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1、- 0 -课程设计指导书筛板精馏塔筛板精馏塔西北民族大学化工学院 王爱军 2007.8- 0 -目录目录绪言（一）课程设计的目的（二）设计说明书的内容及要求（三）课程设计完成的时间一、 精馏塔设计内容和要求二、 精馏塔的设计步骤三、 乙醇水物系主要物性参数四、 参考书目录- 1 -绪言绪言（一）课程设计的目的环境工程原理课程设计是一个综合性的教学环节，它可以达到如下目的：1. 巩固和深化理论知识、拓宽知识面。如精馏装置是生产和科研中常见的典型单元操作之一，它的设计中涉及到环境工程原理课中流体力学、传热、传质及部分机械知识，还要涉及到设备的制造、安装、检修及操作方面的知识。通过设计科将在各门课、
2、各章节中分散学到的知识综合起来分析和解决问题。2. 培养设计能力。在设计中，设计方案的选择、工艺计算、设备形式的选择及尺寸的计算，都要考虑到技术上的可行性及经济上的合理性。通过各种方案的对比、评选，找到最佳方案。3. 培养自学能力。按照任务书的要求，学生必须自己查阅有关参考资料及手册，选择适当的数据、公式，对计算结果要自行判断其正确性。（二）设计说明书的内容及要求设计说明书文字要简练，字迹要工整，各种计算方法要举例说明。所用公式、数据要注明出处。公式及程序中的符号及单位要注明。1.说明书文字部分内容（1）任务书（2）说明书目录（3）精馏方案的说明（4）计算举例（5）计算结果列表说明（6）对本设
3、计的评述及某些问题的讨论（7）符号说明（8）参考书目录2.说明书图示部分内容- 2 -（1）换热器剖面图（三）课程设计完成的时间3 周，其中集中教学 18 课时。- 3 -一、精馏塔设计内容和要求一、精馏塔设计内容和要求精馏装置的主体是精馏塔，还有一些其它附属设备，如原料预热器、塔顶蒸汽冷凝器、冷却器、塔釜再沸器、液体输送泵等，构成一个完整的精馏装置。如图 1 所示。图 1 精馏流程示意图（一）精馏塔工艺设计内容有：1.物料衡算通过全塔物料衡算，确定塔的生产能力。2.精馏塔的工艺尺寸的确定工艺尺寸指塔径和塔高。3.塔板结构设计塔板结构设计包括溢流装置的设计和塔板上传质元件的设计。塔板上传质元件
4、种类很多，如泡罩、浮阀、筛孔等，但它们的设计方法大同小异，故在此仅以筛孔为例。4.热量衡算通过热量衡算，可算出消耗蒸汽用量及冷却水用量。进料泵预热器精馏塔冷凝器再沸器回流泵中间罐- 4 -（二）附属设备选型计算包括：1.再沸器的选型计算2.冷凝器的选型计算3.原料预热器的选型计算4.泵的选型计算如时间有限，在上述换热器种可选一种进行计算即可。二、精馏塔的设计步骤二、精馏塔的设计步骤（一）精馏塔的工艺设计1.精馏方案的选择精馏方案的选择方案的选择包括：安排流程结构、选择所用设备的型式。如再沸器、冷却器、冷凝器、预热器、进料泵、回流泵等。操作条件：确定塔的操作压力、进料状态、回流温度、冷凝器冷却器
5、中冷却介质、再沸器余热其中加热介质等。操作压力的选择：根据混合液的特性、工艺上的要求来确定。如热敏性物料需采用减压精馏，如苯乙烯乙苯的精馏。对常压下呈气态的混合物则应采用加压精馏，如从空气中分离氧和氮。而象乙醇水、甲醇水溶液就可以在常压下精馏。进料状态：进料状态取决于物料的来源。为了精馏塔本身的操作方便，多采用泡点进料，这样不受外界条件的干扰，便于操作。同时，塔的精馏段、提馏段上升蒸汽量变化小，塔的两段直径可以相同，便于设计和制造。但物料温度如果低于泡点，就需要一个预热器。回流温度：回流方式对回流温度有直接的影响。为了便于控制回流比，多采用强制回流，因此多为冷回流。在设计中应考虑冷回流对塔内实
6、际回流量的影响。塔釜的加热方式及加热介质的选择：精馏塔釜可以用电加热、水蒸气加热和其他载体加热。对小型实验装置可考虑用电加热，它便于调节、使用方便。- 5 -实际生产过程中如果温度不超过 180，多采用水蒸气加热，它安全且便于调节。正气加热多采用间接蒸汽加热，只有当塔釜中残液是水或与水不相溶且易于分离的物料，才考虑用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热可以省去一个再沸器。塔顶冷凝器的冷凝方式和冷凝介质的选择：塔顶可以选用分凝器或全凝器。一般塔顶产品在后继工段以气态使用是应用分凝器气相出料。反之，以液相使用时，则用全凝器液相出料。用分凝器时，理论上可将其当一块理论板，回流温度是回流液的泡点温度。采用全凝器
7、时，回流液常被过冷后进入塔内，使塔内上升蒸汽部分冷凝而产生回流。在理论板计算和热量衡算及塔径计算时，应注意到这一点。塔顶冷凝温度不要求低于 30时，工业上多用水冷，冷却水可以是江、河、湖水，如果用自来水就需考虑用循环水，因此冷却水进口温度不仅因气候条件而异，还要注意到冷却水循环系统的出口温度。如果要求冷却到低于 30，就需采用冷冻水或其它冷却剂。在操作条件及流程安排中，首先是根据工艺条件来决定，同时也要从经济上的合理性来考虑。例如釜液温度较高时，可以用来预热原料，以回收部分热能，节省加热介质。又如原料温度较低，可以去冷却塔顶蒸汽，可节省部分冷却剂。2.物料衡算物料衡算对全塔作总物料衡算：（1）
8、WDF对全塔 A 组分作物料衡算：（2）WDFXWXDXF式中：分别为进料、馏出液、残液流率，Kmol/h；WDF,分别为进料、馏出液、残液 A 组分组成，mol%。WDFXXX,通过（1） （2）式可以求出塔顶馏出液及塔釜残液量，即确定出塔的生产能力。如果采用直接蒸汽加热，物料衡算式为：（3）WDFS（4）WDFXWXDXF式中：塔釜加入的直接加热蒸汽流量，Kmol/h。S- 6 -基于恒摩尔流假设，等于塔釜上升蒸汽量。SV3.回流比的选择回流比的选择可以用通常的办法：首先算出最小回流比，然后取，作minRmin(1.1 2)RR为适宜回流比。也可选择若干个回流比，然后计算设备投资费用、操作
9、费用和综合费用，从中选择最为适宜的回流比。4.理论塔板数的计算理论塔板数的计算对理想溶液，可以用相对挥发度关联向平衡关系式，并与操作线方程式联解而得出理论塔板数。对非理想溶液，则可以采用插值法进行计算。对上述两种情况，均可用 yx 图图解法求理论塔板数。5.塔板效率及实际塔板数的计算塔板效率及实际塔板数的计算塔板效率目前仍没有可靠的计算方法。当无实测数据时，可用式（5）估算：（5）0.2450.49()TmE 式中：相对挥发度（以塔顶、塔底平均温度计） ；对乙醇水物系，算出的塔板效率更接近实际数据。顶釜分别为以塔顶馏出液组成及塔釜液组成算出的相对挥发度。顶釜、miix进料液中任意组分的摩尔分率
10、；ix任意组分的液体粘度，cp（以塔顶、塔顶平均温度计） 。i实际板数为：（6）TTNNE式中：理论板数（不包括塔釜） ；TN实际板数。N- 7 -6.塔径的初步计算塔径的初步计算塔径的大小是根据在塔中上升的蒸汽量m3/s和蒸汽通过塔时的允许气速SVm/s所决定的。气体体积流量除以允许气速即得塔的有效截面积，即满足下u式：（7）S nVAu式中：塔的有效截面积，m2；nAnTfAAA塔的横截面积，m2；TA降液管面积，m2；fA塔内上升蒸汽量，m3/sSV允许气速， m/s。u在精馏过程中，塔内不同截面上升蒸汽的密度不同，所以求出的也是不SV同的。一般精馏段内采用塔顶状态下的数值，而提馏段采用
11、塔底状态下的数值。如果算出的塔径不同时，可以去较大者或者上下两段用异径塔。用（7）式算出塔径后，应按照容器的标准直径加以圆整。允许气速必须低于泛点气速，两者之比称为泛点百分率。泛点百分率一般可取 0.650.85，即：。(0.65 0.85)Fuu泛点气速可用下式计算：Fu（8）LV F VuC 式中：液体的密度，kg/m3；L蒸汽的密度，kg/m3；V负荷系数。C负荷系数与液体表面张力、塔板间距、气体和液体的流量和密度均有关。C液体表面张力为 20 达因/厘米时负荷系数的值可由图 2 查得。20C- 8 -SL LV SVLFV 图 2 筛板塔的泛点关联图图中：液体的体积流率，m3/s；SL
12、蒸汽的体积流率，m3/s；SV塔板间距，mTH当所处理的混合液表面张力值与 20 达因/厘米相差较大时，从图 2 查得的要用下式折算成表面张力为时的值。20CC（9）0.2 20()20CC塔板间距的大小，直接影响上升蒸汽中雾沫夹带量的多少。塔板间距TH大时，汽液分离空间较大，小的液滴有可能相互碰撞形成大的液滴而沉降下来。这样，在相同的气速下，雾沫夹带量少。但是塔板间距大，塔的总高度会增加，因此不能过分加大板间距，以免增加设备投资，所以必须全面考虑，不可片面。塔板间距大小的确定还应考虑物料的性质，如物料容易起泡或不清洁需要经TH常检修时，塔板间距还应大些。通常可根据表 1 初选塔板间距。塔板间
13、距随着塔径的增大而增加。应当指出，初步选取塔板间距时，塔径还是未知的，所以应先估计一个塔径范围，然后选塔板间距再根据塔径计算。表 1 不同塔径时的塔板间距塔径，米0.30.50.50.80.81.61.62.02.04.0塔板间距，毫米200300300350350450400600500700- 9 -7.溢流装置的设计溢流装置的设计溢流装置的设计，主要取决于溢流堰的高度，wh降液管尺寸、降液管底至塔板间的距离等。参oh见图 3。（1）液流程数有溢流的塔板上液体在板上横向流过，它必须克服塔板上各种元件及鼓泡气体的阻力，所以进口端的液面必须高于出口端的液面，要在板上形成液面落差。液面落差太大，
14、气体通过塔板就不均匀。这时液面低处气体通过较多，液面高出气体通过较少。这种气体分布不均匀的状态，会降低塔板效率。液面落差太大时，气体甚至会走短路。为了减小液面落差，可以缩短液体走过的路程。因此当液量很大或塔径很大时，就要采用双流型。如图 4 所示为塔板上液流的两种流动型式。图（a）为单流型，也称为径向流。这时，液体从上一块塔板的降液管进入塔板的受液盘，板上液体从一侧向另一侧径向流过整个塔板，通过降液管而流入下一块塔板。图（b）为双流型，也称为半径向流。当塔径较大或液体量较大时，为了降低液面落差，将液体分成两路，即从两侧降液管流入下一块塔板。液体在塔板上径向流过板块塔板，在塔板中央通过降液管进入
15、下一块塔板。当塔径大于 22.4 米或液流量大于110 米3/小时时，可考虑采用双流型。lwwdHTlwhwhowhl图 3 溢流装置- 10 -（2）降液管尺寸经液管的形式一般有圆形、弓形等，目前生产中多采用弓形降液管。降液管必须保证泡沫在管内有一定的时间能够分离，通常控制液体在管内停留时间大于35 秒，或是降液管中液体流速低于 0.1 米/秒。对于易起泡沫的物料，液体在降液管中停留时间应长些。弓形降液管的特征尺寸为弦长，因为弓形降液管wl的弦长即为溢流堰长，所以也叫溢流堰长。对于单流wl型塔板溢流堰长取塔径的 0.60.8 倍，而对双流型塔wl板溢流堰总长取塔径的 1.21.4 倍。wl对
16、于弓形降液管可根据溢流堰长与塔径之比由图 5 查得之比之wlD/fTAA后，求出。TA（3）溢流堰高从图 3 可以看出清液层高度为；Lh（10）Lwowhhh式中：溢流堰高，m；wh（a） （b） 图 4 有溢流的塔板上液流程数图 5 弓形的宽度与面积- 11 -溢流堰上液头高度，简称堰液头，m。owh溢流堰高直接影响塔板上清液层高度。清液层高增高时，气体通过whLhLh板上液体的时间增加，气液接触时间增加，这对传质有利。但清液层高过高Lh了，气体通过液层的阻力加大，造成塔板压将大。同时，由于液层高，雾沫夹带量也会加大，漏液量也会加大，这些又都是不利的。所以对筛板塔而言，取 50100mm，真空操作时塔板
