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1、板式精馏塔课程设计板式精馏塔课程设计课程目的课程目的先修课程的综合训练，培养工程能力的训练先修课程的综合训练，培养工程能力的训练n掌握化工设计的基本程序和方法；掌握化工设计的基本程序和方法；n学会查阅技术资料、选用公式和数据；学会查阅技术资料、选用公式和数据；n用简洁文字和图表表达设计结果；用简洁文字和图表表达设计结果；n用用CADCAD制图以及计算机辅助计算等能力方面制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练。得到一次基本训练。设计主要内容设计主要内容n设计方案简介设计方案简介n主要设备的工艺设计计算主要设备的工艺设计计算 n板式塔的结构板式塔的结构 n辅助设备的选型辅助设备的选型n主
2、要设备的工艺条件图主要设备的工艺条件图 n设计说明书的编写设计说明书的编写 对给定或选定的工艺对给定或选定的工艺流程、主要设备的型流程、主要设备的型式进行简要的论述式进行简要的论述 设计方案的确定设计方案的确定（一）装置流（一）装置流程的确定程的确定要求在要求在设计说明明书上画出流程上画出流程简图。n塔塔顶冷凝装置根据生冷凝装置根据生产情况以决定采用情况以决定采用分凝器或全凝器。一般，塔分凝器或全凝器。一般，塔顶分凝器分凝器对上升蒸汽上升蒸汽虽有一定增有一定增浓作用，但在石油作用，但在石油等工等工业中中获取液相取液相产品品时往往采用全凝往往采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后器，以便于准确
3、地控制回流比。若后继装置使用气装置使用气态物料，物料，则宜用分凝器。宜用分凝器。（二）二）操作压强的选择操作压强的选择n精精馏操作可在常操作可在常压、减、减压或加或加压下下进行。操作行。操作压强常取决于冷凝温度。常取决于冷凝温度。n一般，除一般，除热敏性物料以外，凡通敏性物料以外，凡通过常常压蒸蒸馏不不难实现分离要求，并能用江河水或循分离要求，并能用江河水或循环水将水将馏出物冷凝下来的系出物冷凝下来的系统，都，都应采用常采用常压蒸蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点敏性物料或混合液沸点过高的系高的系统则宜采用宜采用减减压蒸蒸馏；对常常压下下馏出物的冷凝温度出物的冷凝温度过低的低的系系统，需提高塔，需
4、提高塔压或采用深井水、冷或采用深井水、冷冻盐水作水作为冷却冷却剂；而常；而常压下呈气下呈气态度物料必度物料必须采用加采用加压蒸蒸馏。（三）（三）进料热状况的选择进料热状况的选择n原原则上，在供上，在供热量一定的情况下，量一定的情况下，热量量应尽可能由塔底尽可能由塔底输入，使入，使产生的气相回生的气相回流在全塔流在全塔发挥作用，即宜冷作用，即宜冷进料。但料。但为使塔的操作使塔的操作稳定，免受季定，免受季节气温影响，气温影响，精、提精、提馏段采用相同塔径以便于制造，段采用相同塔径以便于制造，则常采用常采用饱和液体（泡点）和液体（泡点）进料，但需料，但需增增设原料原料预热器。若工器。若工艺要求减少塔
5、釜要求减少塔釜加加热量避免釜温量避免釜温过高、料液高、料液产生聚合或生聚合或结焦，焦，则应采用气采用气态进料。料。（四）加热方式（四）加热方式n蒸蒸馏大多采用大多采用间接蒸汽加接蒸汽加热，设置再沸器。有置再沸器。有时也可采用直接蒸汽，例如蒸也可采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残液中的主釜残液中的主要成分是水，且在低要成分是水，且在低浓度下度下轻组分的相分的相对挥发度度较大大时（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽加加热，其，其优点是可以利用点是可以利用压强较低的加低的加热蒸汽蒸汽以以节省操作省操作费用，并省掉中用，并省掉中间加加热设备。但由。但由于直接蒸汽的加入，于直接蒸汽的
6、加入，对釜内溶液起一定的稀釜内溶液起一定的稀释作用，在作用，在进料条件和料条件和产品品纯度、度、轻组分收率一分收率一定的前提下，釜液定的前提下，釜液浓度相度相应降低，故需在提降低，故需在提馏段增加塔板以达到生段增加塔板以达到生产要求。要求。二元二元连续板式精板式精馏塔的工塔的工艺计算算n物料衡算物料衡算n实际塔板数的确定塔板数的确定n塔高和塔径的塔高和塔径的计算算n塔板塔板结构参数的确定构参数的确定n塔板流动性能校核塔板流动性能校核一、物料衡算一、物料衡算n全塔物料衡算全塔物料衡算 间接加接加热时：F=D+W F=D+W FxFxF F=Dx=DxD D+Wx+WxW W 可以解出可以解出F,
7、WF,W。二二 实际塔板数的确定实际塔板数的确定1.确定理论板数确定理论板数 可以采用图解法或逐板计算法可以采用图解法或逐板计算法.n平衡数据平衡数据n回流比回流比n精馏段操作线精馏段操作线n加料线加料线n提馏段操作线提馏段操作线 相关说明相关说明n平均平均挥发度度的求法的求法:nav的的计算算:平均粘度由乙醇和水在平均温平均粘度由乙醇和水在平均温度下的粘度度下的粘度线性加和得到性加和得到 av=乙醇乙醇xF+水水（1xF）n平均塔温平均塔温为塔塔顶和塔底温度的算和塔底温度的算术平均平均值其中其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi)2.总板效率板效率 Oconnel关联图查得，见关联图查得
8、，见化化工原理工原理书书图8-32精馏精馏塔塔总板效率关板效率关联图，由横坐由横坐标L可求得可求得总板效率板效率E3.实际板数板数NE NE=(N-1)/E，N为理理论板数板数，分，分别算出精算出精馏段和提段和提馏段的段的实际板数板数并并标明加料板的位置。明加料板的位置。三三 塔高、塔径的计算塔高、塔径的计算n物性参数的查找、计算物性参数的查找、计算塔径由精馏塔内各段物料的摩尔流率（或说塔径由精馏塔内各段物料的摩尔流率（或说体积流率）决定的，其影响因素有体积流率）决定的，其影响因素有F F（进料（进料流率）、流率）、R R（回流比）及（回流比）及q q，涉及单位换算，涉及单位换算1、平均分子量
9、的计算平均分子量的计算（1）塔塔顶顶的的平平均均分分子子量量 x1为为与与y1=XD平平衡衡 的的液液相相组组成）成）MVDM=XDM轻组分轻组分+（1XD）M重组分重组分MLDM=x1M轻组分轻组分+（1x1）M重组分重组分（2）进料板的平均分子量）进料板的平均分子量 进进料料板板对对应应的的组组成成Xn 和和yn (进进料料板板对对应应的的组组成成由由逐逐板计算得到，板计算得到，n值各人不同值各人不同)MVFM=ynM轻组分轻组分+（1yn）M重组分重组分MLFM=XnM轻组分轻组分+（1Xn）M重组分重组分1、平均分子量的计算平均分子量的计算（3）塔底的平均分子量（）塔底的平均分子量（y
10、w为与为与xw平衡的气相组成）平衡的气相组成）MVWM=ywM轻组分轻组分+（1yw）M重组分重组分MLWM=xwM轻组分轻组分+（1xw）M重组分重组分（4）精馏段、提馏段的平均分子量）精馏段、提馏段的平均分子量精馏段平均分子量精馏段平均分子量 MLM=(MLDM+MLFM)/2=MVM=(MVDM+MVFM)/2=提馏段平均分子量提馏段平均分子量 MLM=(MLWM+MLFM)/2=MVM=(MVWM+MVFM)/2=2、平均密度的计算、平均密度的计算（1）液相平均密度）液相平均密度查物性数据：查物性数据：易挥发组分密度易挥发组分密度1 Kg/m3 难挥发组分密度难挥发组分密度2 Kg/m
11、3举例：举例：LD1/a1/1+(1-a1)/2 Kg/m3（2）汽相平均密度）汽相平均密度根据塔顶温度根据塔顶温度TD、进料板温度、进料板温度TF及塔底温度及塔底温度TW分别确定精馏段及提馏段的汽相平均密度分别确定精馏段及提馏段的汽相平均密度如：如：TM=（TF+TD）/2 VMPMV/RTM=Kg/m33 3塔的有效高度和板塔的有效高度和板间间距的初距的初选选 板板式式塔塔的的有有效效高高度度是是指指安安装装塔塔板板部部分分的的高高度，可按下式计算：度，可按下式计算：塔板间距，塔板间距，m板间距的初选板间距的初选板板间间距距NT的的选选定定很很重重要要。选选取取时时应应考考虑虑塔塔高高、塔
12、塔径径、物物系系性性质质、分分离离效效率率、操操作作弹弹性性及及塔塔的的安安装装检检修等因素。修等因素。4 塔径的计算塔径的计算计算塔径的方法有两类：计算塔径的方法有两类：1)据适宜空塔气速，求出塔截面积，求出塔径据适宜空塔气速，求出塔截面积，求出塔径2)确定适宜孔速进而求出塔径确定适宜孔速进而求出塔径塔径的计算塔径的计算n初步计算塔径初步计算塔径塔内气体流量塔内气体流量m3/s空塔气速空塔气速m/s允许空塔气速，允许空塔气速，m/s气相和液相的密度，气相和液相的密度，kg/m3气体负荷系数，气体负荷系数，m/s6.10.5筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度）塔的有效高度Z
13、已知：已知：实际塔板数NP；塔板间距HT；选取塔板间距选取塔板间距HT：理论塔板数计算软件塔板间距和塔径的经验关系塔板间距和塔径的经验关系塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+其它其它有效塔高：有效塔高：C：气体负荷因子，与HT、液体表面张力和两相接触状况有关。有关。液泛气速液泛气速两相流动参数两相流动参数FLV：（2）塔径）塔径确定原则：确定原则：防止过量液沫夹带液泛步骤：步骤：先确定液泛气速uf(m/s)；然后选设计气速 u；最后计算塔径D。对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图，C20=(HT、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.
14、10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05筛板塔泛点关联图选取设计气速选取设计气速u选取泛点率：泛点率：u/uf一般液体，易起泡液体，所需气体流通截面积所需气体流通截面积设计气速设计气速u=泛点率泛点率ufADAd计算塔径计算塔径 D塔截面积：塔截面积：A=AT-Ad塔径塔径说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。（3）溢流装置设计）溢流装置设计溢流型式的选择溢流型式的选择依据：依据：塔径、流量；型式型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。降液管形式和底隙降液管
15、形式和底隙降液管：弓形弓形、圆形。降液管截面积：由Ad/AT=0.060.12确定；底隙 hb：通常在3040mm。溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰）作用作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。堰长堰长 lW：影响液层高度。堰高堰高hW：直接影响塔板上液层厚度过小，过小，相际传质面积过小；过大过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：4080mm；减压塔：25mm左右。说明：通常应使溢流强度说明：通常应使溢流强度qVLh/lW不大于不大于100130m3/（m h）。）。或：双流型:单流型：(4)塔板及其布置塔板及其布置受液区和降液区受液区和降液
16、区一般两区面积相等。入口安定区和出口安定区入口安定区和出口安定区其中，E：液流收缩系数，：液流收缩系数，一般可近似取E=1。堰上方液头高度堰上方液头高度hOW：要求：要求：边缘区：边缘区：bcbdbslWrx（5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列筛孔筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率筛板开孔率：单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔板：有效传质区：有效传质区：双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：bcbdbslWrxd0t筛孔直径筛孔直径d0:38mm(一般)。1225mm(大筛孔)孔中心距孔中心距t:(2.55)d0取整。开孔率开孔率:通常为。板厚：板厚：碳钢（34mm）
17、、不锈钢。筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：d0t(6)塔板的校核塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。液沫夹带量校核液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev：kg液体/kg气体，或kmol液体/kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔）e：kg液体/h或kmol液体/h液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：所以说明：说明：超过允许值，可调整塔板间距塔板间距或塔径塔径。ev的计算方法的计算方法：方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。方法2：用Hunt经验公式计算ev。式中Hf为板上泡沫层高度：要求要求：evkg液体/kg气
18、体。塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核塔板阻力：塔板阻力：塔板阻力hf包括以下几部分:（a）干板阻力h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；（b）液层阻力hl气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力h孔口处表面张力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h0d0/C0塔板孔流系数C0孔流系数孔流系数（b）液层阻力）液层阻力hl查图求充气系数查图求充气系数说明：说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率增加开孔率或降低堰高。降低堰高。（c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计）降液管液泛校核降液管液泛校核故塔板阻力：降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度(m)（a）液面落差液面
19、落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时，一般要求：一般要求：0（b b）液体通过降液管阻力液体通过降液管阻力hd包括底隙阻力hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时：无进口堰时：泡沫层高度泡沫层高度要求：要求：说明：说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力减小塔板阻力或增大塔板间距。增大塔板间距。泡沫层相对密度：对不易起泡物系，易起泡物系，液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核目的：目的：避免严重的气泡夹带。停留时间：停留时间：要求：要求：说明：说明：停留时间过小，可增加降液管面积增加降液管面积或增大塔板间距。增大塔板间距。（a）计算严重漏液时干板阻力严重漏液时
20、干板阻力h0（b）计算漏液点气速漏液点气速u0说明：说明：如果稳定系数k过小，可减小开孔率减小开孔率或降低堰高。降低堰高。严重漏液校核严重漏液校核漏液点气速漏液点气速u0：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：稳定系数：要求：要求：过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：ev=（kg液体/kg气体）为限制条件。（6）塔板的负荷性能图）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性 液相下限线液相下限线整理出：规定：严重漏液线（气相下限线）严重漏液线（气相下限线）代入相关公式，如hOW、u0，整理出。液相上限线液相上限线 降液管液泛线降液管液泛线规定：塔板的操作弹性：塔板的操作弹性
21、：或塔径的计算塔径的计算n塔径的圆整塔径的圆整目目前前，塔塔的的直直径径已已标标准准化化。所所求求得得的的塔塔径径必必须须圆圆整整到到标标准准值值。塔塔径径在在1米米以以下下者者，标标准准化化先先按按100mm增增值值变变化化；塔塔径径在在1米以上者，按米以上者，按200mm增值变化增值变化n塔径校核（后面进行）塔径校核（后面进行）四、塔板结构参数的确定四、塔板结构参数的确定塔径初核后，可塔径初核后，可进行塔板的平面布置。行塔板的平面布置。一一般般顺次确定如下一些尺寸和数据：次确定如下一些尺寸和数据：堰堰长安定区安定区宽度度1.堰堰长/塔径（塔径（l/D）2.堰堰长l3.降液管道截面降液管道截
22、面积/塔截面塔截面积（Ad/A）4.塔塔净截面截面积/塔截面塔截面积（An/A，An=A-Ad）5.塔工作面塔工作面积/塔截面塔截面积（Aa/A，Aa=A-2Ad）6.在塔板溢流堰、降液管旁，在塔板溢流堰、降液管旁，应考考虑安定区安定区宽度度WS,它是开孔区与堰之它是开孔区与堰之间的距离；开孔区与塔的距离；开孔区与塔内壁之内壁之间的距离的距离为Wc。7.开孔区面开孔区面积Aa按下式按下式计算：算：8.确定确定筛孔直径孔直径d0及孔中心及孔中心间距距t9.筛孔孔总面面积与开孔区面与开孔区面积之比之比 A0/Aa=0.907(d0/t)2(正三角形排列）正三角形排列）此此值应在在815之之间10.
23、开孔数开孔数n11.堰高堰高hw一般一般筛板塔可取板塔可取12100mm。板。板间距距大者，大者，hw可以取得大一些。可以取得大一些。12.下降管底隙高度下降管底隙高度had不宜不宜过小。小。过小小则液体流液体流出阻力出阻力过大。当然它不能大于大。当然它不能大于hw，一般可取，一般可取为38mm。13.塔板厚度可取塔板厚度可取为24mm。塔径增大，恰当加。塔径增大，恰当加厚。上述的塔板平面布置的各几何尺寸，到目厚。上述的塔板平面布置的各几何尺寸，到目前前为止，止，实际上只是根据上只是根据经验初步初步选取。取。还要要根据下面的水力学校核作出一些根据下面的水力学校核作出一些调整整五、塔板流动性能校
24、核五、塔板流动性能校核1塔板流体力学验算的目的是检验以上初算塔板流体力学验算的目的是检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作。塔板能否正常操作。n验算项目如下：验算项目如下：1）、塔板阻力的计算和）、塔板阻力的计算和校核校核2）、溢流液泛）、溢流液泛3）、液沫夹带量）、液沫夹带量4）、液体在降液管中停留时间校核）、液体在降液管中停留时间校核5）、漏液）、漏液塔板负荷性能图塔板负荷性能图最小液体负荷最小液体负荷线线漏液线漏液线最大液体最大液体负荷线负荷线降液管液泛降液管液泛线线雾沫夹带线雾沫夹带线板式塔的结构板式塔的结构 n塔的总体结构塔的
25、总体结构 附属装置，如除沫器、人（手）孔、基座，有时外部还有扶梯或平台。此外，在塔体上有时还焊有保温材料的支承圈。为了检修方便，有时在塔顶装有可转动的吊柱。n 塔体总高度塔体总高度 HD塔顶空间，塔顶空间，m；HB塔底空间，塔底空间，m；HT塔板间距，塔板间距，m；HT开有人孔的塔板间距，开有人孔的塔板间距，m；HF进料段高度，进料段高度，m；Np实际塔板数；实际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。的人孔）。n塔板结构 塔塔板板类类型型按按结结构构特特点点可可分分为为整整块块式式或或分分块块式式两两种种。一一般般，塔塔径径从从300900mm
26、时时采采用用整整块块式式塔塔板板；当当塔塔径径在在800mm以以上上时时，人人已已能能在在塔塔内内进进行行拆拆装装操操作作，无无须须将将塔塔板板整整块块装装入入。并并且且，整整块块式式塔塔板板在在大大塔塔中中刚刚性性也也不不好好，结结构构显显得得复复杂杂，故故 采采 用用 分分 块块 式式 塔塔 板板；塔塔 径径 在在 800900mm之之间间，设设计计时时可可按按便便于于制制造造、安安装装的的具体情况选定具体情况选定。辅助设备选型辅助设备选型精馏装置的主要附属设备包括：蒸气冷凝精馏装置的主要附属设备包括：蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、物料输器、塔底再沸器、原料预热器、物料输送管及泵等。
27、前三种设备本质上属换热送管及泵等。前三种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。属输送装置。1换热器的选型及校核换热器的选型及校核n蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器选型选型n蒸气冷凝器总传热系数的校核蒸气冷凝器总传热系数的校核2接管直径各各接接管管直直径径由由流流体体速速度度及及其其流流量量，按按连连续续性方程决定，即：性方程决定，即：1、塔顶回流管塔顶回流管2、塔顶蒸汽出口管、塔顶蒸汽出口管3、塔顶产品出口管、塔顶产品出口管4、进料管、进料管5、塔釜出料管、塔釜出料管6、塔釜回流管、塔釜回流管7、塔釜产品出口管、塔釜产品出口管3 泵的选型泵的选型1、进料泵、进料泵给出：流量给出：流量F=m3/hr 扬程扬程H50m选择选择 型号的泵型号的泵2、回流泵、回流泵给出：流量给出：流量F=m3/hr 扬程扬程H30 m从附录选择从附录选择 型号的泵型号的泵设计说明书的内容设计说明书的内容包括包括：设计任务书，目录，设计方案简介，工艺设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。考文献。