丙烯丙烷板式精馏塔设计1.docx
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丙烯丙烷板式精馏塔设计1
过程工艺与设备课程设计
丙烯——丙烷精馏塔设计
课程名称：
化工原理课程设计
班级：
姓名：
学号：
指导老师：
完成时间：
前言
本设计说明书包括概述、流程简介、精馏塔、再沸器、辅助设备、管路设计和控制方案共7章。
说明中对精馏塔的设计计算做了详细的阐述，对于再沸器、辅助设备和管路的设计也做了正确的说明。
鉴于设计者经验有限，本设计中还存在许多错误，希望各位老师给予指正
感谢老师的指导和参阅！
第一节：
标题丙烯—丙烷板式精馏塔设计
第二节：
丙烯—丙烷板式精馏塔设计任务书
第三节：
精馏方案简介
第四节：
精馏工艺流程草图及说明
第五节：
精馏工艺计算及主体设备设计
第六节：
辅助设备的计算及选型
第七节：
设计结果一览表
第八节：
对本设计的评述
第九节：
工艺流程简图
第十节：
参考文献
第一章任务书
设计条件
1、工艺条件：
饱和液体进料
进料丙烯含量
（摩尔百分数）。
塔顶丙烯含量
釜液丙烯含量
总板效率为0.6
2、操作条件：
塔顶操作压力1.62MPa（表压）
加热剂及加热方法：
加热剂——热水
加热方法——间壁换热
冷却剂：
循环冷却水
回流比系数：
R/Rmin=1.2
3、塔板形式：
浮阀
4、处理量：
F=50kml/h
5、安装地点：
烟台
6、塔板设计位置：
塔顶
安装地点：
烟台。
处理量：
64kmol/h
产品质量：
进料65%
塔顶产品98%
塔底产品<2%
1、工艺条件：
丙烯—丙烷
饱和液体进料
进料丙烯含量65%（摩尔百分数）
塔顶丙烯含量98%
釜液丙烯含量<2%
总板效率为0.6
2、操作条件：
塔顶操作压力1.62MPa（表压）
加热剂及加热方法：
加热剂——热水
加热方法——间壁换热
冷却剂：
循环冷却水
回流比系数：
1.21.41.6
3、塔板形式：
浮阀
4、处理量：
F=64kml/h
5、安装地点：
烟台
6、塔板设计位置：
塔顶
第二章精馏过程工艺及设备概述
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（有时加质量剂），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挥发度不同，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，该过程是同时传热，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。
1、精馏装置流程
原料（丙烯和丙烷的混合液体）经进料管由精馏塔中的某一位置（进料板处）流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。
气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。
将塔顶蒸汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。
另一部分凝液作为回流返回塔顶。
回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸汽多次逆向接触和分离。
当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。
2,、工艺流程
（1）物料的储存和运输
精馏过程必须在适当的位置设置一定数量不同容积的原料储罐，泵和各种换热器，以暂时储存，运输和预热（或冷却）所用原料，从而保证装置能连续稳定的运行。
（2）必要的检测手段
为了方便解决操作中的问题，需在流程中的适当位置设置必要的仪表，以及时获取压力，温度等各项参数。
另外，常在特定地方设置人孔和手孔，以便定期的检测维修。
（3）调节装置
由于实际生产中各状态参数都不是定值，应在适当的位置放置一定数量的阀门进行调节，以保证达到生产要求，可设双调节，即自动和手动两种调节方式并存，且随时进行切换。
3、设备简介及选用
精馏塔选用浮筏塔，配以立式热虹吸式再沸器。
（1）精馏塔
精馏塔是一种圆形筒体，塔内装有多层塔板或填料，塔中部适宜位置没有进料板。
本设计为浮筏塔，它已广泛的应用于精馏，吸收，解吸等过程。
其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮筏，可以根据气体或液体的大小上下浮动，自动调节。
（2）再沸器
再沸器的作用是将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内汽液两相间接触传质得以进行。
本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。
液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。
第三章精馏塔工艺设计
第一节设计条件
1、工艺条件：
饱和液体进料，进料丙烯含量
（摩尔百分数）。
塔顶丙烯含量
，釜液丙烯含量
，总板效率为0.6。
2、操作条件：
（1）塔顶操作压力1.62MPa（表压）
加热剂及加热方法：
加热剂——热水
加热方法——间壁换热
冷却剂：
循环冷却水
回流比系数：
R/Rmin=1.2
3、塔板形式：
浮阀
4、处理量：
F=50kml/h
5、安装地点：
烟台
6、塔板设计位置：
塔顶
第二节精馏过程工艺计算
1、全塔物料衡算
qnDh+qnWh=qnFh
qnDhxd+qnWhxw=qnFhxf
解得：
qnDh=32.81kmol/h;qnWh=17.19kmol/h
2、塔顶、塔底温度确定
①、塔顶压力Pt=1620+101.325=1721.325KPa；
假设塔顶温度Tto=316K经泡点迭代计算得塔顶温度Tt=316.145K
查P-T-K图得KA、KB因为YA=0.98
结果小于10-3。
所以假设正确，得出塔顶温度为316.145。
用同样的计算，可以求出其他塔板温度。
α1=KA/KB=1.15
②、塔底温度
设NT=120（含塔釜）则NP=（NT-1）/0.6=198
按每块阻力降100液柱计算pL=470kg/m3
则P底=P顶+120×100×9.8÷1000=1838.925KPa
假设塔顶温度Tto=324K经泡点迭代计算得塔顶温度T=324.37K
查P-T-K图得KA、KB因为XA=0.02
结果小于10-3。
所以假设正确，得出塔顶温度为324.37。
用同样的计算，可以求出其他塔板温度。
α2=KA/KB=1.116
所以相对挥发度α=（α1+α2）/2=1.133
3、回流比计算
泡点进料：
q=1
q线：
x=xf=65%
代入数据，解得xe=0.65;ye=0.677;
R=1.2Rmin=13.47
=62.33
（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
1.生产流程方案的确定：
原料主要有三个组分：
C2°、C3＝、C3°，生产方案有两种：
（见下图A，B）如任务书规定：
C2°C3＝C3°iC4°iC4＝∑
W%5.0073.2020.800.520.48100
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。
2.工艺流程分离法的选择：
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C2，C3在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C3馏分加压到20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DCS控制操作系统，这样可以使操作
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；
（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kmol/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
FXf=DXD+WXw
则代入数据为64=D+W
64*65%=D*98%+W*2%
解得D=42.09375kmol/h，W=21.90625kmol/h
塔内气、液相流量
精馏段：
L=RD,V=L+D
提留段：
L’=L+F,V’=V
3.热量衡算
再沸器热流量：
qr=V’rv
再沸器加热蒸汽质量流量：
Gr=Qr/rR
冷凝器热流量：
Qc=Vrv
冷凝器冷却剂的质量流量：
Gc=Qc/Cv（t1-t2）
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=1620kpa,则塔顶绝压Ptop=1.62+0.101325=1.721325kpa
LnPA’=15.7027-1807.53/316.1-26.15
PA’=12948.48mmHg=1726.373kpa
同理得PB’=10830.29mmHg=1443.921kpa
YA=P-PB’/（PA’-PB’）=0.982
KA=PA’/P=1.002933
XA=yA/KA=0.982/1.002933=0.977
同理得yB=0.02,KB=0.838842,XB=yB/KB=0.024
∑X=yA/KA+yB/KB=1.000977
∑y-1=1.000977-1=0.000977<0.001,符合要求
故塔顶温度Ttop=316.1K
塔顶挥发度阿aAB=KA/KB=1.002933/0.838842=1.1956
1.塔底挥发度a’AB
由xn=yn/[a-（a-1）yn]得，xn=0.97618
查资料得表如下：
液相组分质量分数为WA=0.97507，WB=0.02493
塔顶液相密度为471.2535kg/m3
气相密度为28.03kg/m3
设理论塔板数位NT=150，设每块塔板上的压降为100mm液柱。
经计算得latm=21.94mm液柱
塔底压力P=Ptop+NT*100mm=1790.599kpa
设塔底温度为326.0K
由lnPA’=A-B/（T+C）得,lnPA’=15.7027-1807.53/（326.0-26.15）
PA’=15908,14mmHg=2120.91kpa
同理得PB’=13385.06mmHg=1784.527kpa
所以XA=P-PB’/PA’-PB’=0.996609,yB=0.976677
所以，塔底温度为326.0K
aAB=KA/KB=1.18447/0.996609=1.1885
2.计算回流比R
由相平衡方程ye=axe/[1+（a-1）xe]和q线方程q=1,
计算得xe=0.65时，ye=0.6888
Rmin=XD-ye/ye-xe=7.496
则R=1.2，Rmin=8.99
3.计算精馏段操作方程
精馏段操作线方程yn+1=R/R+1*xn+XD/R+1
代入数据得该精馏操作方程为yn+1=0.9000xn+0.0981
4.计算塔板数
经过模拟计算得
所需理论板数为NT=95
理论进料板位置Nf=44
已知总办效率为ET=0.6
进料板位置Nf/0.6=73
所以实际塔板数为Np=（NT-1）/ET=（95-1）/0.6=155
实际塔板数和初设塔板数150比较接近，故所设值比较合理。
5.塔径计算
两相流动参数=Ls/Vs*√（p1/pv）=0.2195
设间距Ht=0.45m,查图知C20=0.062
气体负荷因子C=C20（ó/20）{0.2方}=0.0465
液泛气速Uf=C√（pL-pv/pv）=0.1850/s
u/Uf=0.64,则u=0.1184m/s
则流道截面积A=Vs/u=1.3849m2
孔隙率Ad/At=0.10,A/At=1-Ad/At=0.90
则At=1.4096/0.90=1.5632
塔径D=√（4At/
）=1.4m
查表知D=1.4，Ht=0.45,与设的吻合，则合理。
6.塔高计算
实际板数为155，塔有效高度Z=0.45*155=69.75m
釜液流出量W=21.90625kom/h=1072.08kg/h=0.2978kg/s
则釜液高度
△Z=4W/（
*D*D）=0.28m
143块塔板，共设8个人孔，每个人孔处板间距增大200mm
进料板板间距增大100mm裙坐取3m
塔顶与釜液上方气液分离高度取1.5m
塔顶与釜液上方气液分离空间高度均取1.5m
总塔高Z=69.75+0.28+0.1+8*0.2+1.5*2=74.73m
7.溢流装置设计计算
弓形降液管所占面积Ad=At-A=0.15386
Lw/D=0.73,
降液管宽度Bd=D（1-√[1-（Lw/d）*（Lw/d）]）/2=0.2216m
取底隙h=0.45m
确定堰长Lw=D*0.73=1.4*0.73=1.022m
堰上液头高How=2.84*0.001E（Lh/Lw）2/3=0.028m>6mm
满足E取1的条件
取Hw=0.05m,清夜层高度Hl由选取的堰高Hw确定
Hl=Hw+How=0.05+0.028=0.078m
液流强度Lh/lw=31.5946/1.022=30.91<100
降液管底隙液体流速u=Ls/lwhb=0.191m/s<0.5m/s,符合要求
8.塔板流动性能的校核
所得泛点率低于0.8，故不会产生过量的液沫夹带
计算干板阻力
由以上3个阻力之和求塔板阻力=0.109m
12.塔板负荷性能图
1.过量液沫夹带线
2.液相下限线
How=2.84*0.001E（Lh/lw）2/3=0.006
取E=1,lw=1.022,Lh=3.07lw=3.14/h
此为液相下限线
3.严重漏液线
3.液相上限线
4、精馏塔主体设备设计计算
4.1、再沸器
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6-2（a）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300mm高的分离空间，对于大设备，取再沸器壳径为管束直径的1.3～1.6倍。
（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6-2（c）、（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6-2中（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。
图6-2再沸器的型式
4.2、管路尺寸的确定、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：
（6-7）式中：
VS——流体体积流量，m3/s；
u——流体流速，m/s；
d——管子直径，m。
（1）塔顶蒸气出口管径DV
蒸气出口管中的允许气速UV应不产生过大的压降，其值可参照表6-1。
表6-1蒸气出口管中允许气速参照表
操作压力（绝压）
常压
1400～6000Pa
＞6000Pa
蒸汽速度/m/s
12～20
30～50
50～70
（2）回流液管径DR
冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.2～0.5m/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1.5～2.5m/s。
（3）进料管径dF
料液由高位槽进塔时，料液流速取0.4～0.8m/s。
由泵输送时，流速取为1.5～2.5m/s。
（4）釜液排除管径dW
釜液流出的速度一般取0.5～1.0m/s。
（5）饱和水蒸气管
饱和水蒸气压力在295kPa（表压）以下时，蒸气在管中流速取为20～40m/s；表压在785kPa以下时，流速取为40～60m/s；表压在2950kPa以上时，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5～10mm，孔距为孔径的5～10倍。
小孔总面积为鼓泡管横截面积的1.2～1.5倍，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0.6m以上，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Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。
显然，选出的泵所提供的流量和压头不见得与管路要求的流量Qe和压头He完全相符，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（Qe、He）坐标位置应靠在泵的高效率范围所对应的H-Q曲线下方。
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
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
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6-1冷凝器的型式
（2）自流式
如图6-1（c）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6-1（D）、（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。
.1流体流动阻力（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ΣΔpi等于各程直管阻力、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
（6-1）
式中ΔP1、ΔP2——分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa；
Ft——结垢校正因数，对Φ25mm×2.5m
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