板式塔設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書板式精餾塔的設(shè)計(jì)黃文煥 1 / 85 目 錄緒 論4第一節(jié) 概 述91.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求91.2板式塔類型91.2.1篩板塔101.2.2浮閥塔101.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟10第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定112.1操作條件的確定112.1.1操作壓力112.1.2 進(jìn)料狀態(tài)112.1.3加熱方式112.1.4冷卻劑與出口溫度122.1.5熱能的利用122.2確定設(shè)計(jì)方案的原則12第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計(jì)算133.1 物料衡算與操作線方程133.1.1 常規(guī)塔133.1.2 直接蒸汽加熱14第四節(jié) 板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算154.1 塔的有效高度計(jì)算164.2 板式塔的塔

2、板工藝尺寸計(jì)算194.2.1 溢流裝置的設(shè)計(jì)194.2.2 塔板設(shè)計(jì)264.2.3 塔板的流體力學(xué)計(jì)算294.2.4 塔板的負(fù)荷性能圖34第五節(jié) 板式塔的結(jié)構(gòu)355.1 塔的總體結(jié)構(gòu)355.2 塔體總高度355.2.1塔頂空間HD355.2.2人孔數(shù)目352 / 855.2.3塔底空間HB375.3 塔板結(jié)構(gòu)375.3.1整塊式塔板結(jié)構(gòu)37第六節(jié) 精餾裝置的附屬設(shè)備376.1 回流冷凝器386.2 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與選型386.2.1流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算396.2.2管殼式換熱器的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟406.3 再沸器406.4接管直徑416.4加熱蒸氣鼓泡管426.5離心泵的選擇42

3、附： 浮閥精餾塔設(shè)計(jì)實(shí)例43附1 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書43附2 塔板的工藝設(shè)計(jì)43附3 塔板的流體力學(xué)計(jì)算57附4 塔附件設(shè)計(jì)64附5 塔總體高度的設(shè)計(jì)67附6 附屬設(shè)備設(shè)計(jì) （略）683 / 85緒 論一、化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想

4、的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。 通過課程設(shè)計(jì),學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個(gè)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)： 1. 查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； 2. 樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力； 3. 迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； 4. 用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。二、化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 （一）課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 對(duì)給定或選定的工藝流程，主要的設(shè)備型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述

5、； 2. 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3. 典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算 包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定； 4. 帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖 以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測(cè)量點(diǎn)； 5. 主體設(shè)備工藝條件圖 圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表；完整的課程設(shè)計(jì)由說明書和圖紙兩部分組成。說明書是設(shè)計(jì)的書面總結(jié)，也是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的主要依據(jù)，應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：（1）封面（課程設(shè)計(jì)題目、班級(jí)、姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間 ）；（2）設(shè)計(jì)任務(wù)書；（3）目錄； （

6、4）設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介；（5）設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表；（6）工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；（7）輔助設(shè)備的計(jì)算及選型；（8）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表；4 / 85（9）設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論；（10）工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖；（11）參考資料。 （二）課程設(shè)計(jì)的步驟 1. 動(dòng)員和布置任務(wù)； 2. 閱讀指導(dǎo)書和查閱資料； 3. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查； 4. 設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編寫說明書；5. 考核和答辯。整個(gè)設(shè)計(jì)是由論述、計(jì)算和繪圖三部分組成。論述應(yīng)該條理清晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處；圖表應(yīng)能簡(jiǎn)要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。課程設(shè)計(jì)的答辯，是及時(shí)了解學(xué)生設(shè)計(jì)能力的補(bǔ)充過程，也是提

7、高設(shè)計(jì)水平，交流心得和擴(kuò)大收獲的重要過程。答辯通常包括個(gè)別答辯和公開答辯兩種形式。個(gè)別答辯的目的不僅是對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面考核，更主要的是促進(jìn)學(xué)生開動(dòng)腦筋,提高設(shè)計(jì)水平。所以，在個(gè)別答辯后，應(yīng)允許學(xué)生修改補(bǔ)充自己的圖紙和說明書。公開答辯是在個(gè)別答辯的基礎(chǔ)上，選出幾個(gè)有代表性的學(xué)生在全班公開答辯，實(shí)際上是以他們的中心發(fā)言來引導(dǎo)全班性的討論，目的是交流心得、探討問題和擴(kuò)大收獲。 三、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的繪制 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖是一種示意性的圖樣,它以形象的圖形、符號(hào)、代號(hào)表示出化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等，借以表達(dá)出一個(gè)生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。工藝流程圖繪制范圍如下：1. 必須反映出全部工藝

8、物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備；2. 應(yīng)全部反映出主要物料管路，并表達(dá)出進(jìn)出裝置界區(qū)的流向；3. 冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽(不包括副產(chǎn)品蒸汽)及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設(shè)備和管線不在圖內(nèi)表示，僅示意表示出與工藝設(shè)備相連的一小段及相應(yīng)的控制閥門和儀表；4. 包括繪制圖例，圖畫上必要的說明和標(biāo)注，并按圖簽規(guī)定簽署；5. 必須標(biāo)注工藝設(shè)備，工藝物流線上的主要控制點(diǎn)符號(hào)及調(diào)節(jié)閥等。這里指的控制點(diǎn)符號(hào)包括被測(cè)變量的儀表功能(如調(diào)節(jié)、紀(jì)錄、指示、積算、連鎖、報(bào)警、分析、檢測(cè)及集中,就地儀表等)。流程圖的繪制步驟如下：1. 用細(xì)實(shí)線(0.3mm)畫出設(shè)備簡(jiǎn)單外形，設(shè)備一般按1:100或1:50的比例繪

9、制，如某種設(shè)備過高(如精餾塔)，過大或過小，則可適當(dāng)放大或縮??；2. 常用設(shè)備外形可參照?qǐng)D0-1規(guī)定所示，對(duì)于無示例的設(shè)備可繪出其象征性的簡(jiǎn)單外形，表明設(shè)備的特征即可；3. 用粗實(shí)線(0.9mm)畫出連接設(shè)備的主要物料管線，并注出流向箭頭；4. 輔助物料管道(如冷卻水、加熱蒸汽等)，用中粗實(shí)線(0.6mm)表示；5. 設(shè)備按主要物料的流向在圖面上由左至右展開排列，圖上一律不標(biāo)示設(shè)備的支腳、支架和平臺(tái)等，一般情況下也不標(biāo)注尺寸。6 / 85工藝物料和輔助物料管線的介質(zhì)代號(hào)按規(guī)定編制，常用介質(zhì)代號(hào)規(guī)定如表0-1。每一條管道均應(yīng)標(biāo)注管道組合號(hào)管道組合號(hào)的形式如下例：PG0105-150 L1B-H其

10、中PG為介質(zhì)代號(hào)，01為主項(xiàng)（設(shè)計(jì)單元）代號(hào)，05為該主項(xiàng)內(nèi)同一介質(zhì)管道的序號(hào)，150為管道的公稱直徑，L為壓力等級(jí)代號(hào)，1為順序號(hào)，B為材質(zhì)代號(hào)，H為保溫代號(hào)。代號(hào)中文名稱代號(hào)中文名稱PG工藝氣體PL工藝液體BW鍋爐給水HS高壓蒸汽VT放空氣LS低壓蒸汽VE真空排放氣MS中壓蒸汽PW工藝水SC蒸汽冷凝水CWS(循環(huán))冷卻水上水PWW生產(chǎn)廢水CWR(循環(huán))冷卻水回水CSW化學(xué)污水RWS冷凍鹽水上水RWR冷凍鹽水回水表0-1 流程圖上介質(zhì)代號(hào)圖上應(yīng)標(biāo)注單元設(shè)備的代號(hào)，單元設(shè)備分類代號(hào)見表0-2。表0-2 單元設(shè)備分類代號(hào)單元設(shè)備代號(hào)單元設(shè)備代號(hào)轉(zhuǎn)化器,反應(yīng)器,再生器槽、儲(chǔ)罐泵火炬過濾機(jī)RVPSM

11、爐子換熱器塔壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)FETC四、主體設(shè)備工藝條件圖主體設(shè)備是指在每個(gè)單元操作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備，如傳熱中的換熱器，蒸發(fā)中的蒸發(fā)器，蒸餾和吸收中的塔設(shè)備(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主體設(shè)備在不同單元操作中是不同的，即使同一設(shè)備在不同單元操作中其作用也不相同，如某一設(shè)備在某個(gè)單元操作中為主體設(shè)備，而在另一單元操作中就可變?yōu)檩o助設(shè)備。例如，換熱器在傳熱中為主體設(shè)備，而在精餾或干燥操作中就變?yōu)檩o助設(shè)備。泵、壓縮機(jī)等也有類似情況。主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表示出來。圖面上應(yīng)包括如下內(nèi)容:1. 設(shè)備圖形 指主要尺寸(外形尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸、連接

12、尺寸)、接管、人孔等；6 / 85圖0-1 流程圖設(shè)備外形圖例7 / 852. 技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大允許壓強(qiáng)、最高介質(zhì)溫度、介質(zhì)的毒性和爆炸危險(xiǎn)性；3. 設(shè)備組成一覽表 注明組成設(shè)備的各部件的名稱等。應(yīng)予以指出，以上設(shè)計(jì)全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)。完整的設(shè)備設(shè)計(jì)，應(yīng)在上述工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)，最后提供可供加工制造的施工圖。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中，屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程，在設(shè)計(jì)部門則屬于機(jī)械設(shè)計(jì)組的職責(zé)。第一節(jié) 概 述1.1精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩

13、相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： () 氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 () 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 () 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 () 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 () 耐腐蝕和不易

14、堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 () 塔內(nèi)的滯留量要小。實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。1.2板式塔類型 氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書將只介紹板式塔。 板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年

15、)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動(dòng)噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計(jì)。8 / 851.2.1篩板塔篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： () 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30

16、左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： () 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 () 操作彈性較小(約23)。 () 小孔篩板容易堵塞。1.2.2浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動(dòng)的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動(dòng)，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能力以及設(shè)備造價(jià)等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國(guó)外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百

17、塊。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因?yàn)樗哂邢铝刑攸c(diǎn)： () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加2040，而接近于篩板塔。 () 操作彈性大，一般約為59，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓強(qiáng)小，在常壓塔中每塊板的壓強(qiáng)降一般為400660N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期長(zhǎng)。粘度稍大以及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。() 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，制造費(fèi)為泡罩塔板的6080,為篩板塔的120130。本書雖未包括其它塔板的設(shè)計(jì)資料，但其設(shè)計(jì)的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)具體條件進(jìn)行板塔的選型，而不

18、限于選用上述兩種塔板。1.3精餾塔的設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行： () 設(shè)計(jì)方案確定和說明。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 （）蒸餾塔的工藝計(jì)算，確定塔高和塔徑。 （）塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 （）管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型，如再沸器、冷凝器。(5) 抄寫說明書。(6) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。9 / 85第二節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定2.1操作條件的確定 確定設(shè)計(jì)方案是指確定整個(gè)精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型

19、式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測(cè)量控制儀表的設(shè)置等。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)某些問題作些闡述。2.1.1操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔?、加壓和減壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用減壓操作有利于分離相對(duì)揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時(shí)還需要使用抽真空的設(shè)備。對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰ΑＳ袝r(shí)應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在

20、于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時(shí)的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。2.1.2 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計(jì)和制造上提供了方便。2.1.3加熱方式蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液)，便可采用直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的

21、優(yōu)點(diǎn)是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對(duì)有些物系(如酒精與水的二元混合液)，當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時(shí)，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對(duì)于酒精水溶液，一般采用0.40.7KPa（表壓）。飽和水蒸汽的溫度與壓力互

22、為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時(shí)，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價(jià)格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過180時(shí)，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時(shí)，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對(duì)鍋爐提出了更高的要求。同時(shí)對(duì)于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對(duì)傳熱不利。11 / 852.1.4冷卻劑與出口溫度冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟(jì)的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計(jì)者確定。冷卻水出口溫度取得高

23、些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。2.1.5熱能的利用精餾過程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。與此同時(shí)，合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。若不計(jì)進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)

24、品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級(jí)低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程1，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因?yàn)樵O(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。 2.2確定設(shè)計(jì)方案的原則確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點(diǎn)： (1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定

25、的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測(cè)生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 (2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢

26、熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。11 / 85 降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價(jià)廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。 (3) 保證安全生產(chǎn) 例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌

27、漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計(jì)算精餾塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，塔板的布置，塔板流體力學(xué)性能的校核及繪出塔板的性能負(fù)荷圖。3.1 物料衡算與操作線方程通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進(jìn)料流量、組成之間的關(guān)系。物料衡算主要解決以下問題：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)所給定的處理原料量

28、、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度）計(jì)算出每小時(shí)塔頂、塔底的產(chǎn)量；（2）在加料熱狀態(tài)q和回流比R選定后，分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量；（3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程，通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況，塔內(nèi)各段的上升蒸汽量和下降液體量，為計(jì)算理論板數(shù)以及塔徑和塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。通常，原料量和產(chǎn)量都以kg/h或噸/年來表示，但在理想板計(jì)算時(shí)均須轉(zhuǎn)換為kmol/h。在設(shè)計(jì)時(shí)，汽液流量又須用m3/s來表示。因此要注意不同的場(chǎng)合應(yīng)使用不同的流量單位。3.1.1 常規(guī)塔常規(guī)塔指僅有一處進(jìn)料和塔頂、塔底各有一個(gè)產(chǎn)品，塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。（1）全塔

29、總物料衡算總物料F = D + W （3-1）易揮發(fā)組分 FF = DD + WW （3-2）若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品，則回收率為 （3-312 / 85）式中 F、D、W分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃毫髁?，kmol/h；F、D、W分別為原料液、餾出液和釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率。由（3-1）和（3-2）式得： （3-4） （3-5）（2）操作線方程（）精餾段上升蒸汽量： （3-6）下降液體量： （3-7）操作線方程： （3-8）或： （3-8a）式中 R 回流比；n 精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率；n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。（）提餾段上升蒸

30、汽量： （3-9）或： (3-10)下降液體量： （3-11）操作線方程： （3-12）式中：m 提餾段內(nèi)第m層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率；m+1提餾段內(nèi)第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。(3) 進(jìn)料線方程（ q線方程） （3-13）13 / 853.1.2 直接蒸汽加熱（1）全塔總物料衡算總物料 （3-14）易揮發(fā)組分 （3-15）式中 V0 直接加熱蒸汽的流量，kmol/h；0 加熱蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率，一般0=0；W* 直接蒸汽加熱時(shí)釜液流量，kmol/h；*W直接蒸汽加熱時(shí)釜液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由（3-14）和（3-15）式得： W* = W + V0 （3-1

31、6） （3-17）(2) 操作線方程（）精餾段（同常規(guī)塔） （3-18）式中 R 回流比；n精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率；n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。（）提餾段操作線方程： （3-19）與間接加熱時(shí)一樣，所不同的是間接加熱時(shí)提餾段操作線終點(diǎn)是（W,W），而直接蒸汽加熱時(shí)，當(dāng)m+1=0 時(shí)，m=*W，因此提餾段操作線與X軸相交于點(diǎn)（*W ，0）。第四節(jié) 板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算板式塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括塔高、塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算，板上液流形式的選擇、溢流裝置的設(shè)計(jì)，塔板布置、氣體通道的設(shè)計(jì)等工藝計(jì)算。板式塔為逐級(jí)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，沿塔方向，每層板

32、的組成、溫度、壓力都不同。設(shè)計(jì)時(shí)，先選取某一塔板（例如進(jìn)料或塔頂、塔底）條件下的參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以此確定塔的尺寸，然后再作適當(dāng)調(diào)整；或分段計(jì)算，以適應(yīng)兩段的氣液相體積流量的變化，但應(yīng)盡量保持塔徑相同，以便于加工制造。15 / 85所設(shè)計(jì)的板式塔應(yīng)為氣液接觸提供盡可能大的接觸面積，應(yīng)盡可能地減小霧沫夾帶和氣泡夾帶，有較高的塔板效率和較大的操作彈性。但是由于塔中兩相流動(dòng)情況和傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，許多參數(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選取，而參數(shù)與尺寸之間又彼此互相影響和制約，因此設(shè)計(jì)過程中不可避免要進(jìn)行試差，計(jì)算結(jié)果也需要工程標(biāo)準(zhǔn)化?；谝陨显?，在設(shè)計(jì)過程中需要不斷地調(diào)整、修正、和核算，直到設(shè)計(jì)出較為滿

33、意的板式塔。4.1 塔的有效高度計(jì)算板式塔的塔體工藝尺寸包括塔體的有效高度和塔徑。 (1) 塔體有效高度 板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計(jì)算： (4-1)式中Z板式塔的有效高度，m；NT 塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)； ET 總板效率； HT 塔板間距，m。 (2) 理論板層數(shù)的計(jì)算 對(duì)給定設(shè)計(jì)任務(wù)，當(dāng)分離要求和操作條件確定后，所需理論板層數(shù)可采用逐板計(jì)算法或圖解法求得，有關(guān)內(nèi)容在化工傳質(zhì)與分離過程教材的蒸餾一章中已詳盡討論，此處不再贅述。 應(yīng)予指出，近年來，隨著模擬計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已開發(fā)出許多用于精餾過程模擬計(jì)算的軟件，設(shè)計(jì)中常用的有ASPEN、PRO/II等。這些模擬

34、軟件雖有各自的特點(diǎn)，但其模擬計(jì)算的原理基本相同，即采用不同的數(shù)學(xué)方法，聯(lián)立求解物料衡算方程(M方程)、相平衡方程(E方程)、熱量衡算方程(H方程)及組成加和方程(S方程)，簡(jiǎn)稱MEHS方程組。在ASPEN、PRO/II等軟件包中，存儲(chǔ)了大多數(shù)物系的物性參數(shù)及氣液平衡數(shù)據(jù)，對(duì)缺乏數(shù)據(jù)的物系，可通過軟件包內(nèi)的計(jì)算模塊，通過一定的算法。求出相關(guān)的參數(shù)。設(shè)計(jì)中，給定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過模擬計(jì)算，即可獲得所需的理論板層數(shù)，進(jìn)料板位置，各層理論板的氣液相負(fù)荷、氣液相密度、氣液相粘度，各層理論板的溫度與壓力等，計(jì)算快捷準(zhǔn)確。 (3) 塔板間距的確定 塔板間距HT，的選取與塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作

35、彈性以及塔的安裝、檢修等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)塔徑的大小，由表4-1列出的塔板間距的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取。 表4-1塔板間距與塔徑的關(guān)系塔徑 D,m0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.4>2.4板間距 HT,mm 20030030035035045045060050080080015 / 85選取塔板間距時(shí)，還要考慮實(shí)際情況。例如塔板層數(shù)很多時(shí)，宜選用較小的板間距，適當(dāng)加大塔徑以降低塔的高度；塔內(nèi)各段負(fù)荷差別較大時(shí)，也可采用不同的板間距以保持塔徑的一致；對(duì)易發(fā)泡的物系，板間距應(yīng)取大些，以保證塔的分離效果；對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)較大的場(chǎng)合，也需加大板間距以提高操作彈性。在設(shè)計(jì)中，有

36、時(shí)需反復(fù)調(diào)整，選定適宜的板間距。 塔板間距的數(shù)值應(yīng)按系列標(biāo)準(zhǔn)選取，常用的塔板間距有300、350、400、450、500、600、800等幾種系列標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)予指出，板間距的確定除考慮上述因素外，還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體的人孔處，應(yīng)采用較大的板間距，一般不低于600mm。 （3） 塔徑板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即 (4-2)式中 D塔徑，m； VS氣體體積流量，m3/s； u空塔氣速，m/s。 由式3-2可知，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵是計(jì)算空塔氣速u。設(shè)計(jì)中，空塔氣速u的計(jì)算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，乘以一定的安全系數(shù)，即 u=(0.60.8)umax (4-3)

37、 安全系數(shù)的選取與分離物系的發(fā)泡程度密切相關(guān)。對(duì)不易發(fā)泡的物系，可取較高的安全系數(shù)，對(duì)易發(fā)泡的物系，應(yīng)取較低的安全系數(shù)。 最大空塔氣速umax可依據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為 (4-4)式中 L液相密度，kg/m3； V氣相密度，kg/m3； C負(fù)荷因子，m/s。 負(fù)荷因子C值與氣液負(fù)荷、物性及塔板結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般由實(shí)驗(yàn)確定。史密斯(Smith)等人匯集了若干泡罩、篩板和浮閥塔的數(shù)據(jù)，整理成負(fù)荷因子與諸影響因素間的關(guān)系曲線，如圖4-1所示。 16 / 85圖4-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖 圖中：Vh、Lh分別為塔內(nèi)氣、液兩相的體積流量，m3/h；V、L分別為塔內(nèi)氣、液兩相的密度，kg/m3； HT塔板

38、間距，m；hL塔上液層高度，m。 圖中橫坐標(biāo)Lh/Vh(L/V)1/2為無因次比值，稱為液氣動(dòng)能參數(shù)，它反映液、氣兩相的負(fù)荷與密度對(duì)負(fù)荷因子的影響；縱坐標(biāo)C 20為物系表面張力為20 mN/m的負(fù)荷系數(shù)；參數(shù)HT-hL反映液滴沉降空間高度對(duì)負(fù)荷因子的影響。 設(shè)計(jì)中，板上液層高度hL由設(shè)計(jì)者選定。對(duì)常壓塔一般取為0.050.08m；對(duì)減壓塔一般取為 0.0250.03 m。 圖4-1是按液體表面張力L=20 mN/m的物系繪制的，當(dāng)所處理的物系表面張力為其他值，應(yīng)按下式進(jìn)行校正，即 (4-5)式中 C操作物系的負(fù)荷因子，m/s； L操作物系的液體表面張力，mN/m。 應(yīng)予指出，由式3-2計(jì)算出塔

39、徑D后，還應(yīng)按塔徑系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑為：400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200 mm等。 還應(yīng)指出，以上算出的塔徑只是初估值，還要根據(jù)流體力學(xué)原則進(jìn)行驗(yàn)算。另外，對(duì)于精餾過程，精餾段和提餾段的氣、液相負(fù)荷及物性數(shù)據(jù)是不同的，故設(shè)計(jì)中兩段的塔徑應(yīng)分別計(jì)算，若二者相差不大，應(yīng)取較大者作為塔徑，若二者相差較大，應(yīng)采用變徑塔。17 / 854.2 板式塔的塔板工藝尺寸計(jì)算 4.2.1 溢流裝置的設(shè)計(jì)板式塔的溢流裝置包括溢流堰、降液管和受液盤等幾部分，其結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)塔的性能有著重要的影響。 （1）降液管的類型與溢流方式 降液管的類

40、型 降液管是塔板間流體流動(dòng)的通道，也是使溢流液中所夾帶氣體得以分離的場(chǎng)所。降液管有圓形與弓形兩類，如圖4-2所示。通常，圓形降液管一般只用于小直徑塔，對(duì)于直徑較大的塔，常用弓形降液管。 (a) (b) (c) (d)圖4-2 降液管的類型 (a)圓形降液管 (b)內(nèi)弓形降液管 (c)弓形降液管 (d)傾斜式弓形降液管 溢流方式 溢流方式與降液管的布置有關(guān)。常用的降液管布置方式有U型流、單溢流、雙溢流及階梯式雙溢流等，如圖4-3所示。 (a) (b) (c) (d)圖4-3 塔板溢流類型 (a)U型流 (b)單溢流 (c) 雙溢流 (d) 階梯式雙溢流 U型流也稱回轉(zhuǎn)流。其結(jié)構(gòu)是將弓形降液管用擋

41、板隔成兩半，一半作受液盤，另一半作降液管，降液和受液裝置安排在同一側(cè)。此種溢流方式液體流徑長(zhǎng)，可以提高板效率，其板面利用率也高，但它的液面落差大，只適用于小塔及液體流量小的場(chǎng)合。 單溢流又稱直徑流。液體自受液盤橫向流過塔板至溢流堰。此種溢流方式液體流徑較長(zhǎng)，塔板效率較高，塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，在直徑小于2.2m的塔中被廣泛使用。 雙溢流又稱半徑流。其結(jié)構(gòu)是降液管交替設(shè)在塔截面的中部和兩側(cè)，來自上層塔板的液體分別從兩側(cè)的降液管進(jìn)人塔板，橫過半塊塔板而進(jìn)入中部降液管，到下層塔板則液體由中央向兩側(cè)流動(dòng)。此種溢流方式的優(yōu)點(diǎn)是液體流動(dòng)的路程短，可降低液面落差，但塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，板面利用率低，一般用于直徑

42、大于19 / 852m的塔中。 階梯式雙溢流的塔板做成階梯型式，每一階梯均有溢流。此種溢流方式可在不縮短液體流徑的情況下減小液面落差。這種塔板結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，只適用于塔徑很大、液流量很大的特殊場(chǎng)合。 溢流類型與液體負(fù)荷及塔徑有關(guān)。表4-2列出了溢流類型與液體負(fù)荷及塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 表4-2 溢流類型與液體流量及塔徑的關(guān)系 塔徑D,mm 液體流量Ls,m3/hU型流 單溢流 雙溢流 階梯式雙溢流 600<5525  900<7750  1000<7<45  1400<9<70 

43、 2000<11<9090160 3000<11<1101102002003004000<11<1101102302303505000<11<1101102502504006000<11<110110250250450應(yīng)用場(chǎng)合 用于較低 一般場(chǎng)合 用于高液氣比 用于極高液氣比 液氣比  或大型塔板 或超大型塔板  (2) 溢流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算為維持塔板上有一定高度的流動(dòng)液層，必須設(shè)置溢流裝置。溢流裝置的設(shè)計(jì)包括堰長(zhǎng)lw、堰高h(yuǎn)w，弓形降液管的寬度Wd、截面積Af，降液管底隙高度h0，進(jìn)口堰的高度h

44、w與降液管間的水平距離hl等，如圖4-4所示。 圖4-4 塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù) 溢流堰(出口堰)19 / 85 將降液管的上端高出塔板板面，即形成溢流堰。溢流堰板的形狀有平直形與齒形兩種，設(shè)計(jì)中一般采用平直形溢流堰板。 a.堰長(zhǎng) 弓形降液管的弦長(zhǎng)稱為堰長(zhǎng)，以lw表示。堰長(zhǎng)lw一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，對(duì)于常用的弓形降液管： 單溢流 lw=(0.60.8)D 雙溢流 lw=(0.60.8)D式中 D塔內(nèi)徑，m。 b.堰高 降液管端面高出塔板板面的距離，稱為堰高，以hw表示。堰高與板上清液層高度及堰上液層高度的關(guān)系為： hL=hw+how (4-6)式中 hL板上清液層高度，m； how堰上液層高度，m。設(shè)計(jì)時(shí)

45、，一般應(yīng)保持塔板上清液層高度在50100mm，于是，堰高 hw 可由板上清液層高度及堰上液層高度而定。堰上液層高度對(duì)塔板的操作性能有很大的影響。堰上液層高度太小，會(huì)造成液體在堰上分布不均，影響傳質(zhì)效果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使堰上液層高度大于6mm，若小于此值須采用齒形堰；堰上液層高度太大，會(huì)增大塔板壓降及液沫夾帶量。一般設(shè)計(jì)時(shí)how不宜大于 6070 mm，超過此值時(shí)可改用雙溢流型式。 對(duì)于平直堰，堰上液層高度how可用弗蘭西斯(Francis)公式計(jì)算，即 (4-7)式中 Lh 塔內(nèi)液體流量，m3/h； E液流收縮系數(shù)，由圖4-5查得。 圖4-5 液流收縮系數(shù)計(jì)算圖 20 / 85 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取E=

46、l時(shí)所引起的誤差能滿足工程設(shè)計(jì)要求。當(dāng)E=1時(shí)，由式4-7可看出，how僅與Lh 及l(fā)w 有關(guān)，于是可用圖4-6所示的列線圖求出how。 求出how后，即可按下式范圍確定hw： 0.05-howhw0.l-how (4-8) 在工業(yè)塔中，堰高 hw一般為0040.05 m；減壓塔為0.0150.025 m；加壓塔為0.040.08 m，一般不宜超過0.1m。 對(duì)于齒形堰，齒形堰的齒深hn一般宜在15mrn以下。液流高度（由齒底算起）計(jì)算方法如下。 如圖4-7(a)，當(dāng)溢流層不超過齒頂時(shí) (4-9) 如圖4-7(b)，當(dāng)溢流層超過齒頂時(shí) (4-10) 也可由圖4-8求取。 式中 how 堰上液流

47、高度，m； L 液流量，m3/h； hn齒深，m； lw堰長(zhǎng)，m。 由式(4-10)求時(shí)how，需用試差法。 21 / 85圖4-6 求hOw的列線圖 圖4-7齒形堰22 / 85圖4-8 溢流層超過齒時(shí)的how值圓形溢流管,對(duì)于沒有設(shè)溢流堰的圓形溢流管，當(dāng)how<0.2d時(shí)，how可按下式計(jì)算 (4-11) 當(dāng)0.2dhow<1.5d時(shí)（此條件下易液泛，應(yīng)盡量避免采用），how可按下式計(jì)算 (4-12)式中 how 堰上液流高度，m； L 液流量，m3/h； l溢流管的直徑，mm。 考慮到液封的要求，按式(3-11)和式(3-12)算得的how還應(yīng)滿足d6how。 降液管 工業(yè)中

48、以弓形降液管應(yīng)用為主，故此處只討論弓形降液管的設(shè)計(jì)。 a.弓形降液管的寬度及截面積 弓形降液管的寬度以Wd表示，截面積以Af表示，設(shè)計(jì)中可根據(jù)堰長(zhǎng)與塔徑之比lw/D由圖4-9查得。 23 / 85圖4-9 弓形降液管的參數(shù) 為使液體中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)應(yīng)有足夠的停留時(shí)間。由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間不應(yīng)小于35s，對(duì)于高壓下操作的塔及易起泡的物系，停留時(shí)間應(yīng)更長(zhǎng)一些。為此，在確定降液管尺寸后，應(yīng)按下式驗(yàn)算降液管內(nèi)液體的停留時(shí)間，即 (4-13) 若不能滿足式3-13要求，應(yīng)調(diào)整降液管尺寸或板間距，直至滿足要求為止。 b.降液管底隙高度 降液管底隙高度是指降液管下端與

49、塔板間的距離，以h0表示。降液管底隙高度h0應(yīng)低于出口堰高度hw ，才能保證降液管底端有良好的液封，一般不應(yīng)低于6mm，即 h0=hw-0.006 (4-14) h0也可按下式計(jì)算： (4-15)式中 u0液體通過底隙時(shí)的流速，m/s。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取u0=0.070.25 m/s。 降液管底隙高度一般不宜小于2025 mm，否則易于堵塞，或因安裝偏差而使液流不暢，造成液泛。 受液盤 受液盤有平受液盤和凹形受液盤兩種形式，如圖4-10所示。 24 / 85 (a) (b) 圖4-10 受液盤示意圖 (a) 平受液盤 (b)凹受液盤 平受液盤一般需在塔板上設(shè)置進(jìn)口堰，以保證降液管的液封，并使液體在板上分布均勻。進(jìn)口堰高度hw可按下述原則考慮：當(dāng)出口堰高度hw大于降液管底隙高度h0(一般都是這樣)時(shí)，取hw=hw ，在個(gè)別情況下hwh0，則應(yīng)取hwh0，以保證液體由降液管流出時(shí)不致受到很大阻力，進(jìn)口堰與降液管間的水平距離hl不應(yīng)小于h0。 設(shè)置進(jìn)口堰既占用板面，又易使沉淀物淤積此處造成阻塞。采用凹形受液盤不需設(shè)置進(jìn)口堰。凹形受液盤既可在低液量時(shí)能形成良好的液封，又有改變液體流向的緩沖作用，并便于液體從側(cè)線的抽出。對(duì)于600mm 以上的塔，多采用四形受液盤。凹形受液盤的深度一般在50 mm以上，有側(cè)線采