精餾塔的設(shè)計計算-2012

精餾塔的設(shè)計計算一、化工原理課程設(shè)計的目的和要求通過課程設(shè)計，學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)：1.查閱數(shù)據(jù)手冊，正確選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力；2.樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)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(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實際問題的能力；3.迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計算的能力；4.用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想的能力。第一節(jié)概述二、化工原理課程設(shè)計的內(nèi)容

1、課程設(shè)計的基本內(nèi)容（1）設(shè)計方案簡介對給定或選定的工藝流程，主要的設(shè)備型式進(jìn)行簡要的論述；

（2）主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）典型輔助設(shè)備的選型和計算對典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計算和設(shè)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(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)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(shè)備工藝條件圖（裝配圖）圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表；

封面（課程設(shè)計題目、班級、姓名、指導(dǎo)教師、時間）；

目錄；

設(shè)計任務(wù)書；

工藝流程及設(shè)計方案說明；

設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表；

工藝設(shè)計計算；

設(shè)計結(jié)果匯總表；

輔助設(shè)備的設(shè)計及選型；

設(shè)計評述及設(shè)計者對本設(shè)計有關(guān)問題的討論；

參考資料。（2）工藝流程圖及主體設(shè)備裝配圖；2、課程設(shè)計組成（1）設(shè)計說明書及主要內(nèi)容：3、注意事項

整個設(shè)計是由論述、計算和繪圖三部分組成。

論述應(yīng)該條理清晰，觀點明確；

計算要求方法正確，誤差小于設(shè)計要求，計算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處；

圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計算的結(jié)果。三、化工原理課程設(shè)計的步驟本設(shè)計按以下幾個階段進(jìn)行：1、根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案。根據(jù)給定任務(wù)，對精餾裝置的流程、操作條件、塔板類型等進(jìn)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。3、塔板設(shè)計：

設(shè)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(shè)計及排列（圖）；

進(jìn)行流體力學(xué)校核計算；

畫出塔的負(fù)荷性能圖。4、輔助設(shè)備的設(shè)計：

換熱器的熱負(fù)荷：求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負(fù)荷和所需冷卻水用量；再沸器的熱負(fù)荷和所需加熱蒸汽用量。

換熱器的設(shè)計選型

輸液用泵的型號：根據(jù)流體的輸送量、楊程和流體物性，選定泵的型號(在各輸液泵中任選一個選型)；

流程中主要管線的設(shè)計：先選定物料在管路中的適宜流速，經(jīng)計算、圓整，最后確定管路尺寸和材質(zhì)。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。第二節(jié)板式精餾塔的工藝計算一、設(shè)計方案的確定1、設(shè)計方案確定的原則：

滿足工藝和操作的要求：保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，質(zhì)量要穩(wěn)定，有一定的操作彈性，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)。

經(jīng)濟方面：要節(jié)省熱能和電能的消耗，降低操作費用；減少設(shè)備及基建費用。

保證安全生產(chǎn)2、操作壓力的選擇：設(shè)計壓力一般指塔頂壓力。

蒸餾操作通?？稍诔骸⒓訅汉蜏p壓下進(jìn)行。

確定操作壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性進(jìn)行考慮。

減壓操作有利于分離相對揮發(fā)度較大組分及熱敏性的物料，但壓力降低將導(dǎo)致塔徑增加，同時還需要使用抽真空的設(shè)備。對于沸點低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。當(dāng)物性無特殊要求時，一般是在稍高于大氣壓下操作。

本次設(shè)計，塔頂操作壓力為4kPa（表壓），每層塔板壓降p≤0.7kPa。3、進(jìn)料狀況的選擇進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。在實際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)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(jìn)料時，精餾段與提餾段的塔徑相同，為設(shè)計和制造上提供了方便。4、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(shè)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(jié)構(gòu)：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。5、冷卻方式

冷卻器：通常在塔頂設(shè)置蒸氣全部冷凝的全凝器。其為輔助設(shè)備，需進(jìn)行選型，多采用列管式，水平或垂直放置。

冷卻劑的選擇：由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟的。

水的入口溫度：由氣溫決定，出口溫度由設(shè)計者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50℃，否則溶于水中的無機鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。6、熱能的利用精餾過程耗能較多，節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能。

選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進(jìn)行，可使能耗降至最低。

塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。（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、D(或F)kmol/h4、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。二、工藝計算（2）全塔效率ET

可查P145頁圖11-21確定(篩板塔、浮閥塔應(yīng)進(jìn)行校正)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)，確定進(jìn)料板位置。（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)/22、操作溫度塔頂tD：可由t-x-y圖查得塔頂tD、塔底tW、進(jìn)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(jìn)料tF=92℃（露點進(jìn)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=101.3kPa01.080100901102、平均摩爾質(zhì)量（1）由塔頂、塔底、進(jìn)料處的濃度計算平均摩爾質(zhì)量；（2）計算精餾段平均摩爾質(zhì)量MVm(精)、MLm(精)；（3）計算提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm(提)、MLm(提)。

如塔頂：y1=xD=0.966，可查得x1=0.916氣液平衡關(guān)系則：MVDm=0.966×78.11+(1－0.966)×92.13=78.59kg/kmolMLDm=0.916×78.11+(1－0.916)×92.13=79.29kg/kmol3、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(jìn)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)/2Vm(精)=(VD+VF)/2

Lm(提)=(LW+LF)/2Vm(提)=(VW+VF)/24、液體平均表面張力（1）液相平均表面張力（2）查塔頂、塔底、進(jìn)料溫度下的液體的表面張力；（3）計算塔頂、塔底、進(jìn)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(jìn)料溫度下的液體的粘度；（3）計算塔頂、塔底、進(jìn)料處液相平均粘度；（4）計算精餾段、提餾段平均粘度。溫度t℃8090100110120L(苯)kg/m3815803.9792.5780.3768.9L(甲苯)kg/m3810800.2790.3780.3770.0L(苯)mN/m21.2720.0618.8517.6616.49L(甲苯)mN/m21.6920.5919.9418.4117.31L(苯)m·Pas0.3080.2790.2550.2330.215L(甲苯)m·Pas0.3110.2860.2840.2540.228物性參數(shù)表(三)氣液負(fù)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

設(shè)計主要內(nèi)容：塔高、板間距、塔徑、塔板形式、溢流裝置、塔板布置、流體力學(xué)效驗及負(fù)荷性能圖等。

設(shè)計目的：塔板設(shè)計是以塔內(nèi)氣液的物流量、操作條件和特性數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計出具有良好性能(壓降小、彈性寬、效率高)的塔板結(jié)構(gòu)尺寸。

設(shè)計的基本思路：以塔內(nèi)氣液的物流量和板上的氣液組成、溫度、壓力等條件為依據(jù)，先參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)初步確定有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后進(jìn)行流體力學(xué)計算，校核單項指標(biāo)是否符合經(jīng)驗數(shù)據(jù)范圍，再繪制負(fù)荷性能圖，考核其操作彈性等綜合指標(biāo)是否合適。如不符合要求必須調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復(fù)上述設(shè)計步驟，直到滿意為止。第三節(jié)板式塔主要尺寸的計算

設(shè)計過程：設(shè)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(shè)計依據(jù)，以此確定塔的尺寸，應(yīng)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(zhì)過程的復(fù)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(shè)計過程中不可避免要進(jìn)行試差，計算結(jié)果也需要工程標(biāo)準(zhǔn)化。一、精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)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；

塔板間距和塔徑的經(jīng)驗關(guān)系實際塔體高度＝有效高＋頂部空間＋底部空間＋塔裙座高度

有效塔高：0.8①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(shè)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。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(fù)荷因子關(guān)聯(lián)圖課本P.129②選取設(shè)計氣速

u

選取泛點率：u/

umax

一般液體，0.6～0.8易起泡液體，0.5～0.6設(shè)計氣速

u=泛點率×umax氣體流通有效截面積AnAnDAdlw③計算塔徑D(教材P137)A：塔截面Ad：降液管截面說明：計算得到的塔徑需圓整。標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)重新計算實際氣速及泛點率。雙流型:單流型：lw/D的確定：Ad/A也可由lw/D查圖得（教材P.137）lw/DAd/A

和Wd/Dhb底隙：hb堰頭液高：h0W堰高：hWWcWdWslWrx3、溢流裝置設(shè)計（教材P136）①溢流型式的選擇依據(jù)：塔徑、流量；

型式：單流型、回流型、雙流型等?；亓餍蛦瘟餍碗p流型液流型式選取參考表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/A

=0.06~0.12，由lw/D確定(圖11-16)Ad/A

過大，氣液兩相接觸傳質(zhì)區(qū)小，生產(chǎn)能力和板效率將較低；Ad/A

過小，易產(chǎn)生氣泡夾帶，引起降液管液泛。

底隙hb：應(yīng)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。

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h(yuǎn)w和堰長lw堰高h(yuǎn)W：直接影響塔板上液層厚度過小，相際傳質(zhì)面積過小；

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=

50～100mmE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(diào)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?、偈芤簠^(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(jìn)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。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(zhì)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。

孔氣速：孔數(shù)：d0t

開孔率φ(常壓):通常為0.10~0.14。有效傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，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。（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)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)：hf為板上泡沫層高度：

有效傳質(zhì)區(qū)的氣速：u=Vs/(A

－Ad)二、塔板流動性能的校核

對初步設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和修正。1、液沫夾帶量校核單位質(zhì)量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質(zhì)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(guān)聯(lián)圖或用Hunt經(jīng)驗公式計算ev說明：兩式計算的F1中的較大值若超過允許值，應(yīng)調(diào)整塔板間距或塔徑。

（2）浮閥塔：利用Fair關(guān)聯(lián)圖求泛點率F。為控制液沫夾帶量過大，應(yīng)使泛點率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An

=A－2Ad物性系數(shù)(正常系統(tǒng))K=1.0泛點負(fù)荷因數(shù)CF查圖求取

塔板阻力：塔板阻力hp包括

以下幾部分:干板阻力hc—氣體通過板上孔的阻力（設(shè)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hc

浮閥塔臨界孔速=1.15—校正系數(shù)C0—孔流系數(shù)，查圖得。d0/δC0塔板孔流系數(shù)篩板塔d0＜12mmd0≥12mm孔徑與板厚之比（2）液層阻力he充氣系數(shù)

浮閥塔：＝0.5篩板塔：由Fa查圖求

Fa單板壓降說明：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）

故塔板阻力：3、降液管液泛校核為防止降液管液泛，應(yīng)保證降液管內(nèi)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。降液管中清液柱高度(m)其中hw、

h0w已確定，

hp已算出，還要計算出?、hd（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<0.5hc（2）液體通過降液管阻力hd不設(shè)進(jìn)口堰時：設(shè)進(jìn)口堰時：Av：液流經(jīng)堰時的最小斷面泡沫層高度要求：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Ф：不易起泡物系：Ф=0.6～0.7一般物系：Ф=0.5～0.6

易起泡物系：Ф=0.3～0.44、液體在降液管中停留時間校核目的：避免嚴(yán)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。（1）計算嚴(yán)重漏液時干板阻力

h0′（2）計算漏液點氣速u0,min

5、嚴(yán)重漏液校核

漏液點氣速u0,min：發(fā)生嚴(yán)重漏液時的孔氣速。

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

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Vs，是一水平直線。①過量液沫夾帶線（氣相負(fù)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(fù)荷性能圖——確定塔板的操作彈性可整理出u與L關(guān)系，因u又與V有關(guān)，故可關(guān)聯(lián)出V與L關(guān)系。Lm3/s0.0010.0030.0050.0070.009Vm3/s板上泡沫層高度：

有效傳質(zhì)區(qū)的氣速：u=Vs/(A

－Ad)浮閥塔：令泛點率F1=0.8可整理出Vs與Ls關(guān)系。Vs與Ls關(guān)系為直線方程，有兩點即可確定直線。②嚴(yán)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Vs，是一水平直線。當(dāng)：hL＜30mm，或d0＜3mmLm3/sVm3/s一般情況：篩板塔：可由上式關(guān)聯(lián)出L與V的關(guān)系。整理出：液相下限線是一條垂直與L軸的直線,與氣相流量無關(guān)。流體流量過低，塔板上的液層就不均勻，因此流體流量應(yīng)使堰上液層高度how達(dá)到0.006m：③液相下限線④液相上限線可得Ls=常數(shù)的垂直線。液體流量過大則降液管內(nèi)超負(fù)荷，流體在其中停留時間短使其中的泡沫來不及破碎，為此規(guī)定液體在降液管中的停留時間最短為3～5s。⑤降液管液泛線Lm3/sVm3/s液體或氣體流量過大，便會導(dǎo)致液泛。為避免液泛，降液管內(nèi)泡沫層高度應(yīng)小于板間距與堰高之和。如浮閥塔：塔板的操作彈性：或LsVsVs,minVs,max畫出塔板負(fù)荷性能圖三、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(shè)一人孔；人孔直徑一般450～600mm；設(shè)人孔處的板間距≥600mm。（4）塔高四、塔板設(shè)計結(jié)果匯總實際塔板數(shù)：進(jìn)料