乙醇精馏塔机械设计

本科毕业设计（论文）设计论文题目： 乙醇精馏塔机械设计学 院 ： 吉林化工学院专 业： 过程装备与控制技术 学 生： 景阳 指导教师： 陈秀萍 完成时间： 2013 年 6 月 25 日 本科毕业设计（论文）诚信声明本人声明：我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 年 月 日本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 乙醇精馏塔机械设计 学院： 吉林化工学院 专业： 过程装备与控制技术 学生： 景阳 指导教师： 陈秀萍 1 .设计的主要任务及目的标（1） 设计乙醇精馏塔机的生产工艺与设备工艺；（2） 原料为乙醇，其中工业乙醇含量为 38.2%，其余为水（均为质量分数） ；（3） 三、工艺条件 （4） 生产负荷（按每年 7200 小时计算）：6、7、8、9、10、11、12 万吨/年 进料热状况：自选 回流比：自选 （5） 加热蒸汽：低压蒸汽 单板压降：0.7Kpa 工艺参数.2 设计内容（1） 确定精馏装置流程，绘出流程示意图。（2） 工艺参数的确定：基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡 算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。（3） 主要设备的工艺尺寸计算：板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。（4） 流体力学计算：流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。（5） 主要附属设备设计计算及选型：塔顶全凝器设计计算，热负荷，载热体用 量，选型及流体力学计算；料液泵设计计算，流程计算及选型。3 . 进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 题目确定 2013 年 5 月 115 日2 文献查阅及初步设计计算 2013 年 5 月 1626 日3 设计计算 图纸绘制 2013 年 5 月 2731 日4 设计计算及图纸完善 2013 年 6 月 124 日5 毕业设计答辩准备（可以找赵老师辅导： 2012 年 6 月 2528 日6 毕业设计答辩 2013 年 6 月 2930 日本科毕业设计（论文）乙醇精馏塔机械设计摘 要 乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，广泛地应用于国民经济的许多部门,近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势。但是由于乙醇-水体系有共沸现象，普通的精馏难于得到高纯度的乙醇。因此，研究和改进乙醇-水体系的精馏设备是非常必要的。本设计基于精馏的原理，查阅乙醇-水体系的相关物性参数，对精馏装置进行设计.而这一设计过程中的主要内容有:物料衡算，热量衡算，塔体工艺设计，塔板工艺设计，塔附属设备设计以及部分机械设计。 关键词：乙醇-水；精馏塔设计；附属设备设计； 机械设计 本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .IV目 录 .V前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 设计目的 .21.2 设计的背景 .21.3 设计的意义和要求 .31.4 设计步骤 .31.5 设计步骤和内容 .3第 2 章 设计方案的确定 .52.1 精馏流程的确定 .52.2 操作压力 .52.3 进料热状态 .52.4 加热方式 .52.5 冷却方式 .52.6 回流比的选择 .62.7 工艺参数的选择 .62.8 塔的物料衡算 .7第 3 章 精馏工艺的计算 .103.1 设计条件的重述与分析 .103.2 理论板数的计算 .113.3 物料恒算 .143.4 塔板数总效率的估算 .153.5 实际塔板数的计算 .16第 4 章 塔板和塔的主要工艺尺寸设计 .194.1 理论塔板数的确定 .194.2 实际塔板数及全塔效率的计算 .19本科毕业设计（论文）4.3 塔径的初步设计 .204.4 溢流装置 .214.5 踏板装置 .23第 5 章 塔板的流体力学验算及设计评述 .245.1 塔板流体力学验算 .245.2 设计评述 .30第 6 章 设计结果 .32第 7 章 主体设备机械设计 .357.1 塔体强度校核 .357.2 风载荷和风弯矩 .357.3 地震载荷的计算 .36参考文献 .37致 谢 .38本科毕业设计（论文）前 言化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂的驱动下（有时加质量剂），使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。该过程是同时进行传质、传热的过程。 乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。 要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。本科毕业设计（论文）第 1 章 概述1.1 设计目的蒸馏是分离均相混合物的单元操作，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识,来解决实际化工问题的能力,做到能独立进行化工初步设计；掌握化工设计的基本程序和方法；学会查阅技术资料、选用公式和数据；用简洁文字和图表表达设计结果；用 CAD 制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。1.2 设计的背景精馏塔是石化工业中最为常见和能耗较大的设备之一。精馏塔能正常操作，并不能说明塔内件设计一定合理，往往由于设计者主观和客观的原因，存在着一些不合理之处，但因塔板数过多、塔径过大等原因而掩盖了这些方面的不足，而塔板数过多、塔径过大又往往由于塔能正常生产而不易觉察，造成浪费。 精馏是利用各组分在相同条件下挥发性的差异而分离出各组分的过程，它广泛用于多组分混合物的分离。精馏过程的特点是重复进行汽化和冷凝，即不同沸点的组分通过一系列的馏分汽化和冷凝来实现分离，因此热效率很低。通常再沸器加热到精馏塔上的能量有 95以上被塔顶冷凝器的冷却水带走，只有约 5的能量被有效利用。 据报道，我国目前精馏系统消耗的能量占总能耗的 15以上。由于能源价格迅速升高，迫使人们想方设法降低能耗。如何降低精馏系统的能耗就成为化工设计工作者关注的重点。目前精馏系统节能的手段有：回收显热；回收潜热；减少系统的热损失；降低回流比来减少系统的能量需求等。回流比对精馏塔节能的影响很大。本科毕业设计（论文）1.3 设计的意义和要求本次设计为乙醇精馏塔的工艺设计。化工生产中，常需要进行混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏就是一种分离互溶的液体混合物的常用方法之一。精馏在选择分离方案时常被优先考虑，因为它有下列优点：（1）精馏是一个使用能量分离剂的平衡分离过程；（2）系统内不含固体物料，操作方便；（3）有成熟的理论和实践；（4）没有产品数量的限制，从很小到很大的规模都能采用；（5）常常只需要能位等级很低的分离剂。 对于工科类专业的学生，到工作岗位后都会遇到与设计基本知识有关的各种问题。在工厂中，技术人员必须对自己主管的设计有着清晰的了解，再结合现场的生产实际情况，就能正确判断生产是否有进一步改善和提高的可能。因此，掌握化工设计的基本概念和方法能帮助我们完成从学校走向工作岗位的转变，对个人学科素质有质的提高。在设计过程中，对于精馏塔有如下设计要求：（1）生产能力大，及气、液处理量大；（2）操作弹性大，分离效率高；（3）流体流动阻力小，操作费用低；（4）结构简单，造价低，制造、安装、维修方便。1.4 设计步骤塔设备的设计一般主要包括两个部分：工艺设计和机械设计。工艺设计中要初步确定各阶段混合物的物理特性，由计算得出的具体数据再进行塔板的最基本设计。机械部分要解决的问题，除了确定塔设备的各细节结构外，更重要的就是要做各种校核工作，以保证设计完成的塔设备不仅能够正常运转，而且必须符合国家安全生产的标准。然后是画图阶段。图纸包括一张装配图和若干零件图，均采用计算机绘图，并严格按照设计尺寸进行绘制。 本设计的研究的步骤： 一、工艺设计计算 （1） 计算理论塔板数，塔板效率，确定实际塔板数； 计算塔径（空塔气速）；（2） 塔盘设计，溢流装置设计，进行流体力学计算，绘制塔板负荷性能图； （3） 选择塔板间距，初步确定塔高。本科毕业设计（论文）1.5 设计步骤和内容本次设计要求设计乙醇精馏塔,设计条件为：（1）进料含乙醇 38.2%，其余为水（均为质量分数，下同）；（2）产品乙醇含量不低于 93.1%；（3）釜残液中乙醇不高于0.01%；（4）要求生产能力为 5000T/Y，年开工 7200 小时；（5）操作条件为间接蒸汽加热，泡点进料，单板压降低于 100mm 水柱，塔板压强为 1.03atm（绝对压强）。 设计内容包括：（1）设计方案的确定和说明；（2）精馏塔工艺计算；（3）塔板主要尺寸设计。 设计步骤如下： （1） 确定设计方案和工艺流程； （2） 进行工艺计算； （3） 塔板设计：主要包括塔板主要工艺尺寸，进行流体力学校核； （4） 板式塔的结构选择； （5） 管路和辅助设备的计算和选型； （6） 绘制图纸； （7） 编制设计说明书。本科毕业设计（论文）第 2 章 设计方案的确定2.1 精馏流程的确定乙醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。在本设计中，由于流量太大，设计两个精馏塔.2.2 操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉分离问题，而且与塔顶和塔底温度选择有关。其选择原则是：对热敏性的物料可采用减压操作，对于常态下呈气态的物料可在加压下进行精馏，对于一般物料可采用常压蒸馏。根据物料应当选择常压蒸馏。2.3 进料热状态进料有 5 种状态，分为过冷进料（q1）；泡点进料（q=1）;气液混合进料（0Rmin 时，塔板数有无限多降至有限数；R 继续增加，塔板数虽然可以减少，但减少的速率很慢，因此可以在曲线倾斜部分区域选择一个合适的回流比。2.7 工艺参数的选择(1) 处理能力：5000T/y ,年开工 7200 小时 (2) 进料浓度：Xf=0.15（mol%） (3) 进料温度：tf=18 (4) 塔顶冷凝水采用 12深井水, 塔釜间接蒸汽加热 (5) 压力： 常压操作 单板压降0.7 kPa (6) 要求： xd=86 mol % xw= 1mol %本科毕业设计（论文）图 2-1 精馏塔2.8 塔的物料衡算表 11 水和乙醇的物理性质称号 分子式 相对分子质量密度 20沸点 101.33KPa比热容（20）Kg/（kg.）粘度（20）mPa.s导热系数（20）/（m.）表面张力 *10（20）N/m水 H2o 18.02 998 100 4.183 1.005 0.599 72.8乙醇 C2H5OH 46.07 789 78.3 2.39 1.15 0.172 22.8本科毕业设计（论文）常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表 常压下乙醇水系统 txy 数据如表 12 所示。乙醇摩尔数/% 乙醇摩尔数/%沸点 t/气相 液相沸点 t/气相 液相99.9 0.004 0.053 82 27.3 56.4499.8 0.04 0.51 81.3 33.24 58.7899.7 0.05 0.77 80.6 42.09 62.2299.5 0.12 1.57 80.1 48.92 64.7099.2 0.23 2.90 79.85 52.68 66.28表 13 乙醇水系统 txy 数据99.0 0.31 3.725 79.5 61.02 70.2998.75 0.39 4.51 79.2 65.64 72.7197.65 0.79 8.76 78.95 68.92 74.6995.8 1.61 16.34 78.75 72.36 76.9391.3 4.16 29.92 78.6 75.99 79.2687.9 7.41 39.16 78.4 79.82 81.8385.2 12.64 47.49 78.27 83.87 84.9183.75 17.41 51.67 78.2 85.97 86.4082.3 25.75 55.74 78.15 89.41 89.41乙醇相对分子质量：46.07；水相对分子质量：18.02 料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数本科毕业设计（论文）平均摩尔质量进版料：M F=0.064*46.07+（1-0.064）*18.02=19.79kg/kmol塔顶：M D=0.779*46.07+（1-0.779）*18.02=39.81kg/kmol塔底：M W=0.002*46.07+（1-0.002）*18.02=18.06kg/kmol物料衡算本科毕业设计（论文）第 3 章 精馏工艺的计算3.1 设计条件的重述与分析设计条件如下： （1）进料含乙醇 38.2%，其余为水（均为质量分数，下同）；（2）产品乙醇 含量不低于 93.1%；（3）釜残液中乙醇不高于 0.01%；（4）要求生产能力为 5000T/Y，年开工 7200 小时；（5）操作条件为间接蒸汽加热，泡点进料，单板压降低于 100mm 水柱，塔板压强为1.03atm（绝对压强）。分析过程如下: （1）组成分析 xF =xW=38.2/4638.2/4661.8/180.01/460.0.1/4699.99/18=0.195 xD=3.91310-5 93.1/4693.1/466.9/18=0.841 （2）产量换算 要求生产能力为 5000T/Y，年开工 7200 小时，则馏出液流率 D=年生产能力*年开工时间-平均摩尔量=4.6410-3Kmol/s 公式（3-1）（3）假设恒摩尔流 物料为二元物系，且根据乙醇和水的物性可知，其组分分离的沸点相差较小，汽化潜热接近，（在 1atm 下，乙醇沸点 78.3，水沸点 100；在 60温度时，乙醇的摩尔汽化潜热为 39300kJ/mol，水的摩尔汽化潜热为 40700kJ/mol）,故符合恒摩尔流假设条件，结论为：在精馏塔内没有加料与出料的任一塔段中，各个板的上升的蒸汽量相等，各个板的下降的液体量也相等。（4）塔内摩尔流率 本科毕业设计（论文）设精馏塔塔顶冷凝器将蒸汽完全冷凝，凝液在泡点温度下部分回流入塔（泡点回流）。根据恒摩尔流假设，此时回流液的流量 L 即为精馏段逐板的下降的液体量，由此可得塔内各段气液两相的摩尔流量为： 3.2 理论板数的计算本科毕业设计（论文）图 3-2 Rmin=0.946 理论塔板数R=(1.12）R 且当精馏塔操作方程在 y 轴上截距为 0.39 时，操作线大致与平衡曲线重合，计算理论塔板数较为困难，且此时板数较多。 此时 xDR1=0.39，R1.156 R 应该大于 1.156，即 R=（1.222）Rmin 取 R=2Rmin,R=1.7Rmin,R=1.4Rmin,分别计算不同情况下的回流比与理论塔板数（图解法），结果如下： 表 2-1 回流比与理论塔板数 R=2Rmin R=1.7Rmin R=1.4Rmin R 1.892 1.609 1.324 理论板数 12 16 19 加料板的位置 第 9 块板 第 13 块板 第 16 块板 精馏段的板数 8 12 15 本科毕业设计（论文）图 1-4 R=2Rmin 理论塔板数图 3-3 R=1.7Rmin 理论塔板数 11R=2Rmin 时 xDR10.291 理论塔板数=12 第 9 块板为加料板 精馏段需 8 块板 R=1.7Rmin 时 xDR10.322 理论塔板数=16 第 13 块板为加料板 精馏段需 12 块板 R=1.4Rmin 时 xDR10.362 本科毕业设计（论文）理论塔板数=19 第 16 块板为加料板 精馏段需 15 块板 图 1-6 R=1.4Rmin 理论塔板数3.3 物料恒算对于整个精馏塔，存在物料守恒式： FDWFxFDxDWxW公式（3-6） xF=0.195，xD=0.841，xW=3.91310-5，D=4.6410-3Kmol/s W=1.5410-2Kmol/s，F=2.0010-2Kmol/s 对于塔内各段而言，存在物料守恒式：LRD精馏段V(R1)DLLF提馏段VV（L、V、L、V 分别为精馏段和提馏段的下降液体与上升液体蒸汽量，提馏段上标“-”表示） 本科毕业设计（论文）图 3-4 塔内摩尔流示意图对于选用不同的回流比的方案，计算结果如下：（流量单位均为 Kmol/s）表 2-2 不同的回流比的方案 R=2Rmin R=1.7Rmin R=1.4Rmin R 1.892 1.608 1.324 L 8.8710-3 7.4610-3 6.1410-3 V 1.3410-2 1.2110-2 1.0910-2 2.8810-2 2.7510-2 2.6110-2 L1.3410-2 1.2110-2 1.0910-2V3.4 塔板数总效率的估算采用 Oconnell 法，将精馏塔劝他效率关联呈 L 的函数4 -0.245本科毕业设计（论文）ET=0.49（L） 公式（3-7） 式中，ET 为全塔效率， 为塔顶及塔底平均温度下的相对挥发度，L 为塔底及塔底平均温度下进料相对平均粘度 mPas。有乙醇-水体系 t-x-y 平衡相图，塔底易挥发成分摩尔比率约为 0，对应塔底温度为 100，塔底易挥发成分摩尔比率约为 84%，对应塔底温度为 78。故塔顶、塔底平均温度为： t 顶t 底 2=781002=89 公式（3-8） 对于两组份体系，总压不太高时，相对挥发度 =pyAxAxBpyB=yAxByBxA（3-9）塔板yAyBPAP*B*；而 lgp*=A-Btc（mmHg） 式中，t 为温度（），A、B，C 为常数。 表 2-3 常数取值 A B C 7.96681 1668.21 2528.00 水（60150） 乙醇（25110） 8.11576 1595.76 226.52 为对比温度， 为结构加和因数。 对于 89下的乙醇液体，计算结果为： (-0.462) +60.249+0.054=0.624 =2C+6H+1.0=2Tr=TTc=89273516.20.70（TC 查表可得） =0.789gcm-3 （298K 条件下） 本科毕业设计（论文）乙醇在 89下黏度为 0.1919CP(公式应用温度应在沸点以下，故有误差),查表得水在 89下黏度为 3.16510-4Pas=0.3165cp L=xiLi=0.1950.1919+0.8050.3165=0.2922cp 公式（3-10）ET=0.49（L）-0.245=0.49（0.29220.547）-0.24576.79% 公式（3-11） 故塔板总效率的估算值约为 76.8%（采用 Oconnell 方法是未考虑啊板上液层高度及液汽比对塔板效率的影响）。3.5 实际塔板数的计算精馏塔的实际板数可按下式计算： N=（NT-1）/ET 公式（3-12）式中，N 为塔内实际塔板数，NT 为理论塔板数 对于 R=2Rmin,N1=(12-1)/0.76815 R=1.7Rmin,N2=(16-1)/0.76820 R=2Rmin,N3=(19-1)/0.76824 3.6 热量横算图 3-5 乙醇水体系 t-x-y 相图图 1-9 再沸器 Fig. （1）由于采用泡点进料，进料前应将原料预热，有 t-x-y 图得，进料状态的泡点温度为 86，常温下乙醇的比热容为 cp1=24kJ/kg.K，水的比热容 cp2=4.2kJ/kg.K 本科毕业设计（论文）采用 R=1.7Rmin 为计算条件，则 F=2.010Kmol/s -2M=0.19546+0.80518=23.5g/mol F=0.47kg/s Q1=n1r1t+n2r2t 公式（3-13） =(0.1950.472.4+0.8050.470.474.2 （86-25）=110.35kw （2）采用再沸器使液体转化为气体，乙醇的汽化潜热 r 乙=46.3kJ/kg,水的汽化潜热 r 水=2270kJ/kg（均在 100条件下），则 V=1.2110-2kmol/s=0.55kg/s。 图 3-6 再沸器 Q2=n1r1+n2r2=0.550.1952270+0.550.80546.3=263.96kw （3）采用冷水循环使蒸出的产物冷凝，冷凝量为: L+D=7.4610-3+4.6410-3=1.2110-2kmol/s=0.55kg/s 则 Q3=263.96kw本科毕业设计（论文）第 4 章 塔板和塔的主要工艺尺寸设计4.1 理论塔板数的确定理论版：指离开此板的气液两相平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。（1）精馏段操作线方程：（2）提馏段操作线方程：根据精馏、提溜段操作线方程，画面求理论塔板数 NTNT=30 层（包括再沸腾），其中精馏段理论塔数 25 层，提馏段 5 层（包括再沸腾）4.2 实际塔板数及全塔效率的计算 实际板数计算：板效率可用奥康奈尔公式： 计算（1） 精馏段：本科毕业设计（论文）为安全起见，精馏段取位 50 段。（2）提馏段：为了安全起见，提馏段取为 7 块板（3）全塔效率：加料版位置在第 51 块塔板4.3 塔径的初步设计 （1）精馏段：取板间距 HT=0.45m，板上液层高度 HL=0.07m，则 HT-HL=0.38m查史密斯相关图得 C20=0.078，取安全系数为 0.7，则：本科毕业设计（论文）横截面积：空塔气速：提馏段：取板间距 HT=0.45m，板上液层高度 HL=0.07m，H T-HL=0.38m查史密斯相关图得 C20=0.078取安全系数为 0.7，则：横截面积：空塔气速：根据工程设计实际标准。将塔经圆整为：D=1.2m；A T=1.1310；A f/AT=10.2本科毕业设计（论文）4.4 溢流装置（1）精馏段：（2）提馏段：（3）降液管中的液体线速度小于 0.1m/s，液体在降液管中的停留时间一般应等于或大于 35s,以保证溢流中的气泡以足够的时间在降液管中分离： =AfHTLS35s 公式（3-18） 式中：Af 为降液管横截面积 （4）弓形降液管宽度 wd 与截面积 Af 可根据堰长与塔径的比值，查图获得。 （5）降液管底隙高度即降液管下端与塔板间的距离，以 h0 表示，为保证良好的液封，又不使液流阻力过大，一般 h0 可按下式计算： h0=hw-(0.0060.012)m h0 不宜小于 0.020.025m。弓形降液管宽度 wd 可有图查得。 b.溢流堰 为了维持塔板上一定高度的均匀流动液层，一般采用平直溢流堰9。主要计算： （6）堰长 lw。依据溢流形式及液体负荷决定堰长，单单溢流型塔板 lw一般取（0.60.8）D，双溢流型板两侧堰长为（0.50.7）D，其中 D 为塔径。 堰长也可由溢流强度计算，公式为： Lh/lw100130m3/m.h 公式（3-19） 式中：lw 为溢流堰长，m；Lh 为液体流量，m3/h （7）堰高 hw。堰高与板上液层高度及堰上液层高度关系如下： （50-how）hw（100-how） 式中 hw、how 的单位为 mm （8）堰上液层高度 how。堰上液层高度应适宜，大小则堰上液体均布差，太大则塔板压降增加，雾沫夹带增加。平直堰要求设计时 how 一般大于 0.006m。 计算公式为： how=2.841000E（lhlw）2/3 公式（3-20） 式中：E 为液流收缩系数，一般可取值为 1。 一般板上液层高度在 0.050.1m 内取，先求 how，再求 hw。 工业塔中，堰高一般为 0.040.05m，一般不宜超过 0.1m，一般应该使堰高在降液管底端 0.006m 以上，以实现降液管底端的液封。 c.受液盘及入口堰 塔板上接受上一层流下的液体的地方为受液盘。目前生产的受液盘有 2 种：平受液盘，用于塔径小于 800mm 及含固体悬浮液的液体；凹形受液盘，用于塔径大于 800mm 的场合，其深度一般为 50mm。当大直径塔采用平行受液盘是，为保证降液管的液封并均匀进入塔板的液流，也可设进口堰。 对于溢流装置的具体计算过程如下： 取堰长 lw=0.7D；当板间距 HT=0.3m，R=2Rmin 时 D=0.72m lw=0.70.72=0.50m 本科毕业设计（论文）4.5 踏板装置本塔设计塔径 D=1.2m，故采用分块式塔板，以便通过人孔装拆踏板塔径/mm 800-1200 1400-1600 1800-2000 2200-2400踏板分块数 3 4 5 6（1） 开孔面积 Aa：气体通过筛孔的气速为：则精馏段：精馏段：本科毕业设计（论文）第 5 章 塔板的流体力学验算及设计评述5.1 塔板流体力学验算塔板流体力学验算，目的在于检验以上各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作，以便决定是否需要对有关工艺尺寸进行必要的调整12。 （1）塔板压降 气体通过塔板的压降包括干板压降 hc，板上液层阻力 hf 及鼓泡是克服液体表面张力的阻力 h,由下式计算： pcfh 公式（3-24） 干板阻力c 一般可按以下简化式计算：uo c=0.051co2VL 公式（3-25） 式中：uo 为筛孔气速，。co 为流量系数，对于干板影响较大，可通过图求得。 气体通过液层的阻力 hf hf0L 0（wow） 式中： 0 为充气系数，近似取 0.50.6 液体表面张力 h h4Lgdo 式中： 为液体表面张力，因在不同塔层中液体状态不同，h用公式求解偏大，故省略 h。 采用 lw=0.8D，a/do=3,a/do=4,do=4mm,5mm,6mm 时的设计参数，计算结果如下：表 5-1 hp 的计算结果LW=0.8DAF/AT=0.16WD/D D0=4mm a/d0=3 D0=5mm a/d0=3 D0=6mm a/d0=3HT(m)R=RminD(m) Aa(m) n A n A0 n A0 0.3 2 0.72 0.098 789.3 0.010 0.1 50 0.1 3 3 1 10.3 1.7 0.68 0.083 668.2 0.080 0.1 42 0.1 2 2 8 10.3 1.4 0.65 0.072 579.7 0.007 0.1 37 0.1 2 1 7 10.35 2 0.66 0.076 609.0 0.008 0.1 38 0.1 2 2 5 10.35 1.7 0.63 0.065 521.4 0.005 0.1 33 0.1 2 1 5 10.35 1.4 0.59 0.050 405.0 0.005 0.1 25 0.1 3 1 7 10.40 2 0.60 0.054 434.3 0.004 0.1 27 0.1 1 1 6 10.40 1.7 0.57 0.043 434.3 0.003 0.1 22 0.1 1 1 8 10.40 1.4 0.54 0.031 345.6 0.004 0.1 16 0.1 2 2 5 10.45 2 0.55 0.035 250.5 0.003 0.1 18 0.1 3 1 3 10.45 1.7 0.53 0.027 283.5 0.004 0.1 13 0.1 1 1 8 10.45 1.4 0.50 0.003 215.2 0.000 0.1 13 0.1 1 1 5 1本科毕业设计（论文）0.50 2 0.53 0.027 21.3 0.003 0.1 13 0.1 2 1 2 10.50 1.7 0.50 0.03 215.2 0.000 0.1 13 0.1 1 1 1 10.50 1.4 0.48 - - - - - - - - - -但由于计算而得的 hp 远大于题目要求的“单板压降小于 100水柱”的准，其原因：可能是筛板孔径过小，气体流速过快使 hc 过大。改进措施为将筛板孔径均乘以 2，重新计算的结果如下： 表 2-14 改进措施后 hp 的计算结果表 5-3 改进措施后 hp 的计算结果：表 5-4本科毕业设计（论文）表 5-5 hf 的计算结果为：计算 hc 时，假设板厚=0.003m，d0 分别取 0.008m，0010m，0.012m，对应查干筛板的流量系数图，可得到对应的 C0 值。图 1-12 干筛板流量系数图 本科毕业设计（论文）终结果 hp 汇总如下： 表 2-19 hp 汇总 表 5-6表 5-7 hp 汇总表 5-8本科毕业设计（论文）根据单板压降小于 100mm 水柱的设计要求，将汇总表中 hp0.1m 的数据标注下划线，这些数据对应的设计组合不予采用。 （2）雾沫夹带量雾沫指气流穿过板上液层是夹带无敌进入上层塔板的现象，它影响塔板分离效率，为了保持塔板一定的分离效率，应控制雾沫夹带量，综合考虑生产能力和板效率，每 kg 上升气体夹带的液体量不超过 0.1kg，即控制雾沫夹带 ev(1.52.0),若 K 偏小，可以适当减少开孔率货降低堰高。根据之前计算 hc 所得到的结果表，取最大的 uow 值以求满足所有情况，则所得的 uo 均满足 K1.52.0，故板中的气速可以达到一定值，不会发生明显的漏液现象。（4）液泛 降液管内的清液层高度 Hd 用于克服塔板阻力，板上液层的阻力和流体通过降液管的阻力等，若忽略塔板的也液面落差，则应用下式表达： Hd=hp+hL+hd 公式（3-27） 式中：hd 为液体流过降液管时的液柱高度，在此设计中予以忽略。 为防止液泛，降液管的液柱高度应为 Hd（HT+hw） 为校正系数，一般取 0.5，易发泡物系取 0.30.4，不易发泡的物系取 0.607。本设计采用 =0.7 带入校核，结果如下： 表 5-10 校核后结果本科毕业设计（论文）将不符合设计要求的数据底部标注下划线，这些参数不予使用。 5.2 设计评述本次设计的基本过程可以用下列框图表示：在设计过程中，首先对设计条件进行了认真的分析，探求其隐含信息，为设计定下了总体思路。计算时，采用了先列举后排除的思路，即在计算理论板数时，分别选取 R=2Rmin、R=1.7Rmin、R=1.4Rmin，代入到塔的工艺计算中，再通过流体力学校核，若存在较小的偏差，返回上一步进行纠正，若难以就只能，则排除这种设计方案。这样，能够在最大的范围内探索塔工艺设计的相关参数，在未知其是否可行的前提下，将其保存下来，反复进行筛选，以确定最佳工艺参数。计算时采用的方法与参数均参考了相关课本、教材、参考书、工具书，保证了设计结果的可靠性。本科毕业设计（论文）图 5-11 设计的基本过程本科毕业设计（论文）第 6 章 设计结果在进行了以上工作后，本次设计最有工艺参数如下： xF=0.195 xD=0.841 xW=3.910-5 D=4.6410-3kmol/s F=2.0010-2kmol/s W=1.5410-2kmol/s L=7.4610-3kmol/s L=2.7510-2kmol/s V=1.2110-2kmol/s V=1.2110-2kmol/s R=1.7Rmin=1.608 理论板数为 16，第 13 块板为加料板，精馏段需 12 块板（理论） 塔板总效率为76.8% 实际板数为 20，第 17 块板为进料板。 塔板间据为 0.35m，有效塔高位 7m，塔径 0.63m。 堰长 0.504m，提馏段堰上液层高度 0.014m，堰高范围 0.0370.087m 精馏段堰上液层高度 0.006m，堰高范围 0.0440.094m 弓形降液管宽度 0.126m，截面积 0.05m2。图 6-1 弓形降液管示意图筛板上开孔区的总面积 0.065m2，孔径 0.008m，孔心距 0.024m 筛板上筛孔总面积 0.026m2,筛孔数 522 个，开孔率 40.4% 溢流液前安定区本科毕业设计（论文）图 5-2 孔的排列方式塔板主要结构参数 塔径 D 塔板间距 HT 堰长 lw 堰宽 wd 堰高 hw 提馏段精馏段 塔截面积 AT 降液管面积 Af 开孔区面积 Aa 筛孔总面积 Ao 筛孔直径 do 孔心距 a 开孔率 安定区宽 Ws 塔板厚 排列方式 流动方式 数据 0.63m 0.35m 0.504m 0.126m 0.061m 0.069m 0.312m2 0.05m2 0.065m2 0.026m2 0.008m2 0.024m 0.404 0.07m 0.003m 错排 回流型 塔板主要流动参数 液体流量 Lh 精馏段 提馏段 气体流量 Vh 筛孔气速 uo 降液管内停留时间 提馏段 精馏段 堰上液头高度 how 提馏段 精馏段 塔板阻力 hp 塔内容许蒸汽速度 max 漏液点气速ow 液泛校正气速 降液管内液层高度 hd 降液管下端与塔板距离 ho 精馏段 提馏段 边缘宽度 wc 有效塔高 数据