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1、,板式精馏塔课程设计,课程目的,先修课程的综合训练，培养工程能力的训练掌握化工设计的基本程序和方法；学会查阅技术资料、选用公式和数据；用简洁文字和图表表达设计结果；用CAD制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练。,设计主要内容,设计方案简介主要设备的工艺设计计算 板式塔的结构 辅助设备的选型主要设备的工艺条件图 设计说明书的编写,对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述,设计方案的确定,（一）装置流程的确定要求在设计说明书上画出流程简图。,塔顶冷凝装置根据生产情况以决定采用分凝器或全凝器。一般，塔顶分凝器对上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油等工业中获取液相产品时往往采用全
2、凝器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。,（二）操作压强的选择,精馏操作可在常压、减压或加压下进行。操作压强常取决于冷凝温度。一般，除热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态度物料必须采用加压蒸馏。,（三）进料热状况的选择,原则上，在供热量一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温影
3、响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则常采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器。若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高、料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。,（四）加热方式,蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残液中的主要成分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉中间加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。,二元连续板式精馏塔的工艺计算,
4、物料衡算实际塔板数的确定塔高和塔径的计算塔板结构参数的确定塔板流动性能校核,一、物料衡算,全塔物料衡算 间接加热时：F=D+W FxF=DxD+WxW 可以解出F,W。,二 实际塔板数的确定,1.确定理论板数 可以采用图解法或逐板计算法.平衡数据回流比精馏段操作线加料线提馏段操作线,相关说明,平均挥发度的求法:,av的计算:平均粘度由乙醇和水在平均温度下的粘度线性加和得到 av=乙醇xF+水（1xF）平均塔温为塔顶和塔底温度的算术平均值,其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi),2.总板效率 Oconnel关联图查得，见化工原理书图8-32精馏塔总板效率关联图，由横坐标L可求得总板效率E3
5、.实际板数NE NE=(N-1)/E，N为理论板数，分别算出精馏段和提馏段的实际板数并标明加料板的位置。,三 塔高、塔径的计算,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（或说体积流率）决定的，其影响因素有F（进料流率）、R（回流比）及q，涉及单位换算,1、平均分子量的计算,（1）塔顶的平均分子量 x1为与y1=XD平衡 的液相组成）MVDM=XDM轻组分+（1XD）M重组分MLDM=x1M轻组分+（1x1）M重组分（2）进料板的平均分子量 进料板对应的组成Xn 和yn(进料板对应的组成由逐板计算得到，n值各人不同)MVFM=ynM轻组分+（1yn）M重组分MLFM=XnM轻组分+
6、（1Xn）M重组分,1、平均分子量的计算,（3）塔底的平均分子量（yw为与xw平衡的气相组成）MVWM=ywM轻组分+（1yw）M重组分MLWM=xwM轻组分+（1xw）M重组分（4）精馏段、提馏段的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 MLM=(MLWM+MLFM)/2=MVM=(MVWM+MVFM)/2=,2、平均密度的计算,（1）液相平均密度查物性数据：易挥发组分密度1 Kg/m3 难挥发组分密度2 Kg/m3举例：,LD1/a1/1+(1-a1)/2 Kg/m3,（2）汽相平均密度,根据塔顶温度TD、进料板
7、温度TF及塔底温度TW分别确定精馏段及提馏段的汽相平均密度如：TM=（TF+TD）/2 VMPMV/RTM=Kg/m3,3塔的有效高度和板间距的初选,板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：,塔板间距，m,板间距的初选板间距NT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。,4 塔径的计算,计算塔径的方法有两类：据适宜空塔气速，求出塔截面积，求出塔径确定适宜孔速进而求出塔径,塔径的计算,初步计算塔径,塔内气体流量m3/s,空塔气速m/s,允许空塔气速，m/s,气相和液相的密度，kg/m3,气体负荷系数，m/s,6.10.5 筛板塔化工设计
8、计算（1）塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 NP；塔板间距 HT；,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,塔体高度：有效高+顶部+底部+其它,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。,液泛气速,两相流动参数 FLV：,（2）塔径 确定原则：防止过量液沫夹带液泛 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),选取设计气速 u 选取泛点率：u/uf 一般液体，0.6 0.8 易起泡液体，0.5 0.6,所需气体流通截面积,设计气速 u=泛点率
9、 uf,计算塔径 D,塔截面积：,A=AT-Ad,塔径,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 溢流型式的选择 依据：塔径、流量；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：弓形、圆形。降液管截面积：由Ad/AT=0.06 0.12 确定；底隙 hb：通常在 30 40 mm。,溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,堰长 lW：影响液层高度。,堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，相际传质面积过小；过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：40 80 mm；减压塔
10、：25 mm 左右。,说明：通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于100130 m3/（mh）。,或：,双流型:,单流型：,(4)塔板及其布置 受液区和降液区 一般两区面积相等。入口安定区和出口安定区,其中，E：液流收缩系数，一般可近似取 E=1。,堰上方液头高度 hOW：,要求：,边缘区：,（5）筛孔的尺寸和排列 筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率：,单流型弓形降液管塔板：,有效传质区：,双流型弓形降液管塔板：,筛孔直径 d0:3 8 mm(一般)。12 25 mm(大筛孔)孔中心距 t:(2.55)d0 取整。开孔率:通常为 0.08 0.12。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈
11、钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d0,t,(6)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：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。,ev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：ev 0.1 kg 液体/kg气体。,塔板阻力的计算和校核
12、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h0,C0 孔流系数,（b）液层阻力 hl,查图求充气系数,说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率或 降低堰高。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）,降液管液泛校核,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度(m),（a）液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时，,一般要求：0.5h0,（b）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：,泡沫层高度,要
13、求：,说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或 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 目的：避免严重的气泡夹带。,停留时间：,要求：,说明：停留时间过小，可增加降液管面积 或 增大塔板间距。,（a）计算严重漏液时干板阻力 h0,（b）计算漏液点气速 u0,说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。,严重漏液校核 漏液点气速 u0：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：,要求：,过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：ev=0.1（kg 液体/kg气体）为限制条件。,（6）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性,液相下限线,整理出：,规定：
14、,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,降液管液泛线,规定：,塔板的操作弹性：或,塔径的计算,塔径的圆整目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在1米以下者，标准化先按100mm增值变化；塔径在1米以上者，按200mm增值变化塔径校核（后面进行）,四、塔板结构参数的确定,塔径初核后，可进行塔板的平面布置。一般顺次确定如下一些尺寸和数据：,堰长,安定区宽度,1.堰长/塔径（l/D）2.堰长l 3.降液管道截面积/塔截面积（Ad/A）4.塔净截面积/塔截面积（An/A，An=A-Ad）5.塔工作面积/塔截面积（Aa/A，Aa=A-2Ad）6
15、.在塔板溢流堰、降液管旁，应考虑安定区宽度WS,它是开孔区与堰之间的距离；开孔区与塔内壁之间的距离为Wc。,7.开孔区面积Aa按下式计算：8.确定筛孔直径d0及孔中心间距t 9.筛孔总面积与开孔区面积之比 A0/Aa=0.907(d0/t)2(正三角形排列）此值应在815之间,10.开孔数n 11.堰高hw 一般筛板塔可取12100mm。板间距大者，hw可以取得大一些。12.下降管底隙高度had不宜过小。过小则液体流出阻力过大。当然它不能大于hw，一般可取为38mm。13.塔板厚度可取为24mm。塔径增大，恰当加厚。上述的塔板平面布置的各几何尺寸，到目前为止，实际上只是根据经验初步选取。还要根
16、据下面的水力学校核作出一些调整,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径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作。验算项目如下：1）、塔板阻力的计算和校核 2）、溢流液泛 3）、液沫夹带量 4）、液体在降液管中停留时间校核 5）、漏液,塔板负荷性能图,最小液体负荷线,漏液线,最大液体负荷线,降液管液泛线,雾沫夹带线,板式塔的结构,塔的总体结构 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。塔体总高度,HD塔顶空间，m；HB塔底空间，m；HT塔板间距，m；HT开有人孔
17、的塔板间距，m；HF进料段高度，m；Np实际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。,塔板结构 塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从300900mm时采用整块式塔板；当塔径在800mm以上时，人已能在塔内进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得复杂，故采用分块式塔板；塔径在800900mm之间，设计时可按便于制造、安装的具体情况选定。,辅助设备选型,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，管线和泵属输送装置。,1换热器的选型及校核,蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器选型蒸气冷凝器总传热系数的校核,2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：,1、塔顶回流管 2、塔顶蒸汽出口管3、塔顶产品出口管 4、进料管5、塔釜出料管 6、塔釜回流管7、塔釜产品出口管,3 泵的选型,1、进料泵给出：流量F=m3/hr 扬程H50m选择 型号的泵2、回流泵给出：流量F=m3/hr 扬程H30 m从附录选择 型号的泵,设计说明书的内容,包括：设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。,
