值的新产品，以满足国内实际需求。
3.目前，我国聚乙烯醇生产主要采用电石乙炔法，该方法虽然技术成熟，投资少，催化剂易得，比较符合我国的国情，因此在一定时期内仍具有一定的成本优势。但该方法污染较为严重，发展前景不是十分乐观。因此从长远可持续发展的角度，应该适当发展天然气乙炔法和乙烯法，以逐步实现多种生产工艺共存的局面，提高产品质量，降低成本，增强市场竞争力。
4.近几年，伴随着PVA行业竞争的白热化，各大厂家均将提高产能作为降低生产成本的主要手段，PVA行业面临更大规模的扩建和新建，由此拉动了上游设备制造企业的市场需求，相关设备的设计、制造和研发显得更加主要。
10
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
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。而精馏工序中二塔及三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二塔和三塔设备的设计。
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。
11
(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
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年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
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，根据实际选型选择二塔采用筛板塔，三塔使用浮阀塔。
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。
13
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，一般经验值R=（1.1～2.0）Rmin ，本设计二塔R＝1.5，三塔R = 4。
2.7 工艺流程图
见附录。
第三章醋酸乙烯酯精馏二塔(T-202)
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10000吨聚乙烯醇
1．一塔加料的醋酸乙烯量：
已知：皖维采用低碱法生产的聚乙烯醇平均纯度为95%，按照年生产时间8000h 计算，醇解工序收率为99.5%，精馏工序的收率99.8%，则
10000×1000÷8000×95%÷44.053=一塔加料的醋酸乙烯量÷86.089×99.5%×99.8% 一塔加料的醋酸乙烯量=2336.965kg/h
2. 一塔的操作条件及物料平衡
○1一塔的操作条件
14
苯-甲苯精馏塔计算 3.2 流程和方案的说明及论证 3.2.1 流程的说明 首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成苯与甲苯的分离。 3.2.2 方案的说明和论证 本方案主要是采用浮阀塔。 精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：3 一：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。 二：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。三：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。 四：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。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。而浮阀塔的优点正是： 3.3 设计的计算与说明 3.3.1 全塔物料衡算 根据工艺的操作条件可知： 料液流量F=（10-0.5*19）t/h=2.25Kg/s =94.285Kmol/h 料液中易挥发组分的质量分数xf =（30+0.5*19）%=39.5%； 塔顶产品质量分数xd = 98%，摩尔分数为97.6%； 塔底产品质量分数xw= 2%，摩尔分数为1.7%； 由公式： F=D+W F*xf=D*xd+W*xw 代入数值解方程组得： 塔顶产品(馏出液)流量D=41.067 Kmol/h=0.89Kg/s； 塔底产品(釜液)流量W=53.218Kmol/h=1.360 Kg/s。 3.3.2．分段物料衡算 lgPa*=6.02232-1206.350/(t+220.237) 安托尼方程
第三章设备选型-精馏塔设计说明书3.1 概述 本章是对各种塔设备的设计说明与选型。 3.2设计依据 气液传质分离用的最多的为塔式设备。它分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。设计所依据的规范如下： 《F1型浮阀》JBT1118 《钢制压力容器》GB 150-1998 《钢制塔式容器》JB4710-92 《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》HG21514-95 《钢制压力容器用封头标准》JB/T 4746-2002 《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001 《建筑结构荷载规范》GB50009-2001 3.3 塔简述 3.3.1填料塔简述 (1)填料塔
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成。 填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。 填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.5-1.2 m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6-8 m3/(m2.h)以保证填料润湿，液气比控制在2-10L/m3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。 (2)规整填料 塔填料分为散装填料、规整填料(含格栅填料) 和散装填料规整排列3种，前2种填料应用广泛。 在规整填料中，单向斜波填料如JKB，SM，SP等国产波纹填料已达到国外MELLAPAK、FLEXIPAC等同类填料水平；双向斜波填料如ZUPAK、DAPAK 等填料与国外的RASCHIG SUPER-PAK、INTALOX STRUCTURED PACKING 同处国际先进水平；双向曲波填料如CHAOPAK等乃最新自主创新技术，与相应型号的单向斜波填料相比，在分离效率相同的情况下，通量可提高25％ -35％，比国外的单向曲波填料MELLAPAK PLUS通量至少提高5％。上述规整填料已成功应用于φ6400，φ8200，φ8400，φ8600，φ8800，φ10200mm等多座大塔中。 (3)板波纹填料 板波纹填料由开孔板组成，材料薄，空隙率大，加之排列规整，因而气体通过能力大，压降小。其比表面积大，能从选材上确保液体在板面上形成稳定薄液
化工原理工程设计处理量为3000吨/年苯和氯苯体系精馏分离板式塔设计 学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师：
板式精馏塔设计任务书 一、设计题目： 苯-氯苯体系精馏分离板式塔设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务： 生产能力（进料量）30000吨／年操作周期7200 小时／年 进料成分：含氯苯35%（质量分率，下同） 塔顶产品组成氯苯含量为98%;塔底产品组成含氯苯不得高于1.7%. 2、操作条件 操作压力4000Pa（表压）进料热状态q=0.7 单板压降：<或=0.7kPa 3、设备型式筛板或浮阀塔板（F1型） 4、厂址新乡地区 三、设计内容： 1、设计方案的选择及流程说明 2、工艺计算 3、主要设备工艺尺寸设计 （1）塔径及蒸馏段塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定 4、辅助设备选型与计算 5、设计结果汇总 6、工艺流程图及精馏塔工艺条件图 7、设计评述 目录 1.精馏塔的概述 (4) 2．设计内容...................................................................................................................... 错误!未定义书签。 2.1.精馏塔的物料衡算.......................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2.塔板数的确定 (10) 2.3.精馏段的工艺条件及有关物性数据的计算 (13)
在一常压操作的连续精馏塔内分离水—乙醇混合物。已知原料的处理量为2000吨、组成为36%（乙醇的质量分率，下同），要求塔顶馏出液的组成为82%，塔底釜液的组成为6%。设计条件如下： 操作压力 5kPa(塔顶表压)； 进料热状况自选； 回流比自选； 单板压降≤0.7kPa； 根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。 【设计计算】 （一）设计方案的确定 本设计任务为分离水—乙醇混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。 设计中采用泡点进料，将原料液通过预料器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 （二）精馏塔的物料衡算 1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 M=46.07kg/kmol 乙醇的摩尔质量 A M=18.02kg/kmol 水的摩尔质量 B
F x =18.002 .1864.007.4636.007.4636.0=+= D x =64.002 .1818.007.4682.007.4682.0=+= W x =024.002.1894.007.4606.007.4606.0=+= 2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 F M =0.18×46.07+(1-0.18)×18.02=23.07kg/kmol D M =0.64×46.07+(1-0.64)×18.02=35.97kg/kmol W M =0.024×46.07+(1-0.024)×18.02=18.69kg/kmol 3.物料衡算 以每年工作250天，每天工作12小时计算 原料处理量 F = 90.2812 25007.2310002000=???kmol/h 总物料衡算 28.90=W D + 水物料衡算 28.90×0.18=0.64D+0.024W 联立解得 D =7.32kmol/h W =21.58kmol/h （三）塔板数的确定 1. 理论板层数T N 的求取水—乙醇属理想物系，可采用图解法求理论板层数。 ①由手册查得水—乙醇物系的气液平衡数据，绘出x —y 图，如图。 ②求最小回流比及操作回流比。 采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.18 , 0.18)作垂线ef 即为进料线（q 线），该线与平衡线的交点坐标为 q y =0.52 q x =0.18 故最小回流比为 min R =q q q D x y y x --=35.018 .0-52.052.0-64.0=3 取操作回流比为 R =min R =1.5×0.353=0.53 ③求精馏塔的气、液相负荷 L =RD =17.532.753.0=?=kmol/h V =D R )1(+=（0.53+1）20.1132.7=?kmol/h
简单填料精馏塔设计 设计条件与任务： 已知F 、xF 、xD 、xw 或F 、xF 、xD 和η，塔顶设全凝器，泡点回流，塔底间接(直接)蒸汽加热。 1 全塔物料衡算求产品流量与组成 （1）常规塔 全塔总物料衡算 总物料 F = D + W 易挥发组分 F χF = D χD + W χW 若以塔顶易挥发组分为主要产品，则回收率η为 D F Dx Fx η= 式中 F 、D 、W ——分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h ； χF 、χD 、χW ——分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。 由（3-1）和（3-2）式得： W D W F x x x x F D --= (2) 直接蒸汽加热 总物料 * 0F S D W +=+ 易挥发组分 ** 00F D W Fx S y Dx W x +=+ 式中 V 0 ——直接加热蒸汽的流量，kmol/h ； У0 ——加热蒸汽中易挥发组分的摩尔分率，一般У0=0； W * ——直接蒸汽加热时釜液流量，kmol/h ； χ*W ——直接蒸汽加热时釜液中易挥发组分的摩尔分率。 2 计算最小回流比 设夹紧点在精馏段，其坐标为(xe,ye)则 min D e e e x y R y x -= - 设夹紧点在提馏段，其坐标为(xe,ye) min min (1)(1)e W e W y x R D qF L V R D q F x x -+==+--- 基础数据：气液相平衡数据
3 确定操作回流比 min (1.1~2.0)R R = 4 计算精馏段、提馏段理论板数 ① 理想溶液 图解法或求出相对挥发度用逐板计算法求取。 ② 非理想溶液 相平衡数据为离散数据,用图解法或数值积分法求取 精馏段 1 1 R D f N x R x n n dx N dN x x += =-? ? 因 111 D n n x R y x R R += +++ 所以 ()/D f x R x n n D n dx N y x x y R = ---? (4) 提馏段 1 1 S f W N x S x n n dx N dN x x += =-? ? 因 11 W n n x R y x R R +'+= -'' 蒸汽回流比(1)(1)(1)(1)V R D q F D F R R q W W W W +--'= ==+-- 所以 ()/(1) f w x S x n n n w dx N y x y x R = '---+? (5) 式(4)、(5)中塔板由下往上计数。 5 冷凝器和再沸器热负荷 冷凝器的热负荷 ()C DV DL Q V I I =- 再沸器的热负荷 B C D W F Q Q DI WI FI =++- 待求量：进料温度t F 、塔顶上升蒸汽温度t DV (与x D 对应的露点温度)、回流温度t DL (与x D 对应的泡点温度)、再沸器温度tw (与x W 对应的泡点温度)。 物性数据： ① 各组分在平均温度下的液相热容、气相热容或汽化热。 ② 各组分的热容方程常数 如 2 3 p c A BT CT DT =+++ ③ 由沃森公式计算汽化热 21 0.38211( )1r V V r T H H T -?=?-
各位尊敬的评委老师、领导、各位同学： 上午好！ 这节课我们一起学习一下精馏塔的设计计算方法。 二元连续精馏的工程计算主要涉及两种类型：第一种是设计型，主要是根据分离任务确定设备的主要工艺尺寸；第二种是操作型，主要是根据已知设备条件，确定操作时的工况。对于板式精馏塔具体而言，前者是根据规定的分离要求，选择适宜的操作条件，计算所需理论塔板数，进而求出实际塔板数；而后者是根据已有的设备情况，由已知的操作条件预计分离结果。 设计型命题是本节的重点，连续精馏塔设计型计算的基本步骤是：在规定分离要求后（包括产品流量D、产品组成x D及回收率η等），确定操作条件（包括选定操作压力、进料热状况q及回流比R等），再利用相平衡方程和操作线方程计算所需的理论塔板数。计算理论塔板数有三种方法：逐板计算法、图解法及简捷法。本节就介绍前两种方法。 首先，我们看一下逐板计算法的原理。 该方法假设：塔顶为全凝器，泡点液体回流；塔底为再沸器，间接蒸汽加热；回流比R、进料热状况q和相对挥发度α已知，泡点进料。 从塔顶最上一层塔板（序号为1）上升的蒸汽经全凝器全部冷凝成饱和温度下的液体，因此馏出液和回流液的组成均为y1，且y1=x D。 根据理论塔板的概念，自第一层板下降的液相组成x1与上升的蒸汽组成y1符合平衡关系，所以可根据相平衡方程由y1 求得x1。 从第二层塔板上升的蒸汽组成y2与第一层塔板下降的液体组成x1符合操作关系，故可用根据精馏段操作线方程由 x1求得y2。 按以上方法交替进行计算。 因为在计算过程中，每使用一次相平衡关系，就表示需要一块理论塔板，所以经上述计算得到全塔总理论板数为m块。其中，塔底再沸器部分汽化釜残夜，气液两相达平衡状态，起到一定的分离作用，相当于一块理论板。这样得到的结果是：精馏段的理论塔板数为n-1块，提馏段为m－n块，进料板位于第n板上。 逐板计算法计算准确，但手算过程繁琐重复，当理论塔板数较多时可用计算机完成。 接下来，让我们看一下计算理论塔板数的第二种方法——图解法的原理。 图解法与逐板计算法原理相同，只是用图线代替方程，以图形的形式求取
课程设计任务书 2009～2010学年第二学期 学生姓名：_石华端专业班级：_07级应用化学_ 指导老师：_______ 工作部门：_______ 一．课程设计题目 设计一台苯—甲苯分离板式精馏塔 二．设计要求 1、设计一座苯-甲苯连续精馏塔，具体工艺参数如下： 原料苯含量(m/m)：（25+0.5）% 原料处理量：2万t/a 产品要求（m/m）：x D = 0.98，x W=0.02 2、操作条件 塔顶压力：常压 进料热状况：泡点进料 回流比：自选 单板压降：≤0.7kPa 加热方式：间接蒸气加热 冷凝方式：全凝器，泡点回流 年操作时数：8000h 3、塔板类型 浮阀塔板（F1重阀） 三．课程设计内容 1、精馏塔的物料衡算及塔板数的确定 2、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计 3、精馏塔的塔体及塔板工艺尺寸计算 4、塔板的流体力学验算 5、塔板的负荷性能图的绘制 6、精馏塔接管尺寸计算 7、绘制带控制点的生产工艺流程图(A3 图纸) 8、绘制主体设备图(A2图纸) 四．进度安排 1.课程设计准备阶段：收集查阅资料，并借阅相关工程设计书； 2.设计分析讨论阶段：确定设计思路，正确选用设计参数，树立工程观点， 小组分工协作，较好完成设计任务； 3.计算设计阶段：物料衡算，热量衡算，主要设备工艺尺寸计算，塔盘工艺 尺寸计算及流体力学计算;
4.课程设计说明书编写阶段：整理文字资料计算数据，用简洁的文字和适当的图表表达自己的设计思想及设计成果。
1. 课程设计的目的 化工原理课程设计是一个综合性和实践性较强的教学环节，也是培养学生独立工作的有益实践，更是理论联系实际的有效手段。通过课程设计达到如下目的： 1．巩固化工原理课程学习的有关内容，并使它扩大化和系统化； 2．培养学生计算技能及应用所学理论知识分析问题和解决问题的能力； 3．熟悉化工工艺设计的基本步骤和方法； 4．学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工艺尺寸图； 5．训练查阅参考资料及使用图表、手册的能力； 6．通过对“适宜条件”的选择及对自己设计成果的评价，初步建立正确的设计思想，培养从工程技术观点出发考虑和处理工程实际问题的能力； 7．学会编写设计说明书。 ⒉课程设计题目描述和要求 本设计的题目是苯-甲苯浮阀式连续精馏塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的苯和不易挥发的甲苯，采用连续操作方式，需设计一板式塔，板空上安装浮阀，具体工艺参数如下： 生产能力：2万吨/年(料液) 原料组成： 25%苯，60%甲苯（摩尔分数，下同） 产品组成：馏出液98%苯，釜液2%苯 操作压力：塔顶压强为常压 进料温度：泡点 进料状况：泡点 加热方式：间接蒸汽加热 回流比：R=（1.2～2）Rmin 3．课程设计报告内容 3.1 流程示意图 冷凝器→塔顶产品冷却器→苯的储罐→苯 ↑↓回流 原料→原料罐→原料预热器→精馏塔 ↑回流↓ 再沸器←→塔底产品冷却器→甲苯的储罐→甲苯 3.2 流程和方案的说明及论证 3.2.1 流程的说明 首先，苯和甲苯的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，
板式精馏塔设计方案 一、设计方案确定 1.1 精馏流程 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-水溶液，不属于此类。故总结上述，设计时选择的是浮阀塔板。 1.2设计方案论证及确定 1.2.1 生产时日及处理量的选择：设计要求塔年处理11.5万吨乙醇—水溶液系统，年工作日300d，每天工作24h。 1.2.2 选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。
目录 一、苯-甲苯板式精馏塔的工艺设计任务书———————————————2 （一）设计题目———————————————————————————2 （二）操作条件———————————————————————————2 （三）设计容———————————————————————————2 二、苯-甲苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分）—————————— 3 （一）设计方案的确定及工艺流程的说明————————————————4 （二）全塔的物料衡算————————————————————————4 （三）塔板数的确定—————————————————————————4 （四）塔的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算——————————6 （五）精馏段的汽液负荷计算—————————————————————7 三、苯立式管壳式冷凝器的设计（标准系列）——————————————8 四、苯立式管壳式冷凝器的设计—工艺计算书（标准系列）————————8 （一）确定流体流动空间———————————————————————9 （二）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据————————————9 （三）计算热负荷——————————————————————————10 （四）计算有效平均温度差——————————————————————11 （五）选取经验传热系数K值—————————————————————12 （六）估算换热面积—————————————————————————12 （七）初选换热器规格————————————————————————13 （八）核算总传热系数K0———————————————————————13
第三章 精馏塔工艺设计计算 塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形势穿过板上的液层，进行传质与传热，在正常操作下，气象为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。 本次设计的萃取剂回收塔为精馏塔，综合考虑生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性、结构造价等因素将该精馏塔设计为筛板塔。 3.1 设计依据[6] 3.1.1 板式塔的塔体工艺尺寸计算公式 （1） 塔的有效高度 T T T H E N Z )1( -= （3-1） 式中 Z –––––板式塔的有效高度，m ； N T –––––塔内所需要的理论板层数； E T –––––总板效率； H T –––––塔板间距，m 。 （2） 塔径的计算 u V D S π4= （3-2） 式中 D –––––塔径，m ； V S –––––气体体积流量，m 3/s u –––––空塔气速，m/s u =（0.6~0.8）u max （3-3） V V L C u ρρρ-=max （3-4） 式中 L ρ–––––液相密度，kg/m 3
V ρ–––––气相密度，kg/m 3 C –––––负荷因子，m/s 2 .02020?? ? ??=L C C σ （3-5） 式中 C –––––操作物系的负荷因子，m/s L σ–––––操作物系的液体表面张力，mN/m 3.1.2 板式塔的塔板工艺尺寸计算公式 (1) 溢流装置设计 W OW L h h h += (3-6) 式中 L h –––––板上清液层高度，m ； OW h –––––堰上液层高度，m 。 3 2100084.2??? ? ??=W h OW l L E h （3-7） 式中 h L –––––塔内液体流量，m ； E –––––液流收缩系数，取E=1。 h T f L H A 3600= θ≥3~5 (3-8) 006.00-=W h h (3-9) ' 360000u l L h W h = (3-10) 式中 u 0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s 。 (2) 踏板设计 开孔区面积a A ： ??? ? ??+-=-r x r x r x A a 1222sin 1802π （3-11）
本科生毕业设计 年产15000吨马来酸二甲酯项目真空精馏塔设计说明书 学院化工学院 专业化学工程与工艺 年级2010级 姓名杨豪帆 指导教师张国亮李阳于涛 2014年2 月20日
摘要 马来酸二甲酯是一种重要的有机化工原料。为了满足经济发展对马来酸二甲酯的需求，开展了此年产15000吨马来酸二甲酯项目，本设计中，对真空分离塔进行了工艺设计、结构设计和强度设计校核。在工艺设计中，涉及了塔径、塔高、填料层高度及压降的计算。在结构设计中，对塔设备的内件、支座、接管及附件等进行选型和设计。除此之外，本设计叙述了过程控制方案和开停车方案并给出设备的管道仪表流程简图。对温度、压力、原料配比、通气速率、反应时间等因素进行了敏感性分析。考虑到对环境和社会的影响，还进行了HAZOP分析和环境影响评价，形成了一份较为完整的设计。 关键词：真空分离塔，工艺设计，过程控制，分析。
ABSTRACT Dimethyl maleate is an important organic chemical raw material. This design focuses on the Dimethyl maleate project with annual production of 15000t, which includes process design, structural design and verification of strength design of vacuum separation tower. In the design of process, involving the calculations of diameter and height of tower, packed bed height and pressure drop. In the structural design，we design and select the internal equipment, bearings, and accessories of the tower. In addition, the design describes the way of process control and gives the Piping and instrumentation diagram, as well as the sensitivity analysis of temperature, pressure, material ratio, aeration rate, reaction time and other factors. Considering the impact on the environment and society, a HAZOP analysis and environmental impact assessment are also involved, Keyword: vacuum separation tower, process design, process control, analysis
课程设计说明书 题目: 苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计 院(系): 化学化工学院 专业年级: 化学2012级 姓名: 王*** 学号: 121****** 指导教师: 李**副教授 2015年10月
目录 1绪论 (3) 2 设计方案确定与说明 (3) 2.1设计方案的选择 (3) 2.2工艺流程说明 (4) 3 精馏塔的工艺计算 (4) 3.2精馏塔的操作工艺条件和相关物性数据的计算 (5) 3.2.1精馏塔平均温度 (6) 3.2.2气、液相的密度的计算 (6) 3.2.3混合液体表面张力 (8) 3.2.4混合物的黏度 (9) 3.2.5相对挥发度 (10) 3.2.6 气液相体积流量计算 (10) 3.3塔板的计算 (12) 3.3.1操作线方程的计算 (12) 3.3.2实际塔板的确定 (13) 3.4塔和塔板主要工艺结构尺寸计算 (14) 3.4.1塔径的计算 (14) 3.4.2溢流装置 (15) 3.4.3 塔板布置及浮阀数目与排列 (17) 3.5 精馏塔塔板的流体力学计算 (19) 3.5.1精馏塔塔板的压降计算 (19) 3.5.2淹塔 (20) 3.6 塔板负荷性能计算 (21) 3.6.1 雾沫夹带线 (21) 3.6.2 液泛线 (21) 3.6.3 液相负荷上限 (22) 3.6.4 漏液线 (22) 3.6.5 液相负荷下限 (23) 3.6.6塔板负荷性能图 (23) 4 设计结果汇总表 (25) 5工艺流程图及精馏塔工艺条件图 (26) 6设计评述 (27)
1绪论 精馏塔作为石油化工行业最常用的化工设备之一，在当今工业中发挥了极其重要的作用。精馏塔通过物质的传质传热，将塔的进料中的物质分离，从而在塔顶和塔底分别获得人们需要的高浓度物质。苯与氯苯的分离，必须经过各种加工过程，炼制成多种在质量上符合使用要求的产品工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。筛板塔出现于1830年，很长一段时间内被认为难以操作而未得到重视。泡罩塔结构复杂，但容易操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到推广，直到20世纪50年代初，它始终处于主导地位。第二次世界大战后，炼油和化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板塔重新受到重视。50年代起，筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型。与此同时，还出现了浮阀塔，它操作容易，结构也比较简单，同样得到了广泛应用。而泡罩塔的应用则日益减少，除特殊场合外，已不再新建。60年代以后，石油化工的生产规模不断扩大，大型塔的直径已超过10m。为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板不断出现，已有数十种。 工业生产对塔板的要求主要是：①通过能力要大，即单位塔截面能处理的气液流量大。②塔板效率要高。③塔板压力降要低。④操作弹性要大。⑤结构简单，易于制造。在这些要求中，对于要求产品纯度高的分离操作，首先应考虑高效率；对于处理量大的一般性分离（如原油蒸馏等），主要是考虑通过能力大。为了满足上述要求，近30年来，在塔板结构方面进行了大量研究，从而认识到雾沫夹带通常是限制气体通过能力的主要因素。在泡罩塔、筛板塔和浮阀塔中，气体垂直向上流动，雾沫夹带量较大，针对这种缺点，并为适应各种特殊要求，开发了多种新型塔板。 本文的主要设计内容可以概括如下：1.设计方案的选择及流程；2.工艺计算； 3.浮阀塔工艺尺寸计算；4.设计结果汇总；5.工艺流程图及精馏塔工艺条件图 2 设计方案确定与说明 2.1设计方案的选择
第四章设备设计及选型 4.1 设备设计标准 《钢制压力容器》GB150-98 《压力容器用钢板》GB6654-96 《化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求》HG20537.4-92 《安全阀的设置和选用》HG/T20570.2-95 《设备进、出管口压力损失计算》HG/T20570.9-95 《钢制化工容器设计基础规定》HG20580-98 《钢制化工容器材料选用规定》HG20581-98 《钢制化工容器强度计算规定》HG20582-98 《钢制化工容器结构设计规定》HG20583-98 《钢制化工容器制造技术规定》HG20584-98 《化工设备设计基础规定》HG/T20643-98 《压力容器无损检测》JB4730-2005 《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2000 《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2000 《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》JB4744-2007 《压力容器用钢锻件》JB4726-2000 《石油化工塔型设备设计规范》SH 3030-1997 4.2 设备设计及选型 塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，塔可以使气液相或者液液相之间进行紧密接触，达到较为良好的相际传质及传热的目的。 在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精馏、解吸和萃取等。此外工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和减湿等效果。
4.2.1 塔设备设计原则 具有适宜的流体力学条件，可使气液两相良好接触； 结构简单，处理能力大，压降低； 强化质量传递和能量传递。 4.2.2 塔设备的设计目标 作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液、或液泛等破坏正常操作的现象； （2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期稳定操作； （3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低正常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度； （4）结构简单、材料耗用量小，制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用； （5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 事实上，对于现有的任何一种塔器，都不可能完全满足上述所有要求，但是我们可以在某些方面做到独特之处。以此来达到较大的生产效率，提高企业的生产效益。 4.2.3 塔设备类型及选择 为了便于研究和比较，人们从不同角度对塔设备进行了分类。例如：按操作压力的不同可分为加压塔、常压塔、减压塔；按单元操作可分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；但最常用的分类是按塔的内件结构进行划分，分为板式塔和填料塔。 塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能，以及塔设备的制造、安装、运转、维修等。
一、苯-氯苯板式精馏塔的工艺设计任务书（一）设计题目 设计一座苯-氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为%的苯36432吨，塔底馏出液中含苯1%，原料液中含苯为61%（以上均为质量百分数）。 （二）操作条件 1.塔顶压强4kPa（表压） 2.进料热状况：饱和蒸汽进料 3.回流比：R=2R min 4.单板压降不大于 （三）设计内容 设备形式：筛板塔 设计工作日：每年330天，每天24小时连续运行 厂址：青藏高原大气压约为的远离城市的郊区 设计要求 1.设计方案的确定及流程说明 2.塔的工艺计算 3.塔和塔板主要工艺尺寸的确定 （1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学验算 （3）塔板的负荷性能图绘制 （4）生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制 4、塔的工艺计算结果汇总一览表 5、对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论 （四）基础数据
1.组分的饱和蒸汽压 p（mmHg） i 2.组分的液相密度ρ（kg/m3） 3.组分的表面张力σ（mN/m） 4.液体粘度μ（mPas） 常数
二、苯-氯苯板式精馏塔的工艺计算书（精馏段部分） （一）设计方案的确定及工艺流程的说明 原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用强制循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。 典型的连续精馏流程为原料液经预热器加热后到指定的温度后，送入精馏塔的进料板，在进料上与自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸气互相接触，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（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸气，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品（馏出液）。 （二）全塔的物料衡算 1.料液及塔顶底产品含苯的摩尔分率 苯和氯苯的相对摩尔质量分别为 kg/kmol 和kmol =+= 6 .112/39.011.78/61.011 .78/61.0F x 2.平均摩尔质量 3.料液及塔顶底产品的摩尔流率 依题给条件：一年以330天，一天以24小时计，有： h kmol 62.5824 330989 .010*******=???= D ，
苯-氯苯板式精馏塔工艺设计设计说明书
苯-氯苯分离过程板式精馏塔设计 一、设计题目 试设计一座苯—氯苯连续精馏塔，要求年产纯度为99.8%的氯苯60000吨，塔顶馏出液中含氯苯不高于2%。原料液中含氯苯为38%（以上均为质量%）。 二、操作条件 1.塔顶压强4kPa （表压）； 2.进料热状况，泡点进料； 3.回流比，2R min ； 4.塔釜加热蒸汽压力0.5MPa （表压）； 5.单板压降不大于0.7kPa ； 6.年工作日300天，每天24小时连续运行。 三、设计内容 1.设计方案的确定及工艺流程的说明； 2.塔的工艺计算； 3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算； 4.塔内流体力学性能的设计计算； 5.塔板负荷性能图的绘制； 6.塔的工艺计算结果汇总一览表； 7.生产工艺流程图及精馏塔工艺条件图的绘制； 8.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。 四、基础数据 ο 2.组分的液相密度ρ（kg/m 3 ） 纯组分在任何温度下的密度可由下式计算 苯 t A 187.1912-=ρ 推荐：t A 1886.113.912-=ρ 氯苯 t B 111.11127-=ρ 推荐：t B 0657.14.1124-=ρ
式中的t 为温度，℃。 3.组分的表面张力σ（mN/m ） 双组分混合液体的表面张力m σ可按下式计算： A B B A B A m x x σσσσσ+= （B A x x 、为A 、B 组分的摩尔分率） 4.氯苯的汽化潜热 常压沸点下的汽化潜热为35.3×103 kJ/kmol 。纯组分的汽化潜热与温度的关系可用下式表示： 38 .01238.012??? ? ??--=t t t t r r c c （氯苯的临界温度：C ?=2.359c t ） 5.其他物性数据可查化工原理附录。
本科毕业论文（设计） 题目：苯—氯苯精馏塔工艺设计及塔顶冷凝 器选型设计 专业：化学工程与工艺(煤化工方向) 姓名： 指导教师： 职称： 答辩日期：
延安大学学士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解延安大学有关保留和使用学位论文的规定，即：本科生在校攻读学士学位期间论文工作的知识产权单位属延安大学，学生公开发表需经指导教师同意。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在 2 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：日期： 导师签名：日期：
前言 氯苯作为一种重要的基本有机合成原料，在生产上应用广泛，由苯液相氯化法制得的氯苯中含有一定量的苯，本设计为一连续精馏塔，用来分离易挥发的苯和不易挥发的氯苯。连续精馏塔在常压下操作，被分离的苯-氯苯二元混合物由连续精馏塔中部进入塔内，以一定得回流比由连续精馏塔的塔顶采出含量合格的苯，由塔底采出氯苯。氯苯纯度不低于99%，塔顶产品苯纯度不低于99%（质量分数）。 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应用。精馏过程在能量剂驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。该过程同时进行传热、传质的过程。为实现精馏过程，必须为该过程提供物流的贮存、输送、传热、分离、控制等的设备、仪表。 根据设计书任务，本设计精馏塔中采用筛板塔进行分离。筛板塔在十九世纪初已应用于工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。据报导，在欧洲和美国，塔设备总数的60%采用筛板塔板。在日本也有25%的塔设备应用了筛板塔板。在我国一些炼油厂，从国外引进的装置中也大量使用了筛板塔板，并且收到了良好的使用效果。表征某种类型塔板性能的主要参数有最大处理量、塔板效率、操作弹性及造价。而塔板能否最大限度地发挥其性能则取决于塔板的流体力学性能和准确的计算方法。筛板精馏塔具有结构简单、造价低；板上液面落差小，生产能力较大；气体分散均匀,传质效率高等特点。 筛板塔板以其结构上的特点，在对分离物料的适应性、塔板压力降、塔板效率和处理量等方面优于其它类型的塔板。同时，它的设计计算方法比较完整和准确，在分馏系统的扩能和增效节能改造中，推荐采用筛板塔板替代其它类型塔板。填料塔最关键的问题是要解决液体分布均匀的问题，如果在大塔情况下液体分布比较难控制，现在板式塔盘技术比较成熟，操作弹性不比填料塔差。
精馏塔尺寸设计计算 初馏塔的主要任务是分离乙酸和水、醋酸乙烯，釜液回收的乙酸作为气体分离塔吸收液及物料，塔顶醋酸乙烯和水经冷却后进行相分离。塔顶温度为102℃，塔釜温度为117℃，操作压力4kPa。 由于浮阀塔塔板需按一定的中心距开阀孔，阀孔上覆以可以升降的阀片，其结构比泡罩塔简单，而且生产能力大，效率高，弹性大。所以该初馏塔设计为浮阀塔，浮阀选用F1型重阀。在工艺过程中，对初馏塔的处理量要求较大，塔内液体流量大，所以塔板的液流形式选择双流型，以便减少液面落差，改善气液分布状况。 4.2.1 操作理论板数和操作回流比 初馏塔精馏过程计算采用简捷计算法。 （1）最少理论板数N m 系统最少理论板数，即所涉及蒸馏系统（包括塔顶全凝器和塔釜再沸器）在全回流下所需要的全部理论板数，一般按Fenske方程[20]求取。 式中x D,l，x D,h——轻、重关键组分在塔顶馏出物（液相或气相）中的摩尔分数； x W,l，x W,h——轻、重关键组分在塔釜液相中的摩尔分数； αav——轻、重关键组分在塔内的平均相对挥发度； N m——系统最少平衡级（理论板）数。 塔顶和塔釜的相对挥发度分别为αD=1.78，αW=1.84，则精馏段的平均相对挥发度： 由式（4－9）得最少理论板数： 初馏塔塔顶有全凝器与塔釜有再沸器，塔的最少理论板数N m应较小，则最少理论板数：。 （2）最小回流比 最小回流比，即在给定条件下以无穷多的塔板满足分离要求时，所需回流比R m，可用Underwood法计算。此法需先求出一个Underwood参数θ。 求出θ代入式（4－11）即得最小回流比。
式中——进料（包括气、液两相）中i组分的摩尔分数； c——组分个数； αi——i组分的相对挥发度； θ——Underwood参数； ——塔顶馏出物中i组分的摩尔分数。 进料状态为泡点液体进料，即q=1。取塔顶与塔釜温度的加权平均值为进料板温度（即计算温度），则 在进料板温度109.04℃下，取组分B（H2O）为基准组分，则各组分的相对挥发度分别为αAB=2.1，αBB=1，αCB=0.93，所以 利用试差法解得θ=0.9658，并代入式（4－11）得 （3）操作回流比R和操作理论板数N0 操作回流比与操作理论板数的选用取决于操作费用与基建投资的权衡。一般按R/R m=1.2～1.5的关系求出R，再根据Gilliland关联[20]求出N0。 取R/R m=1.2，得R=26.34，则有： 查Gilliland图得 解得操作理论板数N0=51。 4.2.2 实际塔板数 （1）进料板位置的确定 对于泡点进料，可用Kirkbride提出的经验式进行计算。