筛板式精馏塔的设计.docx

1、筛板式精馏塔的设计筛板式精馏塔的设计化工原理教研室化工原理课程设计指导书 筛板式精馏塔的设计贵州工业大学化工原理教研室 孙礼运 编目录前言 2一、概述 2二、精馏系统工艺流程的确定 3三、物料衡算 3四、塔板数计算 3 1、理论塔板数的确定 2、总板效率估计 3、计算实际塔板数五、塔板结构的工艺设计 5 1、初选塔板间距 2、塔径计算 3、塔板上溢流型式的确定 4、塔板布置 5、塔板各部分面积和对应气速计算六、塔板流体力学校核 10 1、板上溢流强度检查2、气体通过塔板的压力降计算3、液面落差校核 4、漏液点气速校核 5、降液管内液面高度和液体停留时间校核七、塔板负荷性能图 12 1、负荷性能

2、图的绘制 2、塔板结构设计评述八、塔总体结构 13 1、塔高的计算 2、接管 3、人孔和手孔九、精馏塔附属设备选型设算 18参考资料 18附录 1、乙醇水溶液的密度 182、乙醇水溶液汽液平衡数据（常压） 19 3、乙醇水蒸汽在沸腾条件下的密度 20 4、苯、甲苯的密度、表面张力和汽化潜热 205、总传热系数（列管换热器）的大致范围 206、乙醇水混合物的热焓 21化工原理课程设计任务书 前言 化工原理课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生工程设计能力的一次基本训练，它要求学生按照课程设计任务书的要求，完成一项化工设备的设计工作，通过设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，同时

3、在以下几个方面得到训练、培养和提高： 1. 综合应用化工原理课程及有关先修课程的基本知识去分析和解决实际问题的能力。 2. 查阅技术资料、选用计算方法、计算公式和收集数据的能力。 3. 树立正确的设计思想，懂得工程设计应兼顾技术上的先进性、经济上的合理性和操作上的安全可靠性。 4. 用层次清楚的计算，辅以必要而简洁的文字说明和清析的图表来表达设计结果的能力。 5. 工程制图的能力。课程设计结果要求编写成“设计说明书”，绘制相应的工艺流程图和主体设备图。 设计说明书的内容一般应按如下项目编写 1. 设计任务书。 2. 目录。 3. 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论

4、述。 4. 设计计算过程： 工艺计算及主体设备的设计计算。包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主体设备结构和工艺尺寸的设计计算等。 辅助设备的选型计算。通过计算选定典型辅助设备的规格型号。 5. 图纸： 工艺流程图。以单线条的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料走向、物流量、能流量和主要测量点。 主体设备工艺条件图。图面应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。 6. 设计结果汇总。分表列举各流股物料量、能耗指标、主要操作参数、主体设备工艺尺寸以及辅助设备的规格、型号和数量等。 7. 设计结果评述。 8. 参考资料。 本课程设计指导书根据化工原理教学大纲的要求，对给定化工单元操作典型

5、设备的设计计算，给学生提示了设计计算步骤，指导计算方法，并提供了部分计算公式和数据，作为对课堂教学内容的补充。设计计算中需要用到的大部分计算公式和数据应由学生自己查阅有关资料。一、概述 塔设备是实现精馏、吸收、解吸和萃取等化工单元操作的主要设备，它可以使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。因此，塔设备在化工过程中有时也用来实现气体的冷却、除尘、增湿或减湿等。 最常用的塔设备可分为两大类：板式塔和填料塔。此外，还有多种内部装有机械运动构件的搭，例如脉动塔和转盘塔等，则主要用于萃取操作。 板式塔按其塔盘结构，填料塔按所用填料的不同，又各细分为多种塔型。 不管是何种塔型

6、，除了首先要能使气（汽）液两相充分接触，获得较高的传质效率外，还希望能综合满足下列要求： （1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带及液泛等破坏正常操作的现象。 （2）操作稳定，操作弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定操作 （3）流体流动阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。以节省动力消耗，降低操作费用。对于减压蒸馏，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。 （4）结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 （5）耐腐蚀，不易堵塞，方便操作、调节和检修。 事实上，任何一种塔型都难以全面满足上述要求，而只能在某些方面具有独特之

7、处。但是，对于高效率、大生产能力、稳定可靠的操作和低压降的追求，则推动着塔设备新结构型式的不断出现和发展 筛板塔是板式塔中较早出现的塔型之一，它综合具有结构简单、制造维修方便、生产能力大（可比浮阀塔大），塔板效率较高（比浮阀塔稍低），压降小等优点。不足之处是操作弹性较小，筛孔也容易堵塞，使用曾一度受到限制。但是近几十年来，经大量工业规模研究，逐步掌握了筛板塔性能，并形成了较完善的设计方法，还开发了大孔径筛板（孔径可达2025mm）、导向筛板等型式，使筛板塔的不足得到补救，即合理的设计可以保证较高的操作弹性（仅稍低于泡罩塔）。现在，筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型之一。 二元物系精馏用筛板塔

8、的工艺设计，主要包括精馏系统工艺流程的确定、物料衡算、塔板数的计算、塔板结构工艺设计、热量衡算和附属设备的选型计算等项。二、精馏系统工艺流程的确定根据原料液状况和工艺要求决定进料热状况、塔底釜液的加热方式、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案和换热器的类型等，确定系统的工艺流程。对所确定的方案，编写说明书时应有必要的论证。三、物料衡算根据工艺条件进行物料衡算，以确定塔顶馏出液量D和塔底残液量W，并分别用kg/h、kmol/h、m3/h和m3/s等单位表达，便于后续计算中采用。四、塔板数计算1、理论塔板数N的确定可以采用逐板计算法或直角梯级图解法来确定理论塔板数。逐板计算法较为准确，但手算比较麻烦，

9、提倡采用计算机辅助设计。图解法较为简便，但作图误差较大，尤其是对于需要塔板较多的场合。 采用图解法求解理论塔板数，在图解时，应将yx图绘制足够大，以减小误差。若操作线与平衡线在部分线段过于靠近，直角梯级过于密集，可以采用局部放大的方法另绘一图对此部分进行图解，以避免整体图过大。不管采用哪种方法，都要注意处理物料系统是否理想溶液，非理想溶液的汽液平衡关系与理想溶液有较大差别，在寻求最小回流比和计算最少理论板数具体方法都将有所不同。适宜回流比R的选定是理论塔板数N设计的关键，一般可按如下步骤进行： （1）在yx坐标图上绘出汽液平衡曲线，图解求出最小回流比Rmin。 （2）计算最少理论塔板数Nmin

10、：对理想溶液可用芬斯克（Fenske）公式计算；对非理想溶液可在yx坐标图上，以对角线作为全回流操作线图解求得Nmin。 （3）选取58个不同的回流比R，用吉利兰（Gilliland）关联图分别求得与之对应的理论塔板数N，然后在直角坐标上标绘NR关系曲线，如图l，阴影区域的R值可视为最佳回流比范围，在此范围内选取一个R值作为实际回流比。 以上对二元物系精馏的处理方法，基于“恒摩尔流”等一些简化假设。在编写说明书时，应对有关假设用于设计的二元物系可能带来的误差作出必要的说明和论证。 实际回流比R确定以后，就可以算精馏段和提馏段的上升蒸气量V、V及回流液体量L、L，可分别以kg/h，kmol/h、

11、m3/h和m3/s等单位表达，以便后续计算中使用。2、总板效率估计 总板效率受物系的性质、塔板结构和操作条件等影响，一般按下述三种方法之一来确定： （1）参考工厂同类塔型相同或相近物系的精馏操作的总板效率数据。 （2）实验进行相关研究，获取经验数据。 （3）采用简化经验计算法。例如使用“奥康内尔（OConnell）蒸馏塔效率关联图”。 3、计算实际塔板数Ne。五、塔板结构的工艺设计 精馏塔精馏段和提馏段的上升蒸汽量V与V、下流液体量L与L，因进料热状况而不一定相同，即精馏段与提馏段的气、液相负荷不一定相同。另外，各块塔板上汽液浓度沿板序而变化，泡、露点不同，汽、液物性数据也不一样。因此，作塔板

12、结构设计时就要确定以哪一块板上的条件作为设计的依据，一般可以塔顶第一块板为设计基准。必要时，可以取精馏段和提馏段各一块板作设计基准，分别进行设计计算，这样就可能获得精馏段与提馏段塔径不同、结构参数有别的设计结果。但为制造方便通常还是采用同一塔径，仅在流速变化较大或用高合金钢制造的场合才有必要采用不同塔径。一块筛孔塔板完整的工艺设计必须确定的主要结构参数有： （1）塔板直径D； （2）板间距HT； （3）溢流堰的型式，长度lw和高度hw； （4）降液管的型式，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，边缘区宽度We； （6）筛孔直径do，孔间距to。 筛板搭的各种性能是

13、由上述各结构参数共同决定的，因此，这些参数不是完全独立的，而是通过液泛、液沫夹带、漏液、板压降等流动现象相互关联的。在设计时，要对所选定的结构参数进行各种水力学校核，并作必要的调整，以获取一个较好的方案。 塔板的设计可按如下步骤进行： 1、初选塔板间距HT 板间距对塔的液沫夹带量和液泛气速有重要的影响。在一定的气液负荷及塔径条仵下，适当增加板间距，可减少液沫夹带量，且不易发生液泛，从而提高了操作负荷的上限。但是，塔板间距与塔高直接相关，其值不宜过大。 实际上，板间距的选择常常取决于安装和检修的方便，要保证足够的空间高度。在开人孔处，板间距不应小于600mm。 表1 给出了筛板塔不同塔径所推荐的

14、板间距，可供参考。表1 筛板塔的塔板间距塔径Dmm800 12001400 24002600 6600板间距HTmm300、350、400 450、500 400 、450、500、550 600、650、700 450、500、550、600650、700、750、800 2、塔径D的计算 塔径和塔高是塔设备工艺设计最基本的参数。通常，确定塔板数时的误差没有确定塔径时的误差那么大。而且塔一旦建立起来，如果塔板数不适当，尚可以调节操作获得部份的补偿，可是塔径却不能再改变了。因此，确定塔径要留有余地。 （1）塔径初算 利用筛板搭的泛点关联图和气体负荷参数计算液泛气速uF； 根据uF初定一个操作空

15、塔气速u； 由u计算塔径D； 参考表1，检查D与HT是否相适应，如果二者不相适应，应调整HT，重新计算D。 对调整计算后的塔径D要按规定圆整到系列值，然后再以圆整后的塔径D去计算实际操作气速u。 规范塔径的公称直径有400、450、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600， 等。 （2）塔径的核算检查液沫夹带量 利用液沫夹带分率关联图由液气流动参数FLG和液泛分率估计出液沫夹带分率，一般不宜超过0.10，最高只能为0.15。如果过大，就需要加大塔径，即调小实际操作的空塔气速，或者加大板间距，然后重新估计液沫夹带分率。从经济上看，加大板间距（即增加了塔高）往

16、往比增加塔径有利。 3、塔板上溢流型式的确定溢流型塔板，液体流动须克服板上气液接触元件所引起的阻力，形成液面落差。于是气体较多地从塔板上低液位处通过，影响气流均匀分布，降低塔板效率。 筛板塔形成的液面落差较小，这一因素的影响不大。但是液流在塔板上能否均匀分布仍很重要，特别是当液流量较小或塔径较大时，因此，仍需注意正确设计液体流型。 可以按表2综合考虑塔径与液体负荷的关系，决定塔板上的液体流型。 表2 板上溢流型式与塔径、液体负荷关系塔径mm液体流量m3/hU形流型单流型双流型阶梯流型60010001200140015002000240030004000500057991011525459707

17、011801111011110110110110111601101801102001102301102502003002303502504004、塔板布置 首先确定降液管型式。常用降液管型式为弓形降液管，只有在塔径较小时才采用圆形降液管。 对于单流型弓形降液管的塔板，如图2所示，其各结构参数，可参考筛板塔塔板结构参数尺寸数据的推荐范围，逐次确定。 （1）筛孔孔径do孔径的大小直接影响塔板操作性能。在开孔率、空塔气速和液流量相同的条件下增大孔径，虽可减小板压降，不易阻塞，但漏液量增大，操件弹性降低。一般在液相负荷低的小塔中，筛孔孔径采用do=46mm，塔径大时可采用do812mm，有特殊要求时，

18、也可采用do2.23mm的小孔。（2）筛孔中心距to和开孔率。为使气液接触良好和最大限度地利用塔板面积，筛孔一般采用正三角形排列，这时孔径do、孔中心距to和开孔率之间的关系为：孔中心距to，一般推荐值为 ，而以最合适。当时，气流互相干扰，容易出现液面晃动和倾流；过大则鼓泡不均匀。 开孔率是影响筛板性能的重要因素，因它直接关系到筛孔动能因数。在相同的空塔气速下，开孔率大则动能因数小。如动能因数过小，塔板气液接触将呈鼓泡状态，漏液量大，塔板效率低。动能因数过高，气液接触呈部分喷射状态，液沫夹带量增加，亦降低塔板效率。泡沫工况操作时，要求按工作区截面积计算的开孔率为510%；喷雾工况操作时，开孔率

19、可提高到12%以上。（3）筛板厚度tp在塔板结构强度、刚度许可的条件下，应尽可能选用较薄的板材制作筛板，这不仅可以降低干板压降，而且可以改善气液接触状态。筛孔用冲压加工制造的筛板，其厚度：对于碳钢tpdo；对于不锈钢tp，否则加工困难。因此，筛板厚度的选取范围为tp=（0.40.8）do。（4）溢流堰长lw 溢流堰具有保持塔板上一定的液层高度和促使液流均匀分布的作用。常用的溢流堰长为1w=(0.680.76)D。溢流堰过长则堰上溢流强度低，由于塔板构件的安装误差，液体越堰时分布不匀；堰长不够则堰上液流强度高，堰上液头大，影响塔板操作的稳定性，也不利于液流中的气液分离。堰上液流强度Li按下式计算

20、：式中 液体的体积流量，m3/h。堰上液流强度最好是Li60m3/m.h,相应的堰上液头约44mm。最大液流强度不宜超过100130m3/m.h。（5）堰板高度hw对于一般的筛板塔板，应使筛板上的清液层高度hL=50100mm，即堰板高度为hw=(50100)-how，式中how为堰上液头（mm）。堰上液头how，对于平直堰，可用佛兰西斯（Francis）公式计算。一般，堰板高度hw在2575mm。真空度较高或要求压力降很小的情况，可按hL25mm来决定堰板高，此时hw仅有615mm。通常情况则不应取得太低，以免影响气液接触时间和增加液沫夹带量因为筛板持液量过低，由飞溅引起的液沫夹带量会反常增

21、高。（6）降液管下沿与塔板板面间距ta在确定降液管下沿与塔板板面距ta的大小时，应使液体通过此截面的流速Wb0.4m/s，从而保证液流通过此截面的压力降在1325mm液柱。ta可按下式计算：式中 VL液体的体积流量，m3/s。Wb一般取0.10.4m/s，易起泡的物系取低值；ta一般应大于2025mm，但要比hw低612mm以上，以保证液封。（7）安定区宽度Ws和边缘区宽度Wc塔板入口安定区是为防止气体短路进入降液管及防止因降液管流出液流的冲击而漏液；出口安定区则为使液体在进入降液管前，有一定时间脱除其中所含的气体。一般，入、出口安定区的宽度等值设计，取为50100mm。边缘区留出一定的宽度W

22、c，为固定塔板用，其值大小应与塔径相应，一般可取为2550mm。5、塔板各部分面积和对应气速计算塔板面积可以分为以下几个部分：（1）降液管截面积Ad按几何关系先计算降液管宽度Wd再计算溢流堰lw所对应的圆心角（角度）则降液管截面积Ad按下式计算（2）塔板工作面积Aa 指板上开孔区域的面积，按几何关系计算式中 （3）塔有效截面积An 指塔板之上可供气体通过的面积，又称净截面积。其值为塔截面积A扣除降液管截面积，即An=A-Ad（4）筛孔总面积Ao按开孔率的定义则 Ao= Aa以气体流量VG（m3/s）分别按塔截面积A、塔板工作面积Aa、塔有效截面积An、筛孔总面积Ao计算空塔速度u、表观气速ua

23、、有效截面气速un和筛孔气速uo。六、塔板流体力学校核对前述设计的筛板必须进行流体力学校核，主要核算的内容为板上溢流强度、板压降、液面落差、漏液情况和液体在降液管内的停留时间等，以判断设计工作点是否在筛板的正常操作范围内。如有不适，必须对原设计的结构参数进行修正。最后，还要绘出所设计塔板的负荷性能图，以全面了解塔板的操作性能，决定设计是否认可。1、板上溢流强度检查平直堰板设计，可采用佛兰西斯（Francis）公式计算堰上液头高度how。how宜在45mm左右，上限不宜超过60mm，过大须改用双流型或多流型。为保持液流均匀，以往曾规定当平直堰水平偏差超过3mm时，how的下限为6mm，再小则改用

24、齿形堰。但随塔径的增加，要求堰的水平偏差不超过3mm是困难的，因此又规定how的下限为13mm，再小就要改用齿形堰。2、气体通过塔板的压力降计算气体通过塔板的压力降是塔板的重要流体力学特性，它不仅影响塔板的操作，还决定沿塔高的压力分布和全塔的压力降。在保证塔板效率的前提下，希望板压降尽可能低，以减少操作费用。气体板压降通常采用加和性模型计算，即先分别计算干板压降ho和气体通过泡沫层的压力降hL，均用清液的液柱高表示，则气体通过塔板的压降=ho+hL。如果算出的板压降超过允许值，可增大开孔率或降低堰板高度hW以减小干板压降ho或板上清液层高hL。3、液面落差校核筛板塔板面液体流动阻力小，其液面落

25、差通常可忽略不计。在塔径和液体流量很大时，可选取相应公式进行核算。4、漏液点气速校核漏液点气速的高低，对筛板塔的操作弹性影响很大。为保证所设计筛板具有足够的操作弹性，通常要求设计筛孔气速uo与漏液点筛孔气速uo之比（称为筛扳的稳定系数，以k表示）不小于1.52.0，即。校核时，先计算漏液点干板压降，由计算漏液点筛孔气速，再计算稳定系数k，如k值过小就要修正筛板结构参数，改动塔板面积分配，甚至减小塔径，以求得合理的塔板结构尺寸。5、降液管内液面高度Hd和液体仃留时间校核板式塔的液泛一般是由两个原因造成：一是由于气速过高，塔板压降增大，使降液管内液层增高；二是由于液体流量增加，通过降液管的流动阻力

26、增大，也会使降液管内液层增高。当降液管内液面高到溢流堰顶时，即为液泛。液体自降液管下流，必须克服三项阻力：（1）液体通过降液管的压头损失hd；（2）气体通过塔板的压力降；（3）塔板上的液层压头（）此三项之和即液体通过降液管所需的液位高度，即降液管内的清液层高度Hd。实际上降液管内是充气液体，所以降液管内实际液层（发泡）高度为式中 相对泡沫密度。计算出，按防止液泛条件，应有(HT+hw)如果过大，应考虑是否需要加大板间距HT，或者调整塔板结构参数，例如加大降液管下沿与塔板板面距离ta，加大溢堰长lw等，以降低液流阻力来解决。Hd亦不能过小，才能保证液体在降液管内有足够仃留时间释放夹带气泡，通常规

27、定按清液计的仃留时间要大于35秒，即七、塔板负荷性能图1、负荷性能图的绘制有关五条气、液流量极限关系曲线可按如下原则作出：（1）液流量下限线以堰上液头how 的下限值6mm（最好采用13mm）计算对应的液体流量VL，即（VL）min，标绘液流量下限线。（2）液流量上限线以液体在降液管内停留时间的下限值35秒计算对应的液体流量VL，即（VL）max，标绘液流量上限线。 （3）漏液线设定56个不同的液体流量VL（可在略比（VL）min（VL）max大的范围内较均匀地选取），按次计算对应的堰上液头how、漏液点干板压降、漏液点筛孔气速及气体流量下限（VG）min=Ao。标绘VL（VG）min曲线，即

28、漏液线。（4）液泛线先计算降液管内允许的最大液面高度Hd=，然后设定56个不同的液体流量VL（同上条），按次计算对应的堰上液头how、液体流过降液管时的压头损失hd、气体通过泡沫层的压力降hL、允许最大板压降、干板压降ho、筛孔气速uo及气体流量上限(VG)max=uo Ao。标绘VL（VG）max曲线，即液泛线。（5）过量液沫夹带线先规定一个液沫夹带量的上限值eG（通常可以取为0.1kg液沫/kg干气体）。然后设定56个不同的液体流量VL（同上条），按次计算对应的堰上液头how、有效截面气速u及气体流量上限（VG）/max=uAn。标绘VL（VG）/max曲线，即过量液沫夹带线。以上绘制塔板

29、负荷性能图的计算过程，要求五条曲线要分别以一组数据作典型计算在说明书中表述清楚，各组数据的计算结果整理列表表示。2、塔板结构设计评述塔板负荷性能图绘制好后，在图上标绘“操作线”，标明“操作点”，计算“极限负荷比”，并根据塔板负荷性能图图形、操作线和操作点在图中相对位置，对所设计塔的操作弹性大小、操作性能好坏作出评述，决定设计是否认可。八、塔总体结构塔的总体结构，如图3所示。它主要包括：（1）塔体与裙座结构。（2）塔盘结构 它包括塔盘板、受液盘、溢流堰、降液管及支承件、紧固件、密封件等。塔盘按装配特点可分为整块式和分块式两种类型。一般塔径为300900mm时，采用整块式塔盘；塔径在900mm以上时，人已能在塔内进行装拆，可采用分块式塔盘。（3）除