精餾塔的設計計算(2013)

1、精餾塔的設計計算 一、化工原理課程設計的目的和要求 通過課程設計，學生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(yǎng)： 1. 查閱資料，選用公式和搜集數據的能力； 2. 樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力； 3. 迅速準確的進行工程計算的能力； 4. 用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。第一節(jié)概述第一節(jié)概述二、化工原理課程設計的內容1、課程設計的基本內容、課程設計的基本內容 （1）設計方案簡介）設計方案簡介對給定或選定的工藝流程，主要的設備型式進行簡要的論述； （2）主要設備

2、的工藝設計計算）主要設備的工藝設計計算包括工藝參數的選定、物料衡算、熱量衡算、設備的工藝尺寸計算及結構設計； （3）典型輔助設備的選型和計算）典型輔助設備的選型和計算對典型輔助設備的主要工藝尺寸計算和設備型號規(guī)格的選定； （4）工藝流程簡圖）工藝流程簡圖以單線圖的形式繪制流程圖，標出主體設備和輔助設備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數測量點； （5）主體設備工藝條件圖（裝配圖）主體設備工藝條件圖（裝配圖） 圖面上應包括設備的主要工藝尺寸，技術特性表和接管表；封面（課程設計題目、班級、姓名、指導教師、時間 ）； 目錄； 設計任務書； 工藝流程圖及設計方案說明； 設計條件及主要物性參數表；

3、工藝設計計算； 設計結果匯總表； 輔助設備的設計及選型； 設計評述及設計者對本設計有關問題的討論；參考資料。（2 2） 工藝流程圖及主體設備裝配圖；工藝流程圖及主體設備裝配圖；2、課程設計組成、課程設計組成（1）設計說明書主要內容：）設計說明書主要內容：3、注意事項、注意事項整個設計是由論述、計算和繪圖三部分組成。論述應該條理清晰，觀點明確；計算要求方法正確，誤差小于設計要求，計算公式和所用數據必須注明出處；圖表應能簡要表達計算的結果。三、化工原理課程設計的步驟三、化工原理課程設計的步驟 本設計按以下幾個階段進行：1、根據設計任務和工藝要求，確定設計方案。根據給定任務，對精餾裝置的流程、操作條

4、件、塔板類型等進行論述。2、蒸餾塔的工藝計算確定理論塔板數（作圖法作圖法）、實際板數；確定塔高和塔徑。3、塔板設計：設計塔板各主要工藝尺寸溢流裝置、塔板布置、篩孔或浮閥的設計及排列（圖）篩孔或浮閥的設計及排列（圖）；進行流體力學校核計算；畫出塔的負荷性能圖負荷性能圖。 4、管路及附屬設備的設計與選型，如冷凝器、泵等。5、抄寫說明書。6、繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔裝配圖。第二節(jié)板式精餾塔的工藝計算第二節(jié)板式精餾塔的工藝計算 一、設計方案的確定1、裝置流程的確定：經濟方面：充分考慮整個系統(tǒng)的熱能利用，降低操作費用。操作的穩(wěn)定性：加熱蒸汽的壓力、進料量、回流液等2、操作壓力的選擇：設計壓力一般指

5、塔頂壓力。蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進行。確定操作壓力時，必須根據所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性進行考慮。 可考慮取常壓操作，塔頂壓力為4kPa（表壓），每層塔板壓降p0.7kPa。3、進料狀況的選擇進料狀態(tài)與塔板數、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯系。在實際的生產中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預熱到泡點或接近泡點才送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。此外，在泡點進料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設計和制造上提供了方便。4、多股進料本次設計宜采用單股進料。5、加熱方式的選擇 加熱方式：蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，

6、設置再沸器。若塔底產物近于純水，而且在濃度稀薄時溶液的相對揮發(fā)度較大(如酒精與水的混合液)，便可采用直接蒸汽加熱。加熱劑：T180，常用飽和水蒸氣。再沸器結構：小塔可在塔底，形式有夾套式、蛇管式、列管式。大塔一般在塔外，形式為列管式，有立式和臥式兩種。6、冷卻方式通常在塔頂設置蒸氣全部冷凝的全凝器。其為輔助設備，需進行選型，多采用列管式，水平或垂直放置。二、工藝計算（一）全塔物料衡算1、計算原料液、塔頂、塔底濃度2、平均分子量：（原料液MF、塔頂MD 、塔底MW ）3、物料衡算求W、D kmol/h4、塔板數的計算（1）理論板數的計算：作yx圖、txy圖；求最小回流比Rmin、實際回流比R；圖

7、解法求理論板數N。（2）全塔效率ET 可查P145頁圖11-21確定或：av =0.11.0時，（3）實際塔板數NP分別求精餾段和提餾段所需實際板數（二）塔的工藝條件及物性數據1、操作壓強245. 0avT)(49. 0ETP/ ENN kPa3 .101DD塔頂：表 ppkPa3 .101PDW塔底：表pNppkPa3 .101PDF（精）進料：表pNpp平均壓強：pm(精)=( pD+ pF)/2 pm(提)=( pW+ pF)/22、操作溫度塔頂tD ：可由t-x-y圖查得塔頂tD 、塔底tW 、進料處tF 。平均溫度：tm(精)=( tD+ tF)/2 tm(提)=( tW+ tF)/

8、2如圖：xF=0.5， xw=0.05時，泡點進料tF=92（露點進料tF=101）塔底tw=108提餾段平均溫度： tm=( tW+ tF)/2(92+108)/2100 t/x (y)t-xt-yp=101.3kPa01.080100901102、平均摩爾質量（1）由塔頂、塔底、進料處的濃度計算平均摩爾質量；（2）計算精餾段平均摩爾質量MVm (精)、 MLm (精)；（3）計算提餾段平均摩爾質量MVm (提)、 MLm (提)。如塔頂：y1 = xD =0.966，按氣液平衡關系 可查得x1 =0.916則：MVDm= 0.96678.11+(10.966) 92.13=78.59 kg

9、/kmol MLDm= 0.91678.11+(10.916) 92.13=79.29 kg/kmol3、平均密度（1）氣相平均密度（2）液相平均密度（3）計算塔頂、塔底、進料處氣、液相平均密度；（4）計算精餾段、提餾段平均密度。mVmmVmRTMpiiLm1a平均密度：Lm (精)=(LD+ LF)/2Vm (精)=(VD+ VF)/2 Lm (提)=(LW+ LF)/2Vm (提)=(VW+ VF)/24、液體平均表面張力（1）液相平均表面張力（2）查塔頂、塔底、進料溫度下的液體的表面張力；（3）計算塔頂、塔底、進料處液相平均表面張力；（4）計算精餾段、提餾段平均表面張力。 5、液體平均粘

10、度（1）液相平均粘度（2）查塔頂、塔底、進料溫度下的液體的粘度；（3）計算塔頂、塔底、進料處液相平均粘度；（4）計算精餾段、提餾段平均粘度。iimxiimx溫度t 8090100110120 L( (苯苯) ) kg/m3815803.9792.5780.3768.9 L( (甲苯甲苯) ) kg/m3810800.2790.3780.3770.0 L( (苯苯) ) mN/m21.2720.0618.8517.6616.49 L( (甲苯甲苯) ) mN/m21.6920.5919.9418.4117.31 L( (苯苯) ) mPas0.3080.2790.2550.2330.215 L(

11、 (甲苯甲苯) ) mPas0.3110.2860.2840.2540.228物性參數表物性參數表(三)氣液負荷的計算精餾段：V(R1)D kmol/h m3/s LRD m3/s 提餾段： VV (q1)FL L FVmVms3600VMV LmLms3600LML 板式塔主要尺寸的設計計算： 包括塔高 塔徑的設計計算 板上液流形式的選擇 溢流裝置的設計 塔板布置等設計時，先選取某段塔板（如精餾段、提餾段）條件下的參數作為設計依據，以此確定塔的尺寸，應盡量保持塔徑相同，以便于加工制造。由于塔中兩相流動情況和傳質過程的復雜性，許多參數和塔板尺寸需根據經驗來選取，因此設計過程中不可避免要進行試差

12、，計算結果也需要工程標準化。第三節(jié)板式塔主要尺寸的計算第三節(jié)板式塔主要尺寸的計算 一、精餾塔的結構設計一、精餾塔的結構設計1、塔的有效高度和板間距、塔的有效高度和板間距 已知：已知：實際塔板數 NP ； 選取塔板間距 HT； pTNHZ 選取塔板間距選取塔板間距 HT ：塔板間距和塔徑的經驗關系塔板間距和塔徑的經驗關系塔體高度有效高塔體高度有效高頂部空間頂部空間底部空間底部空間塔裙座高度塔裙座高度 有效塔高：有效塔高：塔塔徑徑D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔塔板板間間距距HT，m0.2-0.30.3-0.350.35-0.45 0.45-0.

13、60.5-VVLCumax 最大空塔氣速（液泛氣速，課本最大空塔氣速（液泛氣速，課本P.128129）2、塔徑估算、塔徑估算 確定原則：確定原則： 防止過量液沫夾帶液泛 步驟：步驟： 先確定最大空塔氣速 umax (m/s)； 然后根據經驗確定設計氣速 u； 最后計算塔徑 D。2 . 0L2020CC篩板塔，可查教材Smith圖 求 C20 ；浮閥塔浮閥塔可查數據手冊書確定C20 。HT=0.60.440.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05GLGLVVFP

14、 20C篩板塔氣體負荷因子關聯圖課本P.129 選取設計氣速選取設計氣速 u 選取泛點率：泛點率： u / umax 一般液體， 0.7 0.8 易起泡液體， 0.5 0.6uVAs所需氣體流通截面積所需氣體流通截面積設計氣速設計氣速 u = 泛點率泛點率 umax 計算塔徑計算塔徑 DdTAAAAT：塔截面Ad：降液管截面TdT1AAAAATDAdlw2T4DATdT1AAAAT4AD 說明：說明：計算得到的塔徑需圓整。計算得到的塔徑需圓整。標準直徑為：標準直徑為：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0（m）。直徑確定后應重新計算實際氣速及泛點

15、率。8 . 06 . 0 DlW7 . 05 . 0DlW 雙流型:單流型：lw/D的確定：的確定：Ad/AT也可由也可由lw/D查圖得（教材查圖得（教材P.137）/)/(1sin21TdDlDlDlAAwwwlw/DAd /AT 和和 Wd /D的單位取弧度Dlw1sinhb底隙：底隙： hb堰頭液高：堰頭液高： h0W堰高：堰高： hWWcWdWslWrx3、溢流裝置設計、溢流裝置設計 溢流型式的選擇溢流型式的選擇 依據：依據：塔徑 、流量； 型式型式：單流型單流型、U 形流型、雙流型、階梯流型等。U型流型單流型雙流型液流型式選取參考表液流型式選取參考表 降液管形式和底隙降液管形式和底隙

16、 降液管：降液管：弓形弓形、圓形。 降液管截面積降液管截面積：一般Ad/AT = 0.06 0.12 ，由lw /D確定(圖11-16) Ad/AT 過大，氣液兩相接觸傳質區(qū)小，生產能力和板效率將較低； Ad/AT 過小，易產生氣泡夾帶，引起降液管液泛。 底隙底隙 hb ：應小于hw ，通常在 30 40 mm。 液體流經底隙的流速ub =Ls/ (lwhb)，一般ub = 0.070.25m/s。 平流堰溢流輔堰柵欄堰三角形齒堰溢流堰（又稱出口堰）溢流堰（又稱出口堰）作用作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。 型式：型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。 主要尺寸主要尺寸：堰高

17、hw和堰長lw堰高堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度 過小，過小，相際傳質面積過??； 過大過大，塔板阻力大，效率低。 常、加壓塔： hW =50 80 mm ； 減壓塔： hW = 25 mm 。 hW = hL h0W板上液層高度（常壓）板上液層高度（常壓）： hL = 50100mm3/2h3ow1084.2WlLEhE 可由圖11-11查取(P.131) ，若Lh不是過大，可近似取E=1。mm60Wh堰上方液頭高度堰上方液頭高度 hOW可用經驗式計算：how過小時，板上液體流動不均，效率降低，可調整lW/D 。Lh ：液體流量m3/h堰長堰長 lW ：對于弓形降液管8 . 06 . 0

18、DlW7 . 05 . 0DlW 雙流型:單流型：堰長由計算得到的塔徑確定lW/D也可根據數據手冊推薦值按塔徑選取 受液區(qū)和降液區(qū) 一般兩區(qū)面積相等。 邊緣區(qū)小塔：大塔： 安定區(qū)：入口安定區(qū)：因板上液面落差，減少漏液出口安定區(qū)：避免夾帶氣泡的液體進入降液管4、塔板及其布置、塔板及其布置mm10050ssWWmm7050cWWcWdWslWrx塔徑小于0.9m時可用整塊板；塔徑較大時，常采用分塊式塔板。mm5030cW)sin180(21222rxrxrxAa5、篩孔、閥孔的尺寸和排列、篩孔、閥孔的尺寸和排列 （1）篩板塔）篩板塔單流型弓形降液管塔板單流型弓形降液管塔板： 有效傳質區(qū)(開孔區(qū))：

19、 c2WDrWcWdWslWrxd0t)(2dsWWDx 篩孔直徑篩孔直徑 d0 : 3 8 mm 常用d0 : 3、3.5、6、8mm 孔中心距孔中心距 t : 常壓: t (34) d0取整。板厚：板厚：碳鋼（3 4mm）、不銹鋼2 4mm 。 00AVus220200155.1785.04tAdAdAnaa孔氣速：孔氣速：孔數：孔數：d0t2004dnA 開孔率開孔率(常壓): 通常為 0.10 0.14。 有效傳質區(qū)內，常按正三角形排列。20a0907. 0tdAA選定選定do，計算得到，計算得到Aa后，可確定孔數后，可確定孔數n，并核算開孔率并核算開孔率 ；畫出塔板排孔圖。畫出塔板排

20、孔圖。（2 2）浮閥塔浮閥塔浮閥型式：浮閥型式：F1、V-4、V-6、十字架浮閥孔徑浮閥孔徑 ：d0 =39 mm 排列方式：排列方式：正三角形和等腰三角形 孔中心距孔中心距 t : 正三角形排列時：75、100、125mm 大塔常采用分塊，不便錯排，可按等腰三角形排列： t =70、75、80、90、100等液流方向液流方向順排錯排(常用)0204udVns閥孔數：閥孔數：128V00uF動能因子：動能因子：適宜閥孔氣速適宜閥孔氣速u0 : 常壓塔： u0 =37m/s 減壓塔： u0 10m/s開孔率開孔率(常壓常壓)：%141020T0DdnAA hf 為板上泡沫層高度： 有效傳質區(qū)的氣

21、速： u=Vs/(AT Ad)二、二、 塔板流動性能的校核塔板流動性能的校核 對初步設計的結果進行調整和修正。1、 液沫夾帶量校核液沫夾帶量校核單位質量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質量（或摩爾） ev ： kg 液體 / kg氣體，或 kmol液體 / kmol氣體要求：要求： ev 0.1 kg 液體液體 / kg氣體。氣體。2 . 3fTL3107 . 5hHuev(1)篩板塔：查關聯圖或用Hunt經驗公式計算ev)(5 . 25 . 2Lfowwhhhh12 fT適用于hHu說明：兩式計算的F1中的較大值若超過允許值，應調整塔板間塔板間距距或塔徑。塔徑。 （2）浮閥塔：利用Fair關聯圖求

22、泛點率F。為控制液沫夾帶量過大，應使泛點率 直徑小于0.9m的塔：F0.650.75一般大塔： F0.80.82(1) 36. 1)/(VLVS1FSAKCZLVF(2) 78. 0)/(TVLVS1FKCAVF單流型：液體在塔板上流動的行程 Z = D2Wd 塔板上的液流面積 A = AT2Ad 物性系數(正常系統(tǒng)) K =1.0 泛點負荷因數 CF 查圖求取 塔板阻力：塔板阻力：塔板阻力 Ht 包括 以下幾部分: 干板阻力 ho氣體通過板上孔的阻力（設無液體時）； 液層阻力 he 氣體通過液層阻力； 克服液體表面張力阻力 h孔口處表面張力。2、塔板阻力的計算和校核、塔板阻力的計算和校核L1

23、75. 00o9 .19 uh 閥未全開guh234. 5 20LVo閥全開（1）干板阻力）干板阻力ho浮閥塔浮閥塔臨界孔速 825. 1/1V0c73uLV2ooo21Cugh =1.15 校正系數校正系數C0 孔流系數，孔流系數，可查圖可查圖11-10(P131)。d0/C0篩板的孔流系數篩板的孔流系數篩板塔篩板塔d012mmLV2ooo21Cughd012mm孔徑與板厚之比（2）液層阻力）液層阻力 he充氣系數充氣系數 浮閥塔： 0.5篩板塔：由Fa查圖11-12求 2/1aaVuF )(owwhhhedTa2AAVusFa說明：說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率增加開孔率或 降低堰高。

24、降低堰高。03104dghL（3）克服液體表面張力阻力克服液體表面張力阻力（一般可不計） 3、降液管液泛校核、降液管液泛校核為防止降液管液泛，應保證降液管內液流暢通。液體經降液管下降時，要克服各種阻力，故必須在降液管中維持一定的高度清液層。dOWWtdhhhHH故塔板阻力：hhhHeot降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m)()()4(0476.032vLfsLfbHLZHb（1） 液面落差液面落差一般較小，可不計。一般較小，可不計。 浮閥塔浮閥塔可忽略?？珊雎?。篩板塔若篩板塔若D1600mm1600mm時，時，可忽略。可忽略。不可忽略時：一般要求：一般要求： 0.5ho2bWd153.

25、 0hlLhs（2 2）液體通過降液管阻力液體通過降液管阻力 hd不設進口堰時：不設進口堰時：設進口堰時：2vsd1 . 0ALhAv：液流經堰時的最小斷面dLddHHHLWTdhHH泡沫層高度泡沫層高度要求：要求：說明：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力減小塔板阻力或增大塔板間距。增大塔板間距。泡沫層相對密度 ：不易起泡物系： =0.60.7 一般物系： =0.5易起泡物系： =0.30.44、 液體在降液管中停留時間校核液體在降液管中停留時間校核 目的：目的：避免嚴重的氣泡夾帶。 sdLHAT停留時間：停留時間：要求：要求：s53說明：說明：停留時間過小，可增加降液管面積增加降液管面積

26、或增大塔板間距。增大塔板間距。（1）計算嚴重漏液時干板阻力嚴重漏液時干板阻力 h0 ()hhhhOWW13.00056.00（2）計算漏液點氣速漏液點氣速 u0 00min,02hgCuVL說明：說明：如果穩(wěn)定系數K過小，可減小開孔率減小開孔率或降低堰高。降低堰高。5、 嚴重漏液校核嚴重漏液校核 漏液點氣速 u0,min ：發(fā)生嚴重漏液時的孔氣速。 穩(wěn)定系數：min, 00uuK 要求：要求：2 . 25 . 1K對于浮閥塔，一般取F=5時對應的閥孔氣速為漏液點氣速漏液點氣速 u0 過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線） 篩板塔：篩板塔： 規(guī)定：ev = 0.1（ k

27、g 液體 / kg氣體） 為限制條件。6、塔板的負荷性能圖、塔板的負荷性能圖確定塔板的操作彈性2 . 3L3107 . 51 . 0fThHu可整理出u與L關系，因u又與V有關，故可關聯出V與L關系。L/m3/h1030507090V/m3/h3/2h3ow1084.2WlLEh板上泡沫層高度： 有效傳質區(qū)的氣速： u=Vs/(AT Ad)(5 . 2fowwhhh浮閥塔：浮閥塔：令泛點率F1=0.8 0.8 36. 1)/(VLVS1FSAKCZLVF可整理出Vs與Ls關系，或Vh與Lh關系。 Vh與Lh關系為直線方程，有兩點即可確定直線 。 液相下限線液相下限線006. 01084. 23

28、/23WhowlLEh整理出：液相下限線是一條垂直與L軸的直線。規(guī)定WhlL07. 3 嚴重漏液線（氣相下限線）嚴重漏液線（氣相下限線）0min, 0min,AuVs浮閥塔：浮閥塔：不發(fā)生漏液時，動能因子動能因子 F0=5V00uF V0min0Fu，由u0,min可算出此時的最小氣相量Vh ，是一水平直線。VLL0min, 0)13. 00056. 0(4 . 4hhCuVLL0min, 0)05. 00051. 0(4 . 4hCu當：hL30mm，或d03mm3/23wL1084. 2whlLEhhL/m3/h1030507090V/m3/h一般情況：篩板塔：篩板塔：0min, 0min

29、,AuVs可由上式關聯出L與V的關系。 液相上限線液相上限線保證液體在降液管中有一定的停留時間。sLHAsTf5 降液管液泛線降液管液泛線whHHHTdd可得L=常數的直線hhhHeotdowwtdhhhHH液泛時，降液管內的泡沫液面高等于板間距與堰高之和dowwodowwtwT)(1 ()(hhhhhhhhHhH)(owwhhhe3/23w2wsL20VwT36001084. 2)1 (153. 0234. 5)(wsblLEhhlLguhHL/m3/h1020305080100V/m3/hguh234. 5 20LVo閥全開如浮閥塔：2d153. 0bwshlLh忽略和h當板間距HT、堰高

30、hw和泡沫相對密度一定時，可找出LV關系00AVusmin,max,hhVVmin,max,hhLL塔板的操作彈性：塔板的操作彈性： 或LhVhVh,minVh,max畫出塔板負荷性能圖畫出塔板負荷性能圖三、塔高計算（1）塔頂空間HD：一般取1.21.5m（2）塔底空間HB使儲液量停留35min，保證塔底料液不被排完。塔底液面距最下層塔板間12m。（3）人孔數目D1000mm，為安裝、檢修方便，每隔68層塔設一人孔；人孔直徑一般450600mm；設人孔處的板間距600mm。（4）塔高裙座封頭人孔進料人孔進料HHHHHnHnHnnnHBDpFT) 1(四、塔板設計結果匯總實際塔板數：進料板位置：

31、塔總高度：精餾段塔板設計結果匯總表提餾段塔板設計結果匯總表塔板主要結構參數數據塔板主要流動參數數據塔徑D1.4m流動形式單流型塔板間距HT0.6m液體流量Lh堰長lw0.98m氣體流量Vh堰高hw0.05m液泛氣速uf堰寬Wd0.2mu/uf入口堰高hw無空塔氣速u底隙hb降液管內流速Ad /AT底隙流速ub塔截面積AT泛點率F1降液管面積Ad溢流強度uL有效傳質區(qū)Aa堰上液頭高度how氣相流通面積A塔板阻力hb開孔面積A0降液管液體停留時間孔直徑d0降液管內清液高度孔數n降液管內液沫層高度開孔率A0 /A閥孔氣速孔心距t閥孔動能因子邊緣區(qū)寬Wc漏液點氣速安定區(qū)寬Ws穩(wěn)定系數塔板厚S最大氣相流量排列方式最小氣相流量一、塔盤一、塔盤當塔徑大于800mm時可采用分塊塔徑/mm8001200140016001800200022002