板式精馏塔的设计.docx
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板式精馏塔的设计
化工原理课程设计
–––––板式精馏塔的设计
太原理工大学化工学院
化学工程教研室编
1
绪论.....................................................................................................................................
4
第一节
概述.............................................................................................................
8
1.1
精馏操作对塔设备的要求......................................................................................
8
1.2
板式塔类型..................................................................................................................
8
1.2.1
筛板塔................................................................................................................
9
1.2.2
浮阀塔................................................................................................................
9
1.3
精馏塔的设计步骤....................................................................................................
9
第二节
设计方案的确定..................................................................................
10
2.1
操作条件的确定......................................................................................................
10
2.1.1
操作压力..........................................................................................................
10
2.1.2
进料状态.........................................................................................................
10
2.1.3
加热方式..........................................................................................................
10
2.1.4
冷却剂与出口温度...........................................................................................
11
2.1.5
热能的利用.......................................................................................................
11
2.2
确定设计方案的原则..............................................................................................
11
第三节
板式精馏塔的工艺计算................................................................
12
3.1
物料衡算与操作线方程........................................................................................
12
3.1.1
常规塔.............................................................................................................
12
3.1.2
直接蒸汽加热.................................................................................................
13
第四节
板式塔主要尺寸的设计计算....................................................
14
4.1
塔的有效高度和板间距的初选...........................................................................
15
4.1.1
塔的有效高度..................................................................................................
15
4.1.2
板间距的初选..................................................................................................
15
4.2
塔径
............................................................................................................................
15
4.2.1
初步计算塔径..................................................................................................
16
4.2.2
塔径的圆整......................................................................................................
16
2
4.2.3
塔径的核算.....................................................................................................
17
第五节
板式塔的结构........................................................................................
17
5.1
塔的总体结构..........................................................................................................
17
5.2
塔体总高度...............................................................................................................
18
5.2.1
塔顶空间HD.....................................................................................................
18
5.2.2
人孔数目..........................................................................................................
18
5.2.3
塔底空间HB......................................................................................................
20
5.3
塔板结构...................................................................................................................
20
5.3.1
整块式塔板结构..............................................................................................
20
第六节
精馏装置的附属设备......................................................................
20
6.1
回流冷凝器...............................................................................................................
20
6.2
管壳式换热器的设计与选型...............................................................................
21
6.2.1
流体流动阻力（压强降）的计算.....................................................................
21
6.2.2
管壳式换热器的选型和设计计算步骤...........................................................
22
6.3
再沸器........................................................................................................................
23
6.4
接管直径....................................................................................................................
24
6.4
加热蒸气鼓泡管......................................................................................................
25
6.5
离心泵的选择..........................................................................................................
25
3
绪论
一、化工原理课程设计的目的和要求
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程
及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选
择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复
的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以，课程设计是培养学生独立工作
能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能
力；
2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的
劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3.迅速准确的进行工程计算的能力；
4.用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
二、化工原理课程设计的内容和步骤
（一）课程设计的基本内容
1.设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；
2.
主要设备的工艺设计计算
包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工
艺尺寸计算及结构设计；
3.
典型辅助设备的选型和计算
包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号
规格的选定；
4.
带控制点的工艺流程简图
以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料
流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；
5.主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；
完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。
说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：
（1）封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）；
（2）目录；
（3）设计任务书；
（4）设计方案简介；
（5）设计条件及主要物性参数表；
（6）工艺设计计算；
（7）辅助设备的计算及选型；
4
（8）设计结果汇总表；
（9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；
（10）工艺流程图及设备工艺条件图；
（11）参考资料。
（二）课程设计的步骤
1.动员和布置任务；
2.阅读指导书和查阅资料；
3.现场调查；
4.设计计算,绘图和编写说明书；
5.考核和答辩。
整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。
论述应该条理清晰，观点明确；计算要
求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
设计后期的答辩，及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心得和扩大收获的重要过程。
答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。
个别答辩的目的不
仅是对学生进行全面考核，更主要的是促进学生开动脑筋,提高设计水平。
所以，在个别答辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。
公开答辩是在个别答辩的基础上，选出
几个有代表性的学生在全班公开答辩，实际上是以他们的中心发言来引导全班性的讨论，目的是交流心得、探讨问题和扩大收获。
三、带控制点的工艺流程图的绘制
带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。
工艺流程图绘制范围如下：
必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备；
1.应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向；
2.冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽（不包括副产品蒸汽）及蒸汽冷凝液系统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意工艺设备使用点的进出位置；
3.标出有助于用户确认及上级或有关领导审批用的一些工艺数据（例如:
温度、压力、
物流的质量流量或体积流量、密度、换热量等）；
4.包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署；
5.必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符及调节阀等。
这里指的控制点符
包括被测变量的仪表功能（如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集中,
就地仪表等）。
流程图的绘制步骤如下：
1.用细实线（0.3mm）画出设备简单外形，设备一般按1:
100或1:
50的比例绘制，如某
种设备过高（如精馏塔），过大或过小，则可适当放大或缩小；
2.常用设备外形可参照图0-1所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外形，表明设备的特征即可；
3.用粗实线（0.9mm）画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头；
5
4.物料平衡数据可直接在物料管道上用细实线引出并列成表；
5.辅助物料管道（如冷却水、加热蒸汽等），用中粗实线（0.6mm）表示；
6.设备的布置原则上按流程图由左至右，图上一律不标示设备的支脚、支架和平台等，一般情况下也不标注尺寸。
工艺物料的介质代码自行编制，一般以分子式及其编写字母表示。
辅助物料如公用系统介质代号规定如表0-1。
表0-1辅助物料和共用系数介质代号
代号
中文名称
代号
中文名称
W
水
S
蒸汽
BW
锅炉给水
HS
高压蒸汽
BR
盐水
LS
低压蒸汽
BRR
盐水回水
MS
中压蒸汽
BRS
盐水补给水
C
冷凝液
CW
（循环）冷却水
PWW
生产废水
CWR
（循环）冷却回水
CS
化学污水
RW
冷却水
RW
冷冻回水
（用于零度以上）
图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表
0-2。
表0-2
单元设备分类代号
单元设备
代号
单元设备
代号
现场装置,基础,混凝土构件
A
炉子
B
转化器,反应器,再生器
D
换热器
C
槽、储罐
F
塔
E
泵、压缩机、风机、驱动机和鼓风机
J
管道
M
特殊装置
L
电气
N
仪表
Q
四、主体设备工艺条件图
主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发
中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备（板式塔和填料塔），干燥中的干燥器等。
一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某
一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。
例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。
泵、压缩机等也有类似情况。
主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。
图面上应包括如下内容:
1.设备图形指主要尺寸（外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸）、接管、人孔等；
6
图0-1流程图设备外形图例
7
2.技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒
性和爆炸危险性；
3.设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。
应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。
完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。
这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。
第一节概述
1.1精馏操作对塔设备的要求
精馏所进行的是气（汽）、液两相之间的传质，而作为气（汽）、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气（汽）、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。
但是，为了满
足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：
（１）气（汽）、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。
（２）操作稳定，弹性大，即当塔设备的气（汽）、液负荷有较大范围的变动时，仍能在
较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。
（３）流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从
而降低操作费用。
对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。
（４）结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。
（５）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。
（６）塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。
不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。
1.2板式塔类型
气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。
精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832年），其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如
S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。
目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前
8
400～660N/m2。
两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。
1.2.1筛板塔
筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
（１）结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的
60％，为浮阀塔的
80％左
右。
（２）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加
10～15％。
（３）塔板效率高，比泡罩塔高
15％左右。
（４）压降较低，每板压力比泡罩塔约低
30％左右。
筛板塔的缺点是：
（１）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（２）操作弹性较小（约2～3）。
（３）小孔筛板容易堵塞。
1.2.2浮阀塔
浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。
这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。
但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。
浮阀塔广泛用于精
馏、吸收以及脱吸等传质过程中。
塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。
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