精馏塔的设计毕业设计讲义

1、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102C,塔釜温度为117C,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Nm系统最少理论板数，即所

2、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。ni =居AV（4-9）式中Xd,| , XD,h轻、重关键组分在塔顶馏出物（液相或气相）中的摩尔分数;xw,l , xW,h轻、重关键组分在塔釜液相中的摩尔分数；av轻、重关键组分在塔内的平均相对挥发度;Nm 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阻=1.78, aw=1.84，则精馏段的平均相对挥发度:% = 丫九了0 X 1.B4 = 1.81由式（4-9）得最少理论板数:/077140.99990.0001初馏塔塔顶有全凝器与塔釜有再沸器，塔的最少理论板数Nm应

3、较小，则最少理论板数：=现二一1=271 = 2札（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,Underwood法计算。此法需先求出一个Underwood参数0。所需回流比Rm，可用求出0代入式（4 -1）即得最小回流比。C4-10)式中尤F岳进料(包括气、液两相)中 i组分的摩尔分数;c组分个数；ai组分的相对挥发度;0Underwood 参数；叼塔顶馏出物中i组分的摩尔分数。千摩尔昨忖和針所需的热量s料的千摩尔汽化港熱进料状态为泡点液体进料, 计算温度)，则即q=1。取塔顶与塔釜温度的加权平均值为进料板温度(即1S4S”2O在进料板温度为 aB=2.1 , a

4、B=1 ,109.04 C 下，acB=0.93，所以取组分B ( H20)为基准组分，则各组分的相对挥发度分别W） = 73+4-1 厶I码一9 i=i L利用试差法解得 0=0.9658 ,2.1X0,12071 X 0-40960,93 X 0,46962A - 0+ 1-6 + 0.93 9 =并代入式(4 -11)得1 X 0J7140.93 X 0.0012.1 X 0.2274 n II2 71皿 2.1 - 0V96581- 0.96580.93-0.9658(3)操作回流比 R和操作理论板数 No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/Rm=1

5、.21.5的关系求出R,再根据Gilliland关联20求出No。取 R/Rm=1.2，得 R=26.34，则有：左+ 126.34+1查Gilliland图得如二鱼=也二竺十富解得操作理论板数 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。n1 胃一=0.2061gX怎血f丽、DViXh/（4-12）式中龙FJ,工EtL轻、重关键组分在进料液相中的摩尔分数;n精馏段理论塔板数；m提馏段理论塔板数（包括塔釜）。2I = -0.41CS将代入数据到式（4 -2）可得nIg = 0.206Ig tn867.020.46960.00

6、01981.18 崑心4096 I 0.001解得n/m=0.39，且N0=n+m=51，可得n =15 , m=36 （包括塔釜）。所以，精馏段理论板 数为15,提馏段理论塔板数为35。（2）实际塔板数全塔效率E的定义：一在指定輛比与分离要求下所需理论板数在相同条件下所需的实际板數可用Drickamer-Bradford法20计算全塔效率，其关联式:进料状态下各组分的粘度分别为胆阳T = 0.178cP, H呂F =0.259cP，gf = 0.406cP,则进料液体的平均摩尔黏度:= 工t 內=0.1207 X 0.178 + 0,4096 X 0.259 + 0.46?6 X 0.406

7、 = 0.318由式（4T3）可得E = 0.17-OL6161gOJ18= 0.43精馏段实际塔板数为N1=15/O.48=32，提馏段实际塔板数为N2=35/0.48=73，所以初馏塔实际塔板总数为 N=32+73=105。取塔板间距HT=0.6m，精馏段和提馏段的有效高度分别为：=32 5(0.6= 19.2mZj = 75 X t).6 = 45m所以初馏塔的有效高度：2 =乱+畫文=19.2 + 45 = 642ra4 -2所4.2.3初馏塔尺寸计算在不同温度下，初馏塔内液体在塔不同位置各组分的密度及表面张力数据如表 示。表42物性数据表组分进料位置塔顶密度 p (kg/m3)表面张

8、力 d (mN/m )密度 p( kg/m3)表面张力 d (mN/m )A (VAc)81713.2082514.30B (H2O)95157.80958.460.10C (HVc)94318.03957.819.26进料位置液体密度:1PP 山=0.12070.40960.4696 = ?SI 了 卄 952 十 943同理可得，精馏塔塔顶混合液体密度PDL = 924.6kg/m3,则精馏段液体的平均密度:Pl= C929 + 24.6)/2= 926.akE/m根据 尸PM/(ZRT)得：P踽78kg/m3,= L2Ekg/m3,则精馏段气体的平均密度:Pv = tt-7B 十 128

9、)/2= 1.53fcg/ni进料位置液体表面张力:帀= 1320X 1207 +S7.S0 X 0.4096+ 1S.03X 0.469b = 33/74mN/m同理可得，塔顶液体的表面张力 0 = 49W2mN/m，则精馏段液体的平均表面张力:萌=(咋+ TdVZ = 33J4-H 49,62)/2 = 41 .68mN/m塔顶产品的质量流量:D = 981.1S X (86.091 X 0.2274 +13.02 X 0.7714 十 60.05 X 0.001)= 32906.59kEZh本设计因为处理量较大，一个初馏塔难以满足生产需求，所以改用四个相同的初馏塔 并联处理。由于R=L/

10、D，则塔顶与全凝器之间物流的质量流量： = fi/”4= 26.34x32906.59/4= 216689.90kg/h7=(ie + l)D/4 = (26.34 + 1)c 32906.5V4 = 22491A54kg/h塔顶与全凝器之间物流的体积流量:is = i 加皿=216689.90/924.6 = 233.80ra/h= G.tJ65m/s叫=r/paip= 22491654/L2Q = 1479)4,27m/h= 4a.e3mVa(1 )塔径的设计计算精馏塔的空塔气速 U应比報f小，对于一般液体，U可取为(0.70.8Mf，而液泛气速可根据式（44）计算。（4-14）式中液泛气

11、速，m/s;C气体负荷因子。已知塔板间距 HT=0.6m，取板上液层高度 hL=0.075m，贝U Ht hL=0.525m。采用（4 4）计算液泛气速，要先从史密斯关联图21中读出C20以求得C。为此，首先算出0工氐5233.80/926.8*147004.27 153= =皿从史密斯关联图中读出FP=0.04及Ht hL=0.525m时，C20=0.13。所以，為（亦）（苛）=圈由式（4T4）得/926.S - 1-53S1.53叫=0.15 (= 3.69m/s液泛分率为0.8时，气速肚=0.仔城= 0.8 3.69=2.952m/s,因此所需气体流通截面积:2.952对于双流型一般取l

12、w/D=0.50.7,因液体流量较大取堰长lw=0.7D，查图14得降液管截 面积与塔板总面积之比 应;亞？ = 0.085，则气体流通截面积与塔板总面积之比:- = 乂丁 :丄f = 1-4 = 1-0.035 = 0.91S A、 Ar盘 h于是得鮎=13.83/0.915=15.12m2,则初馏塔塔径:D=（学T=臣半厂=沁圆整后取塔径D=5m，于是有：初馏塔横截面积：At= nD2/4=0.785 52=19.625m2气体流通截面积：A=0.915 X19.625=17.957m2（2 ）筒体及封头壁厚该初馏塔为常压精馏，取设计压力为0.1MPa,所用材料为 0Cr18Ni10Ti，

13、标准为GB4237。则壁厚0.1X5000亦=2同警-叽=2 X 137 X 0.85-0.1 =旦皿圆整后取初馏塔壁厚为 5mm。根据JB/T 4737 95,选用标准椭圆形封头作为初馏塔封头, 用材料为0Cr18Ni10Ti，厚度可取筒体壁厚 头的直边高度取 h2=50mm。(3)支座初馏塔的支座选用圆筒形裙座，材质为即 Di/2hi=2，K=1。封头所S=5mm ; Di=D=5000mm , hi=D/4=1250mm ;圭寸16MnR,裙座与塔体的链接采用对接式焊接, 裙座筒体内径为5000mm，厚度为30mm。地脚螺栓的结构选择外螺栓型结构形式，螺栓选 用M80X 6,个数为30个

14、。在裙座上设置6个直径为裙座上开设2个长圆形人孔，曲边半径r0=250m m,高G=700mm。100mm的排气孔。424接管与管法兰塔顶气体的体积流量:初馏塔进料液体、塔釜液体的平均摩尔质量:爲=04207 X 8.091 + (5.40% X 18.02 + 04696X 60.05 = 4S.97kg/fcraol為=a.)001 X13.02 + 0.9999X 60.05= 6M5kg/lanol9S1所以，进料液体和塔釜液体的体积流量：1Pg = 0.0001 , 0.9999 94r3kg/nL十9432= gw =0.006324 X 3600 X Pfj, 4 X 3600

15、X 929fs367.02 X 60.05,4X3600X93 = ”叹顷血分别取进料管液体速度、塔顶出料管气体速度和塔釜出料管液体速度为孔茜=Im/s，tto = 30m/3 = lTn/s，则进料管、塔顶和塔釜接管直径:专=X 0.00632* =0.0B?8m3.14X1MX 40.33观0 _ G.14 X 300石=1.316701已知进料液体、塔釜液体的密度:X 0.00 3 83严( 3.14X1 J7耐血表4初馏塔接管法兰尺寸圆整后取进料、塔顶出料和塔釜出料接管的公称直径分别为100mm ,1400mm ,100mm。进料接管和塔顶出料接管选用相同的标准法兰。根据HG 2059

16、2 200922，选用的标准法兰尺寸分别列于表4-3中。名称进料与塔釜出料塔顶出料选型突面（RF）带颈平焊法兰突面（RF）带颈对焊法兰法兰材料（锻件）12CrMo1 (JB/T 4726 )12CrMo1 ( JB/T 4726)接管公称直径/mm1001400接管外径A/mm114.3A1=1422法兰外径D/mm2101675螺栓孔中心圆直径 K/mm1701590螺孔直径L/mm1842螺孔数n436螺栓规格M16M3A3法兰内径B/mm1161398法兰高度H/mm40145法兰标准件编号HG20592 2009SORFA 6_10HG20592 2009WNRFA 10_26垫片选型

17、突面（RF型）非金属平垫片突面（RF型）非金属平垫片垫片内径Dj/mm1151422垫片外径D2/mm1521548垫片厚度T/mm1.53垫片标准件编号HG20606 2009RF 6_10HG20606 2009RF10_26螺栓选型六角螺栓八角螺栓螺栓标准GB5728 A 级GB5785 A 级螺栓材料A4-50 (GB/T 5782 )A4-50 ( GB/T 5782 )螺母选型I型六角螺母I型六角螺母螺母材料A4-50 (GB/T 6170 )A4-70 ( GB/T 6171 )4.2.5溢流装置堰长 lw=0.7D=0.7 爲=3.5mWd/D=0.14，则根据lw/D=0.7

18、，查图14得双溢流型塔板弓形溢流堰宽度与塔径之比Wd=0.14D=0.14 3=0.7m。降液管截面积： Af=l9.625 16.878=1.668m2可由液体在降液管中的停留时间S （35）s验算降液管设计的合理性，即心叱色严皿5 =迢 S.223.80所以降液管的设计合理。hL=0.075m，由 Ls/Iw2.5=233.80/3.52.5=10.20，查图14初馏塔的堰型选用平直堰。已知得液流收缩系数E=1.026，则平直堰堰上液流高度:2H3.S4 /igV2-34/233.BO3fc =Ff1 =X 1.026（ = 0.045011000 l/1000K 3.5 J则出口堰高度:

19、hw=hL h0w=O.O75 0.048=0.027m为保证液封和防止堵塞，降液管底隙高度h0应小于hw，取底隙内液体流速为 u0.75m/s，则降液管底隙高度:% =y= 0.025m h钳0 仁站 3.5 X 0.7SF初馏塔塔径较大，所以受液盘选用凹形受液盘，以保证溢流液平稳进入塔板，取凹形 受液盘深度为=4.2.6塔板布置对于双流型塔板，取安定区宽度 岡=Lim,塔板边缘宽度 吧= 0.0疔m,中间降液管宽度叫=0x2m；已知用己=ft.7m，则冠=DSD （略 4 胆）=山5 舅 5 （07 + 0.1） = IJmXd =+ H； = 0.5x0.2-F QI = 02mr =氏

20、5刃一观=0.5 X 5 - 0.06 = 2.44m鼓泡区为气液接触有效区，鼓泡面积:札=2 （覽-工孑 +1 血7 空）2 （jQ Jn 爲+沪 sn ）-2（043 X 1/2,44= -0,13= + 2,44= X=13.1 am2本设计选用F1型重阀（33g）,孔径d=0.039m。浮阀排列形式采用正三角形叉排。因为叉排时，相邻两阀中吹出的气流对液层的搅拌作用显著，鼓泡均匀, 带量也较小。阀孔动能因数可取 F0=81114，取F0=11，则阀孔气速：液面梯度小，雾沫夹浮阀数:取阀孔间距量：塔的开孔率浮阀塔的开孔率:附=JWGPsJDJ 11/1.53= 8.89m/s4 X 40B

21、3挖=徑= 3847F ndu 3.14 X 0.039 X 3.B9t=0.075m，浮阀排列形式按正三角形叉排，浮阀在塔板的鼓泡区的排布数V3X 0.0750依阀孔数而定，一般在常、减压塔中为塔板总面积的10%15%左右。0.755 X 0.0X 27060 =:=_ = 0.1654 X 40.83浮阀塔的开孔率 护16.5%，仅稍大于15%，故浮阀的排布依然合理。 根据浮阀在塔板上排布数计算得实际阀孔气速为：X 議二 3.14 X0_039X 2706 =丄么砧皿4.2.7流体力学验算(1)塔板压力降hp 气体通过干塔板的压力降:观幻12.65 X 1.53F、*、2gpL殆=5工4= = 534 X旅丽衣嚴 =0.072m （液枉）气体通过液层压力降:加L = 0.5（A+ 屁Q = 0.5 X 0-075 = O.昭了5m（液ft）因此，塔板压力降:Jip = /Epi += 0.072+ 10375= （U125ra （液柱）(2 )降液管液面高度 Hd为了防止液泛，液面高度的校核关系式为(Ht十九丹为泡