精餾塔的設計計算

關于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(shù)據(jù)的能力；

2.樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)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2頁,共70頁，2024年2月25日，星期天二、化工原理課程設計的內容

1、課程設計的基本內容（1）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）主要設備的工藝設計計算包括工藝參數(shù)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(shù)測量點；

（5）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；第3頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

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(shù)表；

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）工藝流程圖及主體設備裝配圖；2、課程設計組成（1）設計說明書主要內容：第4頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3、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(shù)據(jù)必須注明出處；

圖表應能簡要表達計算的結果。第5頁,共70頁，2024年2月25日，星期天三、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(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案。根據(jù)給定任務，對精餾裝置的流程、操作條件、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(shù)（作圖法）、實際板數(shù)；

確定塔高和塔徑。第6頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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）；

進行流體力學校核計算；

畫出塔的負荷性能圖。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7頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第二節(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(jīng)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(jù)所處理物料的性質，兼顧技術上的可行性和經(jīng)濟上的合理性進行考慮?？煽紤]取常壓操作，塔頂壓力為4kPa（表壓），每層塔板壓降

p≤0.7kPa。第8頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3、進料狀況的選擇進料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。在實際的生產(chǎn)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。第9頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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，設置再沸器。若塔底產(chǎn)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：T＜180℃，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。第10頁,共70頁，2024年2月25日，星期天二、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、Dkmol/h

4、塔板數(shù)的計算（1）理論板數(shù)的計算：作y－x圖、t－x－y圖；求最小回流比Rmin、實際回流比R；圖解法求理論板數(shù)N。第11頁,共70頁，2024年2月25日，星期天（2）全塔效率ET

可查P145頁圖11-21確定或：

av=0.1～1.0時，（3）實際塔板數(shù)NP

分別求精餾段和提餾段所需實際板數(shù)（二）塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)

1、操作壓強平均壓強：pm(精)=(pD+pF)/2

pm(提)=(pW+pF)/2第12頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2、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)/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)/2＝100℃t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPa01.08010090110第13頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2、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=0.966×78.11+(1－0.966)×92.13=78.59kg/kmolMLDm=0.916×78.11+(1－0.916)×92.13=79.29kg/kmol第14頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3、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。平均密度：

Lm(精)=(

LD+

LF)/2

Vm(精)=(

VD+

VF)/2

Lm(提)=(

LW+

LF)/2

Vm(提)=(

VW+

VF)/2第15頁,共70頁，2024年2月25日，星期天4、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。第16頁,共70頁，2024年2月25日，星期天溫度t℃8090100110120

L(苯)kg/m3815803.9792.5780.3768.9

L(甲苯)kg/m3810800.2790.3780.3770.0

L(苯)mN/m21.2720.0618.8517.6616.49

L(甲苯)mN/m21.6920.5919.9418.4117.31

L(苯)m·Pas0.3080.2790.2550.2330.215

L(甲苯)m·Pas0.3110.2860.2840.2540.228物性參數(shù)表第17頁,共70頁，2024年2月25日，星期天(三)氣液負荷的計算精餾段：V＝(R＋1)Dkmol/hm3/s

L＝RDm3/s提餾段：V

＝V＋(q－1)F

L

＝L＋F第18頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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(shù)作為設計依據(jù)，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(shù)和塔板尺寸需根據(jù)經(jīng)驗來選取，因此設計過程中不可避免要進行試差，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19頁,共70頁，2024年2月25日，星期天一、精餾塔的結構設計1、塔的有效高度和板間距

已知：實際塔板數(shù)NP

；選取塔板間距HT；

選取塔板間距

HT

：塔板間距和塔徑的經(jīng)驗關系塔體高度＝有效高＋頂部空間＋底部空間＋塔裙座高度

有效塔高：0.8第20頁,共70頁，2024年2月25日，星期天①最大空塔氣速（液泛氣速，課本P.128—129）2、塔徑估算

確定原則：防止過量液沫夾帶液泛

步驟：先確定最大空塔氣速umax(m/s)；然后根據(jù)經(jīng)驗確定設計氣速

u；最后計算塔徑D。篩板塔，可查教材Smith圖求C20；浮閥塔可查數(shù)據(jù)手冊書確定C20

。第21頁,共70頁，2024年2月25日，星期天HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05篩板塔氣體負荷因子關聯(lián)圖課本P.129第22頁,共70頁，2024年2月25日，星期天②選取設計氣速

u

選取泛點率：u/

umax

一般液體，0.7～0.8

易起泡液體，0.5～0.6所需氣體流通截面積設計氣速

u=泛點率×umax③計算塔徑

DAT：塔截面Ad：降液管截面ATDAdlw第23頁,共70頁，2024年2月25日，星期天說明：計算得到的塔徑需圓整。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率。

雙流型:單流型：lw/D的確定：Ad/AT也可由lw/D查圖得（教材P.137）lw/DAd/AT和Wd/D第24頁,共70頁，2024年2月25日，星期天hb底隙：

hb堰頭液高：

h0W堰高：

hWWcWdWslWrx第25頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3、溢流裝置設計①溢流型式的選擇依據(jù)：塔徑、流量；

型式：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第26頁,共70頁，2024年2月25日，星期天液流型式選取參考表第27頁,共70頁，2024年2月25日，星期天②降液管形式和底隙

降液管：弓形、圓形。

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(chǎn)能力和板效率將較低；Ad/AT過小，易產(chǎn)生氣泡夾帶，引起降液管液泛。

底隙

hb

：應小于hw，通常在30~40mm。液體流經(jīng)底隙的流速ub=Ls/(lwhb)，一般ub=0.07—0.25m/s。第28頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

平流堰溢流輔堰柵欄堰三角形齒堰溢流堰（又稱出口堰）

作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。

主要尺寸：堰高hw和堰長lw第29頁,共70頁，2024年2月25日，星期天堰高hW：直接影響塔板上液層厚度過小，相際傳質面積過??；

過大，塔板阻力大，效率低。

常、加壓塔：

hW=50~80mm；減壓塔：

hW=25mm。

hW=hL－h(huán)0W

板上液層高度（常壓）：

hL=

50～100mm第30頁,共70頁，2024年2月25日，星期天E可由圖11-11查取(P.131)，若Lh不是過大，可近似取E=1。堰上方液頭高度hOW可用經(jīng)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

lW

：對于弓形降液管

雙流型:單流型：堰長由計算得到的塔徑確定lW/D也可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊推薦值按塔徑選取第31頁,共70頁，2024年2月25日，星期天①受液區(qū)和降液區(qū)一般兩區(qū)面積相等。②邊緣區(qū)小塔：大塔：③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WcWdWslWrx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。第32頁,共70頁，2024年2月25日，星期天5、篩孔、閥孔的尺寸和排列

（1）篩板塔單流型弓形降液管塔板：④有效傳質區(qū)(開孔區(qū))：

WcWdWslWrxd0t

篩孔直徑d0:3~8mm

常用d0

:3、3.5、6、8mm

孔中心距t:

常壓:

t

＝(3~4)

d0

取整。

板厚：碳鋼（3~4mm）、不銹鋼2~4mm

。

第33頁,共70頁，2024年2月25日，星期天孔氣速：孔數(shù)：d0t

開孔率φ(常壓):通常為0.10~0.14。有效傳質區(qū)內，常按正三角形排列。選定do，計算得到Aa后，可確定孔數(shù)n，并核算開孔率

；畫出塔板排孔圖。第34頁,共70頁，2024年2月25日，星期天（2）浮閥塔浮閥型式：F1、V-4、V-6、十字架浮閥孔徑：d0=39mm

排列方式：正三角形和等腰三角形孔中心距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)第35頁,共70頁，2024年2月25日，星期天閥孔數(shù)：動能因子：適宜閥孔氣速u0:

常壓塔：u0=3～7m/s

減壓塔：u0

＞10m/s開孔率(常壓)：第36頁,共70頁，2024年2月25日，星期天hf

為板上泡沫層高度：

有效傳質區(qū)的氣速：

u=Vs/(AT－Ad)二、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：ev≤0.1kg液體/kg氣體。(1)篩板塔：查關聯(lián)圖或用Hunt經(jīng)驗公式計算ev第37頁,共70頁，2024年2月25日，星期天說明：兩式計算的F1中的較大值若超過允許值，應調整塔板間距或塔徑。

（2）浮閥塔：利用Fair關聯(lián)圖求泛點率F。為控制液沫夾帶量過大，應使泛點率直徑小于0.9m的塔：F≤0.65～0.75一般大塔：F≤0.8～0.82單流型：液體在塔板上流動的行程Z=D－2Wd

塔板上的液流面積A=AT－2Ad

物性系數(shù)(正常系統(tǒng))K=1.0

泛點負荷因數(shù)CF查圖求取第38頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

塔板阻力：塔板阻力ΔHt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hσ—孔口處表面張力。2、塔板阻力的計算和校核（1）干板阻力ho

浮閥塔臨界孔速第39頁,共70頁，2024年2月25日，星期天=1.15—校正系數(shù)C0—孔流系數(shù)，可查圖11-10(P131)。d0/δC0篩板的孔流系數(shù)篩板塔d0＜12mmd0≥12mm孔徑與板厚之比第40頁,共70頁，2024年2月25日，星期天（2）液層阻力he充氣系數(shù)

浮閥塔：

＝0.5篩板塔：由Fa查圖11-12求

Fa第41頁,共70頁，2024年2月25日，星期天說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率或降低堰高。（3）克服液體表面張力阻力（一般可不計）

3、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(jīng)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。故塔板阻力：降液管中清液柱高度(m)第42頁,共70頁，2024年2月25日，星期天（1）液面落差Δ一般較小，可不計。浮閥塔Δ可忽略。篩板塔若D≤1600mm時，Δ可忽略。不可忽略時：一般要求：Δ<0.5ho（2）液體通過降液管阻力hd不設進口堰時：設進口堰時：Av：液流經(jīng)堰時的最小斷面第43頁,共70頁，2024年2月25日，星期天泡沫層高度要求：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或增大塔板間距。泡沫層相對密度

：不易起泡物系：

=0.6～0.7一般物系：

=0.5

易起泡物系：

=0.3～0.44、液體在降液管中停留時間校核目的：避免嚴重的氣泡夾帶。

停留時間：要求：說明：停留時間過小，可增加降液管面積或增大塔板間距。第44頁,共70頁，2024年2月25日，星期天（1）計算嚴重漏液時干板阻力

h0′（2）計算漏液點氣速u0′

說明：如果穩(wěn)定系數(shù)K過小，可減小開孔率或降低堰高。5、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(shù)：要求：對于浮閥塔，一般取F=5時對應的閥孔氣速為漏液點氣速u0′

第45頁,共70頁，2024年2月25日，星期天①過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）

篩板塔：規(guī)定：ev=

0.1（

kg

液體/kg氣體）為限制條件。6、塔板的負荷性能圖——確定塔板的操作彈性可整理出u與L關系，因u又與V有關，故可關聯(lián)出V與L關系。L/m3/h1030507090V/m3/h板上泡沫層高度：

有效傳質區(qū)的氣速：

u=Vs/(AT－Ad)第46頁,共70頁，2024年2月25日，星期天浮閥塔：令泛點率F1=0.8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。第47頁,共70頁，2024年2月25日，星期天②液相下限線整理出：液相下限線是一條垂直與L軸的直線。規(guī)定③嚴重漏液線（氣相下限線）浮閥塔：不發(fā)生漏液時，動能因子

F0=5由u0,min可算出此時的最小氣相量Vh，是一水平直線。第48頁,共70頁，2024年2月25日，星期天當：hL＜30mm，或d0＜3mmL/m3/h1030507090V/m3/h一般情況：篩板塔：可由上式關聯(lián)出L與V的關系。第49頁,共70頁，2024年2月25日，星期天④液相上限線——保證液體在降液管中有一定的停留時間。⑤降液管液泛線可得L=常數(shù)的直線液泛時，降液管內的泡沫液面高等于板間距與堰高之和第50頁,共70頁，2024年2月25日，星期天L/m3/h1020305080100V/m3/h如浮閥塔：忽略Δ和h

當板間距HT、堰高hw和泡沫相對密度

一定時，可找出L～V關系第51頁,共70頁，2024年2月25日，星期天塔板的操作彈性：或LhVhVh,minVh,max畫出塔板負荷性能圖第52頁,共70頁，2024年2月25日，星期天三、塔高計算（1）塔頂空間HD：一般取1.2～1.5m（2）塔底空間HB使儲液量停留3～5min，保證塔底料液不被排完。塔底液面距最下層塔板間1～2m。（3）人孔數(shù)目

D≥1000mm，為安裝、檢修方便，每隔6～8層塔設一人孔；人孔直徑一般450～600mm；設人孔處的板間距≥600mm。（4）塔高第53頁,共70頁，2024年2月25日，星期天四、塔板設計結果匯總實際塔板數(shù)：進料板位置：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第54頁,共70頁，2024年2月25日，星期天塔板主要結構參數(shù)數(shù)據(jù)塔板主要流動參數(shù)數(shù)據(jù)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h

w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(shù)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(shù)塔板厚S最大氣相流量排列方式最小氣相流量第55頁,共70頁，2024年2月25日，星期天一、塔盤當塔徑大于800mm時可采用分塊塔徑/mm800—12001400—16001800—20002200—2400分塊數(shù)345613213241324第四節(jié)塔的機械設計第56頁,共70頁，2024年2月25日，星期天二、塔體：選用材料：可查得材料的許用應力[]

t

注意：計算出的壁厚應圓整。

Di：塔內徑mmC：壁厚附加量，可取C＝3mm;[]

t：材料的許用應力，Mpapc：工作壓力，Mpa

：焊縫系數(shù)(≤1)，可取

＝0.85塔體的壁厚：第57頁,共70頁，2024年2月25日，星期天焊接接頭系數(shù)f焊接接頭結構10