板式精馏塔设计1

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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n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；n用简洁文字和图表表达设计结果；n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n设计方案简介n主要设备的工艺设计计算 n板式塔的结构 n辅助设备的选型n主要设备的工艺条件图 n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 要求在设计说设计说 明书书上画出流 程简图简图 。n塔顶顶冷凝装置根据生产产情况以决定采用 分凝器或全凝器。一般，塔顶顶分凝器对对 上升蒸汽虽虽有一

2、定增浓浓作用，但在石油 等工业业中获获取液相产产品时时往往采用全凝 器，以便于准确地控制回流比。若后继继 装置使用气态态物料，则则宜用分凝器。（二） 操作压强的选择n精馏馏操作可在常压压、减压压或加压压下进进行。操 作压压强常取决于冷凝温度。n一般，除热热敏性物料以外，凡通过过常压压蒸馏馏 不难实现难实现 分离要求，并能用江河水或循环环水 将馏馏出物冷凝下来的系统统，都应应采用常压压蒸 馏馏；对热对热 敏性物料或混合液沸点过过高的系统统 则则宜采用减压压蒸馏馏；对对常压压下馏馏出物的冷凝 温度过过低的系统统，需提高塔压压或采用深井水、 冷冻盐冻盐 水作为为冷却剂剂；而常压压下呈气态态度物 料必

3、须须采用加压压蒸馏馏。（三） 进料热状况的选择n原则则上，在供热热量一定的情况下，热热量 应应尽可能由塔底输输入，使产产生的气相回 流在全塔发挥发挥 作用，即宜冷进进料。但为为 使塔的操作稳稳定，免受季节节气温影响， 精、提馏馏段采用相同塔径以便于制造， 则则常采用饱饱和液体（泡点）进进料，但需 增设设原料预热预热 器。若工艺艺要求减少塔釜 加热热量避免釜温过过高、料液产产生聚合或 结结焦，则应则应 采用气态进态进 料。（四）加热方式（四）加热方式n蒸馏馏大多采用间间接蒸汽加热热，设设置再沸器。 有时时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏馏釜残液中的 主要成分是水，且在低浓浓度下轻组轻组 分的相对对 挥

4、发挥发 度较较大时时（如乙醇与水混合液）宜用直 接蒸汽加热热，其优优点是可以利用压压强较较低的 加热热蒸汽以节节省操作费费用，并省掉中间间加热热 设备设备 。但由于直接蒸汽的加入，对对釜内溶液起 一定的稀释释作用，在进进料条件和产产品纯纯度、 轻组轻组 分收率一定的前提下，釜液浓浓度相应应降 低，故需在提馏馏段增加塔板以达到生产产要求。二元连续连续 板式精馏馏塔的工艺计艺计 算n物料衡算n实际实际 塔板数的确定n塔高和塔径的计计算n塔板结结构参数的确定n塔板流动性能校核一、物料衡算一、物料衡算n全塔物料衡算间间接加热时热时 ： F=D+W FxF= DxD+WxW 可以解出F,W。二二 实际塔

5、板数的确定实际塔板数的确定1.确定理论板数 可以采用图解法或逐板计算法. n平衡数据n回流比n精馏段操作线n加料线n提馏段操作线相关说明n平均挥发挥发 度的求法:nav的计计算: 平均粘度由乙醇和水在平均 温度下的粘度线线性加和得到 av= 乙醇xF+ 水（1xF） n 平均塔温为为塔顶顶和塔底温度的算术术平均 值值其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi)2.总总板效率 Oconnel关联图查得，见化 工原理书图图8-32精馏塔总总板效率关联图联图 ，由横坐标标L可求得总总板效率E 3.实际实际 板数NE NE=(N-1)/E，N为为理论论板 数，分别别算出精馏馏段和提馏馏段的实际实际 板

6、 数并标标明加料板的位置。三 塔高、塔径的计算n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+（1Xn）M重组分1、 平均分子量的计算（3）塔底的平均

7、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、进料板温度TF及塔底温度TW 分别

8、确定精馏段及提馏段的汽相平均密度 如：TM=（TF+TD）/2VMPMV/RTM= Kg/ m33塔的有效高度和板间间距的初 选选 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： 1)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塔径的计算n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/s6.10.5 筛板塔化工设计计算（1）

9、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)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070

10、.010.10.090.06 0.05筛板塔泛点关联图 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 ufADAd 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

11、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：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：bcbdbs lWrx（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

12、液管塔板： 有效传质区： 双流型弓形降液管塔板：bcbdbslWrxd0t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）、不锈钢。 筛孔气速：筛孔数：d0t(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

13、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h0d0/C0塔板孔流系数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

14、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

15、 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： 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n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n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，可进进行塔板的平面布置。 一 般顺顺次确定如下一些尺寸和数据：堰长长安定区宽宽度1.堰长长/塔径（l/D）2.堰长长l 3.降液管道截面积积/塔截面积积（Ad/A）4.塔净净截面积积/塔截面积积（An/A，An=A-Ad）5.塔工作面积积/塔截面积积（Aa/A，Aa=A-2Ad）6.在塔板溢流堰、降液管旁，应应考虑虑安定区宽宽 度WS,它是开孔区与堰之间间的距离；开孔区与 塔内壁之间间的距离为为Wc。7.开孔区面积积Aa按下式计计算：8.确定筛筛孔直径d0及孔