设计计算参考与辅助工具板式塔

1化工单元过程及设备课程设计指导教师：董宏光韩志忠课程时间：两周讲课时间：周2、3上午8:00-11:00答疑地点：化学楼化原实验室办公室旁教材：化工单元过程及设备课程设计大连理工大学出版社化工原理（下）大连理工大学出版社2设计是工程师的基本工作。设计是一项充满挑战和创造性的工作。每一个成熟技术的使用、新技术的采用、甚至一个参数的选定，都是一次创造。一个成功的设计是设计者知识、智慧和创造的结晶。化工生产中面临各种生产任务设计就是根据生产任务的要求，综合各方面知识而设计的满足生产要求的工程技术方案3化学工程项目建设的过程可行性研究工程设计项目施工开车验收工程设计初步设计详细设计初步设计方案设计设备设计4单元过程及设备设计的性质及特点实践性综合性工程观念创造性2、基本原则技术先进性和可靠性经济性安全性可操作性和可控制性清洁生产5本课程设计的任务

对乙烷、乙烯或者丙烷、丙稀混合物进行分离完成精馏塔的工艺设计完成塔釜再沸器的设计管路设计辅助设备设计和选型：冷凝器、换热器、泵、罐等控制仪表参数的选择编制设计说明书化工生产中典型的单元设备

反应器换热器精馏塔蒸发器炉子6精馏过程工艺设计基本步骤（1）确定精馏过程工艺流程方案确定了工艺流程、操作参数

分离过程模拟计算分离序列的选择操作参数的优化过程能量集成7（2）精馏塔工艺设计填料塔填料类型的选择塔径的计算填料高度的计算及分段分布器、收集器等设计流体力学的校核板式塔塔板的类型及液流形式的选择塔径、塔高的计算溢流装置的设计塔盘及其布置流动性能校核

确定塔的类型完成塔内件的设计8（3）辅助设备设计（4）管路设计及泵的选择（5）控制方案的确定（6）汇总设计结果－设计说明书9设计说明书的要求

设计工作的书面总结、后续工作的主要依据课程设计说明书的要求：原则：表达简练、准确；书写工整、认真；格式、装订规范（1）封面设计题目名称，学生姓名、班级，指导教师姓名，时间（2）目录内容------页码10（3）设计任务书（4）概述方案流程简介，工艺流程，处理能力，产品质量。（5）工艺设计（主体，内容多，划分小节）

1）系统物料衡算、热量衡算

2）单元设备设计

精馏塔设计（理论级计算，热衡算）；再沸器设计（热源

tm=10-200C)11二、设计说明书的要求3)管路设计及泵的选择管路：

P，d泵：H，Q，Z（安装高度）4）辅助设备的选型（计算、估算）

冷凝器：Q、A、型式；冷剂:冷却水、液氨

料预热器：Q、A、型式

产品冷却器：Q、A、型式

容器：回流罐：15-30分钟；进料、产品罐：3-7天容器的填充系数取0.712二、设计说明书的要求（5）控制方案说明各控制的功能、范围（量程）。（6）设计结果表

1）设备工艺尺寸表

2）辅助设备结果（泵、换热设备）

3）控制仪表（控制功能、控制范围）13二、设计说明书的要求（7）设计评述对设备的设计说明、结论及体会。（8）附录

a）带控制点的工艺流程图

含控制点、主要操作条件、热负荷、系统物料衡算表、物流号194页

b）塔工艺条件图设备主要工艺结构尺寸241页14（9）参考资料（10）主要符号说明c）塔板布置图d）再沸器工艺条件图e）负荷性能图15板式塔一、板式塔概述重要的气-液传质设备汽、液两相接触方式：（动画）

全塔：逆流接触塔板上：错流接触两相流动的推动力：液体：重力气体：压力差（塔压降）16塔板结构：1、气体通道形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等。对塔板性能影响很大。2、降液管（液体通道）多为弓形3、受液盘：塔板上接受液体的部分174、溢流堰使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。18塔板上理想流动情况：液体横向均匀流过塔板气体从气体通道上升，均匀穿过液层气液接触方式：鼓泡，泡沫和喷射接触状态气液传质，达相平衡，分离后，继续流动传质的非理想流动情况：

1、反向流动

液沫夹带、气泡夹带即：返混现象

后果：使已分离的两相又混合，需重新分离，板效率降低，能耗增加。192、不均匀流动

液面落差（水力坡度）：塔壁作用（阻力）：二、板式塔中气液相异常流动（一）液泛(淹塔)液体充满塔板之间的空间，致使塔不能进行正常操作。传质的非理想流动，使

实际塔板效率低于理论塔板引起塔板上气速不均引起塔板上液速不均，中间>近壁后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。20原因：

1、过量液沫夹带液泛气速过高——液泛气速

（二）严重漏液原因：

1、气速过小漏液点气速

2、液层厚度不均2、降液管液泛

降液管阻力过大引起

根源：再沸器、冷凝器热负荷过大或设计不合理特征：塔板阻力剧增213常用塔板类型塔板是气液两相接触传质的场所，为提高塔板性能，采用各种形式塔板。塔板性能要求：生产能力大，塔板效率高，塔板阻力小，操作弹性大，结构简单，维修方便，成本低。22常用塔板类型1、泡罩塔板组成：

升气管和泡罩

优点：

塔板效率高，操作弹性大对物料适应性强，不易堵

缺点：生产能力不大，阻力大结构复杂，成本高。232、筛孔塔板塔板上开圆孔孔径：3-8mm

大孔径筛板：12-25mm

优点：

结构简单，造价低廉243、浮阀塔板

组成：浮阀根据气体流量，自动调节开度

优点：操作弹性大，阻力小；塔板效率高。

缺点：用久后，操作易失常。254、喷射型塔板气流方向：垂直→小角度倾斜改善液沫夹带、液面落差

ⅠⅡⅢ20°α=R2550Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角图6-55舌形塔板气液接触状态：喷射状态连续相：气相，分散相：液相促进两相传质形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等265、多降液管塔板提高允许液体流量276、林德筛板用于减压塔的低阻力、高效率塔板。

斜台：抵消液面落差

导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差液流(a)斜台装置液流液流(b)导向孔林德筛板287、无溢流塔板

有溢流塔板：有降液管的塔板

无溢流塔板：无降液管的塔板

形式：无溢流栅板和无溢流筛板

特点：生产能力大，塔板阻力小；但操作弹性小，塔板效率低。ac29第一节设计方案确定一.确定精馏流程（1）流程设计需要考虑的基本问题

●分离序列的选择●热能的合理应用能量集成思想

●辅助设备罐、换热器、泵●过程的控制和调节原料量、回流量、液位等（2）操作条件选择●操作压力加压、常压、减压●进料状态饱和液体进料30（3）塔底加热剂及加热方式

●常用的加热剂饱和水蒸气、热水

●常用的加热方式间壁式（4）塔顶冷却剂的选择

●常用的冷却剂冷却水、液氨等

●冷却水出口温度的选择31如何获得塔顶、塔底温度、相对挥发度已知：塔顶、塔底组成、塔顶压力、回流比为求理论板数需要知道：塔顶、塔底温度，塔内气液相负荷，相对挥发度烃类特点：近似认为理想体系，可按恒莫尔流假设处理塔顶：已知总压、组成，利用Antoine方程计算泡点和相对挥发度见化原教材5页(p1,x1)→α1t1,y1(p2,y1)→α2,t2,x2→y2第二节精馏过程的模拟计算工程经验每块塔板压降100mm液柱逐板计算，得出理论板数N32第三节板式塔的化工设计计算一、塔的有效高度Z

已知：实际塔板数NP

选取塔板间距HT

有效塔高：塔体高度：有效高+顶部+底部+

其它

安装高度：裙座33塔板间距和塔径的经验关系

选取塔板间距

HT

：(计算塔径之后还要跌代）考虑经济性、经验选取

HT

↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓

HT↑，则塔内气速↑，塔径可↓，但塔高↑34二、塔径

原则：防止过量液沫夹带液泛，先确定液泛气速

uf

(m/s)

，然后选设计气速u，计算塔径D。

1、液泛气速：

C：气体负荷因子

C=f(HT,液体表面张力，两相接触状况）两相流动参数FLV：

式中，Vs、Ls：气、液相体积流率m3/s

WL、WV：气、液相质量流率kg/s35横坐标：两相流动参数

FLV纵坐标：

对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)可查图，C20=(HT

、FLV)

C20：σ=20mN/m时的气体负荷因子化原（下）107页费克关连图36选定HT

，计算出FLV

及C，可计算液泛气速uf2、选取设计气速

u

选取泛点率：u

/

uf

一般液体，0.6--0.8

易起泡液体，0.5--0.6

设计气速

u=泛点率×uf所需气体流通截面积37选取

Ad/AT38选取

Ad/AT原则

单流型弓形降液管：0.06--0.12

多流型：可适当增大

U形流型：可适当减小39塔截面积AT=气体流通截面积A+降液管面积Ad

即：A=AT-Ad塔截面积计算塔径需圆整，系列化标准：

0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等

选取Ad/AT

，计算塔径D

40注意：（1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率（2）校核HT与D的范围41初选板间距C20Cufu=泛点率

×ufuA选取Ad/ATATD校核HT与D的范围圆整确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率符合不符合42三、溢流装置设计

1.溢流型式的选择依据：塔径流量

2.降液管和底隙

降液管：弓形、圆形由Ad/AT=0.06~0.12确定底隙hb

：30--40mm

3.溢流堰维持塔板上一定液层使液体均匀横向流过43液流型式选取参考表44堰长lW

：影响液层高度

或：单流型：双流型:堰高hW：直接影响塔板上液层厚度过小，相际传质面积过小过大，塔板阻力大常、加压塔：50--80mm

减压塔：25mm查书上图（化原113页），求lW溢流强度Lh/lW100~130m3/mh45其中，E：液流收缩系数

一般，取E=1要求：堰上方液头高度hOW

：书上图（化原114页）46四、塔板及其分布

受液区和降液区入口安定区和出口安定区边缘区：有效传质区：Aa47五、筛孔的尺寸和排列

筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列筛板开孔率ф：单流型弓形降液管塔板：双流型弓形降液管塔板：48选择孔径d0，确定开孔率ф

d0:3--8mm12--25mm(大筛孔)

t:(2.5~5)

d0——取整ф:

0.06--0.14（大、小）板厚：碳钢（3--4mm）、不锈钢

筛孔气速：筛孔数：49六、阀孔的尺寸及排列（p.212）排列：一般为三角形型式：F1、V-4、十字架型、A型、

V-O型---F1型：d0=39mm

t=75、100、125mm

等腰三角形排列（p.215)50常压、减压塔：Ф=10%～14%

加压塔：<10%

n和Ф的初步确定：选取阀孔动能因子F0=8—12

用下式计算u0等参数注意：

分块式塔板（0.8-0.9m整）

先要选d排阀，最后确定u0、Ф51七、塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正1、液沫夹带量校核质量夹带率ev：单位量气体所夹带的液体量

kg

液体/kg气体，或kmol液体/kmol气体夹带速率e：单位时间夹带到上层塔板的液体量，

kg

液体/h液沫夹带分率ψ：每层板夹带的液体占进入该板的液体的分率。则：

52筛板塔：方法一，查Fair图(教材117页)，可求Ψ

方法二，用Hunt公式：式中Hf为板上泡沫层高度：Hf=2.5(hW+hoW)要求：ev≤

0.1

kg

液体/kg气体重新选u53浮阀塔：D<0.9m：F1<0.65~0.75

验证泛点率F1

一般的大塔：F1<0.8~0.82

负压塔：F1<0.75~0.77Z——液体横过塔板流动的行程K—物性系数，设计查表5-11，对正常系统K=1CF—泛点负荷因子，查图（设计217页）Ab—板上液流面积，Ab=AT-2Ad单流型:Z=D-2bd双流型:Z=(D-2bd-bd’)/254取以上计算值的大者做判断超过允许值，应调整塔板间距或塔径2、塔板阻力的计算和校核塔板阻力：清液柱高度m(液柱)

塔板阻力hf

:

（1）干板阻力h0—气体通过板上孔的阻力（设无液体时）

（2）液层阻力hl—气体通过液层阻力（3）克服液体表面张力阻力hσ—孔口处表面张力55（1）干板阻力，m(液柱)

筛板：C0—孔流系数，查图P118（教材）浮阀：先联立以下二式求临界阀孔气速u0,K

比较：若u0≥u0,K，用上式（全开）若u0≤u0,K，用下式（未全开）求uok56若塔板阻力过大，可增加开孔率

或降低堰高（3）克服液体表面张力阻力：一般可不计，m(液柱)

（2）液层阻力，m(液柱)

浮阀：筛板：查图求β(充气系数）（教材118页）水：0.5油：0.2～0.35碳氢化合物：0.4～0.5573、降液