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2、要求,课程设计指导概述,一、课程设计意义与要求,课程设计指导概述,二、课程设计基本内容,课程设计指导概述,设计内容,封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）,目录,设计任务书,设计方案简介；,设计条件及主要物性参数表,工艺设计计算；,辅助设备的计算及选型；,设计评述,设计结果汇总表,工艺流程图及设备工艺条件图,参考资料,设计说明书,课程设计指导概述,三、课程设计步骤,课程设计指导概述,动员和布置任务,绘图和编写说明书,设计计算,阅读指导书和查阅资料,考核和答辩,2,1,3,4,5,第二节 板式精馏塔设计,1 设计原则与步骤,2 理论塔板数的确定,3 塔板效率和实际塔板数,4 结构设计
3、,5 塔高及辅助设备,课程设计指导板式精馏塔设计,设计实例1,设计实例2,筛板塔化工设计计算 （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 ：,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
4、/ 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 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 l
5、W ：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：,（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
6、：,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：,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：
7、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
8、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
9、 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：, 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,第三节 填料吸收塔设计,1 设计任务, 在单位时间所应处理的气体总量；, 气体组成；, 被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度；, 所使用的吸收液；,课程设计指导填料吸收塔设计, 操作温
10、度和压力。,课程设计指导填料吸收塔设计,2 设计过程,课程设计指导填料吸收塔设计,2.1吸收流程的确定 2.2填料的选择 2.3基础物性数据 2.4物料衡算 2.5填料塔的工艺尺寸的计算 2.6填料层压降计算 2.7塔内辅助装置的选择和计算,2.1 吸收流程的确定,课程设计指导填料吸收塔设计,根据气、液两相流动方向的不同，分为逆流操作和并流操作两类，工业上常采用逆流操作。,一般需对吸收后的溶液继以脱吸，使溶剂再生，循环使用。因此，需一个完整的吸收-脱吸流程。,2.1 吸收流程的确定,课程设计指导填料吸收塔设计,1-吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔,2.2 填料的选择,课程设计指导填料
11、吸收塔设计,长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。,2.2 填料的选择,课程设计指导填料吸收塔设计,拉西环,鲍尔环,阶梯环,环,按填料结构及其使用方式可以分为散堆填料和规整填料。,课程设计指导填料吸收塔设计,填料的性能评价,填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如下表所示的结论。,课程设计指导填料吸收塔设计,填料种类的选择,填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考
12、虑以下几个方面： (1) 传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料 (2) 通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料 (3) 填料层的压降要低 (4) 填料抗污堵性能强，拆装、检修方便,课程设计指导填料吸收塔设计,填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。 散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。 同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。 而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。 因此，对塔径与
13、填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。,填料规格的选择,课程设计指导填料吸收塔设计,填料规格的选择,（2）规整填料规格的选择 国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格， 同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。 选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。 应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类
14、型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。,课程设计指导填料吸收塔设计,2.3 基础物性数据,液相物性数据 气相物性数据 气液相平衡数据,课程设计指导填料吸收塔设计,液相物性数据,对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯溶剂的物性数据。 密度： 粘度： 表面张力： 扩散系数：,课程设计指导填料吸收塔设计,气相物性数据, 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度： 混合气体的粘度，查手册 扩散系数,课程设计指导填料吸收塔设计,气液相平衡数据, 亨利系数 相平衡常数 溶解度系数,课程设计指导填料吸收塔设计,2.4 物
15、料衡算,物料衡算与吸收操作线方程 吸收剂用量对操作线的影响 最小液气比,课程设计指导填料吸收塔设计,2.5 填料塔的工艺尺寸的计算,2.5.1. 填料塔塔径的计算 泛点气速的计算 塔径的计算及校核 2.5.2. 填料层高度的计算 2.1气相总传质单元高度的计算 2.2气相总传质单元数的计算,课程设计指导填料吸收塔设计,2.5.1. 填料塔塔径的计算,填料塔的直径D与操作空塔气速u及气体体积流量Vs之间存在以下关系： 式中：D 塔径，m; Vs气体体积流量，m3/s; u 操作空塔气速，m/s,课程设计指导填料吸收塔设计,（1）散堆填料泛点气速的计算,常用埃克特（Eckert）泛点气速关联图进行
16、计算，该关联图是以X为横坐标，以Y为纵坐标进行关联的。其中：,（2）规整填料泛点气速的计算,匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社.2002.1:263265,对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5-0.85 对于规整填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.6-0.95,课程设计指导填料吸收塔设计,Ecket泛点关联图,课程设计指导填料吸收塔设计,塔径的计算及校核,塔径的计算：,塔径的圆整：,单位：mm,课程设计指导填料吸收塔设计,（1）泛点率校核,（2）填料规格校核,课程设计指导填料吸收塔设计,（3）液体喷淋密度校核,填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为：,式中：U液体喷淋密度，m3/(m2h); Lh液体喷淋量，m3/h; D填料塔直径，m,
