板式精馏塔项目设计方案

1 板式精馏塔设计方案 第三节 精馏方案简介 (1) 精馏塔的物料衡算； (2) 塔板数的确定： (3) 精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算； (4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (5) 塔板主要工艺尺寸的计算； (6) 塔板的流体力学验算： (7) 塔板负荷性能图； (8) 精馏塔接管尺寸计算； (9) 绘制生产工艺流程图； (10) 绘制精馏塔设计条件图； (11) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。 设计方案的确定及工艺流程的说明 原料液由泵从原料储罐中引出，在预热器中预热至 84 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至 25 后送至产品槽；塔釜 采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜残液送至废热锅炉。 第四节：精馏工艺流程草 图及说明 一 、流程方案的选择 2 1. 生产流程方案的确定： 原料主要有三个组分： 生产方案有两种：（见下图 A， B）如任务书规定： W% 100 （ A ）=C。 B ）。3原料料图（ A）为按挥发度递减顺序采出，图（ B）为按挥发度递增顺序采出。在基本有机化工生产过程中，按挥发度递减的顺序依次采出馏分的流程较常见。因各组分采出之前只需一次汽化和冷凝，即可得到产品。而图（ B）所示方法中，除最难挥发组分外。其它组分在采出前需经过多次汽化和冷凝才能得到产品，能量（热量和冷量）消耗大。并且，由于物料的内循环增多，使物料处理量加大，塔径也相应加大，再沸器、冷凝器的传热 面积相应加大，设备投资费用大，公用工程消耗增多，故应选用图（ A）所示的是生产方案。 在工艺流程方面，主要有深冷分离和常温加压分离法。脱乙烷塔，丙烯精制塔采用常温加压分离法。因为 常压下沸点较低呈气态采用加压精馏沸点可提高，这样就无须冷冻设备，可使用一般水为冷却介质，操作比较方便工艺简单，而且就精馏过程而言 ,获得高压比获得低温在设备和能量消耗方面更为经济一些，但高压会使釜温增加，引起重组分的聚合，使烃的相对挥发度降低，分离难度加大。可是深冷分离法需采用制冷剂来得到低温，采 用闭式热泵流程，将精馏塔和制冷循环结合起来，工艺流程复杂。综合考滤故选用常温加压分离法流程。 二、 工艺特点： 1、 脱乙烷塔：根据原料组成及计算 :精馏段只设四块浮伐 塔板 ,塔顶采用分凝器、全回流操作 2、 丙烯精制塔：混合物借 精馏法进行分离时它的难易程度取决于 混合物的沸点差即 取决于他们的相对挥发度 丙烷丙烯 的 3 沸点仅相差 5 6所以他们的分离很困难 ,在实际分离中为了能够用冷却水来冷凝丙烯的蒸气经常把 0大气压下操作，丙烷丙烯相对挥发度几乎接近于 1 在这种情况下，至少需要 120块塔板才能达到 分离目的。建造这样多板数的塔， 高度在 45米以上是很不容易 的，因 而通常多以两塔串连应用，以降低塔的高度。 三、操作特点： 1、 压力：采用不凝气外排来调节塔内压力，在其他条件不变的情况下，不凝气排放量越大、塔压越低：不凝气排放量越小、塔压越高。正常情况下压力调节主要靠调节伐自动调节。 2、塔低温度：恒压下，塔低温度是调节产品质量的主要手段，釜温是釜压和物料组成决定的，塔低温度主要靠重沸器加热汽来控制。当塔低温度低于规定值时，应加大蒸汽用量以提高釜液的汽化率塔低温度高于规定值时，操作亦反。 四 、改革措施： 丙烯精制塔顶冷却器由四台串联改为两台并联，且每台冷却器设计时采用的材质较好，管束较多，传热效果好。 五、设想 ： 若本装置采用 样可以使操作 者一目了然，可以达到集中管理，分散控制的目的。能够使信息反馈及时，使装置平稳操作，提高工作效率 。为了降低能耗丙烯塔可以采用空冷 。 第五节：精馏 工艺计算及主体设备设计 精馏塔的工艺设计计算，包括塔高、塔径、塔板各部分尺寸的设计计算，塔板的布置，塔板流体力学性能的校核及绘出塔板的性能负荷图。 1 物料衡算与 操作线方程 通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题： （ 1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求（塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量； 4 （ 2）在加料热状态 q 和回流比 R 选定后，分别算出精馏段和提馏段的上升蒸汽量和下降液体量； （ 3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。 通常，原料量和产量都以 kg/h 或吨 /年来表示，但在理想板计算时均须转换为h。在设计时，汽液流量又须用 m3/s 来表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。 2、塔物料衡算 F=D+W 代入数据为 64=D+W 64*65%=D*98%+W*2% 解得 D=h， W=h 塔内气、液相流量 精馏段： L=L+D 提留段： L=L+F, V=V 再沸器热流量： 沸器加热蒸汽 质量流量： r/凝器热流量： 凝器冷却剂的质量流量： c/Cv( 5 塔板数的计算 相对挥发度 利用试差法求相对挥发度 表压 P=1620塔顶绝压 A=理得 A=(=A=P=A=y A/理得 y B=B=B=y B/ X=y A/KA+y B/ 足 E 取 1 的条件 取 夜层高度 选取的堰高 定 10 w+流强度 Lh/00 降液管底隙液体流速 u=Ls/ss,符合要求 8. 塔板流动性能的校核 所得泛点率低于 不会产生过量的液沫夹带 计算干板阻力 11 由以上 3 个阻力之和求塔板阻力 = 12 h/,h=h 此为液相下限线 13 4、精馏塔主体设备设计计算 14 沸器 精馏塔底的再沸器可分为：釜式再沸器、热虹吸 式再沸器及强制循环再沸器。 （ 1）釜式式再沸器 如图 6a） 和（ b）所示。（ a）是卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，再进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面，部分液体则通过再沸器内的垂直挡板，作为塔底产物被引出。液体的采出口与垂直塔板之间的空间至少停留 8 10 分钟，以分离液体中的气泡。为减少雾沫夹带，再沸器上方应有一分离空间，对于小设备，管束上方至少有 300的分离空间，对于大设备，取再沸器壳径为管束直径的 。 （ b）是夹 套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，一般液面维持在容积的 70%左右。夹套式再沸器，常用于传热面较小或间歇精馏中。 （ 2）热虹吸式再沸器 如图 6c）、（ D）、（ e）所示。它是依靠釜内部分汽化所产生的汽、液混合物其密度小于塔底液体密度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器又称自然循环再沸器。这种型式再沸器汽化率不大于 40%，否则传热不良。 （ 3）强制循环再沸器 如图 6（ f）所示。对于高粘度液体和热敏性气体，宜用泵强制循环式再沸器，因流速大、停留时间短，便于控制和调节液体循环 量。 原料预热器和产品冷却器的型式不象塔顶冷凝器和塔底再沸器的制约条件那样多，可按传热原理计算。 15 图 6再沸器的型式 路尺寸的确定、管路阻力计算及泵的选择 接管直径 各接管直径由流体速度及其流量，按连续性方程决定，即： 4 （ 6中： 流体体积流量， s； u 流体流速， m/ s； d 管子直径， m。 （ 1）塔顶蒸气出口管径 蒸气出口管中的允许气速 不产生过大的压降，其值可参照表 6 表 6气出口管中允许气速参照表 操作压力（绝压） 常压 1400 6000 6000 汽速度 /m/s 12 20 30 50 50 70 （ 2）回流液管径 凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为 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 s。 （ 3）进料管径 液由高位槽进塔时，料液流速取 s。由泵输送时，流速取为 .5 m/s。 （ 4）釜液排除管径 液流出的速度一般取 s。 16 （ 5）饱和水蒸气管 饱和水蒸气压力在 295压）以下时，蒸气在管中流速取为 20 40m/s；表压在 785 下时，流速取为 40 60m/s；表压在 2950 上时，流速取为 80m/s。 加热蒸气 鼓泡管 加热蒸气鼓泡管（又叫蒸气喷出器）若精馏塔采用直接蒸气加热时，在塔釜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 5 10距为孔径的 510 倍。小孔总面积为鼓泡管横截面积的 ，管内蒸气速度为 20 25m/s。加热蒸气管距釜中液面的高度至少在 上，以保证蒸气与溶液有足够的接触时间。 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 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 压头 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（ 标位置应靠在泵的高效率范围所对应的 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,102核算泵的轴功率。 第六节：辅助设备的计算及选型 精馏装置的主要附属设备包括蒸气冷凝器、产品冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、直接蒸汽鼓管、物料输送管及泵等。前四种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。下面简要介绍。 回流冷凝 器 按冷凝器与塔的位置，可分为：整体式、自流式和强制循环式。 （ 1）整体式 17 如图 6-1(a)和 (b)所示。将冷凝器与精馏塔作成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。 该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。 图 6冷凝器的型式 （ 2）自流式 如图 6c）所示。将冷凝器装在塔 顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。 （ 3）强制循环式 如图 6D）、（ e）所示。当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。 需指出的是，在一般情况下，冷凝器采用卧式，因为卧式的冷凝液膜较薄，故对流传热系数较大，且卧式便于安装和维修。 管壳式换热器的设计与选型 管壳式换热器的设计与选型的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其它尺寸或选择换热器的型号。 体流动阻力（压强降）的计算 （ 1）管程流动 阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其阻力 于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般情况下进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为 12()i t s pp p p F N N (6 18 式中 分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降， 结垢校正因数，对 25管子取 对 192 管程数； 串联的壳程数。 上式中直管压强降 按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降 下面的经验公式估算，即 22 3 2(6（ 2）壳程流动阻力 壳程流动阻力的计算公式很多，在此介绍埃索法计算壳程压强降 公式，即 0 1 2 Sp p p N S（ ） F(6式中 流体横过管束的压强降， 流体通过折流板缺口的压强降， 壳程压强降的结垢校正因数；液体可取 体可取 2 0102 02( 1 )22( 3 . 5 )2 f n (6式中 F 管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列 F=转角三角形为 方形为 壳程流体的摩擦系数； 横过管束中心线的管子数； 可由下式估 算： 管子按正三角形排列： 6管子按正方形排列： 6式中 n 换热器总管数。 折流挡板数； h 折流挡板间距； 按壳程流通截面积 算的流速， m/s，而 A0=h( 2 管壳式换热器的选型和设计计算步骤 (1)计算并初 选设备规格 a确定流体在换热器中的流动途径 b根据传热任务计算热负荷 Q。 c确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度， 19 并确定在定性温度下的流体物性。 d计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于 原则，决定壳程数。 e依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选择总传热系数 K 值。 f由总传热速率方程 Q = 步计算出传热面积 S，并确定换热器的基本尺寸（如 D、 L、 n 及管子在管板上的排列等），或按系列标准选择设备规格。 （ 2）计算管程、壳程压强降 根 据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压降不符合要求，要调整流速，在确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求为止。 （ 3）核算总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻 计算总传热系数 K，比较 K 的初设值和计算值，若 K /K=初选的换热器合适。否则需另设 K 值，重复以上计算步骤。 第七节：设计结果一览表 1、操作条件及物性系数 操作压力： 塔顶 塔底 作温度： 塔顶 塔底 名 称 数 值 塔顶气相密度 顶液相密度 相体积流量 相体积流量 20 塔顶液相表面张力 、 塔板主要工艺尺寸水力学核算 第八节：对本设计的评述 作为本学期难得的一次大型作业报告，我个人而言，收获良多，首先是看到了自己的不足，例如一些以前学习过的内容能够得到复习，毕竟差不多一年过去了， 程内容所教授的内容，许多都已经不记得了，通过这次大型课题报告，让我们重新学习和掌握 程。而且由于类似这种大型作业报告，需要考虑多方面的问题，必须多方面考虑周全，所以这次作业，也让我在做事方面想得更加周全，面面俱到，这对于 我们这些学生而言，是非常难得的。 21 本人参照了指导老师给我们的指导资料，并参考了其他学长的个人设计格式，查阅了较多的关于本专业的相关资料文献，花费了不少的时间勉强完成了这个设计方案，但由于个人专业知识缺乏和时间上比较仓促，所以未能完成得很好。 通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的 帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自