筛板式连续精馏塔及其主要附属设备设计

1、一、设计概述1.1设计题目： 筛板式连续精馏塔及其主要附属设备设计1.2工艺条件:生产能力：（料液）年工作日：300天原料组成：25%丙酮，75%水（摩尔分率）产品组成：馏出液 99%丙酮，釜液1%丙酮（质量分率）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：直接蒸汽加热回流比： R/Rmin=1.51.3工艺流程图丙酮水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内

2、经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。丙酮水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。流程示意图如下图图1：精馏装置工艺流程图二、塔的工艺计算1.1查阅文献，整理有关物性数据1.1.1水和丙酮的性质水和丙酮的粘度温度5060708090100水粘度mpa0.5920.4690.400.330.3180.248丙酮粘度mpa0.260.2310.2090.1990.1790.160水和丙酮表面张力温度506070809

3、0100水表面张力67.766.064.362.760.158.4丙酮表面张力19.518.817.716.315.214.3水和丙酮密度温度5060708090100相对密度0.7600.7500.7350.7210.7100.699水998.1983.2977.8971.8965.3958.4丙酮758.56737.4718.68700.67685.36669.92水和丙酮的物理性质分子量沸点临界温度K临界压强kpa水18.02100647.4522050丙酮58.0856.2508.14701.50丙酮水系统txy数据沸点t/丙酮摩尔数xy10000920.010.27984.20.02

4、50.4775.60.050.6366.90.10.75462.40.20.81361.10.30.83260.30.40.84259.80.50.85159.20.60.86358.80.70.87558.20.80.89757.40.90.93556.90.950.96256.70.9750.97956.511由以上数据可作出t-y（x）图如下1.1.2进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数酮的摩尔质量 =58.08 Kg/kmol水的摩尔质量 =18.02 Kg/kmol 平均摩尔质量 M=0.2558.08+（1-0.25）18.02=28.035 kg/kmol M= 0.96858.08

5、+ (1-0.968) 18.02=56.798 kg/kmol M=0.0031258.08+（1-0.00312）18.02=18.14kg/kmol Kmol/h2.1全塔物料衡算与操作方程 2.1.1全塔物料衡算 代入数据的：解得：D=50.88Kmol/h W=147.96Kmol/h根据丙酮水系统tx(y)图可以查得： (塔顶第一块板) 设丙酮为A物质，水为B物质所以第一块板上： 可得： (加料板) 假设物质同上： 可得： (塔底) 假设物质同上： 可得： 所以全塔平均挥发度： 泡点进料，所以：代入数据得：令所以2.1.2操作线方程精馏段 = 0.756Xn+0.236提馏段：因为

6、泡点进料，所以q=1,且代入数据通过已获得的精馏段和提馏段的操作线方程，进行逐板计算，确定给定条件下完成规定分离要求所需要的理论板数，数据如下表所示：y1=0.968x1=0.915279879y2=0.928138445x2=0.821833611y3=0.85748395x3=0.682422789y4=0.752075767x4=0.52001292y5=0.629278061x5=0.377423531y6=0.521466572x6=0.280153503y7=0.447920942x7=0.224663408y11=#VALUE!X7=0.224663408y12=0.381798

7、1430.180710321y13=0.3066703230.136419582y14=0.2309653630.096870784y15=0.1633656740.065191328y16=0.1092168390.041951461y17=0.0694935630.025979761y18=0.0421935690.01548927y19=0.0242624570.008802458y20=0.0128328710.004621293y21=0.0056861190.002038207通过该表的数据表明，总理论板层数，进料板位置2.1.3操作温度、全塔效率的估算塔顶温度：； 进料板的温度：

8、；塔底的温度：（1）精馏段平均温度：（2）提馏段平均温度：查60.335时，丙酮-水的组成 查前面物性常数（粘度表）：60.335 时， 所以 所以 查82.03时，丙酮-水的组成 所以 所以 3.1实际塔板数实际塔板数（1）精馏段：，取整12块，考虑安全系数加一块为13块。（2）提馏段：，取整28块，考虑安全系数加一块，为29块。故进料板为第14块，实际总板数为43块。全塔总效率： 4.1精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算4.1.1摩尔质量塔顶平均摩尔质量：进料板平均摩尔质量：塔底平均摩尔质量：（1）精馏段平均摩尔质量：（2）提馏段平均摩尔质量：4.1.2平均密度计算气相平均密度计算：由理想

9、气体状态方程，即液相平均密度计算：注：为该物质的质量分数塔顶平均密度计算：由，查手册得，进料板平均密度计算：由，查手册得，质量分数：塔底平均密度计算：由，查手册得，（1）精馏段平均密度：（2）提馏段平均密度：4.1.3液体平均表面张力计算在塔顶的温度下查表面张力表在进料板温度下查表面张力表：=17.9mN/m=65.1mN/m在塔底温度下查表面张力表：=14.3mN/m=58.4mN/m精馏段液相平均表面张力提馏段液相平均表面张力全塔液相平均表面张力4.1.4液体平均黏度计算液体平均黏度计算公式：塔顶平均黏度计算：由，查手册得，得到：进料板平均黏度计算：由，查手册得，得到：塔底平均黏度计算：由

10、，查手册得，得到：（1） 精馏段液体平均黏度： （2） 提馏段液体平均黏度： 5.1精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1.1汽、液相热负荷计算（1）精馏段：（2）提馏段： （1） 精馏段精馏段的气、液相体积流率为：查史密斯关联图，横坐标为：取板间距查图得：取安全系数为0.6，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为： 截塔面积为：实际空塔气速：泛点率：（2）提馏段提馏段的气、液相体积流率为：查史密斯关联图，横坐标为：取板间距查图得：取安全系数为0.6，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为： 截塔面积为：实际空塔气速：泛点率：6.1精馏段塔板工艺尺寸的计算6.1.1溢流装置计算因塔径D=1.0m，可选用单溢流弓形

11、降液管，并取，则，又，所以。各项计算如下：6.1.1.1堰长取6.1.1.2溢流堰高度取堰高，选用平直堰，堰上液层高度：（近似取E=1）6.1.1.3弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管参数图得：；故 验算液体在降液管中停留时间,即：故降液管设计合理。考虑到物料的性质，且液相流量不大，取底隙6.1.1.4降液管底隙高度 0.0398m又0.0398<(0.3-0.4)，故降液管底隙高度设计合理，选用凹形受液盘，深度。6.1.2塔板设计6.1.2.1塔板分块因为，故塔板采用分块式。查表得，塔板分为3块。6.1.2.2边缘区宽度确定取，6.1.2.3开孔区面积的计算开孔区面积计算： 所以,

12、6.1.2.4筛孔计算及其排列本物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距：开孔率为：筛孔总截面积气体通过筛孔的气速：筛孔数目：6.2提馏段塔板工艺尺寸设计6.2.1溢流装置计算6.2.1.1溢流堰高度取堰高由，选用平直堰，堰上液层高度：（近似取E=1）6.2.1.3弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管参数图得：；故 验算液体在降液管中停留时间,即：故降液管设计合理。考虑到物料的性质，且液相流量不大，取底隙6.2.2塔板设计与精馏段塔板设计相同，但气体通过筛孔的流速不同：气体通过筛孔的气速：6.3塔板的流体力学性能的验算6.3.1精馏段6.3.1.1塔板压降（1）干

13、板阻力计算由，查图得，所以的液柱。（2）气体通过液层的阻力通过查图得。所以：液柱。（3）液体表面张力阻力计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度：气体通过每层的压力降为：（设计允许）6.3.1.2液面落差（忽略液面落差的影响）6.3.1.3液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。6.3.1.4漏液稳定系数：故本设计中无明显漏液。6.3.1.5液泛为防止发生液泛，降液管内也层高度应满足：取得到：液柱液柱故本设计中不发生液泛。6.3.2提馏段提馏段计算方法与精馏段相同，验算结果如下：6.3.2.1塔板压降液柱液柱液柱气体通过每层塔板的液柱高度：气体通过每层的压力降为：（设计允许）6.3.2.2液面落

14、差（忽略液面落差的影响）6.3.2.3液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。6.3.2.4漏液稳定系数：本设计中无明显漏液。6.3.2.5液泛为防止发生液泛，降液管内也层高度应满足：取得到：液柱液柱 故本设计中不发生液泛。7.1塔板负荷性能图精馏段塔板负荷性能图7.1.1.1过量液沫夹带线列表计算如下7.1.1.2液相下限线7.1.1.3液相上限线7.1.1.4严重漏液线7.1.1.5液泛线 根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下：由图可以看出，该筛板的操作上线为液泛控制，下线为液沫夹带线控制。由图查得Vs，max= 4500m3/h Vs，min= 2055m3/h故操弹性为V

15、s，max/Vs，min=2.18 7.2.1提馏段塔板负荷性能图7.2.1.1过量液沫夹带线.7.2.1.2液相下限线7.1.1.3液相上限线7.2.1.4严重漏液线7.2.1.5液泛线 根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下：由图可以看出，该筛板的操作上线为液泛控制，下线为液沫夹带线控制。由图查得Vs，max= 3465m3/h Vs，min= 3468m3/h故操弹性为Vs，max/Vs，min=1.9精馏塔的主要附属设备8.1.1塔顶全凝器设计计算（1）冷凝器的选择：强制循环式冷凝器 冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器和泵之间需设回流罐，这样可以减少台架

16、，且便于维修、安装，造价不高。 （2）冷凝器的传热面积和冷却水的消耗量 塔顶全凝器的热负荷：塔顶温度：tD=56.55O C 进料板温度：tF=64.12O C 塔釜温度 ：tW=99.94O C 塔顶：用内插法求温度tLD=56.757O C tVD=56.837O C 冷凝器的热负荷： IVD塔顶上升气体的焓ILD塔顶镏出液的焓丙酮的蒸发潜热 水的蒸发潜热 蒸发潜热与温度的关系：Tr对比温度O C 在 tVD=56.837O C 丙酮：Tr,1=0.65 Tr,2=0.649=522.4KJ/Kg同理可得：在tLD=56.757O C 水：Tr,1=0.51 Tr，2=0.576 =238

17、4.6KJ/Kg因为 R=3.1 D=50.88Koml/h MD=147.96Kg/KomlD1= D *MD =2889.88Kg/hQC=选用35O C的冷却水，升温10O C.在于是冷凝水用量： qm2 CPC在温度为平均温度40O C下查取为4.174KJ/（Kg*O C)WC=取冷凝器传热系数：K= A= =16.29O C因为QC=管程数 8.1.2.料液泵设计计算由于是泵加料，取 ，F=5574.4kg/h 进料管管径 设料液至加料孔的高度 z=4.78 ， 取90 弯头 le=35*0.048=1.68料液 ， Re= 在料液面与进料孔面之间列伯努利方程则流量为11.3M3/

18、h、He=6.39m，查泵性能图，可得选型如下：泵规格IS65-50-160流量 12.5M3/h 扬程 8m 转速 1450r/min 汽蚀余量 2m 效率 60%轴功率 0.45kW 配带功率 0.75kW8.2.管径的计算管路的流量：F=5574.4在进口温度与出口温度范围内，料液的密度变化不大，在64.12时 ，进料密度为： =951.37kg/m3取管流速u=2m/s圆整后，外径50mm, 8.2.1塔顶蒸汽管的管径蒸汽用量：Vs=0.87m3/s 取气速u=20m/s，查表取，管内实际气体流速。8.2.1.1塔釜进气管采用直管进气，取气速，则，查表取，管内实际气体流速。8.2.2液

19、流管8.2.2.1回流管回流管的摩尔流量为：取流速圆整后，外径D=56mm =3mm8.2.2.2塔釜出料管排液量 W=521.9kmol/h*20.77kg/kmol=10839.863kg/h取=0.4 m/s液相密度951.3703 8.3材料的选择8.3.1筒体和封头材料的选择在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在以强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，选用16MnR系列的碳素钢。由于容器设计压力为0.14MPa，使用温度为100，故筒体和封头都选择Q235-B，它适用于：P1.6MPa、0350、壳体n20，非高度危害介质，许用应力是113MPa，屈服极

20、限为235MPa。选择椭圆形封头本设计采用椭圆形封头。8.3.2裙座材料的选择裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故选用16MnR。8.3.3 接管的材料选用Q235-B作为补强圈的材料，部分接管用20，法兰选用20。8.4厚度计算8.4.1厚度计算过程步骤安装在室外的大型塔设备常压装置初馏塔，除受操作压力作用外，还受设备自身质量引起的重力，地震、风载荷等的作用，而引起的轴向应力。从而可能使轴向组合应力，大于设计压力而引起的环向应力，而使设备因轴向应力过大而破坏。因此我国JBT47102005钢制塔式容器规定对高度大于10

21、m，且高度与直径之比大于5的裙座自支承塔式容器，按设计压力计算确定塔壳的圆筒和封头的有效厚度后，再根据地震、风载荷的需要，并考虑制造、运输、安装的要求，设定一个不得小于按压力计算的圆筒有效厚度e，且e应不小于3mm。然后进行载荷计算，圆筒应力校核和裙座计算，校核设定的e、e是否合适，以确保塔式设备的环向、轴向强度和稳定性。厚度计算主要有筒体、封头、裙座壳的壁厚设计。（1）圆筒和封头壁厚设计设计压力P=0.14MPa，设计温度t=120。筒体封头和裙座材料均选Q235-B，假设壳体厚度在范围内。t=108MPa（T=150），s=235MPa。a.对于筒体：考虑采用单面对接焊，局部无损探伤，焊接

22、接头系数取，计算压力，因为静压力可以忽略，则。筒体计算厚度:因为很小，所以取=3mm。由于直径较大，所以。b.对于封头：选用标准椭圆形封头，封头计算厚度：同样可取封头名义厚度为6mm，其中C1=0，C2=1mm。选用EHA 1000×4Q235-B JB/T47462002封头参数如下：封头参数1000250251.1630.151654（2）裙座壳厚度取裙座壳有效厚度0.65mm，其名义厚度为10mm。8.5载荷计算塔壳和封头质量：人孔、法兰、接管等附属件质量：内构件质量：操作时塔内物料质量：充液质量：塔器的操作质量： 塔器的最大质量：8.6附件设计1、人孔人孔的设置应便于人员进入

23、任何一层塔板。由于设置人孔处的塔板间距要增大，且人孔设置过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求。所以，每8个塔板之间设有一个人孔。开设人孔处的两层塔板中心距离为600mm，人孔参数人孔参数人孔类型密封面形式公称压力/MPa公称直径/mmDD1bb1b2d0螺柱数量Th板式平焊法兰人孔RF0.64505955503022242016M20×1152、管法兰（1） 根据法兰标准HG20594-97法兰的选用，选择板式平焊钢制法兰，采用凹面连接型式。如图: 管法兰尺寸表管口塔顶气体出口安全阀门液面计口进料口釜液出口回流口温度和压力口公称直径DN3502020405010010管外径3772

24、525455710814法兰外径D490909013014021075螺栓孔中心圆直径K445656510011017050螺栓孔直径L22111114141811螺栓孔数量n12444444螺纹ThM20×100M10×60M10×60M12×70M12×70M16×90M10×60法兰厚度C26141416161812法兰重量6.320.660.661.320.813.120.38平面安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于公称压力小于等于2.5MPa的容器法兰和管法兰。接管的加固：对于DN小于等于25mm

25、，伸出长度大于等于150mm以及DN=3250mm，伸出长度大于等于200mm的接管，应采用变径管加固或设置筋板予以支撑。接管伸长量： 接管伸长量接管公称直径最小伸出长度105015070200200（2） 垫片选择垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能，选石棉橡胶板垫片（HG/T20606-2009)。 垫片的尺寸公称直径垫片内径垫片外径螺栓孔数量螺栓孔直径螺栓孔中心圆直径垫片厚度4504805951622550335037749012224451.51001152104181701.550611404141101.540491304141001.520279041

26、1651.5101875411501.5（3） 紧固件的选择根据标准HG20613-97，密封面型式是平面。在公称压力小于等于4.0MPa非剧烈循环场合用双头螺柱GB901-B级材料0Cr18Ni9性能等级8.8，螺母材料20，性能等级8，粗牙。3、 容器法兰垫片压力容器法兰有三种形式：甲型平焊法兰，乙型平焊法兰，长颈对焊法兰。根据与法兰配用的容器直径，和公称压力，选用甲型平焊法兰，材料为Q235-B，公称压力为0.25MPa。所选用的容器法兰标准如下： 容器法兰尺寸公称直径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th法兰厚度C法兰重量1000113010902332M2040

27、65.1根据流体介质、塔体公称直径和公称压力，容器垫片材料选用石棉橡胶板，使用温度T<200。所选用的容器垫片标准如表 垫片的尺寸公称直径垫片内径垫片外径螺栓孔数量螺栓孔直径螺栓孔中心圆直径垫片厚度100016361915404818204.54、保温层保温层选择微孔硅酸钠，厚度是10mm，保温材料密度300kg/m3。保温层延伸到裙座与塔体的连接焊缝以下400mm止，裙座其余部分不需保温层。5、裙座裙座高1200mm，厚度为10mm。由于于裙座不直接与塔内介质接触，也不承受塔内介质的压力，因此不受压力容器用材的限制。可选用较经济的普通碳素结构钢。故也选用Q235-B。焊接采用对接接头形式，裙座筒体外径与封头外径相等，焊缝必须采用全焊透的连续焊。同时由