板式精馏塔设计1

1、 板式精馏塔课程设计板式精馏塔课程设计课程设计的特点课程设计的特点n以板式精馏塔工艺及设备设计为核心，以板式精馏塔工艺及设备设计为核心，通过辅助设备的设计引入换热、流体输通过辅助设备的设计引入换热、流体输送及气液分离。送及气液分离。n将化工原理、物理化学、化工设备、化将化工原理、物理化学、化工设备、化工制图等课程内容有机融合。工制图等课程内容有机融合。课程目的课程目的先修课程的综合训练，培养工程能力的训练先修课程的综合训练，培养工程能力的训练n掌握化工设计的基本程序和方法；掌握化工设计的基本程序和方法；n学会查阅技术资料、选用公式和数据；学会查阅技术资料、选用公式和数据；n工程意识和经济意识工

2、程意识和经济意识- -优质、高产、低耗、优质、高产、低耗、安全、环保；安全、环保；n用简洁文字和图表表达设计结果；用简洁文字和图表表达设计结果；n用用CADCAD制图以及计算机辅助计算等能力方面制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练。得到一次基本训练。 物性数据查取物性数据查取n手册及数据库手册及数据库化学工程手册化学工程手册、化工工艺设计手册化工工艺设计手册、化工物性算图手册化工物性算图手册、Perrys Chemical Engineers Handbook、CRC Handbook of Chemistry and Physics专业设计软件（专业设计软件（Aspen Plus

3、、Pro、ChemCAD ）n计算计算n实验测定实验测定n实际生产过程中收集数据实际生产过程中收集数据设计主要内容设计主要内容n设计方案简介设计方案简介n主要设备的工艺设计计算主要设备的工艺设计计算 n板式塔的结构板式塔的结构 n辅助设备的选型辅助设备的选型n主要设备的工艺条件图主要设备的工艺条件图 n设计说明书的编写设计说明书的编写 对给定或选定的工艺对给定或选定的工艺流程、主要设备的型流程、主要设备的型式进行简要的论述式进行简要的论述 设计方案的确定设计方案的确定（一）装置流（一）装置流程的确定程的确定要求在设计说明要求在设计说明书上画出流程书上画出流程简图。简图。n塔顶冷凝装置根据生产情

4、况以决定采用塔顶冷凝装置根据生产情况以决定采用分凝器或全凝器。一般，塔顶分凝器对分凝器或全凝器。一般，塔顶分凝器对上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油上升蒸汽虽有一定增浓作用，但在石油等工业中获取液相产品时往往采用全凝等工业中获取液相产品时往往采用全凝器，以便于准确地控制回流比。若后继器，以便于准确地控制回流比。若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。装置使用气态物料，则宜用分凝器。二）二） 操作压强的选择操作压强的选择n精馏操作可在常压、减压或加压下进行。操作压强精馏操作可在常压、减压或加压下进行。操作压强常取决于冷凝温度。常取决于冷凝温度。n一般，除热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实一般，除

5、热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸馏。的物料必须采用加压蒸馏。（三）（三） 进料热状况的选择进料热状况的选择n原则上，在供热量一定的情况下

6、，热量原则上，在供热量一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则常采用饱和液体（泡点）进料，但需则常采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器。若工艺要求减少塔釜增设原料预热器。若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高、料液产生聚合或加热量避免釜温过高、料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。结焦，则应采用气态进料。二元连续板式精馏塔的工艺计算二元连续

7、板式精馏塔的工艺计算n物料衡算物料衡算n实际塔板数的确定实际塔板数的确定n塔高和塔径的计算塔高和塔径的计算n塔板结构参数的确定塔板结构参数的确定n塔板流动性能校核塔板流动性能校核n全塔物料衡算全塔物料衡算 间接加热时：间接加热时： F=D+W F=D+W FxFxF F= Dx= DxD D+Wx+WxW W 可以解出可以解出F,WF,W。1.确定理论板数确定理论板数 可以采用图解法或逐板计算法可以采用图解法或逐板计算法. . n平衡数据平衡数据n回流比回流比n精馏段操作线精馏段操作线n加料线加料线n提馏段操作线提馏段操作线 n蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有蒸馏大多采用间接蒸汽加热，

8、设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残液中的主时也可采用直接蒸汽，例如蒸馏釜残液中的主要成分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发要成分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与水混合液度较大时（如乙醇与水混合液,丙酮丙酮-水）宜用水）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压强较低的直接蒸汽加热，其优点是可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉中间加热设加热蒸汽以节省操作费用，并省掉中间加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓

9、度相应降低，故分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。需在提馏段增加塔板以达到生产要求。相关说明相关说明n平均挥发度平均挥发度的求法的求法: NN.21nav的计算的计算: 平均粘度由乙醇和水在平均温平均粘度由乙醇和水在平均温度下的粘度线性加和得到度下的粘度线性加和得到 av= 乙醇乙醇 xF+ 水水（1xF） n 平均塔温为塔顶和塔底温度的算术平均值平均塔温为塔顶和塔底温度的算术平均值其中其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi)2.总板效率总板效率 Oconnel关联图查得，见关联图查得，见化化工原理工原理书书图图8-32精馏精馏塔总板效率关联图，塔总板

10、效率关联图，由横坐标由横坐标L可求得总板效率可求得总板效率E3.实际板数实际板数NE NE=(N-1)/E，N为理论板为理论板数，分别算出精馏段和提馏段的实际板数，分别算出精馏段和提馏段的实际板数并标明加料板的位置。数并标明加料板的位置。三三 塔高、塔径的计算塔高、塔径的计算n物性参数的查找、计算物性参数的查找、计算塔径由精馏塔内各段物料的摩尔流率（或说塔径由精馏塔内各段物料的摩尔流率（或说体积流率）决定的，其影响因素有体积流率）决定的，其影响因素有F F（进料（进料流率）、流率）、R R（回流比）及（回流比）及q q，涉及单位换算，涉及单位换算1、 平均分子量的计算平均分子量的计算（1）塔顶

11、的平均分子量）塔顶的平均分子量 x1为与为与y1=XD平衡平衡 的液相的液相组成）组成）MVDM= XDM轻组分轻组分+（1XD）M重组分重组分MLDM= x1M轻组分轻组分+（1x1）M重组分重组分（2）进料板的平均分子量）进料板的平均分子量 进料板对应的组成进料板对应的组成Xn 和和yn (进料板对应的组成由逐进料板对应的组成由逐板计算得到，板计算得到，n值各人不同值各人不同)MVFM= ynM轻组分轻组分+（1yn）M重组分重组分MLFM= XnM轻组分轻组分+（1Xn）M重组分重组分1、 平均分子量的计算平均分子量的计算（3）塔底的平均分子量（）塔底的平均分子量（yw为与为与xw平衡的

12、气相组成）平衡的气相组成） MVWM= ywM轻组分轻组分+（1yw）M重组分重组分MLWM= xwM轻组分轻组分+（1xw）M重组分重组分（4）精馏段、提馏段的平均分子量）精馏段、提馏段的平均分子量精馏段平均分子量精馏段平均分子量 MLM=( MLDM+ MLFM)/2= MVM=( MVDM+ MVFM)/2=提馏段平均分子量提馏段平均分子量 MLM=( MLWM+ MLFM)/2= MVM=( MVWM+ MVFM)/2=2、平均密度的计算、平均密度的计算（1）液相平均密度）液相平均密度查物性数据：查物性数据： 易挥发组分密度易挥发组分密度1 Kg/m3 难挥发组分密度难挥发组分密度2

13、Kg/ m3举例：举例：LD1/a1/1+(1-a1) /2 Kg/ m3（2）汽相平均密度）汽相平均密度根据塔顶温度根据塔顶温度TD、进料板温度、进料板温度TF及塔底温度及塔底温度TW分别确定精馏段及提馏段的汽相平均密度分别确定精馏段及提馏段的汽相平均密度如：如：TM=（TF+TD）/2 VMPMV/RTM= Kg/ m33 3塔的有效高度和板间距的初选塔的有效高度和板间距的初选 板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算：度，可按下式计算： (1)ETZNH塔板间距，塔板间距，m 板间距的初选板间距的初选板间距板间距NT的选定很重要。选取时应考

14、虑塔高、塔的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。修等因素。4 塔径的计算塔径的计算 计算塔径的方法有两类：计算塔径的方法有两类： 据适宜空塔气速，求出塔截面积，求出塔径据适宜空塔气速，求出塔截面积，求出塔径 确定适宜孔速进而求出塔径确定适宜孔速进而求出塔径塔径的计算塔径的计算n初步计算塔径初步计算塔径4sVDu塔内气体流量塔内气体流量m3/s空塔气速空塔气速m/smax(0.6 0.8)uumaxLVVuC允许空塔气速，允许空塔气速，m/s气相和液相的密度，气相和液相的密度，kg/m3气体负荷系数，气

15、体负荷系数，m/s2 . 020)02. 0(CC 塔径的计算塔径的计算n塔径的圆整塔径的圆整目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在必须圆整到标准值。塔径在1米以下者，米以下者，标准化先按标准化先按100mm增值变化；塔径在增值变化；塔径在1米以上者，按米以上者，按200mm增值变化增值变化n塔径校核（后面进行）塔径校核（后面进行）塔径初核后，可进行塔板的平面布置。塔径初核后，可进行塔板的平面布置。 一一般顺次确定如下一些尺寸和数据：般顺次确定如下一些尺寸和数据： lw无效区溢流区Af鼓泡区Aa溢流区wswswc图1015 塔板共同结构

16、示意图堰长堰长安定区宽度安定区宽度1.堰长堰长/塔径（塔径（l/D） 2.堰长堰长l 3.降液管道截面积降液管道截面积/塔截面积（塔截面积（Ad/A） 4.塔净截面积塔净截面积/塔截面积（塔截面积（An/A，An=A-Ad） 5.塔工作面积塔工作面积/塔截面积（塔截面积（Aa/A，Aa=A-2Ad） 6.在塔板溢流堰、降液管旁，应考虑安定区宽度在塔板溢流堰、降液管旁，应考虑安定区宽度WS,它是开孔区与堰之间的距离；开孔区与塔它是开孔区与堰之间的距离；开孔区与塔内壁之间的距离为内壁之间的距离为Wc。 7.开孔区面积开孔区面积Aa按下式计算：按下式计算： 8.确定筛孔直径确定筛孔直径d0及孔中心间

17、距及孔中心间距t 9.筛孔总面积与开孔区面积之比筛孔总面积与开孔区面积之比 A0/Aa=0.907(d0/t)2 (正三角形排列）正三角形排列） 此此值应在值应在815之间之间 10.开孔数开孔数n 11.堰高堰高hw 一般筛板塔可取一般筛板塔可取12100mm。板间距。板间距大者，大者， hw可以取得大一些。可以取得大一些。 12.下降管底隙高度下降管底隙高度had不宜过小。过小则液体流不宜过小。过小则液体流出阻力过大。当然它不能大于出阻力过大。当然它不能大于hw，一般可取为，一般可取为38mm。 13.塔板厚度可取为塔板厚度可取为24mm。塔径增大，恰当加。塔径增大，恰当加厚。上述的塔板平

18、面布置的各几何尺寸，到目厚。上述的塔板平面布置的各几何尺寸，到目前为止，实际上只是根据经验初步选取。还要前为止，实际上只是根据经验初步选取。还要根据下面的水力学校核作出一些调整根据下面的水力学校核作出一些调整1塔板流体力学验算的目的是检验以上初算塔板流体力学验算的目的是检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作。塔板能否正常操作。n验算项目如下：验算项目如下： 1）、塔板阻力的计算和）、塔板阻力的计算和校核校核 2）、溢流液泛）、溢流液泛 3）、液沫夹带量）、液沫夹带量 4）、液体在降液管中停留时间校核）、液体在降液管中停留时间校核 5）、

19、漏液）、漏液 塔板负荷性能图塔板负荷性能图操作点液量(m3/h)气量/（m3/h）BaAEfeDbcd图1025 筛板塔操作性能示意图最小液体负荷最小液体负荷线线漏液线漏液线最大液体最大液体负荷线负荷线降液管液泛降液管液泛线线雾沫夹带线雾沫夹带线板式塔的结构板式塔的结构 n塔的总体结构塔的总体结构 附属装置，如除沫器、人（手）孔、基座，有时外部还有扶梯或平台。此外，在塔体上有时还焊有保温材料的支承圈。为了检修方便，有时在塔顶装有可转动的吊柱。 n 塔体总高度塔体总高度 (2)DpTTFBHHNSHSHHHHD塔顶空间，塔顶空间，m； HB塔底空间，塔底空间，m；HT塔板间距，塔板间距，m；HT

20、开有人孔的塔板间距，开有人孔的塔板间距，m； HF进料段高度，进料段高度，m； Np实际塔板数；实际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。的人孔）。 n塔板结构 塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从一般，塔径从300900mm时采用整块式塔时采用整块式塔板；当塔径在板；当塔径在800mm以上时，人已能在塔内以上时，人已能在塔内进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得复整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得

21、复杂 ， 故 采 用 分 块 式 塔 板 ； 塔 径 在杂 ， 故 采 用 分 块 式 塔 板 ； 塔 径 在 8 0 0 900mm之间，设计时可按便于制造、安装的之间，设计时可按便于制造、安装的具体情况选定具体情况选定。辅助设备选型辅助设备选型精馏装置的主要附属设备包括：蒸气冷凝精馏装置的主要附属设备包括：蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器、物料输器、塔底再沸器、原料预热器、物料输送管及泵等。前三种设备本质上属换热送管及泵等。前三种设备本质上属换热器，并多采用列管式换热器，管线和泵器，并多采用列管式换热器，管线和泵属输送装置。属输送装置。 1换热器的选型及校核换热器的选型及校核n蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器蒸气冷凝器、塔底再沸器、原料预热器选型选型n蒸气冷凝器总传热系数的校核蒸气冷凝器总传热系数的校核2接管直径各接管直径由流体速度及其流量，按连续各接管直径由流体速度及其流量，按连续性方程决定，即：性