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1、板式塔（筛板塔）设计v精馏方案选定v相平衡关系v工艺计算v塔和塔板主要尺寸的设计v塔体总高及辅助装置1. 精馏方案选定方案选定是指确定整个精馏设备的流 程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：（1）满足工艺要求；（2）操作平稳、易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。 1.1 操作压力精馏可在常压、加压或减压 下进行。 沸点低、常压下为气态的物料必须选用加压精馏；热敏性、高沸点 物料常用减压精馏。1.2 进料状态一般将料液预热到泡点或接近泡点后送入塔内。这样可使：(1)塔的操作比较容易控制；(2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相 近， 塔径相似，设计制造比较方便。1.3 加热方式 （
2、1）间接蒸汽加热（2）直接蒸汽加热适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混 合物。优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的 蒸 汽进行加热。操作费用和设备费用均 可降低。2. 相平衡关系2.1 图查取操作压力下的气相摩尔分率 和相应的液相摩尔分率 ，标绘 图 。2.2 相对挥发度对于理想物系 饱和蒸汽压可直接由手册查取，或由Antoine方程计 算。全塔平均相对挥发度 分别为塔顶、加料、塔底组成的 相对挥发度。汽液相平衡关系： 3. 工艺计算 3.1 物料衡算物料衡算的任务（1）由设计任务所给定的F、 求D、W（2） 在q和R选定后，计算（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程精馏段： 提馏段： 3.
3、2 回流比的选定选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最 低， 同时应考虑到操作时的调节弹性。选择方法：（1） 参考生产现场所提供的回流比数据；（2） 回流比取最小回流比Rmin的1.22倍；（3） 先求最少理论板数 Nmin , 以理论板数为Nmin的两倍求取回流比R；（4） 作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲 线图上确定合适的回流比R。3.3理论板数的确定（1）若物系符合恒摩尔流假定，可用逐 板计算法或图解法求取理论板数NT及理论加料板位置。（2）对于非恒摩尔流物系，应在焓浓 度图上图解求取理论板数。3.4实际塔板数的确定3.4.1 实际塔板数及实际加料板位置的确定塔釜为一块理论板式
4、中 N 塔内实际板数NT 理论板数ET 全塔总效率式中 Nm 实际加料板位置NR 精馏段理论板数由于在计算中引用了诸多简化假定，Nm与 实际情况有一定偏差。所以在设计时可在Nm的上下各多设一个加料口，待开车调试时再确定最佳 实际加料板位置。3.4.2塔板效率的估计塔板效率与物系性质、塔板结构及操作条件 等众多因素有关，尚无精确的计算方法。常用的估计方法有：（1）参考生产现场同类型的塔板、物系性质 相同（或相近）的塔板效率数据。（2）（3）朱汝瑾公式（4）Van Winkle 关联（5）AIChE 法Oconnell关联图ET 全塔效率 塔顶、塔底平均 温度下的相对挥发 度 液体平均粘度，mNs
5、/m2; 温度以 塔顶、塔底平均温 度计；组成以进料 组成计。图 1 精馏塔全塔效率关联图3.5 热量衡算目的：确定再沸器的热负荷和冷凝器的冷却负荷。 塔顶蒸汽带出热量Qv=VIv (I 焓，kJ/kg)塔底产品带出热量Qw=WIw 进料带入热量 QF=FIF 回流带入热量 QL=LIL 塔釜加热量 QB 设备热损失 Qn0.1QB总热量衡算 Qv+Qw+Qn=QL+QF+QB QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF) 塔顶冷凝器带走的热量 QC塔顶产品带走的热量 QD = DID冷凝器热量衡算 QV = QC+QD+QL塔顶冷凝器冷却负荷 QC = QV-QD-QL若为恒摩尔流，塔顶全凝，泡点
6、回流且热损失很小 ，则可化简计算：QBQC = Vrc式中rc 组成为 的混合液的平均气化热rb 组成为 的混合液的平均气化热。 4. 塔和塔板主要尺寸的设计4.1 塔和塔板设计的主要依据 进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是： 汽相 流量 VS ( m/s ), 密度 V ( kg/m ) 液相 流量 LS ( m/s ), 密度 L ( kg/m ) 表面张力 （ mN/m ） 注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板 上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下 ： (1) 若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为 代表进行设计. (2) 若V、L变化较大，应分段处
7、理，各段分别取平均值 进行设计。4.2塔板的设计参数筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅）： （1）塔板直径D； （2）板间距HT； （3）溢流堰的型式，长度 和高度 hw； （4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho ； （5）液体进、出口安定区的宽度Ws、Ws ,边缘 区宽度Wc； （6）筛孔直径do,孔间距t。图 2图 2 筛板的板面布置及主要尺寸4.3 筛孔塔板的设计程序 塔板设计的基本程序是：（1）选择板间距和初步确定塔径；（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必要，需对某些结构参数加以调整。4.3.1板间距的选择和塔径的初步
8、确定一、板间距的选择 HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系理论上，存在一个经济上最佳的HT；实际上，HT的选择常取决于制造和维修的方便，可参 考下表选择。表 1 不同塔径的板间距参考表塔径D/mm80012001400240026006600板间距TH/mm300、350、400、 450、500400、450、500、550、 600、650、700450、500、550、600、 650、700、750、800二、塔径计算 HT选定之后，可根据夹带液泛条件初步确定D。具体方法是 ： (1)计算液泛速度 式中 气体负荷因子，m/s；可由 查取 液相表面张力，mN/m 气、液相密度，kg /
9、m 注意： 是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降液 管面积（AT Af ）为依据计算的。图 3图 3 筛板塔的泛点关联图(2) 确定泛点百分率泛点百分率可取为0.8 0.85；对易起泡物系可取为0.75。泛点百分率确定后，便可计算出 。( 3) 确定液流型式和液流型式可由 确定的选取与液体流量L及系统发泡情况有关 。 单流型： = 0.6 0.8双流型： = 0.5 0.7对易发泡的物质： 可取得高一些当液流型式和 确定后，降液管面积Af 和塔 板总面积AT之比可由 求得。表 2图 4 表 2 选择液流型式的参考表塔径/m液体流量（m/h) U形流型单流型双流型阶梯流 型 1.0 0.1
10、kg液体/kg干气，可增大塔径或 板间距使ev下降。图 8图 8 液沫夹带关联图三、溢流液泛条件的校核 为避免发生溢流液泛，必须满足式中相对泡沫密度 与物系的发泡性有关 ： 对一般物系， 可取为0.5；对不易发泡物 系 可取为0.60.7; 对于容易发泡物系， 可取为0.30.4。 降液管内清液高度 其中hw已选定，hf , how前已算出，其余二项分别 计算如下： (a) 液面落差对筛板塔，液面落差通常可忽略不计。 (b) 降液管阻力 主要集中于降液管出口，可由下式计算四、液体在降液管内停留时间的校核为避免严重的气泡夹带现象，通常规定 液体在降液管的停留时间不小于35s,即 对易起泡物系，可
11、取其中较高数值。五、 漏液点的校核 为使塔板具有足够的操作弹性，通常要求设计孔 速uo与漏液点孔速uow之比不小于1.52.0，即k称为筛板的稳定系数漏液点的干板压降hd 或 漏液点孔速uow与板上当量 清液高度hc有关，Davies 和Gordon对hd和hc进行了 关联，结果如右图所示。图 9 筛板漏液点关联图图中hc为漏液点当量清液高度，可由下式计算式中： 气体的动能因子， 以面积（AT -2Af）计算的漏液点气 速，m/s。 利用上式和图 9可以试差求出漏液点的干板压降和 相应的孔速 。 若算出的k 值太小，可减少开孔率 和降低堰高hw 。4.3.4负荷性能图对一定物系和一定的塔结构，
12、必相应有一个适 宜的气液流量范围。该范围即为塔板负荷性能图 所包围的区域。图 10 筛板塔的负荷性能图V/(m/h)图中线1为过量液沫夹带线。其位置通常是以液沫 夹带量ev=0.1kg液体/kg干气为依据确定的。图中线2为漏液线。其位置可根据漏液点气速确定 。图中线3为溢流液泛线。该线可根据溢流液泛的产 生条件确定。 图中线4为液量下限线。其位置可根据how=6mm确 定。图中线5为液量上限线。其位置可根据液体在降液 管中停留时间不小于35s确定。负荷性能图对于现有塔的操作、塔板的改造和设计 有一定的指导意义。5.塔体总高及辅助装置 5.1塔体总高度 塔总高度（不包括裙座）由下式决定 H =
13、HD+(N2S)HT+SHT+HF+HB 式中H 塔高（不包括裙座），m 塔顶空间，mHT 塔板间距，m 开有人孔的塔板间距，m 进料段高度，m 塔底空间，mN 实际塔板数 人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔） HDHTHF HBS塔顶空间的作用是供安装塔板和开人孔的 需要，也使气体中的液滴自由沉降，减少塔 顶出口气体中液体夹带。一般HD取1.0 1.5m。 HT应大于或等于600mm。 一般HF要比HT大，有时要大一倍，以保 证防冲设施的安装。 塔底空间具有中间贮槽的作用，釜液在 此应有1015分钟的储量。 对于易结垢、结焦的物料每隔46块板 开一个人孔；对于较清洁的物料，可每隔8 1
14、0板开一个人孔。人孔直径一般450 550mm。5.2接管尺寸5.2.1塔顶蒸汽管式中 Vs 汽相流量，m/s; 蒸汽速度，m/s。常压操作取1220m/s。5.2.2回流管dR式中 Lh 回流液量，kg/h;L 液相密度，kg/m; 液相在回流管内速度，m/s。重力回流取0.20.5m/s; 强制回流取1.52.5m/s。5.2.3进料管df式中 F 进料量，kg/h; 进料管内流速，一般取0.40.8m/s;由泵输送时取1.52.5m/s。 5.2.4 塔釜出料管dw式中 W 塔釜出料量，kg/h; 塔釜出料速度，一般取0.5 1.0m/s 注意：所有计算所得尺寸均应圆整到相应规格的 管 径。 5.3 回流冷凝器5.3.1 回流型式（1）小型塔冷凝器可安装在塔顶，冷凝液由重 力作用回流入塔。（2）大型塔冷凝器安装在地面或平台上，回流 液由泵输送，即强制回流。冷凝器常采用管壳式换热器，一般认为卧式壳 程冷凝较好。5.3.2 工艺计算回流冷凝器的工艺计算内容包括： (1)按工艺要求决定冷凝器的热负荷QR，选择冷却剂、 冷却剂进出口温度并计算冷却剂用量； (2)初估设备尺寸，由平均温度tm和经验的总传热系 数K,计算所需的传热面积A，并由此选择标准型号的 冷凝器或自行设计； (3)复核传热面积，对已选型号或自行设计的设备计算 实际的总传
