安徽建筑大学本科生毕业论文
第2章 聚合二塔系统计算
基准：年产40000吨聚乙烯醇
2.1 设计方案的确定
2.1.1
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[14]。 2.1.2
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。 2.1.3
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
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年产40000吨PVA聚合二塔系统的设计
作弹性，压力降，以及操作和造价等多方面的比较选择了筛板塔。筛板塔的主要优点有：
（1）结构简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80%左右。 （2）气液分散均匀，传质效率高，处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15%。
（3） 塔板效率与浮阀塔大体相当，但比泡罩塔高15%左右。 （4） 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。 （5） 板上液面落差较小。 但筛板塔也存在着一些不足：
（1） 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（2） 操作弹性较小(约2～3)，若设计合理，也能具有足够的操作弹性。 （3） 小孔筛板容易堵塞。 2.1.4
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。 2.1.5
进料状态的选择
物料的进料状态有五种，可用进料状态参数q 值来表示。进料为过冷液体：q＞1； 饱和液体（泡点）：q＝1；气、液混合物：0＜q＜1；饱和蒸气（露点）：q＝0；过热蒸气：q＜0。本设计采用饱和液体（泡点）进料，原因在于：
（1） 为使精馏段和提馏段保持相同的塔径，便于制造。 （2） 保持塔的操作稳定。 （3） 避免季节的影响。 2.1.6
冷却方式的选择
本设计选择用冷却水冷却，并采用全凝器。 2.1.7
加热方式的选择
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。本设计物系是醋酸乙烯和甲醇，宜采用间接蒸汽加热，设置再沸器。
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2.1.8 回流比的选择与塔板数
回流比的选择
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 ，本设计取R＝0.41（属于内回流）。 塔板数的计算
PVA聚合二塔实际上是将醋酸乙烯和甲醇分开，醋酸乙烯沸点在72.5℃左右，而甲醇的沸点在65℃左右，非常接近，所以采用萃取精馏的方法。
萃取精馏的含义：当双组分溶液中的相对挥发度接近于1或形成恒恒沸物时，在溶液中加入萃取剂，萃取剂的沸点比原溶液中的任意组分的沸点都高，挥发度较小。萃取剂能使原溶液中的两组分的相对挥发度增大，使两组分容易精馏分离，萃取剂与原溶液中一个组分从塔底采出。这种精馏操作称为萃取精馏。
二塔中，通过塔顶加入第三组分水，改变醋酸乙烯和甲醇的相对挥发度，破坏共沸组成，以达到分离的目的[15]。
从醋酸乙烯-甲醇汽液平衡图中可以看出，加入水后醋酸乙烯的气液平衡曲线向上弯曲，水越多，向上弯曲越大，分离也就越容易。使用水作为萃取溶剂，选择性好，不与甲醇和醋酸乙烯起化学反应，无腐蚀性，无毒性，价格便宜；使用水的另一优点是它能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。萃取水加入量为醋酸乙烯量的1.1倍（重），分子分率为0.23%左右[16]。
图2.1 醋酸乙烯-甲醇汽液平衡图
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年产40000吨PVA聚合二塔系统的设计
设三组分中醋酸乙烯相对甲醇的相对挥发度为?
yx =?1-y1-x由图及相关关系可算 0.67?=?2.03?估算?
0.33此处的相对挥发度是整段的，包括精馏段和提馏段。
由之前的物料衡算中，釜液VAc%≤0.1%，塔顶带走的甲醇≤0.1%知 下表为各组分的摩尔分数：
表2.1 组成百分比
组成 醋酸乙烯 甲醇 水
进料组成 34.44% 56.79% 8.77%
馏出液组成 74.1% 0.2% 25.7%
釜液组成 0.025% 23.22% 76.755%
由萃取精馏三组分可知最小理论塔板数（包括蒸馏釜）Nmin的简便计算法
??xl??xh??74.1??23.33??lg???????lg????0.2???0.025??xx??hl?????????DW?Nmin=?=??18
lg?lhlg2.032R,取R=1.5Rmin?Rmin=R3N-Nmin?R-Rmin?=0.75-0.75??N+1?R+1?0.56682??0.41-?0.41??3=0.75-0.75??0.41+1?????0.550.5668
N为理论板数（包括蒸馏釜）
解得N?41（包括蒸馏釜） N?=40（不包括蒸馏釜） 可知二塔塔板数为40. 提馏段平均相对挥发度???1.8
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?23.2234.44?lg???0.02556.79??N1=?10.78 lg1.80.55+10.78N2=?25?进料板为第24块（由下向上数）0.452.2 操作条件确定和物料平衡
2.2.1
聚合釜加料量
2.2.1.1 醋酸乙烯加料量
已知皖维采用低碱法生产的聚乙烯醇平均纯度为94%，按照年生产时间8000小时计算，收率为99.5%（从聚合工序到醇解工序），聚合转化率为50%，则
40000÷8000×0.94÷44=醋酸乙烯加料量(t/h)×聚合转化率÷86×99.5% 聚合釜醋酸乙烯加料量
=40000÷8000×0.94÷44÷聚合转化率×86÷99.5% =40000÷8000×0.94÷44÷50%×86÷99.5% =18.465T/h 2.2.1.2 甲醇加料量
假定生产品种为17-99，由生产实践知甲醇配比正常控制在19%， 则：加料甲醇量=18.465×19%÷（1－19%）=4.331t/h 不考虑AIBN及系统物料损失，
聚合釜出料：甲醇=4.331T/h，醋酸乙烯=18.465t/h 2.2.2
聚合一塔各物料组成
2.2.2.1 进料
聚合稀释甲醇加入量一般为：VAC加入量×聚合率×（0.6～1.0）倍。选系数0.7，则
稀释甲醇加入量=18.465×50%×0.7=6.463t/h 不考虑AIBN、系统物料损失及副反应，
则进料：甲醇=4.331+6.463=10.794t/h，醋酸乙烯=18.465×50%=9.233t/h，聚醋酸乙烯=18.465×50%=9.233t/h。
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