板式精餾塔的設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計板式精餾塔的設(shè)計 緒 論4第一節(jié) 概 述81.1精餾操作對塔設(shè)備的要求81.2板式塔類型81.2.1篩板塔91.2.2浮閥塔91.3精餾塔的設(shè)計步驟9第二節(jié) 設(shè)計方案的確定102.1操作條件的確定102.1.1操作壓力102.1.2 進(jìn)料狀態(tài)102.1.3加熱方式102.1.4冷卻劑與出口溫度112.1.5熱能的利用112.2確定設(shè)計方案的原則11第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計算123.1 物料衡算與操作線方程123.1.1 常規(guī)塔123.1.2 直接蒸汽加熱13第四節(jié) 板式塔主要尺寸的設(shè)計計算144.1塔的有效高度和板間距的初選154.1.1塔的有效高度154.1.2板間距的初選

2、154.2 塔徑154.2.1初步計算塔徑164.2.2塔徑的圓整164.2.3 塔徑的核算17第五節(jié) 板式塔的結(jié)構(gòu)175.1 塔的總體結(jié)構(gòu)175.2 塔體總高度185.2.1塔頂空間HD185.2.2人孔數(shù)目185.2.3塔底空間HB205.3 塔板結(jié)構(gòu)205.3.1整塊式塔板結(jié)構(gòu)20第六節(jié) 精餾裝置的附屬設(shè)備206.1 回流冷凝器206.2 管殼式換熱器的設(shè)計與選型216.2.1流體流動阻力（壓強降）的計算216.2.2管殼式換熱器的選型和設(shè)計計算步驟226.3 再沸器236.4接管直徑246.4加熱蒸氣鼓泡管256.5離心泵的選擇25緒 論一、化工原理課程設(shè)計的目的和要求課程設(shè)計是化工原

3、理課程的一個總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個教學(xué)計劃中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的重要作用。 課程設(shè)計不同于平時的作業(yè)，在設(shè)計中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。所以，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力的有益實踐。 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. 查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力； 2. 樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考

4、慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)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。二、化工原理課程設(shè)計的內(nèi)容和步驟 （一）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 包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計算和設(shè)備型號規(guī)格的選定； 4. 帶控制點的工藝流程簡圖 以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體

5、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 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；完整的課程設(shè)計由說明書和圖紙兩部分組成。說明書是設(shè)計的書面總結(jié)，也是后續(xù)設(shè)計工作的主要依據(jù)，應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：（1）封面（課程設(shè)計題目、班級、姓名、指導(dǎo)教師、時間 ）；（2）目錄；（3）設(shè)計任務(wù)書；（4）設(shè)計方案簡介；（5）設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表；（6）工藝設(shè)計計算；（7）輔助設(shè)備的計算及選型；（8）設(shè)計結(jié)果匯總表；（9）設(shè)計評述及設(shè)計者對本設(shè)計有關(guān)問題的討論；（10）工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖；（11）參考資料。 （二）課程設(shè)計的步驟 1. 動員和

6、布置任務(wù)； 2. 閱讀指導(dǎo)書和查閱資料； 3. 現(xiàn)場調(diào)查； 4. 設(shè)計計算,繪圖和編寫說明書；5. 考核和答辯。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。設(shè)計后期的答辯，及時了解學(xué)生設(shè)計能力的補充過程，也是提高設(shè)計水平，交流心得和擴(kuò)大收獲的重要過程。答辯通常包括個別答辯和公開答辯兩種形式。個別答辯的目的不僅是對學(xué)生進(jìn)行全面考核，更主要的是促進(jìn)學(xué)生開動腦筋,提高設(shè)計水平。所以，在個別答辯后，應(yīng)允許學(xué)生修改補充自己的圖紙和說明書。公開答辯是在個別答辯的基礎(chǔ)上，選出幾個有代表性的

7、學(xué)生在全班公開答辯，實際上是以他們的中心發(fā)言來引導(dǎo)全班性的討論，目的是交流心得、探討問題和擴(kuò)大收獲。 三、帶控制點的工藝流程圖的繪制 帶控制點的工藝流程圖是一種示意性的圖樣,它以形象的圖形、符號、代號表示出化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等，借以表達(dá)出一個生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。工藝流程圖繪制范圍如下：必須反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備；1. 應(yīng)全部反映出主要物料管路，并表達(dá)出進(jìn)出裝置界區(qū)的流向；2. 冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽(不包括副產(chǎn)品蒸汽)及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設(shè)備和管線不在圖內(nèi)表示，僅示意工藝設(shè)備使用點的進(jìn)出位置；3. 標(biāo)出有助于用戶確認(rèn)及上級或有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審批用

8、的一些工藝數(shù)據(jù)(例如:溫度、壓力、物流的質(zhì)量流量或體積流量、密度、換熱量等)；4. 包括繪制圖例，圖畫上必要的說明和標(biāo)注，并按圖簽規(guī)定簽署；5. 必須標(biāo)注工藝設(shè)備，工藝物流線上的主要控制點符及調(diào)節(jié)閥等。這里指的控制點符包括被測變量的儀表功能(如調(diào)節(jié)、紀(jì)錄、指示、積算、連鎖、報警、分析、檢測及集中,就地儀表等)。流程圖的繪制步驟如下：1. 用細(xì)實線(0.3mm)畫出設(shè)備簡單外形，設(shè)備一般按1:100或1:50的比例繪制，如某種設(shè)備過高(如精餾塔)，過大或過小，則可適當(dāng)放大或縮??；2. 常用設(shè)備外形可參照圖0-1所示，對于無示例的設(shè)備可繪出其象征性的簡單外形，表明設(shè)備的特征即可；3. 用粗實線(0

9、.9mm)畫出連接設(shè)備的主要物料管線，并注出流向箭頭；4. 物料平衡數(shù)據(jù)可直接在物料管道上用細(xì)實線引出并列成表；5. 輔助物料管道(如冷卻水、加熱蒸汽等)，用中粗實線(0.6mm)表示；6. 設(shè)備的布置原則上按流程圖由左至右，圖上一律不標(biāo)示設(shè)備的支腳、支架和平臺等，一般情況下也不標(biāo)注尺寸。工藝物料的介質(zhì)代碼自行編制，一般以分子式及其編寫字母表示。輔助物料如公用系統(tǒng)介質(zhì)代號規(guī)定如表0-1。代號中文名稱代號中文名稱W水S蒸汽BW鍋爐給水HS高壓蒸汽BR鹽水LS低壓蒸汽BRR鹽水回水MS中壓蒸汽BRS鹽水補給水C冷凝液CW(循環(huán))冷卻水PWW生產(chǎn)廢水CWR(循環(huán))冷卻回水CS化學(xué)污水RW冷卻水(用于

10、零度以上)RW冷凍回水表0-1 輔助物料和共用系數(shù)介質(zhì)代號圖上應(yīng)標(biāo)注單元設(shè)備的代號，單元設(shè)備分類代號見表0-2。表0-2 單元設(shè)備分類代號單元設(shè)備代號單元設(shè)備代號現(xiàn)場裝置,基礎(chǔ),混凝土構(gòu)件轉(zhuǎn)化器,反應(yīng)器,再生器槽、儲罐泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)特殊裝置儀表ADFJLQ爐子換熱器塔管道電氣BCEMN四、主體設(shè)備工藝條件圖主體設(shè)備是指在每個單元操作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備，如傳熱中的換熱器，蒸發(fā)中的蒸發(fā)器，蒸餾和吸收中的塔設(shè)備(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主體設(shè)備在不同單元操作中是不同的，即使同一設(shè)備在不同單元操作中其作用也不相同，如某一設(shè)備在某個單元操作中為主體設(shè)備，而在另一

11、單元操作中就可變?yōu)檩o助設(shè)備。例如，換熱器在傳熱中為主體設(shè)備，而在精餾或干燥操作中就變?yōu)檩o助設(shè)備。泵、壓縮機(jī)等也有類似情況。主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的計算結(jié)果用一張總圖表示出來。圖面上應(yīng)包括如下內(nèi)容:1. 設(shè)備圖形 指主要尺寸(外形尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸、連接尺寸)、接管、人孔等；圖0-1 流程圖設(shè)備外形圖例2. 技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大允許壓強、最高介質(zhì)溫度、介質(zhì)的毒性和爆炸危險性；3. 設(shè)備組成一覽表 注明組成設(shè)備的各部件的名稱等。應(yīng)予以指出，以上設(shè)計全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計。完整的設(shè)備設(shè)計，應(yīng)在上述工藝設(shè)計基礎(chǔ)上再進(jìn)行機(jī)械強度設(shè)計，最后提供可供加工制造的施工圖

12、。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中，屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程，在設(shè)計部門則屬于機(jī)械設(shè)計組的職責(zé)。第一節(jié) 概 述1.1精餾操作對塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： () 氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 () 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。

13、 () 流體流動的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 () 結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 () 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 () 塔內(nèi)的滯留量要小。實際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。1.2板式塔類型 氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計將在其他分冊中作詳細(xì)介紹

14、，故本書將只介紹板式塔。 板式塔為逐級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論浮閥塔與篩板塔的設(shè)計。1.2.1篩板塔篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔

15、設(shè)備，它的主要優(yōu)點有： () 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。 篩板塔的缺點是： () 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 () 操作彈性較小(約23)。 () 小孔篩板容易堵塞。1.2.2浮閥塔 浮閥塔是在泡罩塔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要的改進(jìn)是取消了升氣管和泡罩，在塔板開孔上設(shè)有浮動的浮閥，浮閥可根據(jù)氣體流量上下浮動，自行調(diào)節(jié)，使氣縫速度穩(wěn)定在某一數(shù)值。這一改進(jìn)使浮閥塔在操作彈性、塔板效率、壓降、生產(chǎn)能

16、力以及設(shè)備造價等方面比泡罩塔優(yōu)越。但在處理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮閥塔廣泛用于精餾、吸收以及脫吸等傳質(zhì)過程中。塔徑從200mm到6400mm，使用效果均較好。國外浮閥塔徑，大者可達(dá)10m，塔高可達(dá)80m，板數(shù)有的多達(dá)數(shù)百塊。 浮閥塔之所以這樣廣泛地被采用，是因為它具有下列特點： () 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加2040，而接近于篩板塔。 () 操作彈性大，一般約為59，比篩板、泡罩、舌形塔板的操作彈性要大得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 壓強小，在常壓塔中每塊板的壓強降一般為400660N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期長。粘度稍大以及有

17、一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)也能正常操作。() 結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，制造費為泡罩塔板的6080,為篩板塔的120130。本書雖未包括其它塔板的設(shè)計資料，但其設(shè)計的基本方法與浮閥塔和篩板塔是相同的。學(xué)生在設(shè)計時，可以根據(jù)具體條件進(jìn)行板塔的選型，而不限于選用上述兩種塔板。1.3精餾塔的設(shè)計步驟 本設(shè)計按以下幾個階段進(jìn)行： () 設(shè)計方案確定和說明。根據(jù)給定任務(wù)，對精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 （）蒸餾塔的工藝計算，確定塔高和塔徑。 （）塔板設(shè)計：計算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計算。接管尺寸、泵等，并畫出塔的操作性能圖。 （）管路及附屬設(shè)備的計算與選型，如再沸器、

18、冷凝器。(5) 抄寫說明書。(6) 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。第二節(jié) 設(shè)計方案的確定2.1操作條件的確定 確定設(shè)計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標(biāo)。例如組分的分離順序、塔設(shè)備的型式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測量控制儀表的設(shè)置等。下面結(jié)合課程設(shè)計的需要，對某些問題作些闡述。2.1.1操作壓力 蒸餾操作通常可在常壓、加壓和減壓下進(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(jì)上的合理性進(jìn)行考慮。例如，采用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

19、，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。但在塔徑相同的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣卟僮鲏毫梢蕴岣咚奶幚砟芰?。有時應(yīng)用加壓蒸餾的原因，則在于提高平衡溫度后，便于利用蒸汽冷凝時的熱量，或可用較低品位的冷卻劑使蒸汽冷凝，從而減少蒸餾的能量消耗。2.1.2 進(jìn)料狀態(tài) 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

20、上提供了方便。2.1.3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。有時也可采用直接蒸汽加熱。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。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是：可以利用壓力較低的蒸汽加熱；在釜內(nèi)只須安裝鼓泡管，不須安置龐大的傳熱面。這樣，可節(jié)省一些操作費用和設(shè)備費用。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。但對有些物系(如酒精與水的二元混合液)，當(dāng)殘液的濃度稀薄時，溶液的相對揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)

21、并不多，此時采用直接蒸汽加熱是合適的。值得提及的是，采用直接蒸汽加熱時，加熱蒸汽的壓力要高于釜中的壓力，以便克服蒸汽噴出小孔的阻力及釜中液柱靜壓力。對于酒精水溶液，一般采用0.40.7KPa（表壓）。飽和水蒸汽的溫度與壓力互為單值函數(shù)關(guān)系，其溫度可通過壓力調(diào)節(jié)。同時，飽和水蒸汽的冷凝潛熱較大，價格較低廉，因此通常用飽和水蒸汽作為加熱劑。但若要求加熱溫度超過180時，應(yīng)考慮采用其它的加熱劑，如煙道氣或熱油。當(dāng)采用飽和水蒸汽作為加熱劑時，選用較高的蒸汽壓力，可以提高傳熱溫度差，從而提高傳熱效率，但蒸汽壓力的提高對鍋爐提出了更高的要求。同時對于釜液的沸騰，溫度差過大，形成膜狀沸騰，反而對傳熱不利。2

22、.1.4冷卻劑與出口溫度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(jì)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(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。2.1.5熱能的利用精餾過程是組分反復(fù)汽化和反復(fù)冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。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。與此同時，合理利用精餾

23、過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。若不計進(jìn)料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱能級低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設(shè)置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程1，可以提高精餾塔的熱力學(xué)效率。因為設(shè)置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。 2.2確定設(shè)計方案的原則確定設(shè)計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)

24、技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點： (1) 滿足工藝和操作的要求 所設(shè)計出來的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)及其裝置的位

25、置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 (2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費用。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費和設(shè)備費都有影響。同樣，回流比的大小對操作費和設(shè)備費也有很大影響。 降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計時，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具

26、體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。 (3) 保證安全生產(chǎn) 例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計中，對第一個原則應(yīng)作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計算精餾塔的工藝設(shè)計計算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設(shè)計計算，塔板的布置，塔板流體力學(xué)性

27、能的校核及繪出塔板的性能負(fù)荷圖。3.1 物料衡算與操作線方程通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成和進(jìn)料流量、組成之間的關(guān)系。物料衡算主要解決以下問題：（1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度）計算出每小時塔頂、塔底的產(chǎn)量；（2）在加料熱狀態(tài)q和回流比R選定后，分別算出精餾段和提餾段的上升蒸汽量和下降液體量；（3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程，通過物料衡算可以確定精餾塔中各股物料的流量和組成情況，塔內(nèi)各段的上升蒸汽量和下降液體量，為計算理論板數(shù)以及塔徑和塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。通常，原料量和產(chǎn)量都以kg/h或噸/年來表示，但在理想板計算時均須轉(zhuǎn)換為

28、kmol/h。在設(shè)計時，汽液流量又須用m3/s來表示。因此要注意不同的場合應(yīng)使用不同的流量單位。3.1.1 常規(guī)塔常規(guī)塔指僅有一處進(jìn)料和塔頂、塔底各有一個產(chǎn)品，塔釜間接蒸汽加熱的精餾塔。（1）全塔總物料衡算總物料F = D + W （3-1）易揮發(fā)組分 FF = DD + WW （3-2）若以塔頂易揮發(fā)組分為主要產(chǎn)品，則回收率為 （3-3）式中 F、D、W分別為原料液、餾出液和釜殘液流量，kmol/h；F、D、W分別為原料液、餾出液和釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由（3-1）和（3-2）式得： （3-4） （3-5）（2）操作線方程（）精餾段上升蒸汽量： （3-6）下降液體量： （3-7）操作

29、線方程： （3-8）或： （3-8a）式中 R 回流比；n 精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率；n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。（）提餾段上升蒸汽量： （3-9）或： (3-10)下降液體量： （3-11）操作線方程： （3-12）式中：m 提餾段內(nèi)第m層板下降液體中易揮發(fā)組分摩爾分率；m+1提餾段內(nèi)第m+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分摩爾分率。(3) 進(jìn)料線方程（ q線方程） （3-13）3.1.2 直接蒸汽加熱（1）全塔總物料衡算總物料 （3-14）易揮發(fā)組分 （3-15）式中 V0 直接加熱蒸汽的流量，kmol/h；0 加熱蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率，一

30、般0=0；W* 直接蒸汽加熱時釜液流量，kmol/h；*W直接蒸汽加熱時釜液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。由（3-14）和（3-15）式得： W* = W + V0 （3-16） （3-17）(2) 操作線方程（）精餾段（同常規(guī)塔） （3-18）式中 R 回流比；n精餾段內(nèi)第n層板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分率；n+1精餾段內(nèi)第n+1層板上升蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分率。（）提餾段操作線方程： （3-19）與間接加熱時一樣，所不同的是間接加熱時提餾段操作線終點是（W,W），而直接蒸汽加熱時，當(dāng)m+1=0 時，m=*W，因此提餾段操作線與X軸相交于點（*W ，0）。第四節(jié) 板式塔主要尺寸的設(shè)計計算板式塔

31、主要尺寸的設(shè)計計算，包括塔高、塔徑的設(shè)計計算，板上液流形式的選擇、溢流裝置的設(shè)計，塔板布置、氣體通道的設(shè)計等工藝計算。板式塔為逐級接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，沿塔方向，每層板的組成、溫度、壓力都不同。設(shè)計時，先選取某一塔板（例如進(jìn)料或塔頂、塔底）條件下的參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)，以此確定塔的尺寸，然后再作適當(dāng)調(diào)整；或分段計算，以適應(yīng)兩段的氣液相體積流量的變化，但應(yīng)盡量保持塔徑相同，以便于加工制造。所設(shè)計的板式塔應(yīng)為氣液接觸提供盡可能大的接觸面積，應(yīng)盡可能地減小霧沫夾帶和氣泡夾帶，有較高的塔板效率和較大的操作彈性。但是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，而參數(shù)與尺寸之間

32、又彼此互相影響和制約，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。基于以上原因，在設(shè)計過程中需要不斷地調(diào)整、修正、和核算，直到設(shè)計出較為滿意的板式塔。4.1塔的有效高度和板間距的初選4.1.1塔的有效高度板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計算： （4-1）式中 Z塔的有效高度，m；ET全塔總板效率；NT 塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)；HT塔板間距，m。4.1.2板間距的初選板間距NT的選定很重要。選取時應(yīng)考慮塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性及塔的安裝檢修等因素。對完成一定生產(chǎn)任務(wù)，若采用較大的板間距，能允許較高的空塔氣速，對塔板效率、操作彈性及安裝檢修有利；但板間

33、距增大后，會增加塔身總高度，金屬消耗量，塔基、支座等的負(fù)荷，從而導(dǎo)致全塔造價增加。反之，采用較小的板間距，只能允許較小的空塔氣速，塔徑就要增大，但塔高可降低；但是板間距過小，容易產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，降低板效率。所以在選取板間距時，要根據(jù)各種不同情況予以考慮。如對易發(fā)泡的物系，板間距應(yīng)取大一些，以保證塔的分離效果。板間距與塔徑之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實際情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，反復(fù)調(diào)整，已做出最佳選擇。設(shè)計時通常根據(jù)塔徑的大小，由表4-1列出的塔板間距的經(jīng)驗數(shù)值選取。表4-1 塔板間距與塔徑的關(guān)系塔 徑/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距/HT，mm200300250350

34、300450350600400600化工生產(chǎn)中常用板間距為：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在決定板間距時還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處，應(yīng)留有足夠的工作空間，其值不應(yīng)小于600mm。 4.2 塔徑塔的橫截面應(yīng)滿足汽液接觸部分的面積、溢流部分的面積和塔板支承、固定等結(jié)構(gòu)處理所需面積的要求。在塔板設(shè)計中起主導(dǎo)作用，往往是氣液接觸部分的面積，應(yīng)保證有適宜的氣體速度。計算塔徑的方法有兩類：一類是根據(jù)適宜的空塔氣速，求出塔截面積，即可求出塔徑。另一類計算方法則是先確定適宜的孔流氣速，算出一個孔（閥孔或篩孔）允許通過的氣量，定出每塊塔板所需

35、孔數(shù)，再根據(jù)孔的排列及塔板各區(qū)域的相互比例，最后算出塔的橫截面積和塔徑。4.2.1初步計算塔徑板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計算，即 （4-2）式中 D 塔徑m；Vs 塔內(nèi)氣體流量m3/s；u 空塔氣速m/s。由式（4-2）可見，計算塔徑的關(guān)鍵是計算空塔氣速u。設(shè)計中，空塔氣速u的計算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，乘以一定的安全系數(shù)，即 (4-3)最大空塔氣速umax可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為 （4-4）式中 umax允許空塔氣速，m/s；V，L分別為氣相和液相的密度，kg/m3 ； C氣體負(fù)荷系數(shù)，m/s，對于浮閥塔和泡罩塔可用圖4-1確定；圖4-1中的氣體負(fù)荷參

36、數(shù)C20僅適用于液體的表面張力為0.02N/m，若液體的表面張力為6N/m，則其氣體負(fù)荷系數(shù)C可用下式求得： （4-5）所以，初步估算塔徑為： （4-6）其中，u適宜的空塔速度，m/s。由于精餾段、提餾段的汽液流量不同，故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中，精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關(guān)物理參數(shù)計算，提餾段的塔徑可按釜中物料的有關(guān)物理參數(shù)計算。也可分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計算。4.2.2塔徑的圓整目前，塔的直徑已標(biāo)準(zhǔn)化。所求得的塔徑必須圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。塔徑在1米以下者，標(biāo)準(zhǔn)化先按100mm增值變化；塔徑在1米以上者，按200mm增值變化，即1000mm、1200m

37、m、1400mm、1600mm 圖4-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖圖中 HT塔板間距，m； hL板上液層高度，m；V ,L分別為塔內(nèi)氣、液兩相體積流量，m3/s； V，L 分別為塔內(nèi)氣、液相的密度，kg/m3 。4.2.3 塔徑的核算塔徑標(biāo)準(zhǔn)化以后，應(yīng)重新驗算霧沫夾帶量，必要時在此先進(jìn)行塔徑的調(diào)整，然后再決定塔板結(jié)構(gòu)的參數(shù)，并進(jìn)行其它各項計算。當(dāng)液量很大時，亦宜先按式4-7核查一下液體在降液管中的停留時間。如不符合要求，且難以加大板間距來調(diào)整時，也可在此先作塔徑的調(diào)整。第五節(jié) 板式塔的結(jié)構(gòu)5.1 塔的總體結(jié)構(gòu)塔的外殼多用鋼板焊接，如外殼采用鑄鐵鑄造，則往往以每層塔板為一節(jié)，然后用法蘭連接。板式塔除內(nèi)部裝有

38、塔板、降液管及各種物料的進(jìn)出口之外，還有很多附屬裝置，如除沫器、人（手）孔、基座，有時外部還有扶梯或平臺。此外，在塔體上有時還焊有保溫材料的支承圈。為了檢修方便，有時在塔頂裝有可轉(zhuǎn)動的吊柱。如圖5-1為一板式塔的總體結(jié)構(gòu)簡圖。一般說來，各層塔板的結(jié)構(gòu)是相同的，只有最高一層，最低一層和進(jìn)料層的結(jié)構(gòu)有所不同。最高一層塔板與塔頂?shù)木嚯x常大于一般塔板間距，以便能良好的除沫。最低一層塔板到塔底的距離較大，以便有較大的塔底空間貯液，保證液體能有1015min的停留時間，使塔底液體不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器來的蒸氣，塔底與再沸器間有管路連接，有時則再塔底釜中設(shè)置列管或蛇管換熱器，將釜中液體加熱

39、汽化。若是直接蒸汽加熱，則在釜的下部裝一鼓泡管，直接接入加熱蒸汽。另外，進(jìn)料板的板間距也比一般間距大。 5.2 塔體總高度 板式塔的塔高如圖5-2所示，塔體總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定： (5-1)式中 HD塔頂空間，m； HB塔底空間，m；HT塔板間距，m；HT開有人孔的塔板間距，m； HF進(jìn)料段高度，m； Np實際塔板數(shù)；S人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。5.2.1塔頂空間HD 塔頂空間（見圖5-2）指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，通常取HD為（ 1.52.0）HT。若圖5-2 塔高示意圖需要安裝除沫器時，要根據(jù)除沫器的安裝

40、要求確定塔頂空間。5.2.2人孔數(shù)目 人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔810塊塔板設(shè)置一個人孔；對于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔46塊塔板開一個人孔。人孔直徑通常為450mm。圖5-1 板式塔總體結(jié)構(gòu)簡圖5.2.3塔底空間HB塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值視具體情況而定：當(dāng)進(jìn)料有15分鐘緩沖時間的容量時，塔底產(chǎn)品的停留時間可取35分鐘，否則需有1015分鐘的儲量，以保證塔底料液不致流空。塔底產(chǎn)品量大時，塔底容量可取小些，停留時間可取35分鐘；對易結(jié)焦的物料，停留時間應(yīng)短些，一般取11.5分鐘。5.3 塔板結(jié)構(gòu) 塔板類型按結(jié)構(gòu)特點

41、可分為整塊式或分塊式兩種。一般，塔徑從300900mm時采用整塊式塔板；當(dāng)塔徑在800mm以上時，人已能在塔內(nèi)進(jìn)行拆裝操作，無須將塔板整塊裝入。并且，整塊式塔板在大塔中剛性也不好，結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜，故采用分塊式塔板；塔徑在800900mm之間，設(shè)計時可按便于制造、安裝的具體情況選定。5.3.1整塊式塔板結(jié)構(gòu)小塔的塔板均做成整塊式的，相應(yīng)地，塔體則分成若干段塔節(jié)，塔節(jié)與塔節(jié)之間用法蘭連接。每個塔節(jié)中安裝若干塊疊置起來的塔板。塔板與塔板之間用一段管子支承，并保持所需要的板間距。圖5-3為整塊式塔板中的定距管式塔板結(jié)構(gòu)。塔節(jié)內(nèi)的板數(shù)與塔徑和板間距有關(guān)。如以塔徑Dg=600700mm的塔節(jié)為例，對應(yīng)于不同

42、的板間距， 圖5-2 板式塔的塔高 塔節(jié)內(nèi)安裝的塔板數(shù)NF塔板與下法蘭端面的距離h1以及塔節(jié)高度L如表5-1所示。表5-1 塔板的有關(guān)尺寸HT,mmNL,mmh1,mm300618002003505175025045041800350第六節(jié) 精餾裝置的附屬設(shè)備精餾裝置的主要附屬設(shè)備包括蒸氣冷凝器、產(chǎn)品冷凝器、塔底再沸器、原料預(yù)熱器、直接蒸汽鼓管、物料輸送管及泵等。前四種設(shè)備本質(zhì)上屬換熱器，并多采用列管式換熱器，管線和泵屬輸送裝置。下面簡要介紹。6.1 回流冷凝器按冷凝器與塔的位置，可分為：整體式、自流式和強制循環(huán)式。（1）整體式如圖6-1(a)和(b)所示。將冷凝器與精餾塔作成一體。這種布局的

43、優(yōu)點是上升蒸汽壓降較小，蒸汽分布均勻，缺點是塔頂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便維修，當(dāng)需用閥門、流量計來調(diào)節(jié)時，需較大位差，須增大塔頂板與冷凝器間距離，導(dǎo)致塔體過高。該型式常用于減壓精餾或傳熱面較小場合。 圖6-1 冷凝器的型式（2）自流式如圖6-1（c）所示。將冷凝器裝在塔頂附近的臺架上，靠改變臺架的高度來獲得回流和采出所需的位差。（3）強制循環(huán)式如圖6-1（D）、（e）所示。當(dāng)冷凝器換熱面過大時，裝在塔頂附近對造價和維修都是不利的，故將冷凝器裝在離塔頂較遠(yuǎn)的低處，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情況下，冷凝器采用臥式，因為臥式的冷凝液膜較薄，故對流傳熱系數(shù)較大，且臥式便于安裝和維修。6.2 管殼式換

44、熱器的設(shè)計與選型管殼式換熱器的設(shè)計與選型的核心是計算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其它尺寸或選擇換熱器的型號。6.2.1流體流動阻力（壓強降）的計算（1）管程流動阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器，其阻力pi等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般情況下進(jìn)、出口阻力可忽略不計，故管程總阻力的計算式為 (6-1)式中 P1、P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降，Pa； Ft結(jié)垢校正因數(shù)，對25mm×2.5mm的管子取1.4；對19mm×2mm的管子取1.5；NP管程數(shù)；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)。上式中直管壓強降P1可按第一章中介紹的公式計算

45、；回彎管的壓強降P2由下面的經(jīng)驗公式估算，即 (6-2)（2）殼程流動阻力 殼程流動阻力的計算公式很多，在此介紹埃索法計算殼程壓強降P0的公式，即 (6-3)式中 P1流體橫過管束的壓強降，Pa；P2流體通過折流板缺口的壓強降，Pa；FS殼程壓強降的結(jié)垢校正因數(shù)；液體可取1.15，氣體可取1.0。 (6-4)式中 F管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5，對轉(zhuǎn)角三角形為0.4，正方形為0.3；f0殼程流體的摩擦系數(shù)；Nc 橫過管束中心線的管子數(shù)；Nc值可由下式估算：管子按正三角形排列： (6-5)管子按正方形排列： (6-6)式中 n換熱器總管數(shù)。NB折流擋板數(shù)；h折流擋板間

46、距； u0按殼程流通截面積A0計算的流速，m/s，而A0=h(D-ncd0)。6.2.2管殼式換熱器的選型和設(shè)計計算步驟(1)計算并初選設(shè)備規(guī)格a確定流體在換熱器中的流動途徑b根據(jù)傳熱任務(wù)計算熱負(fù)荷Q。c確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的形式；計算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性。d計算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。e依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況，選擇總傳熱系數(shù)K值。f由總傳熱速率方程Q = KStm，初步計算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸（如D、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。（2）計算管程、

47、殼程壓強降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計算管程、殼程流體的流速和壓強降。檢查計算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓降不符合要求，要調(diào)整流速，在確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求為止。（3）核算總傳熱系數(shù)計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，在計算總傳熱系數(shù)K，比較K的初設(shè)值和計算值，若K /K=1.151.25，則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計算步驟。6.3 再沸器精餾塔底的再沸器可分為：釜式再沸器、熱虹吸式再沸器及強制循環(huán)再沸器。（1）釜式式再沸器如圖6-2（a）和（b）所示。（a）是臥式再沸器，殼方為釜液沸騰，管內(nèi)可以加熱蒸汽。塔底液體進(jìn)