塔板式精馏塔设计图文表.docx
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塔板式精馏塔设计图文表
合用标准文案
（一）设计方案的确定
本设计任务为乙醇-水混杂物。
设计条件为塔顶常压操作，对于二元混杂物的分别，应采用连续精馏流程。
酒精精馏与化工精馏过程不同样点就在于它不但是一个将酒精浓缩的过程，而且还担负着把粗酒精中50多种挥发性杂质除去的任务，所以浓缩酒精和除去杂质的过程在酒精工业中称为精馏。
物料中的杂质基本上是在发酵过程中生成的，可是很少许的杂质是在蒸煮和蒸馏过程中生成的。
本次设计的精馏塔用板式塔，内部装有塔板、降液管、各种物料的进出口及隶属结构（如全凝器等）。
其余，在塔板上有时还焊有保温资料的支撑圈，为了方便检修，在塔顶还装有可转动的吊柱。
塔板是板式塔的主要构件，本设计所用的塔板为筛板塔板。
筛板塔的突出优点是结构简单造价低，合理的设计和合适的操作能使筛板塔满足要求的操作弹性，而且效率高，而且采用筛板可解决拥堵问题，还能够合适控制漏液。
设计中采用泡点进料，将原料液经过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。
该物系属不易分别物系，最小回流比较小，采用其1.5倍。
设计中采用图解法求理论塔板数，在溢流装置选择方面选择单溢流弓形降液管。
塔釜采用间接蒸汽加
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合用标准文案
热，塔顶产品经冷却后送至储罐。
（二）精馏塔的物料衡算
1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
乙醇的摩尔质量M乙醇=46kg/kmol
纯水的摩尔质量M水=18kg/kmol
0.35/46
xF=0.35/460.65/18
0.9/46
xD=0.9/460.1/18
xW=0.995/46
2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
M=0.174×46＋18×
kg/kmol
F
M=0.779×46＋18×
kg/kmol
D
M=0.002×46＋18×
kg/kmol
W
3.物料衡算
48000000
D=39.81224300=167.454kmol/h
F=D+W
｛F·xF=D·xD+W·xW
解得F=756.464kmol/h
W=589.01kmol/h
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合用标准文案
（三）塔板数的确定
1.回流比的选择
由任务书供应的乙醇-水物系的气液平衡数据绘出x-y图；
由于设计中采用泡点式进料，q=1，故在图中对角线上自点a（xD,xD）作垂线，与Y轴截距oa=xD/（Rmin
即最小回流比Rmin=xD
取比率系数为1.5，故操作回流比R为×
2.精馏塔的气液相负荷的计算
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合用标准文案
×167.454=220.369kmol/h
×167.454=387.823kmol/h
L’=L+qF=220.369+756.464=976.833kmol/h
V’=V+（q-1）F=V=387.823kmol/h
3.操作线方程
精馏段操作线方程为
R
1
1
y=R
1x+R
1xD=
1x+1.3161×
即：
提馏段操作线方程为
RD
qF
F
D
y=（R1）D
（1q）Fx-（R
x
1）D
（1q）F
W
=
x-
×
即：
4.采用图解法求理论塔板数
合用标准文案
总理论塔板层数NT=13
进料板地址NF=第10层
5.全塔效率的计算
查上图可知，tD=78.43oCtW=99.53oC
t平均=tDtW=88.35oC
塔顶P乙醇=101.749KPaP水=44.607KPa
α顶
塔底P乙醇=222.502KPaP水=99.754KPa
α底
α平均=α顶α底
平均温度下μA=0.38mPa·sμB=0.323mPa·s
μL=xAμA+（1-xA）
μ=0.079×0.38+（1-0.079）×0.323=0.327mPa·s
B
查蒸馏塔全塔效率图，横坐标为α
平均
μ
L
可查得ET=52％
6.本质板层数求取
精馏段本质板层数N精=9/0.52=17.31≈18
提馏段本质板层数N提≈8
（四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
1.操作压力计算
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合用标准文案
塔顶操作压力PD=101.3KPa
单板压降△P=0.7kPa
进料板压力PF=0.7×18+101.3=113.9kPa
塔底操作压力PW=101.3+0.7×26=119.5kPa
精馏段平均压力Pm=（101.3+113.9）/2=107.6kPa压力Pm=（113.9+119.5）/2=116.7kPa
2.操作温度计算
计算全塔效率时已知
塔顶温度
D
o
C
进料板温度tF=83.75oC
W
o
C
塔底温度
精馏段平均温度
mDF
o
C
t=（t+t
提馏段平均温度
mWF
o
C
t=（t+t
3.平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算
由xD=y1=0.779查上图可得x1
MVDm=0.779×46+（1-0.779）×18=39.812g/mol
MLDm=0.741×46+（1-0.741）×18=38.748g/mol进料板平均摩尔质量计算tf=83.74oC
由yF查上图可得xF
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合用标准文案
MVFm=0.518×46+（1-0.518）×18=32.504g/molMLFm=0.183×46+（1-0.183）×18=23.124g/mol
精馏平均摩尔质量
MVm=（MVDm+MVFm）/2=36.158g/mol
M=（M+M）/2=30.936g/mol
Lm
LDm
LFm
4.平均密度计算
气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即
VmPMv
3
ρ
=RT=
273.15）=1.321kg/m
液相平均密度计算
液相平均密度依1/ρLm=∑αi/ρi
计算
塔顶液相平均密度计算
D
o
乙醇
=740kg/m
3
水
=972.742kg/m
3
C时ρ
ρ
LDm
1
3
ρ
=（0.9/7400.1/972.742）=758.14kg/m
进料板液相平均密度计算
F
o
C时ρ
乙醇
=735kg/m
3
ρ
水
=969.363kg/m
3
ρ
LFm
1
3
=（0.364/735
0.636/969.363）=868.554kg/m
塔底液相平均密度计算
W
o
C时ρ
乙醇
=720kg/m
3
ρ
水
=958.724kg/m
3
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合用标准文案
1
3
ρLWm=（0.005/7200.995/958.724）=957.137kg/m
精馏段液相平均密度计算
ρLm=（ρLFm+ρLDm）/2=（758.14+868.554）/2=813.347kg/m
3
提馏段液相平均密度计算
ρ=（ρ+ρ）
kg/m
LmLFmLWm
3
5.液体平均表面张力计算
液体平均表面张力依σLm=∑xiσi计算
塔顶液相平均表面张力计算
t=78.43时σ
乙醇
=62.866mN/m
σ
水
=17.8mN/m
D
σLDm××62.886=84.446mN/m
进料板液相平均表面张力计算
t=83.75时σ
乙醇
=61.889mN/m
σ
水
=17.3mN/m
F
σLFm××61.889=53.729mN/m
塔底液相平均表面张力计算
t=99.53时σ
乙醇
=58.947mN/m
σ
水
=15.9mN/m
W
σLWm××58.947=58.732mN/m
精馏段液相平均表面张力计算
σLm=（84.446+53.729）/2=69.088mN/m
提馏段液相平均表面张力计算
σLm=（58.732+53.729）/2=56.231mN/m
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合用标准文案
6.液体平均粘度计算
液体平均粘度依lgμLm=∑xilgμi计算
塔顶液相平均粘度计算
t=78.43C时μ
乙醇
·s
μ
=0.455mPa·s
D
o
水
lgμLDm
μLDm=0.436mPa·s
进料液相平均粘度计算
C时μ
乙醇
·s
μ
=0.415mPa·s
F
o
水
lgμLFm
μLFm=0.353mPa·s
塔底液相平均粘度计算
tW=99.53oC时μ乙醇·sμ水=0.335mPa·s
lgμLWm
μLWm=0.285mPa·s
精馏段液相平均粘度计算
μLm=（0.436+0.353）/2=0.395mPa·s
提馏段液相平均粘度计算
μLm=（0.285+0.353）/2=0.319mPa·s
（五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1.塔径的计算
精馏段的气液相体积流率为
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合用标准文案
VS=VM=2.949m3/s
3600ρ
LS=LM=0.0023m3/s
3600ρ
查史密斯关系图，横坐标为
Lh（ρl）
12=
Vhρv
1/2
（1.321）
取板间距HT=0.45m，板上液层高度hL=0.06m，
则HT-hL=0.39m查图可得C20
由C=C（
σL
）
=0.08（69.088/20）
20
20
=2.554m/s
u=C（ρ-ρ）/
ρ
V
max
L
V
取安全系数为0.7，则空塔气速为
u=0.7umax=1.788m/s
s
=1.39m
D=4V/πu=
按标准塔径元整后D=1.4m
T
2
㎡
塔截面积A=（π/4）×
本质空塔气速为
2.精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为Z精=（N精-1）HT=7.65m
提馏段有效高度为Z提=（N提-1）HT=3.15m在进料板上方开一人孔，其高度为1m故精馏塔的有效高度为
Z=Z精+Z提+1=7.65+3.15+1=11.8m
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合用标准文案
（六）塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流装置计算
因塔径D=1.4m，可采用单溢流弓形降液管
堰长lW=0.7×1.4=0.98m
2.溢流强度i的校核
3
i=Lh/lW=0.0023×3600/0.98=8.449≤100~130m/h·m
故堰长吻合标准
W
3.溢流堰高度h
平直堰堰上液层高度
h=
E（L/l
）
2/3
ow
1000
h
W
由于L不大，经过液流缩短系数计算图可知
E近似可
h
取E=1
how=×1×（Lh/lW）2/3=0.0119m
1000
hW=hL-how=0.06-0.0119=0.0481m
4.降液管尺寸计算
查弓形降液管参数图，横坐标lW
可查得Af/AT=0.093Wd
故AfT=0.143㎡Wdd=0.211㎡
留管时间θ=3600ATHT/LH=27.64s＞5s吻合设计要求
5.降液管底隙高度ho
’
hO=Lh/3600lWu0×0.08=0.03m
hW-hO=0.0481-0.03=0.0181m＞0.006m
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合用标准文案
6.塔板部署
塔板的分块D=1400mm＞800mm，故塔板采用分块式。
分为4块。
边缘区宽度确定Ws=Ws’=0.065m,Wc=0.035m
开孔区面积计算
x=D/2-（Wd+Ws）=1.4/2-（0.211+0.065）=0.414mr=D/2-Wc
a
（r
2
2
2
-1
㎡
故A=2（x
-x）+πr/180sin
筛孔计算及其排列
本例所办理的物系无腐化性。
可采用δ=3mm碳钢板，
取筛孔直径d=5mm。
孔中心距t=3d=3×5=15mm
筛孔数2=5369个
开孔率φ=0.907（d2/t2）=10.1％
气体经过阀孔的气速为
V
u0=A==30.541m/s
（七）筛板的流体力学验算
1.塔板压降
干板阻力hc计算由
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合用标准文案
hc=0.051（U）2（ρv
Cρl
气体经过液层阻力hl
ua=Vs/（AT-Af）=2.944/（1.539-0.143）=2.112m/s
Fo=2.112=2.428查充气系数关系图得β=0.55hl=βhL=β（hW+hOW）=0.55（0.0119+0.0481）=0.033m液
柱
液体表面张力所产生的阻力
h计算
σ
h
σ
=4σ
/ρgd=4×56.231/（813.347×9.81×
L
L
hp=hp+hl+hσ=0.124+0.033+0.00524=0.162m液柱
每层塔板压降
Pp=hpρL×813.347×9.81=0.65KPa＜
2.液沫夹带
f
L
h=2.5h=2.5×0.06=0.15m
v
＜
故e=56231（2.112/（0.45-0.06））
本设计中液沫夹带在赞同范围内
3.漏液
筛板塔中，漏液点气速
0,min
o
Lσ
L
V
=7.714m/s
-h
）ρ
/ρ）
本质孔速u0=30.541m/s＞u0,min
牢固系数K=u0/u0,min＞
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合用标准文案
故本设计中无明显漏液
4.液泛
Φ（HT+hw×（0.45+0.0481）=0.249m液柱
Hd=hp+hL+hd=0.162+0.06+0.001=0.223m液柱
Hd≤Φ（HT+hw）
故在本设计中不会发生液泛现象
（八）塔板负荷性能图
1.漏液线
Vs,min=0.367（4.071+54.119Ls2/3）
操作范围内任取
s
s
值，列表以下
L
值，算出V
Ls
V
s
2.液沫夹带线
s
s2/3
V=2.895-14.828L
操作范围内任取
s
s
值，列表以下
L
值，算出V
Ls
V
s
3.液相负荷下限线
h
ow
s
W
2/3
=1000E（3600L/l
）
L
s,min
×1000/2.84）
3/2
3
m/s
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合用标准文案
4.液相负荷上限线
以θ=4s作为液体在降液管中停留时间的下限
θ=AfHT/Ls=4
Ls,max=AfHT/4=0.143×3/s
5.液泛线
2
2
2/3
s
s
a
操作范围内任取
s
s
值，列表以下
L值，算出V
L
s
V
s
6.负荷性能图
依据各线方程绘图如上,上限为液沫夹带控制，下限为漏液控制。
读图可得：
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合用标准文案
Vs,max=2.673m3/sVs,min=0.789m3/s
故操作弹性为
Vs,max/Vs,min
（九）精馏塔接收尺寸计算
1.塔顶蒸汽出口管
选uo=20m/sVD=387.823kmol/h
M=39.812g/mol
ρ=PM/RT=1.38kg/m
3
VDm
VDm
DVDm
D
q=VM=15440kg/hq
=q/ρ=3.11m
/s
mVDm
vm
VDm
3
v
o
=445mm
D=（4q/
πu）
2.进料管
uF=1.6m/s
在35％乙醇—水溶液在45℃下密度ρ=927kg/m3MFm=46×0.174+18×（1.0.174）=21.072g/mol
F=756.464kmol/h
q
=FM=4.428kg/s
mFFm
vF
-3
3
D=（4q
vF
F
=62mm
×10
m/s
/πu）
3.回流管
u=1.6m/s
M=39.812g/mol
L=220.369kmol/h
m
q=ML=2.44kg/s
ρ=758.14kg/m3
mm
v
-3
3
D=（4q
v
/πu）
=51mm
×10
m/s
4.塔釜出料管
uw=1.6m/s
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合用标准文案
MLWm=18.056g/molW=589.01kmol/h
ρ=957.37kg/m3qm=MLWmW=2.95kg/s
qv=qm/ρ=3.08×10-3m3/sD=（4qv/πuw）=50mm
（十）计算结果一览表
序号
项目
数值
1
平均温度，℃
2
平均压力，kPa
3
气相流量，m3/s
4
液相流量，m3/s
5
本质塔板数
26
6
有效段高度，m
7
塔径，m
8
板间距，m
9
溢流形式
单溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰长，m
12
堰高，m
13
板上液层高度，m
14
堰上液层高度，m
15
降液管底隙高度，m
16
平定区宽度，m
17
边缘区宽度，m
18
开孔区面积，㎡
19
筛孔直径，m
20
筛孔数目
5369
21
孔中心距，m
22
开孔率，％
23
空塔气速，m/s
24
筛孔气速，m/s
25
牢固系数
26
每层塔板压降，Pa
650
27
负荷上限
液沫夹带控制
28
负荷下限
漏液控制
29
液沫夹带
30
气相负荷上限,m3/s
31
气相负荷下限,m3/s
32
操作弹性
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合用标准文案
（十一）塔主体设备图
合用标准文案
（十二）谈论与谈论
整个设计过程，准备阶段确定设计方案。
第一进行精
馏塔物料衡算，进而确定塔板数。
此后对精馏塔的工艺条
件及有关物性数据计算，进一步对精馏塔塔体工艺尺寸进
行计算。
接着对筛板的流体力学验算接着做塔板复合性能
图，接着对精馏塔接收尺寸计算，最后画主体
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