化工原理课程设计-分离醋酸——水混合物常压精馏(筛板)塔的工艺设计

课程编号化工原理课程设计

板式精馏塔设计

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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)

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——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——水的相对挥发度为α=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—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，塔板设计管径等）；

6)设计结果概要（主要设备尺寸，衡算结果等）；

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——水溶液y—x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；

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

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。

2.2.2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20～25mm）、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3～8mm，按正三角形排列，孔间距与孔径的比为2.5～5。近年来有用大孔径（10～25mm）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 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，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

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