聚乙烯醇精馏一塔设计
摘 要
目前，聚乙烯醇行业正处于产能急剧扩张，技术更新换代的时期，由此，对于聚乙烯醇生产相关设备的研究及设计显得尤为重要。本次设计，充分调查了国内外聚乙烯醇市场状况和行业发展方向，学习聚乙烯醇制造工艺，对所研究的聚乙烯醇行业有了较深认识。
通过查阅相关的资料，系统的学习了聚乙烯醇的工艺流程，其包括：乙炔发生、醋酸乙烯酯制备、精制、聚合，聚醋酸乙烯酯的醇解。乙炔法制造的醋酸乙烯酯含有较多杂质，不利于醋酸乙烯酯的聚合，必须通过精馏工序将其提纯精制。本次设计针对醋酸乙烯酯精制，根据实际生产需求，设计醋酸乙烯酯精馏工段二塔及三塔，计算精馏塔设备相关参数并对附属设备计算选型，绘制工艺流程图、设备结构图。
关键词：聚乙烯醇、醋酸乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、精馏工序，精馏塔
I
Abstract
At present, the polyvinyl alcohol profession is being in produces can expand suddenly, the technology renewal time, from this, appears regarding the polyvinyl alcohol production correlation equipment research and the design especially importantly.This design, investigated the domestic and foreign polyvinyl alcohol market condition and the profession development direction fully, the study polyvinyl alcohol manufacture craft, to the polyvinyl alcohol profession which studies has had known deeply.
Through the consult related material, the system study polyvinyl alcohol technical process, it has included: The acetylene has, the vinyl acetate preparation, the purification, the polymerization, the polyvinyl acetate alcoholysis.The acetylene law manufacture vinyl acetate includes many impurities, does not favor the vinyl acetate the polymerization, must through the selective evaporation working procedure its depuration purification.This design in view of vinyl acetate purification, according to actual production demand, design vinyl acetate selective evaporation construction section two towers and three towers, computation rectifying tower equipment correlation parameter and to appurtenance computation shaping, plan flow chart, equipment structure drawing.
Key words: Polyvinyl alcohol;Polyvinyl acetate; Polyvinyl acetate ester;Distillation process;Distillation columns
II
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
目录
摘 要 .................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................. II 第一章 聚乙烯醇的综述 ................................................................................. 1
1.1引言 ...................................................................................................... 1 1.2 聚乙烯醇的国内外现状 ..................................................................... 1
1.2.1 世界聚乙烯醇的研究现状及消费结构 ..................................................... 1 1.2.2我国聚乙烯醇研究现状及消费结构 .......................................................... 2
1.3 聚乙烯醇的简介 ................................................................................. 4
1.3.1 聚乙烯醇(PVA)的定义 ............................................................................... 4 1.3.2 聚乙烯醇的性质 ......................................................................................... 4 1.3.3 聚乙烯醇树脂的命名 ................................................................................. 5
1.4 聚乙烯醇生产原理及工艺流程 ......................................................... 5
1.4.1乙炔法生产原理 .......................................................................................... 5 1.4.2 聚乙烯醇的工艺流程说明 ......................................................................... 7
1.5 聚乙烯醇的应用 ................................................................................. 9 1.6 小结 ................................................................................................... 10 第二章 设计方案的确定 ............................................................................... 11
2.1 塔设计原则 ....................................................................................... 12 2.2 装置流程的确定 ............................................................................... 13 2.3 板型选择 ........................................................................................... 13 2.4 操作压力的选择 ............................................................................... 13 2.5 附属设备的选择 ............................................................................... 14 2.6 回流比的选择与塔板数 ................................................................... 14
i
2.7 工艺流程图 ....................................................................................... 14 第三章 醋酸乙烯酯精馏二塔(T-202)的工艺设计..................................... 14
3.1 精馏工序的物料衡算及操作条件的确定 ....................................... 14 3.2 气液负荷计算 ................................................................................... 18 3.3 精馏塔理论塔板数的计算 .............................................................. 22 3.4 精馏塔的工艺设计 ........................................................................... 24
3.4.1塔径的初步设计 ........................................................................................ 24 3.4.2 溢流堰及降液管的设计 ........................................................................... 26 3.4.3 弓形降液管的宽度和横截面 ................................................................... 27 3.4.4 降液管底隙高度 ....................................................................................... 27 3.4.5 筛孔的设计 ............................................................................................... 28 3.4.6 筛板塔的流体力学的计算 ....................................................................... 29 3.4.7 塔板负荷性能图 ....................................................................................... 32
3.5 塔附件的工艺设计及选型 ............................................................... 37
3.5.1工艺接管 .................................................................................................... 37 3.5.2法兰 ............................................................................................................ 39 3.5.3筒体和封头 ................................................................................................ 39 3.5.4除沫器 ........................................................................................................ 39 3.5.5吊柱 ............................................................................................................ 40 3.5.6裙座 ............................................................................................................ 40 3.5.7人孔 ............................................................................................................ 41
3.6塔总体高度设计计算 ........................................................................ 41 3.7 附属设备的初步计算 ....................................................................... 42
3.7.1冷凝器(NQ-202)的选型 ............................................................................ 42 3.7.2再沸器(ZF-202)的设计 ............................................................................. 43
3.8本章符号说明表 ................................................................................ 44
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第四章 醋酸乙烯酯精馏三塔(T-203)的工艺设计 ...................................... 47
4.1 三塔精馏工序的物料衡算 ............................................................... 47 4.2 气液负荷计算 ................................................................................... 48 4.3 理论塔板数的计算 ........................................................................... 52 4.4 精馏塔的工艺设计 ........................................................................... 53
4.4.1 塔径的初步设计 ....................................................................................... 53 4.4.2溢流堰及降液管的设计 ............................................................................ 55 4.4.3弓形降液管的宽度和横截面 .................................................................... 56 4.4.4降液管底隙高度 ........................................................................................ 56 4.4.5 塔板布置及浮阀数目与排列 ................................................................... 56 4.4.6 漏液点气速 ............................................................................................... 58 4.4.7塔板流体力学计算 .................................................................................... 58 4.4.8 塔板的负荷性能图 ................................................................................... 61
4.5 塔附件的工艺设计及选型 ............................................................... 66
4.5.1工艺接管 .................................................................................................... 66 4.5.2法兰 ............................................................................................................ 68 4.5.3 筒体和封头 ............................................................................................... 68 4.5.4 除沫器 ....................................................................................................... 69 4.5.5吊柱 ............................................................................................................ 69 4.5.6裙座 ............................................................................................................ 69 4.5.7人孔 ............................................................................................................ 70
4.6塔总体高度设计计算 ........................................................................ 70 4.7附属设备的初步计算 ........................................................................ 71
4.7.1 冷凝器(NQ-203)的选型 ........................................................................... 71 4.7.2再沸器(ZF-203)的设计 ............................................................................. 72
4.8 本章符号说明表 ............................................................................... 73
iii
第五章 设计总结 ........................................................................................... 76 附录 ................................................................................................................. 77 参考文献 ......................................................................................................... 78 致 谢 ............................................................................................................... 80
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年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
第一章 聚乙烯醇的综述
1.1引言
聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcoho，简称 PVA）外观为白色粉末，是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡胶之间【1】，它的用途可分为纤维和非纤维两大用途[2-3]。
由于PVA具有独特的强力粘结性、皮膜柔韧性、平滑性、耐油性、耐溶剂型、保护胶体性、气相阻绝性、耐磨性以及经特殊处理的具有的耐水性，因此除了作纤维原料外，还被大量用于生产涂料、粘合剂、纸品加工剂、乳化剂、分散剂、薄膜等产品，应用范围遍及纺织、食品、医药、建筑、木料加工、造纸、印刷、农业、钢铁、高分子化工等行业。PVA 还可作 PVA 橡胶、感光材料、临时保护膜、高频淬火剂、阴极射线管、石油钻井凝固剂、光学抛光剂、防潮剂、防雾剂、水泥灰浆和土壤的改良剂，及室内空气净化除臭剂，甚至还可用于液晶显示等，具有十分广阔的应用前景
【4】
。
1.2 聚乙烯醇的国内外现状
1.2.1 世界聚乙烯醇的研究现状及消费结构[5]
2008年世界聚乙烯醇产能已经接近150万吨/年，中国产能为66.6万吨/年，占
世界总产能的45%，是世界上聚乙烯醇产能最大的国家，预计到2012年，世界总产能将超过180万吨/年，而消费量在125万吨，产能过剩将不可避免。中国聚乙烯醇也将面临过剩，到2012年，产能将超过85万吨/年，消费量在65万吨，拓展产业链，提高高端产品比例成为企业发展重要抓手。 1. 生产现状
1
图表1.1 2010年世界聚乙烯醇产能分布情况
2. 世界主要地区聚乙烯醇消费结构
图表1.2 世界主要地区聚乙烯醇消费结构
PVA还用做薄膜及医疗上的应用。
1.2.2我国聚乙烯醇研究现状及消费结构
1.聚乙烯醇行业市场发展趋势
2
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图表1.3 2009-2013年我国聚乙烯醇行业市场规模增长趋势
2.聚乙烯醇产能情况
图表1.4 2006-2011年1-11月我国聚乙烯醇产业产能
3.中国聚乙烯醇的消费结构
3
图表1.5 中国聚乙烯醇的消费结构
其他的组分有聚乙烯醇薄膜及医药、化妆品行业的功能材料等。
1.3 聚乙烯醇的简介
1.3.1 聚乙烯醇(PVA)的定义
聚乙烯醇树脂是以乙烯法生产的醋酸乙烯为原料，经溶液聚合、无水低碱醇解得。工艺具有物耗低、能耗低、污染小的特点，是一种环保型产品，聚乙烯醇主要有完全醇解型和部分醇解型两大类。
中文名称：聚乙烯醇
英文名称2：polyvinyl alcohol, 简称PVA CAS No.:9002-89-5 分子式：[C2H4O]n 1.3.2 聚乙烯醇的性质[6]
聚乙烯醇的化学性质在于它的仲醇基的存在，它在一定程度上类似纤维素，它能进行多元醇典形的化学反应，能够酯化和醚化，能与碱金属、醛反应。也能与二硫化碳和氢氧化钠反应生成黄原酸盐。具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质。
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年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
其水溶液有很好的粘接性和成膜性；能耐油类、润滑剂和烃类等大多数有机溶剂；溶于水，为了完全溶解一般需加热到65～75℃。不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等,微溶于二甲基亚砜。120～l50℃可溶于甘油.但冷至室温时成为胶冻。 1.3.3 聚乙烯醇树脂的命名
聚乙烯醇树脂根据其平均聚合度、 醇解度、 主要用途和醇解工艺进行分类命名。
□ — □ □ （□）
如：某种聚乙烯醇树脂(PVAL)，平均聚合度为1700(17),醇解度为99.8%(mol/mol)(99),纤维用（F）,高碱醇解制备的（H）,其名称为：PVAL 17-99F(H)。 没有PVAL这个名称，L代表低碱醇解制备工艺 此处应为 PVA17-99F（H）
平均聚合度，两位阿拉伯数字 醇解度，两位阿拉伯数字
主要用途，英文字母 醇解工艺，英文字母
1.4 聚乙烯醇生产原理及工艺流程
聚乙烯醇是由醋酸乙烯(VAc)经聚合醇解而制成，通常有两种原料路线，一种是以乙烯为原料，制醋酸乙烯，再制得聚乙烯醇；另外一种是以乙炔(分为电石乙炔和天然气乙炔)为原料制备醋酸乙烯，再制得聚乙烯醇。目前，国外主要采用乙烯原料生产聚乙烯醇，而我国则大部分采用乙炔法生产聚乙烯醇,其中有些公司已经致力于生物质酒精路线（采用木薯）研究，但目前处于摸索中。当前，聚乙烯醇生产技术的进展主要表现在聚合工艺、醇解技术、改性技术以及新产品开发等几个方面。 1.4.1乙炔法生产原理[7]
1) 电石制乙炔
CaC2?2H2O?C2H2?Ca(OH)2 (1-1) 2) 醋酸乙烯(VAc)的合成
5
? C2H2?CH3COOH?Zn???CH2COOCHCH2 (1-2)
3) 醋酸乙烯(VAc)的聚合[8]
以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，甲醇为溶剂，VAc 经聚合生成聚醋酸乙烯(PVAc)
主反应：nH2CCHAIBN65℃CH2CHnOCCH3OOCCH3O (1-3)
副反应：VAc?CH3OH?CH3COOCH3?CH3CHO (1-4) VAc?H2O?CH3COOH?CH3CHO (1-5) 4) 聚醋酸乙烯的醇解[9] 醇解过程主要发生以下3 个反应 a) 酯交换反应(碱起到催化剂作用)
CH2CHOnOCCH3+nCH3OHNaOHCH2CHOHn+nCH3COOCH3 (1-6)
b) 皂化反应(PVAc 皂化)
CH2CHOnOCCH3+nNaOHCH2CHOHn+nCH3COONa (1-7)
c) 副反应(醋酸甲酯皂化)
CH3COOCH3?NaOH?CH3OH?CH3COONa (1-8)
上述三个反应中,反应 a 是主要反应,绝大多数的 PVAc 通过反应生成 PVA。反应b和反应c是副反应,其中反应b属于水解反应,只在体系有水的情况下发生,而且随着体系含水量的增加而加快。反应c因反应生成的醋酸甲酯和碱液浓度较低,反应速度较慢,但随体系含水率升高,反应加快。
5) 醋酸、甲醇回收
阴脂?CHCOOH?CHOH (1-9) ?离子??树?? CH3COOH?33 2CH3COONa?H2SO4?CH3COOH?Na2SO4 (1-10) 以电石为原料．在乙炔发生器中与水反应生成乙炔；乙炔再与醋酸合成反应，生成的
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反应液经过精馏得到醋酸(VAc)，VAc在引发剂的作用下聚合生成聚醋酸乙烯(PVAc)；PVAc再醇解得到最终产品PVA。这是乙炔法生产聚乙烯醇的原理。 1.4.2 聚乙烯醇的工艺流程说明[10-11]
聚乙烯醇的生产工艺包括：乙炔发生、醋酸乙烯制备、醋酸乙烯精制、醋酸乙烯聚合、 聚醋酸乙烯醇解和醇解废液回收。
水电石乙炔醋酸催化剂粗醋酸乙烯酯精馏醋酸乙烯酯聚醋酸乙烯酯AIBN甲醇 NaOH甲醇溶液醇解聚乙烯醇
图1-1 聚乙烯醇的工艺流程图
1.醋酸乙烯酯的精制工艺流程
实际制备的是粗醋酸乙烯酯(VAc)，聚醋酸乙烯酯(PVAc)的合成对VAc的纯度要求很高，所以醋酸乙烯酯需要精制，以下是介绍醋酸乙烯酯的精馏过程。
精馏一塔的进料液是气体分离塔的第一循环液，该塔将乙醛等轻组分从塔顶分离出去，塔顶蒸汽经过冷凝后部分送往八塔和萃取七塔，不凝气体送往合成工段的水洗塔。塔顶馏出液送往精馏二塔。二塔的目的是将醋酸与醋酸乙烯分开，塔釜液送往精馏五塔。塔顶所得的馏出液达到VAc的合成指标，就可以直接去合成，若没达到要求将送往三塔继续精制。三塔原料的来源还有聚合工段的未聚合的VAc，该塔作用是脱轻组分，将乙醛与醋酸甲酯蒸出冷凝加入四塔，并中采出VAc送往聚合工段。釜液可送往一、二、三、四塔做阻聚剂使用。四塔的作用是将馏出液中的VAc回收回来，该塔顶蒸出醋酸甲酯及乙醛等冷凝送往回收，釜液送往三塔。五塔采用用水共沸的方法使水和巴豆醛形成共沸物从塔顶蒸出，塔底加入工艺水制备醋酸后回收。精馏六塔进料是五塔的馏出液，同样采取共沸精馏分离巴豆醛及醋酸水溶液，巴豆醛回收，醋酸进行提浓。用一般精馏的方法很难将醋酸乙烯与乙醛分开，所以七塔采用萃取的方法
7
将它们分离，由于低温时醋酸乙烯在水中的溶解度小，内通-7℃的冷冻盐水进行冷却可以提高水对乙醛对的选择性。八塔主要处理一塔的馏出液、七塔萃余液及九塔的中采液。它的作用是尽可能的将加料中的乙醛从塔顶蒸出，蒸汽冷凝后部分回流，部分送往萃取塔，釜液送往三塔进料。九塔是萃取塔的萃取液，合成工段水洗塔的排出水合并加入，塔底吹入蒸汽精馏，在九塔的中部侧线采出VAc送往聚合工段的分层器，塔底废液送至下水道。 2.聚合工段的工艺流程 1)聚合工艺流程的介绍
首先把一定量的甲醇加入引发剂配置槽中，开动搅拌器，再把称量好的偶氮二异丁腈徐徐投入，继续搅拌，待完全溶解后，引发剂溶液用双柱塞计量泵连续加入预热器中。同时，溶剂甲醇和单体醋酸乙烯分别用泵连续加入预热器，开车时，夹套内通水蒸汽，把三种物料加热到60℃，然后流入第一聚合釜。正常运转中，夹套内蒸汽停止。物料在第一聚合釜中进行引发初聚合，聚合率约20% 第二聚合釜使醋酸乙烯的聚合率达到50%左右。聚合热也靠甲醇和醋酸乙烯的蒸发带出，蒸汽在尾气冷凝器中用地下水冷凝，凝液再回流至第二聚合釜中。
2)精馏工艺流程的介绍
第一精馏塔也叫脱单体塔，该塔的作用是把未聚合的醋酸乙烯单体从塔顶脱出， 该塔顶部还加入工艺水，其与醋酸乙烯形成共沸物，冷凝冷却后，水和醋酸乙烯能够分层，相互溶解度小很容易把水和醋酸乙烯分开。
第二精馏塔塔顶蒸出的醋酸乙烯和水，在冷凝器内冷凝冷却后，进入卧式分层器，上层为醋酸乙烯，除去杂质后用于聚合。下层为水，含醋酸乙烯2－3%，用泵全部打回流，做为萃取水的一部分，送往回收工段第三精馏塔，与回收工段的甲醇水溶液合并进行精馏。
3.聚醋酸乙烯酯的醇解工艺流程
聚醋酸乙烯酯的醇解有酸法水解和碱法水解，本论文主要介绍低碱法制备聚乙烯醇的工艺流程。聚醋酸乙烯酯甲醇溶液由齿轮泵输送，与氢氧化钠甲醇溶液同时加入混合机中，混合均匀后进入皮带醇解机，第一粉粹机中将醇解后物料切成长方体，再由第二粉粹机切成粒状，经挤压机挤压后干燥得到PVA成品。
工艺的叙述顺序仍然有些交叉和混乱 建议把蓝字部分合并写 具体格式为 工艺名称+工艺方程式+工艺流程简述
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比如： （1）乙炔发生 方程式
一定粒径的电石加入乙炔发生器后，与水进行反应得到粗乙炔气体。
（2）合成 方程式 等等等等……
最后给一个整体的流程见图即可
1.5 精馏精制系统介绍
根据任务书，本次论文主要设计为精馏工序二三塔的具体结构以及附属设备， 要介绍二三塔在流程中的作用 主要目的是用这段文字将之前的叙述与之后的设计连接起来
1.6 聚乙烯醇的应用
1. 薄膜[12]
PVA薄膜材料根据性能主要有水溶性薄膜、阻隔性薄膜、可生物降解薄膜。 2. 涂料、胶黏剂、催化剂[13]
PVA与水玻璃、膨润土、石灰、丙烯酸丁酯等混合可作为内外墙涂料。 3. 应用于造纸[14]
PVA作为一种传统的表面施胶剂,由于含有极性羟基,能与纸浆纤维形成氢键,可提高纸张强度。 4. 用作纤维[15]
水溶性PVA维纶纤维是一种很有价值的功能性差别化纤维,不仅有理想的水溶温度、强度和伸度,还具有良好的耐酸、耐碱、耐干热等化学性能,溶于水后无味、无毒,水溶液呈无色透明状,较短时间内能自然分解,对环境无污染,是合成纤维中少数可生物降解的绿色环保材料之一。 5. 生物应用
9
PVA是一种无毒性,具有生物可降解性和良好生物相容性的高分子材料,可作为医药、化妆品行业中的功能材料。
1.7 小结
1.聚乙烯醇新的聚合工艺、醇解工艺以及改性技术的不断发展，不仅降低了生产成本，提高了产品的质量，也为不同品种聚乙烯醇的大规模生产提供了有利条件，但目前这些工艺大都还停留是在试验研究阶段，仍需要进行不断的工作。
2.经过多年的发展，我国聚乙烯醇的生产能力和产量有了很大的发展，基本上能够满足国内实际生产的需求，产品也实现了多样化，生产工艺技术正在逐渐向低碱醇解方向发展，但是，与国外先进国家相比，目前我国生产的聚乙烯醇品种仍然比较单一，大多数为普通粘度和醇解度的常规产品，主要用于建筑胶粘剂、低档纺织浆料等领域。国内具有自主知识产权的高聚合度和低聚合度、低醇解度的产品较少，仍主要依靠进口来解决，因应该积极开发这些高附加值的新产品，以满足国内实际需求。
3.目前，我国聚乙烯醇生产主要采用电石乙炔法，该方法虽然技术成熟，投资少，催化剂易得，比较符合我国的国情，因此在一定时期内仍具有一定的成本优势。但该方法污染较为严重，发展前景不是十分乐观。因此从长远可持续发展的角度，应该适当发展天然气乙炔法和乙烯法，以逐步实现多种生产工艺共存的局面，提高产品质量，降低成本，增强市场竞争力。
4.近几年，伴随着PVA行业竞争的白热化，各大厂家均将提高产能作为降低生产成本的主要手段，PVA行业面临更大规模的扩建和新建，由此拉动了上游设备制造企业的市场需求，相关设备的设计、制造和研发显得更加主要。
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年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
第二章 设计方案的确定
本次设计所针对的聚乙烯醇精馏塔系统的设计，他所对应的是粗醋酸乙烯酯精制流程。而精馏工序中二塔及三塔所精馏的醋酸乙烯酯是能够达到聚合原料的纯度要求，所以本设计应确定对二塔和三塔设备的设计。
确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点： (1) 满足工艺和操作的要求
所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。
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(2) 满足经济上的要求
要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。
降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方。 (3)保证安全生产
例如醋酸乙烯酯属易燃物料， 不能让其蒸汽弥漫车间， 也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。
以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。
2.1 塔设计原则
总的原则是尽可能多地采用先进的技术， 使生产达到技术先进、 经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，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
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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。
实际上， 任何塔设备都难以满足上述所有要求， 况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点， 设计时应根据物系性质和具体要求， 抓住主要矛盾，进行选型。
2.2 装置流程的确定
精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器等装备，热量自塔底输入， 物料在塔中多次部分被汽化和冷凝进行精馏操作，由冷凝器中冷却介质将热量带走。 工业生产中多应用连续蒸馏，具有生产能力大，产品质量稳定等优点，塔顶冷凝装置采用全凝器以便准确的控制回流比。在设计过程中还应考虑余热的利用。
2.3 板型选择
本次设计是通过对筛板塔和浮阀塔的计算和生产能力，塔板效率，操作效率， 操作弹性，压力降，以及操作和造价等多方面的比较，根据实际选型选择二塔采用筛板塔，三塔使用浮阀塔。
2.4 操作压力的选择
精馏操作有常压，加压和减压。本设计采用常压操作，原因有以下几点： (1) 甲醇和醋酸乙烯在常压下呈液态，不必采用加压装置。
(2) 能用水将馏出物冷却，在常压下实现醋酸乙烯和聚醋酸乙烯的分离。 (3) 醋酸乙烯和聚醋酸乙烯不属于热敏性物料，混合液沸点不高，不必采用减压蒸馏。
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2.5 附属设备的选择
本设计选择用冷却水冷却，采用冷凝器。塔釜一般采用间接蒸汽加热，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热，设置再沸器。
2.6 回流比的选择与塔板数
实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。 为了是塔设备合操作费用实现最优化组合，一般经验值 R=（1.1～2.0）Rmin ，本设计二塔 R＝1.5，三塔R = 4。
2.7 工艺流程图
见附录。
第三章 醋酸乙烯酯精馏二塔(T-202)
的工艺设计
3.1 精馏工序的物料衡算及操作条件的确定
基准：年产10000吨聚乙烯醇 1．一塔加料的醋酸乙烯量：
已知：皖维采用低碱法生产的聚乙烯醇平均纯度为95%，按照年生产时间8000h计算，醇解工序收率为99.5%，精馏工序的收率99.8%，则
10000×1000÷8000×95%÷44.053=一塔加料的醋酸乙烯量÷86.089×99.5%×99.8% 一塔加料的醋酸乙烯量=2336.965kg/h 2. 一塔的操作条件及物料平衡
1一塔的操作条件 ○
14
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
表3-1 一塔的工艺条件
项目 单位 条件 控制指标
塔顶温度 ℃ 65
中温 ℃ 93
釜温 ℃ 104
回流比 流出液温度 加料温度 2.0
℃ 5
℃ 25
一塔馏出：HAc≤0.02%
一塔釜出：Ald≤0.01%(原有指标Ald≤0.1%)
2物料平衡表 ○
表3-2 进料
序号 1 2 3 4
名称 醋酸乙烯（VAc） 醋酸（HAc） 乙醛（Aed） 丁烯醛（Cr-Aed）
公斤/时 2336.965 4182.952 119.14 616.178
组成（重量%）
34.7 62.15 1.77 0.24
续表
5 6 7 8
表3-3 馏出液
乙炔（C2H2） 水（H2O） 重组份 合计
28.274 13.646 33.680 6730.841
0.42 0.20 0.50 100
序号 1 2 3 4 5 6
名称 VAc HAc Aed C2H2 H2O 合计
15
公斤/时 493.457 0.246 92.232 7.030 13.646 606.611
组成（%） 81.35 0.04 15.20 1.16 2.25 100
表3-4 排出釜液
序号 1 2 3 4 5 6
名称 VAc HAc Aed Cr-Aed 重组份 合计
公斤/时 1843.508 4182.706 5.670 16.178 33.680 6081.742
组成（%） 30.31 68.77 0.093 0.27 0.55 100
表3-5 一塔尾气
序号 1 2 3
名称 Aed C2H2 合计
公斤/时 21.244 21.244 42.488
组成（%）
50 50 100
以上是根据年产量推出的一塔的物料平衡量，一塔的主要目的是脱除比醋酸乙烯沸点低的轻组分，即乙炔和乙醛。塔顶冷凝液采出送往八塔和七塔，釜液送往二塔。
3.二塔的操作条件及物料平衡
1二塔的操作条件 ○
表3-6 二塔的工艺条件
项目 单位 操作条件 控制指标
塔顶温度 ℃ 72
中温 ℃ 100
釜温 ℃ 125
回流比 1.5
馏出液温度
℃ 30
加料温度 ℃ 104
二塔馏出 ：HAC≤0.02%，比活度≤12分30秒；
二塔釜出：VAC≤0.3%。
2物料平衡表 ○
二塔进料的来源是一塔的釜液，它主要是将醋酸乙烯与醋酸进行分离。塔顶得精醋酸乙烯，塔底为粗醋酸。
表3-7 进料
16
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
序号 1 2 3 4 5 6
名称 VAc HAc Aed Cr-Aed 重组份 合计
公斤/时 1843.508 4182.706 5.670 16.178 33.680 6081.742
组成（%） 30.31 68.77 0.093 0.27 0.55 100
表3-8 馏出液
序号 1 2 3 4 5
名称 VAc HAc Aed Cr-Aed 合计
公斤/时 1831.677 0.378 0.756 0.113 1832.924
表3-9 排出釜液
组成（%） 99.95 0.02 0.04 0.006 100
序号 1 2 3 4 5
名称 VAc HAc Cr-Aed 重组份 合计
公斤/时 8.505 4182.328 16.065 33.680 4240.578
组成（%） 0.20 98.63 0.38 0.79 100
表3-10 二塔尾气
序号 1 2 3
名称 VAc Aed 合计
公斤/时 3.326 4.914 8.240
组成（%） 40.36 59.64 100
3二塔的物性数汇总据表 ○
17
工作记录中有二塔的详细计算过程，计算结果汇总如下：
表3-11 二塔的物性数据汇总表
名称 单位 进料 馏出 釜液 精馏段 平均
提馏段 平均 64.15 1.966 389.844 2.31 1050 17.97
平均分子量 比热 汽化潜热 汽相重度 液相重度 表面张力 VAc摩尔分数
kJ/kg.℃ kJ/kg kg/m3 kg/m3 mN/m %
68.12 1.973
86.08 2.01
60.17 1.959
77.10 1．99 384.50 2.73 1026 21.48
388.144 380.862 391.543 2.42 1049 19.02 23.43
3.03 1003 23.94 99.89
2.20 1050 16.91 0.14
3.2 气液负荷计算
因为该塔中分子汽化热不等，所以不能用恒分子流的方法计算气液负荷。本计算用热量平衡与物料平衡联立的方法计算气液负荷。
一、通过全塔热平衡计算再沸器的热负荷Qs[10]
18
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
QP QR/G QR QF QE=0.03QQS QW
图2-1 全塔热平衡
QF=6081.742×1.973×104=1247925kJ/h
Qp=1832.924×(1.5+1)×380.862+1832.924×(1+1.5)×2.01×72=2408380kJ/h QR=1832.924×1.5×2.01×30=165788kJ/h QW=4240.578×1.959×125=1038412kJ/h 假设全塔热损失为：QE=0.03QS
全塔热平衡：QS + QF + QR = Qp+ QE + QW
二、由第二块板以下热量衡算和物料衡算，求提馏段上升汽量Vs'和下降液体量L's
用C代表比热kJ/kg?℃
Hi代表汽化潜热kJ/kg 热量平衡
19
QL?QS?QV?QW (2-1) 物料平衡
L'?V'?W (2-2)
Q'L?CLT?C(V'?W)T?CV'T?CWT QV?V'Hi?CV'T QW?CWT 将(2-3) (2-4) (2-5)代入式(2-1)，得：
CV'T?CWT?Q'S?VHi?CV'T?CWT
消去两边同类项，得：
QS?V'Hi ∴V'?QSH i将有关数据代入式(2-6)，得：
V'?2095958389.844?5376kg/h
V'5376S?3600?2.31?0.647m3/s
将有关数据代入(2-2)，得：
20
(2-3) (2-4) (2-5) (2-6) 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
L'?V'?W?5376?4240.578?9616.578kg/h
∴L'?9616.578?0.00254m3/s
3600?1050三、求精馏塔段气液负荷
?????????100?104??388.144?0.98
388.184进料板以上第一块板的气相负荷VS1 ∵VS'?VS1?F(??1)
3600?FF(??1)
3600?F∴VS1?VS?6081.742?(0.98?1) 3600?2.42?0.661m3/s?0.647?精馏段顶板气相负荷VS2
1、由于回流液温度低产生的内回流量
??馏出量?回流比?馏出液比热（塔顶温度?馏出液温度）塔顶汽化潜热2.01?1.5?1832.924?(72?30) ?380.862?609kg/h馏出量(R?1)??1832.924?(1.5?1)?609??0.476m3/s
3600?P3600?3.032、VS2?精馏段平均气相负荷 VS?VS1?VS20.661?0.476??0.569m3/s 22进料板上一块的液相负荷LS1
∵L'S?LS1??F
3600?F?F0.98?6081.742?0.00254??0.000962m3/s
3600?F3600?1049 21
∴LS1?L'S?精馏段顶板液相负荷Ls2
LS2?回流量??1832.924?1.5?609??0.000930m3/s
3600?R3600?1003精馏段平均液相负荷LS LS?LS1?LS20.000962?0.000930??0.000946m3/s 223.3 精馏塔理论塔板数的计算[16]
理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。 理论塔板数的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。
由于精馏二塔是分离VAc和HAc，根据它的t-x-y绘制x-y平衡图。 1、气液平衡关系及平衡数据
表3-12 醋酸乙烯73、醋酸118二元系统气液平衡数据[16]
沸点℃ 73 75 80 90 100 110 115 118
绘制t-x-y图如下：
液相中醋酸乙烯X（%）
100 88.1 61.9 32.5 16.1 4.0 1.2 0.0
气相中醋酸乙烯Y（%）
100 96.4 86.8 65.4 41.1 13.1 4.3 0.0
22
年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计
图3-4 VAc - HAc溶液的t-x-y图
蓝色三角形的点是物料进入塔时的状态，从图中可以看出其进料状态是气液混合物进料，则q（进料状态参数）值为0 q?使每千克分子进料变成饱和蒸汽所需的热量1.973?(100?104)?388.14??0.9797每千克分子进料的气化潜热388.144 已知：操作回流比R=1.5 精馏段操作线方程：yn?1?xRxn?D?0.6xn?0.4 (2-7) R?1R?1 提馏段操作线方程：ym?1?WxwL?qFxm??1.811xm?0.0011 L?qF?WL?qF?W (2-8) 在图上作操作线，由点xD(0.9989,0.9989)起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段与提馏段操作线的交点，直到交点小于0.0014为止。图如下： 23 图3-5 理论塔板数图解法 由此得出理论板数NT?19块（包括再沸器），加料板为第11块理论板，根据实际经验值塔板工作效率ET在0.25~0.3之间，则 精馏段：取ET=0.28，则实际塔板数NP精?NT9??32(块) ET0.28提馏段：取E=0.27，则实际塔板数NP提加料板的位置在第34块塔板。 'T'NT10?1?'??33(块) 0.27ET3.4 精馏塔的工艺设计[17-18] 3.4.1塔径的初步设计 1.精馏段 24 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 由u?(安全系数)?umax，安全系数=0.6~0.8，umax?C工工艺设计手册》[19]史密斯关联图查出： LS??L??横坐标数值： VS???V????1/2?L??V，式中C可由《化?V9.46?10?4?1026?????0.5692.73??1/2?0.0322 取板间距：HT?0.45m,hL?0.07m，则HT?hL?0.45?0.07?0.38m ???查图可知：C20?0.085，C?C20???20?umax?0.0862?u1?0.6umaxD?1026?2.73?1.669m/s2.73?0.6?1.669?1.001m/s0.569?0.851m0.785?1.0010.2?21.48??0.085????20?0.2?0.0862，则 VS?0.785u1圆整：D1?1.2m 横截面积：AT?0.785?1.22?1.130m2，空塔气速：u1'?2.提馏段 L??L??横坐标数值：S???VS??V??1/20.569?0.504m/s 1.1302.54?10?3?1050?????0.6472.31??1/2?0.0837 ''''?hL?0.45?0.07?0.38m 取板间距：HT?0.45m,hL?0.07m，则HT'查图可知：C20'''????0.078，C?C20??20????0.2?17.97??0.078???20??0.2?0.076,则 u'max?C'''?L??V1050?2.31?0.076??1.619m/s'2.31?V'u2?0.6umax?0.6?1.619?0.971m/s D?'VS'?0.785u20.647?0.921m0.785?0.971圆整：D2?1.2m ''?0.785?1.22?1.130m2,空塔气速：u2横截面积:AT?0.647?0.573m/s 1.130 25 3.4.2 溢流堰及降液管的设计 本设计选择单溢流的弓形降液管。 堰长lw 取lw?0.65D?0.65?1.2?0.78m 本设计采用平直堰，堰上液高度how按下列公式计算 how?L??0.00284E??l???w?2/3式中 L- 液体体积流量m3/s E- 液流收缩系数 how- 堰上液流高度?m? lw-堰长?m? 液流收缩系数可关联为如下两参数的函数： 2.5 E?fL/lw,lw/D ?? 液流收缩系数的数值可根据液流收缩系数计算图[19]查取。 (1)精馏段： L2.5lwlw9.46?10?4?3600??6.34,?0.65，查图得E?1.025，则 2.5D0.78?9.46?10?4?0.00284?1.025???0.78?????2/3 how?0.0078m 前假设hL?0.07m，hw?hL?how?0.07?0.0078?0.0622m 取内、外堰高hw?0.05m 要求 0.1?how?hw?0.05?hw 0.1?0.0078?0.05?0.05?0.0078 0.0922?0.05?0.0422 hL?hw?how?0.05?0.0078?0.0578m 26 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 (2)提馏段： L'2.5lwlw2.54?10?3?3600??17.02,?0.65，查图得E'?1.041，则 2.5D0.78?2.54?10?3?3600???0.00284?1.041????0.78??2/3' how?0.0153m ''?0.07?0.0152?0.0547m 前假设hL?0.07m，hw' 取内、外堰高hw?0.05m 要求 0.1?how?hw?0.05?hw 0.1?0.0153?0.05?0.05?0.0153 0.0847?0.05?0.347'''?hw?h0 hLw?0.05?0.0153?0.0653m 3.4.3 弓形降液管的宽度和横截面 由 AfWlw?0.0721,d?0.124，则?0.65在弓形降液管的参数图中查得ATDDAf?0.0721?1.130?0.082m2,Wd?0.124?1.2?0.149m 验算降液管内停留时间： (1)精馏段：??AfHTLSAfHTL'S?0.082?0.45?39.01s ?49.46?100.082?0.45?14.53s 2.54?10?3(2)提馏段：???停留时间??5s，故降液管可使用。 3.4.4 降液管底隙高度 1.精馏段 取降液管底隙高度h0?0.035m， 则 hw?h0?0.05?0.035?0.015m?0.006m 27 液流通过间隙h0时的速度 LS9.46?10?4 ??0.0347m/s?0.3m/s lwh00.78?0.0352.提馏段 '取降液管底隙高度h0?0.035m， ''?h0?0.05?0.035?0.015m?0.006m 则 hw 液流通过间隙h0'时的速度 L's2.54?10?3 ??0.093m/s?0.3m/s 'lwh00.78?0.035 3.4.5 筛孔的设计 本此设计的物系有腐蚀性，可选用??2.5mm不锈钢板，取筛孔直径d0?5mm 筛孔直径采用正三角形排列，取孔中心距t?3.8d0?3.8?5?19mm 取稳定区宽WS?0.081m 取边缘安装区宽WC?0.05m 1.开孔区面积Aa x?D1.2D1.2??Wd?WS???(0.149?0.081)?0.37m，r??WC??0.05?0.55m 2222π2x??Aa?2?xr2?x2?rsin?1?180r??π0.37???2??0.37?0.552?0.372??0.552sin?1?1800.55?? ?0.749m22.总开孔面积A0 A0??Aa 而对于正三角形排列，开孔率与孔间距之间的关系用下式表示： ??0.9069?d0/t?， 2 28 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 则 ??0.9069??5/19??0.063 2即A0?0.063?0.749?0.0472m2 3.每层板上筛孔数N N?A00.0472??2405个 0.785d020.785?0.00524.筛孔气速u0 u0?VS A0VS0.569??12.06m/s A00.063?0.749 (1)精馏段：u0?Vs'0.647 (2)提馏段：u???13.71m/s A00.063?0.749'03.4.6 筛板塔的流体力学的计算 1.塔板压降 (1)干板压降hc ?u0? hc?0.051???c???0?2??V????L??? ? 由 d0??5?2 2.5查干筛孔的流量系数图得C0?0.76 ?12.06?1精馏段：h?0.051??○?c0.76??'c2?2.73????0.0342m 1026???13.71??2.31?2提馏段：h?0.051?? ○????0.0365m ?0.76??1050? (2)湿板压降hl hl??(hw?how) 29 2式中? —塔板上液层充气系数，可由充气系数关联图[19]查出，其横坐标 Fa?ua?V?VSAaVSAa?V 1精馏段：F? ○a?V?0.569?2.73?1.26，查图得??0.64，则 0.749 hl??(hw?how)?0.64?(0.05?0.0078)?0.0370m VS'2提馏段：F? ○aAa'?V?0.647?2.31?1.31,查图得?'?0.62 0.749''?how)?0.62?(0.05?0.0153)?0.0405m hl'??'(hw (3)克服液体表面张力的阻力h? 克服液体表面张力的阻力可近似为 4?10?3?h?? ?Lgd04?10?3?21.481精馏段：h??0.0017m ○?1026?9.81?0.0054?10?3?17.972提馏段：h??0.0014m ○?1050?9.81?0.005' (4)气体通过每层塔板液柱高度hp可按下式计算： hp?hc?hl?h? 1精馏段：h?0.0342?0.0370?0.0017?0.0729m ○p 精馏段总压降?p1?0.0729?32?2.333m液柱 2提馏段：h'?0.0365?0.0405?0.0014?0.0784m ○p 提馏段总压降?p2?0.0784?33?2.587m液柱 2 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，由于本设计的塔径与液流量均不大，故可忽略液面落差的影响. 30 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 3雾沫夹带 雾沫夹带的计算采用Hunt关联式[19]： 0.0057?u?eV????HT?hf对于单流型塔板： u??? ??3.2VS，hf?2.5?hw?how? AT?Af1)精馏段：u?0.569?0.543m/s,hf?2.5??0.05?0.0078??0.145m 1.130?0.0823.20.0057?0.543? ∴ eV????21.48?0.45?0.145? 2)提馏段：u'??0.0017m 0.647?0.617m/s,hf?2.5??0.05?0.0153??0.163m 1.130?0.0823.20.0057?0.617?' ∴ eV????17.97?0.45?0.163??0.0037m 二者的eV?0.1kg液/0.1kg气，故本设计中eV在允许范围内。 4 漏液点气速uom 对于筛板塔，漏液点气速uom可由下式来计算： uom?4.4C0?0.0056?0.13hL?h???L?V (1)精馏段：uom?4.4?0.76??0.0056?0.13?0.0578?0.0017??10262.73?6.93m/s 实际孔速u0?12.06m/s?uom 稳定系数K?u012.06??1.74?1.5 uom6.03'?4.4?0.76? (2)提馏段：uom?0.0056?0.13?0.0653?0.0014??10502.31?8.03m/s '' 实际孔速u0 ?13.71m/s?uom 31 'u013.71 稳定系数K?'??1.71?1.5 uom8.03 故本设计中漏液点气速符合要求。 5液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从下式的关系，即 Hd???HT?hw?,Hd?hp?hL?hd?? ?LS 其中液体流过降液管的局部阻力由hd?0.2??lh?wc2???计算，?很小，可忽略。 ?2?9.46?10?4? (1)精馏段：hd?0.2???0.78?0.0342???0.000252m液柱，则 ?? Hd?0.0729?0.0578?0.000252?0.131m 取??0.5，则??HT?hw??0.5??0.45?0.05??0.25m?0.131m ?2.54?10?3?' (2)提馏段：hd?0.2???0.78?0.0365???0.00159m液柱，则 ??2 Hd?0.0784?0.0653?0.00159?0.145m ''??0.5??0.45?0.05??0.25m?0.145m ?hw 取?'?0.5，则?'?HT 故本设计不会产生液泛。 3.4.7 塔板负荷性能图[20] 1.过量雾沫夹带线 以eV?0.1kg液/kg气为限，求VS?LS关系如下： 0.0057??uaeV????HT?hf (1)精馏段：ua?VS?0.954VS 1.130?0.0822/3?? ??3.2 how 2.84?3600LS???1.025???10000.78??32 ?0.807LS2/3 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 /3 hf?2.5hL?2.5?hw?how??0.125?2.0L2S ?0.954VS0.0057???? eV?2/3??21.48?0.45?0.125?2.0LS?3.2?0.1 整理得a线方程为： /3 VS?2.18?13.38L2S 在操作范围内，任取几个LS值依上式计算得 LS VS 'a6?10?4 2.085 8?10?4 2.065 3.2?10?3 1.890 Vs'?0.954Vs' (2)提馏段：u?1.130?0.082' how?3600L'S2.84??1.041???0.781000?????2/32/3?0.820L'S '''/3 h'f?2.5hL?2.5hw?how?0.125?2.1L2S ???0.954VS0.0057????? eV?2/3?19.97?0.45?0.125?2.1LS?3.2?0.1 整理得a'线方程为： 2/3 VS'?2.13?13.73L'S 在操作范围内，任取几个L'S值依上式计算得 L'S VS' 2.严重漏夜线 由uo,min?4.4C0VS,minA06.0?10?4 4.0?10?3 1.784 7.5?10?3 1.604 2.032 ?0.0056?0.13hL?h???L?V，hL?hw?how，how ????2/3 uo,min?2.84?Lh?E?1000??lw (1)精馏段：b线方程如下： 33 VS,min2/3???2.84??1026?3600LS????0.0056?0.13??0.05??1.025?????0.0017??1000?0.78?????????2.73 ?4.4?0.76?0.063?0.749/3?0.15839.46L2?3.91S在操作范围内，任取几个LS值依上式计算得 LS VS (2)提馏段：b'线方程如下 6?10?4 0.323 8?10?4 0.326 3.2?10?3 0.345 VS,min2/3???2.84??1050?3600LS????0.0056?0.13??0.05??1.041???0.0014????1000?0.78?????????2.31?4.4?0.76?0.063?0.749/3?0.15848.63L2?4.86S在 操作范围内，任取几个L'S值依上式计算得 L'S VS' 3.液相负荷下限线 6.0?10?4 4.0?10?3 7.5?10?3 0.410 0.360 0.390 对于平直堰，液相下限how?6mm为准，则how,min?6mm作为最小液体负荷标准，得： how2.84?3600LS?E?1000??lw????2/30.78?6???LS,min???36002.84E??3/2?lw 3600得c和c'的方程式如下： (1)精馏段：LS,min6??????2.84?1.025?6?????2.84?1.041??3/2?0.78?6.41?10?4m3/s 36000.78?6.26?10?4m3/s 36003/2 (2)提馏段：L'S,min 4.液相负荷上限线 ? 34 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 以??5s作为液体在降液管中停留时间的下限，由式??程： AfHTLS，得d和d'直线方 LS,max? 5.液泛线 0.082?0.45?0.0074m3/s 5 令Hd???HT?hw??hp?hL?hd?hc?hl?h??hL?hd hl??hL hL?hw?how ??HT??????1?hw????1?how?hc?hd?h? 忽略h?，将how与LS,hd与LS，hc与VS的关系代入，整理得： '2/3a'VS2?b'?c'L2S?dLS 式中： a'?0.051??V?2??A0C0???L?0.153''?c?， ， ??b??H?????1hTw2??lwhc??2/3?3600?d'?2.84?10?3E?1?????l???w? 得到e和e'的直线方程如下： (1)精馏段：a'?0.106,b'?0.168,c'?215.01,d'?1.323，则 2/3 VS2?1.58?2028L2S?12.481LS 在操作范围内，任取几个LS值依上式计算得 LS VS 6?10?4 1.490 8?10?4 1.471 3.2?10?3 1.288 (2)提馏段：a'?0.087,b'?0.169,c'?188.76,d'?1.328，则 2/3 VS'2?1.94?2170L2S?15.26LS 在操作范围内，任取几个L'S值依上式计算得 35 L'S VS' 6.0?10?4 4.0?10?3 7.5?10?3 1.831 1.521 1.233 根据以上各线方程，作出筛板塔的负荷性能图 1)精馏段： 图3-6 精馏段负荷性能图 在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛线控制，下限为漏液线控制，由图可得： VS,max?1.350m3/s， VS,min?0.376m3/s 故操作弹性为 2)提馏段： VS,maxVS,min1.350??3.59 0.37636 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 图3-7 提馏段负荷性能图 在负荷性能图上，作出操作点A'，连接OA'，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛线控制，下限为漏液线控制，由图可得： VS',max?1.392m3/s， VS',min?0.376m3/s 故操作弹性为 VS',maxVS',min1.392??3.70 0.3763.5 塔附件的工艺设计及选型[21] 板式塔的塔附件主要包括各种接管、裙座、除沫器、人孔及吊柱等。 3.5.1工艺接管 (1)塔顶蒸汽接管 本设计塔顶蒸汽速度取u?15m/s 37 塔顶蒸汽流量：VS?则 ?1831.677?2.5?3.326??1000?8.31??273?72??1511.126m3/h 101000?86.08D?4VS4?1511.126??0.189m ?u?3600??15?3600查GB8163?87表，本设计采用热轧无缝钢管?219?6 (2)进料管管径 料液由高位槽流入塔内时，进料管内流速可取u?1.5m/s，则 进料液流量：VS?6081.742?5.798m3/h 10494?5.798?0.037m ??1.5?3600 则进料管管径：D? 查表采用?38?3.5 (3)回流管管径 回流管管速选用标准与进料管一致，取u?2m/s 回流液流量：VS?1832.924?1.5?2.741m3/h 10034?2.741?0.022m ??2?3600 则回流管管径：D?查表采用?25?3 (4)馏出管管径 馏出液流量：VS?1832.924?1.827m3/h 10034?1.827?0.018m ??2?3600 取u?2m/s，则馏出管管径：D?查表采用?18?3 (5)釜液出口管径 釜液出口速度本设计u?0.8m/s 釜液流量：VS?4240.578?4.039m3/h 10504?4.039?0.042m ??0.8?360038 釜液出口管径：D? 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 查表取?45?3.5 实际塔顶流速u'?4qV4?4.039??0.706m/s 22?D??0.045?36003.5.2法兰[19] 由于常压操作，所有法兰均采用标准法兰、平焊法兰，由不同的公称直径选用相应法兰。选用带劲平焊法兰。 (1)塔顶蒸汽接管：法兰SO250HG20594 (2)进料管：法兰SO40HG20594 (3)回流管：法兰SO32HG20594 (4)馏出液管：法兰SO20HG20594 (5)釜液出口管：法兰SO50HG20594 3.5.3筒体和封头[22-23] 1.筒体 筒体壁厚与工作压力、塔温度、材料，腐蚀余量等有关，本设计塔径为1.0m，故筒体选择壁厚为6mm。 2.封头 本设计采用椭圆封头，由公称直径Dg?1200m，查得曲面高度H?325mm，则直径高度h0?H?D1200?325??25mm。内表面积F封?1.655m2，容积4453，选用封头Dg1200?6，材质为16MnR,型号：EHAV封?0.25m1200?6?16MnR JB/T4746?2002。 3.5.4除沫器 当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出现塔气速夹带雾的情况下，设置除沫器以减少液体夹带损失，确定气体纯度，保证后续设备的正常操作，常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器等，本设计选用丝网除沫器。 39 丝网除沫器的液泛气速u?K'?L??V，丝网选用SP，则K'?0.201，得 ?V1026?2.73?3.891m/s 2.73uf?0.201?丝网除沫器的操作气速ug?0.8uf?0.8?3.891?3.113m/s 则处理气体所需的有效直径D?4Q4?0.569??0.483m ?ug??3.113其丝网除沫器的直径为DN?500mm，其H?100m，H1?210mm 所选的型号:HG/T21618丝网除沫器S500?100SP20 3.5.5吊柱[21] 一般15m以上的塔设置塔顶吊柱，本设计塔较高，因此根据塔顶吊柱标准系列尺寸选用吊柱，其起吊质量G?500kg，悬臂长度S?1200mm的吊柱。 标记：塔顶吊柱 G?500kg S?1200mm L?3800mm H?1100mm ???取 159?10 R?900m e?250 l?110 HG/T21639?1980?19 3.5.6裙座[22] 塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支撑形式，为了制作方便，一般采用圆筒形，裙座壁厚取6mm，裙座材料为Q235?A。 1.裙座环径 基础环内径：Dbi??1200?2?16??0.3?103?932mm 基础环外径：Dbo??1200?2?16??0.3?103?1532mm 由塔径D?1200mm，裙座圆厚度SS?6.4mm，基础环厚度Sr?24.7mm，裙座高度取3000mm；地角螺栓直径M30。 2.引出管尺寸 40 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 塔设备底部的接管一般需伸出裙座外壁，裙座上的引出孔结构有引出孔加强管、支撑板等。 釜液出口管的法兰选用DN?50mm，则查引出孔尺寸表选用引出管直径 DN?70mm，则引出孔选用无缝钢管，其尺寸为?219?6。 3.裙座检查孔 裙座上也要设置检查孔便于检查或安装塔内设备。由于塔的内径为1200mm,则根据裙座检查孔尺寸选择圆形孔，其直径d?450mm。 3.5.7人孔 人孔是安装和检修人员进出塔的唯一通道，人孔设置应高于进入任一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设置过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔10~20块板设置一个人孔，本塔中共65块板，需设置6个人孔，每个人孔的直径为450mm，在设置人孔处的板间距为600mm，裙座上应开2个人孔，在裙座设计中已选用的直径为450mm。 3.6塔总体高度设计计算 1.塔顶部空间高度 塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，除沫器到第一块板的距离1000mm，则塔顶部空间距离为1325mm。 2.它的底部空间高度 塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5min。 2HB?tL'S?60?U?dw/AT??0.5~0.7? ??11U?u'?0.706m/s，dw?45mm，AT??D2????1.22?1.130m2，则 44HB??5?2.54?10?3?60?0.706???0.0452?/1.130?0.6?1.3m3.塔的立体高度 41 H1?HTN?6?150?450??65?1??6?150?29700mm H?H1?HB?H裙?H顶?29700?1300?3000?1325?35325mm 3.7 附属设备的初步计算 3.7.1冷凝器(NQ-202)的选型 1.冷凝器的负荷 QN?QP?QR?QD ?2408380?165788?1832.929?2.01?30 ?2132067kJ/h?510064kca/lh2.平均温度差?tm 取循环水进水温度为32℃，出水温度为38℃，二塔塔顶温度为72℃，则 ?tm??72?38???72?32??37℃ 23.换热面积F的确定 取传质系数K?400kcal/m2.h.k，则 换热面积F?QN510064??34m2 K?tm400?37查标准JB/T4714?92，冷凝器所选型号：BES500?1.6?34?3/19?2Ⅱ 4.循环水的用量 循环水的用量为：W?5.循环水的管径 86?103??86m3/h 循环水的流量V?3?10WQN510064??85011kg/h?86t/h C?T1??38?32?取循环水的流速u?2m/s，则管径D?查表，得?219?6 42 4V4?86??0.174m ?u?3600??2?3600 年产10000吨聚乙烯醇精馏塔系统的设计 3.7.2再沸器(ZF-202)的设计 1.再沸器的热负荷QS：QS?2095958kJ/h?501425kcal/h 2.再沸器的传热面积F 选取0.35MPa的饱和蒸汽，饱和蒸汽的温度为139℃，取?tm?25℃，取传质系数K?600kcal/m2.h.k，则 传热面积F?QN501425??33m2 K?tm600?253.再沸器的管数 本设计选用再沸器的材质为Mo2Ti，热虹吸式列管，管长l?2m，管径 D?0.025m，即 管数NT?33?211(根) ??2?0.0254.壳体直径 由NT?3a?a?1??1?211，解得a?8(负的舍去)，b?2a?1?17，于是 D?t?b?1???2~3?d0?32??17?1??3?25?587mm 规整D?600mm，则所选的型号为：AES600?1.6?33?2/25?1Ⅰ 5.蒸汽管管径 消耗蒸汽量：W?QS501425??977.437kg/h 0.95?5400.95?540取蒸汽流速u?20m/s，蒸汽的密度为2.16kg/m3 即蒸汽的体积流量VS?W??977.437?453m3/h 2.16蒸汽管管径D?4VS4?453??0.090m ?u?3600??20?3600查表，得?108?4 43 3.8本章符号说明表 3-13本章符号说明表 项目 符号 名称 单位 精馏段 数值 提馏段 2095958 0.647 2.54×10-3 0.98 33 0.45 0.0578 1.2 0.0653 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 QS QF QR QP QW QE QN VS' LS' δ VS1 F γw △ VS2 VS LS1 LS2 LS NP HT hL D 再沸器热负荷 进料热 回流热 馏出热 釜液热 热损失 冷凝器负荷 上升汽量 下降液体量 进料热状况参数 进料板气相负荷 进料流量 进料液汽相密度 内回流量 顶板气相负荷 平均气相负荷 进料板液相负荷 顶板液相负荷 平均液相负荷 实际塔板数 塔板间距 板上液层高度 塔径 kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h m3/s m3/s m3/s kg/h kg/m3 kg/h m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s m m m 44 1247925 165788 2408380 1038412 62879 1448368 0.661 6081.742 2.42 609 0.476 0.569 9.62×10-4 9.30×10-4 9.46×10-4 32