板式精餾塔設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)第一章板式精餾塔設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：一、塔設(shè)備簡介二、板式精餾塔主體設(shè)備的設(shè)計(jì)三、板式塔的結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備選型配套設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)第一節(jié)塔設(shè)備簡介

塔設(shè)備是氣液傳質(zhì)設(shè)備分類：板式塔和填料塔工業(yè)生產(chǎn)對塔設(shè)備的主要要求：

生產(chǎn)能力大；傳質(zhì)、傳熱效率高；流體流動(dòng)的摩擦阻力小；操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用少；制造安裝容易，操作維修方便。應(yīng)綜合考慮以上諸因素?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)第二節(jié)板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：一.設(shè)計(jì)方案的確定二.物料衡算和操作線方程三.理論板數(shù)的求算方法四.塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)一.設(shè)計(jì)方案的選定1.裝置流程的確定包括：熱量的利用，進(jìn)料方式的選擇，冷凝器的選擇（全凝器或分凝器）2.操作壓強(qiáng)的選擇：取決于冷凝溫度包括：常壓、減壓、加壓化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)

3.進(jìn)料熱狀況的選擇：用表示

五種進(jìn)料熱狀況:

冷液進(jìn)料：飽和液體（泡點(diǎn)）進(jìn)料：飽和蒸汽（露點(diǎn)）進(jìn)料：氣液混合進(jìn)料：過熱氣進(jìn)料：

原則上采用冷液進(jìn)料，但通常采用泡點(diǎn)進(jìn)料?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)4.加熱方式的選擇大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。5.回流比的選擇主要從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，力求使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和最低。一般經(jīng)驗(yàn)值為

化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)1、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關(guān)系

氣液相平衡(vapor--liquidequilibrium)：溶液與其上方蒸氣達(dá)到平衡時(shí)氣液兩相各組分組成的關(guān)系。

物系的分類：理想物系和非理想物系。

理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律（Raoult’slaw)，即

式中

p——溶液上方組分的平衡分壓

p0——同溫度下純組分的飽和蒸氣壓

x——溶液中組分的摩爾分率

第三節(jié)雙組分溶液的氣液平衡化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)根據(jù)道爾頓分壓定律和拉烏爾定律

當(dāng)總壓P不高時(shí)，平衡的氣相可視為理想氣體，服從道爾頓分壓定律，即式（a）和（b）為兩組分理想物系的氣液平衡關(guān)系式。（a）（b）第三節(jié)雙組分溶液的氣液平衡化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)

當(dāng)總壓不高時(shí)，蒸氣服從道爾頓分壓定律對于二元溶液

xB=1-xAyB=1-yA整理后，略去下標(biāo).氣液平衡方程第三節(jié)雙組分溶液的氣液平衡2、相對揮發(fā)度及氣液平衡方程化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)3.二元物系連續(xù)板式精餾塔的工藝計(jì)算1.物料衡算與操作線方程①全塔物料衡算總物料F=D+W易揮發(fā)組分FxF=DxD+WxW化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)②精餾段操作線方程或其中L=R·D

③提留段操作線方程或其中化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)④進(jìn)料線方程（線方程）

線方程代表精餾段操作線與提留段操作線交點(diǎn)的軌跡方程。4.理論板數(shù)的求算化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)

求算理論板數(shù)之前，需知原料液組成，選擇進(jìn)料熱狀況（即q值）和操作回流比等精餾操作條件，利用氣、液相平衡關(guān)系和操作方程求算。常用理論板數(shù)的求算方法有三種方法，現(xiàn)分別予以介紹。（1）逐板計(jì)算法

設(shè)塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流，則化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)注意：間接蒸汽加熱時(shí)，再沸器內(nèi)可視為氣液兩相達(dá)平衡，故再沸器相當(dāng)于一層理論板，則提餾段理論板數(shù)為(m-1)層。缺點(diǎn)：計(jì)算雖然準(zhǔn)確，但較繁瑣?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)（2）直角梯級求解法（M.T.圖解法）方法和步驟如下：設(shè)采用間接蒸汽加熱，全凝器（），泡點(diǎn)進(jìn)料。①首先在y-x圖上作平衡線和對角線。②作精餾段操作線。③作進(jìn)料線（q線）。與精餾段操作線相交與點(diǎn)d。④作提留段操作線。⑤圖解理論板層數(shù)。跨過交點(diǎn)d的梯級為進(jìn)料板。如采用再沸器，應(yīng)減去一層塔板數(shù)，如采用分凝器，應(yīng)再減去一層塔板數(shù)?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)（3）簡捷法(Gilliland）①求算Rmin和選定R。Rmin的求算如下式：

a.進(jìn)料為飽和液體時(shí),∵xq=xF,故

b.進(jìn)料為飽和蒸汽時(shí),∵Yq=YF,故對于平衡曲線形狀不正常的情況，可用作圖法求Rmin.化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)平衡曲線形狀不正常情況下Rmin求法②計(jì)算Nmin

化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)③計(jì)算值。在吉利蘭圖橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)點(diǎn)，自此點(diǎn)引鉛垂線與曲線相交，由交點(diǎn)相應(yīng)的縱坐標(biāo)值求算出不包括再沸器的理論板數(shù)N。④確定進(jìn)料板位置?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)三、塔效率的估算1.定義：為在指定分離要求與回流比所需理論板數(shù)NT與實(shí)際塔板數(shù)NP的比值。即：2.兩個(gè)關(guān)聯(lián)方法①Dickamer和Bradford法根據(jù)精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)圖，有下列公式：

（適用于液相粘度為0.07~1.4mPa·s的烴類物系。）μm:根據(jù)塔頂和塔底的組成查氣液組成圖（自己繪制），分別獲得塔頂塔底溫度數(shù)據(jù)，然后再查物系的粘度表（書上附錄）進(jìn)而求解化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)②O′connell法將全塔效率關(guān)聯(lián)為相對揮發(fā)度與液相平均粘度乘積的函數(shù)，得到精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)曲線。用下式表示：

適用于，且板上液流長度≤1.0的一般工業(yè)板式塔。

化工原理課程設(shè)計(jì)板式精餾塔設(shè)計(jì)粘度可用加和法估算：第二章塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：

1.塔高

2.塔徑

3.溢流裝置與液體流型

4.塔板設(shè)計(jì)1.

塔高塔徑DT/m0.3~0.50.5~0.80.8~1.61.6~2.42.4~4.0板間距HT/mm

200~300250~350300~450350~600400~600化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)1.1計(jì)算公式：選定時(shí)，還要考慮實(shí)際情況。1.2板間距HT選取的一般依據(jù)2.塔徑2.1計(jì)算公式：

C為負(fù)荷系數(shù)，可由Smith關(guān)聯(lián)圖查取。注意：查得的負(fù)荷系數(shù)為液體表面張力σ＝20mN/m的值C20

，故一般應(yīng)將C值加以修正。式中

Vs

—

氣體體積流量，m3/su

—

空塔氣速，m/s化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)2.塔徑2.2圓整將計(jì)算所得塔徑向系列標(biāo)準(zhǔn)圓整

400、500、700、800、1000·······46002.3變徑塔或通徑塔3.溢流裝置設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw溢流堰降液管受液盤

3.1降液管類型與溢流方式化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)（a）圓形降液管（b）內(nèi)弓形降液管（c）弓形降液管它由部分壁面和一塊平板圍成的，由于能充分利用內(nèi)空間，提供較大降液面積及兩相分離空間，被普遍用。（d）傾斜式弓形降液管它既增大了分離空間又不過多占用塔板面積，故適用于大直徑大負(fù)荷塔板。3.1.1降液管類型化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

U型流小液體負(fù)荷，液體流程長，板面利用好，板效較高，但液面落差大。

單流型液體流程較長，板面利用好，塔板結(jié)構(gòu)簡單，直徑2.2米以下的塔。3.1.2溢流堰的類型

階梯溢流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大塔徑負(fù)荷大的塔。

雙溢流流程短可減少液面落差，但板面利用率低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用于液體負(fù)荷大，直徑2m以上塔。

一般可根據(jù)初估塔徑和液體流量進(jìn)行選擇?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)4.溢流堰裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)4.1.1堰長lw

單流型lw

為（0.6～0.8）D

雙溢流lw

為（0.5～0.7）D

也可由溢流強(qiáng)度計(jì)算篩板及浮閥塔的lw：其中D－塔徑

lw

－溢流堰長

Lh－液體流量4.1溢流堰化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)式中hL

－板上液層高度(一般50～100mm）

how－堰上液層高度4.1.2堰高h(yuǎn)w堰上液層高度how可按Francis公式計(jì)算hwhowHdhLhoHTD化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)堰上液層高度

平直堰的hOW按下式計(jì)算

lW－堰長，m

Lh－塔內(nèi)液體流量，m3/h

E－液流收縮系數(shù)，一般取1化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

常壓0.04~0.05m

減壓0.015~0.025m

高壓0.04~0.08m

一般均不宜超過0.1m求得how后，即可按下式指出的范圍確定堰高h(yuǎn)w

堰高化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)若how小于6mm，應(yīng)采用齒形堰4.2.1

降液管的寬度Wd與截面積Af4.2降液管化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

若知堰長與塔徑的比值，由右圖即可查取降液管的寬度與截面積。

降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間一般等于或大于3～5s。求得降液管的截面積之后，應(yīng)按下式驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間。

即式中—液體在降液管中的停留時(shí)間，s

Af—降液管的截面積，m2化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)4.2.2降液管底隙高度化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)hw－h(huán)0≥6mmh0

應(yīng)低于hwhowHdhLhwHTh0

降液管底隙高度

h0（1）一般取為：（2）也可按下式計(jì)算式中—液體通過降液管底隙的流速，m/s

一般不宜超過0.4m/s

不宜小于0.02~0.025m，以免引起堵塞?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)（1）塔板布置（2）篩板的篩孔與開孔率化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)5.塔板的設(shè)計(jì)計(jì)算hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)5.1塔板布置

開孔區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū)和無效區(qū)開孔區(qū)也稱為鼓泡區(qū)。對垂直弓形降液管的單流型塔板按下式計(jì)算。

式中Aa—鼓泡面積，m2

化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)②溢流區(qū)溢流區(qū)面積Af和Af′分別為降液管和受液盤所占面積。③安定區(qū)開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域?yàn)榘捕▍^(qū)（破沫區(qū)），其作用為使自降液管流出液體在塔板上均布并防止液體夾帶大量泡沫進(jìn)入降液管。④無效區(qū)在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區(qū)域供支撐塔板的邊梁。小塔為30~50mm,大塔為50~75mm。為防止液體經(jīng)邊緣區(qū)流過產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔壁設(shè)置旁流擋板。化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)5.2篩板的篩孔與開孔率化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)①孔徑②篩板厚度③孔心距④開孔率⑤篩孔數(shù)td0篩孔的正三角形排列

篩孔的孔徑d0

篩孔的孔徑d0

的選取與塔的操作性能要求、物質(zhì)性質(zhì)、塔板厚度、材質(zhì)及加工費(fèi)用等有關(guān)，一般認(rèn)為，表面張力為正的物系易起泡沫，可采用d0

為3~8mm（常用的4~6mm）的小孔徑篩板，屬鼓泡型操作；表面張力為負(fù)系統(tǒng)的物系易堵，可采用d0

為10~25mm的大孔徑篩板，其造價(jià)低，不易堵塞，屬噴射型操作?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

篩板厚度一般碳鋼

或

不銹鋼或化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

孔心距t

篩孔在篩板上一般按正三角形排列，孔心距

t=(2.5~5)d0，常取t=(3~4)d0t/d0過小易形成氣流相互擾動(dòng)，過大則鼓泡不均勻，影響塔板的傳質(zhì)效率。開孔率篩板上篩孔總面積與開孔區(qū)面積之比稱為開孔率。篩孔按正三角形排列的計(jì)算公式：一般開孔率大，塔板壓降低，霧沫夾帶量小，但操作彈性小，漏液量大，板效率低。通常開孔率為5%~15%。

化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)

篩孔數(shù)目化工原理課程設(shè)計(jì)塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)第三章塔板流體力學(xué)驗(yàn)算一、塔板流體力學(xué)驗(yàn)算的目的

檢驗(yàn)初設(shè)的塔板計(jì)算是否合理判定塔板能否維持正常操作二、驗(yàn)算內(nèi)容1.塔板壓力降hc

－與氣體通過篩板的干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱；hl

－與氣體通過板上液層的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱；hσ

－與克服液體表面張力的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱；計(jì)算結(jié)果hp值應(yīng)低于設(shè)計(jì)允許值（設(shè)計(jì)任務(wù)書已給出）化工原理課程設(shè)計(jì)塔板流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓力降1.1干板阻力hc的計(jì)算故上式可簡化為u0－氣體通過篩孔的速度，m/s；C0－

流量系數(shù)，由干篩孔的流量系數(shù)圖查取?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)塔板流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓力降1.2氣體通過液層的阻力hl

計(jì)算

液體表面張力的阻力hσ

計(jì)算一般，使用下圖查h1，而非使用上式計(jì)算化工原理課程設(shè)計(jì)三、塔板的負(fù)荷性能圖（過難，這次設(shè)計(jì)中不要求）1.氣相下限操作線2.過量霧沫夾帶線3.液相下限線4.液相上限線5.液泛線

可通過適當(dāng)調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變負(fù)荷性能圖。塔板流體力學(xué)驗(yàn)算BV(m3/s)L(m3/s)12345穩(wěn)定操作區(qū)ABCD設(shè)計(jì)題目在常壓連續(xù)精餾塔中分離含41%的苯、甲苯混合液，要求塔頂餾出液中汗甲苯不大于4%，塔底釜液中含甲苯不低于96%（以上均為質(zhì)量分率）已知：混合液處理量4t/h；

進(jìn)料熱狀態(tài)自選；

回流比自選

塔頂壓強(qiáng)4kPa（表壓）

單板壓降不大于0.7kPa溫度t℃液相中苯的摩爾分率x氣相中苯的摩爾分率y110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.00