篩板精餾塔設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)篩板精餾塔設(shè)計(jì)常壓分離環(huán)己醇–苯酚連續(xù)操作篩板精餾塔工藝設(shè)計(jì)任務(wù)書

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：1.處理能力：50000t/a（年工作按8000小時(shí)計(jì)）2.進(jìn)料組成：環(huán)己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.進(jìn)料狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料4.產(chǎn)品要求：塔頂餾出液組成：環(huán)己醇98%，苯酚2%

塔釜釜?dú)堃航M成：環(huán)己醇1%，苯酚99%5.塔頂壓強(qiáng)：101kPa（絕壓）6.公用工程：循環(huán)冷卻水：進(jìn)口溫度32℃，出口溫度38℃

導(dǎo)熱油：進(jìn)口溫度260℃，出口溫度250℃

總體要求：繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖，完成精餾塔工藝設(shè)計(jì)以及有關(guān)附屬設(shè)備的計(jì)算與選型。繪制塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書。1.精餾塔工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：全塔物料恒算、確定回流比；確定塔徑、實(shí)際板數(shù)及加料板位置。2.精餾塔塔板工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容：塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體力學(xué)計(jì)算、負(fù)荷性能圖、工藝尺寸裝配圖。3.換熱器設(shè)計(jì)：確定冷熱流體流動(dòng)方式，根據(jù)換熱面積初選換熱器；核算總傳熱系數(shù)；計(jì)算實(shí)際傳熱面積；選定換熱器型號(hào)，計(jì)算管程、殼程壓降。說(shuō)明：1.寫出詳細(xì)計(jì)算步驟，并注明選用數(shù)據(jù)的來(lái)源。2.每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后，列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表。3.設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求字跡工整，按規(guī)范裝訂成冊(cè)。

帶控制點(diǎn)工藝流程圖,用3號(hào)圖紙畫塔設(shè)備條件圖（帶管口）,用3號(hào)圖紙畫其余工藝設(shè)計(jì)圖,用坐標(biāo)紙課程設(shè)計(jì)的要求注意事項(xiàng):

寫出詳細(xì)計(jì)算步驟,并注明選用數(shù)據(jù)的來(lái)源每項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)束后,列出計(jì)算結(jié)果明細(xì)表設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求字跡工整,裝訂成冊(cè)上交學(xué)號(hào)1-10號(hào)單號(hào)雙號(hào)處理量環(huán)己醇組成苯酚組成45000t/a55000t/a35%65%72%28%學(xué)號(hào)11-21號(hào)單號(hào)雙號(hào)處理量環(huán)己醇組成苯酚組成55000t/a45000t/a32%68%72%28%學(xué)號(hào)22以后單號(hào)雙號(hào)處理量環(huán)己醇組成苯酚組成50000t/a45000t/a26%74%77%23%計(jì)算說(shuō)明書目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書帶控制點(diǎn)工藝流程圖與工藝說(shuō)明精餾塔工藝計(jì)算塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器選型精餾塔工藝條件圖塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果匯總符號(hào)說(shuō)明結(jié)束語(yǔ)常壓分離環(huán)己醇―苯酚連續(xù)操作篩板塔設(shè)計(jì)計(jì)算示例

1.設(shè)計(jì)任務(wù)書按要求填入處理量和進(jìn)料組成2.帶控制點(diǎn)工藝流程圖與工藝說(shuō)明（1）帶控制點(diǎn)工藝流程圖（2）操作壓力的選擇（3）工藝流程敘述3.精餾塔工藝計(jì)算

3.1平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算

181.90.0000.000

179.10.0250.0994.28176.40.0500.1864.34173.80.0750.2634.40171.30.1000.3334.49t℃xyi

說(shuō)明：平均相對(duì)揮發(fā)度為

5.62

3.2繪制t-x-y圖及x-y圖在坐標(biāo)紙上繪圖，上大小要求t-x-y圖為10×10cm，x-y圖為

20×20cm

項(xiàng)目

數(shù)值進(jìn)料流量F，kmol/h塔頂產(chǎn)品流量D，kmol/h塔釜?dú)堃毫髁縒，kmol/h進(jìn)料組成，xF(摩爾分?jǐn)?shù)）塔頂產(chǎn)品組成，xD(摩爾分?jǐn)?shù)）塔釜?dú)堃航M成，xW(摩爾分?jǐn)?shù)）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算

料液平均分子量：Mm=0.3×100+0.7×94=95.8進(jìn)料流量：F=50000×103/8000×95.8=65.24kmol/hF=D+WD=19.5kmol/hFxf=DxD+WxwW=45.74kmol/h

3.4實(shí)際板數(shù)及進(jìn)料位置的確定

1.確定最小回流比Rmin

2.確定操作回流比R

由Fenske方程計(jì)算最小理論板數(shù)Nmin

利用吉利蘭關(guān)聯(lián)圖，計(jì)算NT~R如下：0.86314.70.98811.81.14010.71.2929.91.4449.3RNT1.5209.0繪制NT~R關(guān)系圖，找出最佳回流比。

說(shuō)明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、

1.8、2.0)Rmin6個(gè)點(diǎn)

圖解法求得NT=5.5（不包括塔釜）

加料板位置nT=3.0

3.圖解法求理論板數(shù)及加料板位置

4.實(shí)際板數(shù)及加料板位置的確定全塔效率由O’connell關(guān)聯(lián)式計(jì)算：

回流比理論板數(shù)板效率實(shí)際板數(shù)理論加料位置實(shí)際加料位置表2塔板計(jì)算結(jié)果

包括板間距的初估，塔徑的計(jì)算，塔板溢流形式的確定，板上清液高度、堰長(zhǎng)、堰高的初估與計(jì)算，降液管的選型及系列參數(shù)的計(jì)算，塔板布置和篩孔/閥孔的布置等，最后是水力學(xué)校核和負(fù)荷性能圖。4.塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1常用塔板的類型（1）泡罩塔優(yōu)點(diǎn)：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大但生產(chǎn)能力不大。

塔板是氣液兩相接觸傳質(zhì)的場(chǎng)所，為提高塔板性能，采用各種形式塔板。組成：升氣管和泡罩圓形泡罩條形泡罩泡罩塔（2）篩板塔板優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、塔板阻力小。目前，廣泛應(yīng)用的一種塔型。塔板上開(kāi)圓孔，孔徑d0：3-8mm;大孔徑篩板d0

：12-25mm。lwWD（3）浮閥塔板圓形浮閥條形浮閥浮閥塔盤方形浮閥優(yōu)點(diǎn)：浮閥根據(jù)氣體流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時(shí)具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：浮閥易脫落或損壞。方形浮閥F1型浮閥（4）噴射型塔板

氣流方向：垂直→小角度傾斜，改善液沫夾帶、液面落差。氣液接觸狀態(tài)：噴射狀態(tài)連續(xù)相：氣相；分散相：液相促進(jìn)兩相傳質(zhì)。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直篩板等。缺點(diǎn)：氣泡夾帶現(xiàn)象比較嚴(yán)重。ⅠⅡⅢ20°α=R2550Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和傾角舌形塔板：溢流堰降液管安定區(qū)塔板連接區(qū)受液區(qū)液體分布區(qū)導(dǎo)向孔1015208111520液流方向3035.74.7(a)斜孔結(jié)構(gòu)之一(b)塔板布置斜孔塔板（5）斜孔塔板AA降液管進(jìn)口堰壓延金屬板A-A

剖視圖網(wǎng)孔塔板（6）網(wǎng)孔塔板垂直篩板液相塔板泡罩氣相（6）垂直篩板（7）多降液管（MD）塔板

優(yōu)點(diǎn)：提高允許液體流量（8）林德篩板（導(dǎo)向篩板）應(yīng)用：用于減壓塔的低阻力、高效率塔板。

斜臺(tái)：抵消液面落差的影響。

導(dǎo)向孔：使氣、液流向一致，減小液面落差。液流(a)斜臺(tái)裝置液流液流(b)導(dǎo)向孔

林德篩板（9）無(wú)溢流塔板

有溢流塔板：有降液管的塔板；

無(wú)溢流塔板：無(wú)降液管的塔板；

形式：無(wú)溢流柵板和無(wú)溢流篩板；

特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔板阻力小；但操作彈性小，塔板效率低。沖制柵板由金屬條組成的柵板無(wú)溢流篩板設(shè)計(jì)參數(shù)如下（以塔頂?shù)谝粔K塔板數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)）：液相密度L=950kg/m3

汽相密度V=PM/RT=2.92kg/m3

液相表面張力

=32dyn/cm

汽相流量VS=(R+1)DM/3600V=0.408m3/s

液相流量LS=RDM/3600L=0.000684m3/s

4.2初估塔徑

取板間距HT=350mm，板上液層厚度hL=0.07m，則HT-hL=0.28m。塔板間距和塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系說(shuō)明：工業(yè)塔中，板間距范圍200~900mm兩相流動(dòng)參數(shù)FLV=則液泛氣速：對(duì)于篩板塔、浮閥、泡罩塔，可查圖，C20=(HT

、FLV)C20：σ=20dyn/cm時(shí)的氣體負(fù)荷因子0.2HT=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塔板泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖取操作氣速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893m/s則氣體流通面積

An=VS/u=0.457m2

選取單溢流塔盤，取lw/D=0.7，查圖得Af/AT=0.088

則塔截面積：

塔徑

D=

，圓整為0.8m

說(shuō)明：計(jì)算得到的塔徑需圓整，系列化標(biāo)準(zhǔn)：

300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200m等由此重新計(jì)算：

AT=0.785D2=0.5024m2Af=0.088AT=0.0442m2An=AT-Af=0.4582m2u=VS/An=0.89m/s實(shí)際泛點(diǎn)百分率：

u/uf=0.75

注意：

1）必須用圓整后的D重新計(jì)算確定實(shí)際的氣體流通截面積、實(shí)際氣速及泛點(diǎn)率。

2）校核HT與D的范圍。D-塔徑hw-堰高h(yuǎn)ow-堰上液層高度HT-板間距ho-降液管底隙高度Hd-降液管內(nèi)清液層高度hL-板上液層高度

hL=hw+how

溢流裝置（10×20cm）4.3塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3.1溢流裝置①溢流型式的選擇依據(jù)：塔徑、流量；

型式：?jiǎn)瘟餍?、U形流型、雙流型、階梯流型等。②降液管形式和底隙

降液管：弓形、圓形。降液管截面積：由Af/AT確定；底隙高度

h0：通常在40~60mm。③

溢流堰（出口堰）作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過(guò)。型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。0采用弓形降液管，平堰及平型受液盤，lw=0.7D=0.56m堰上液層高度堰高h(yuǎn)w=hL-how=0.06238m液管底隙高度ho=hw-0.006=0.05638m

要求：本設(shè)計(jì)采用:一般取安定區(qū)寬度

WS=（50-100）mm一般取邊緣區(qū)寬度

WC=（30-50）mm

4.3.2塔盤布置WCWDWSlWrx塔盤布置圖（10×20cm）1.受液區(qū)和降液區(qū)一般兩區(qū)面積相等。

2.入口安定區(qū)和出口安定區(qū)。

取篩孔直徑do=（3–8）mm，孔徑比取t/d0=3.0-3.5由lw/D=0.7，查圖得Wd/D=0.15則Wd=0.15D=0.12mx=D/2-(Wd+Ws)=0.21mr=D/2-Wc=0.36m

鼓泡區(qū)面積：

開(kāi)孔率

=A0/Aa=0.907/(t/d0)2=0.074

篩孔面積A0=Aa=0.021m2

篩孔氣速u0=VS/A0=19.43m/s

篩孔數(shù)目

n=4A0/d02=1672個(gè)

以Aa為面積計(jì)算的氣速ua=VS/Aa3.篩板塔有效傳質(zhì)區(qū)布置

d0t正三角排列4.4塔板流體力學(xué)校核

4.4.1塔板阻力

塔板阻力hf包括

以下幾部分:

（a）干板阻力hd—?dú)怏w通過(guò)板上孔的阻力（無(wú)液體時(shí)）；

（b）液層阻力hl—?dú)怏w通過(guò)液層阻力；（c）克服液體表面張力阻力hσ—孔口處表面張力?？捎们逡褐叨缺硎荆海╝）干板阻力hdd0/δC0塔板孔流系數(shù)查得孔流系數(shù)C0=0.75，則：取板厚

=3mm，（b）液層阻力hl查圖得充氣系數(shù)β=0.58于是：說(shuō)明：（1）若塔板阻力過(guò)大，可增加開(kāi)孔率或降低堰高。（2）對(duì)于常壓和加壓塔，塔板阻力一般沒(méi)有什么特別要求。（3）對(duì)于減壓塔，塔板阻力有一定的要求。（c）克服液體表面張力阻力（一般可不計(jì)）

故塔板阻力：4.4.2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。指標(biāo)為ev

<0.1。液沫夾帶分率ψ：夾帶的液體流量占橫過(guò)塔板液體流量的分?jǐn)?shù)。故有：

方法1：利用Fair關(guān)聯(lián)圖，由和實(shí)際泛點(diǎn)百分率0.75，查得Ψ=0.08，進(jìn)而求出ev=0.047<0.1。ev的計(jì)算方法：(1)篩板塔液沫夾帶量校核方法2：用亨特（Hunt）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算ev：說(shuō)明：超過(guò)允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。

式中Hf

為板上泡沫層高度：要求：ev≤

0.1

kg

液體/kg氣體4.4.3降液管溢流液泛校核(1)篩板塔降液管溢流液泛校核降液管中清液柱高度(m)：（a）液面落差Δ一般較小，可不計(jì)。當(dāng)不可忽略時(shí)：一般要求：Δ<0.5h0主要為底隙阻力，而進(jìn)口堰阻力一般為0（當(dāng)無(wú)進(jìn)口堰時(shí)）：（b）液體通過(guò)降液管阻力hf

降液管中泡沫層高度：要求：說(shuō)明：若泡沫高度過(guò)大，可減小塔板阻力或增大塔板間距。對(duì)不易起泡物系：易起泡物系：而Hd/=0.34(HT+hw)=0.41

4.4.4液體在降液管中停留時(shí)間校核目的：避免嚴(yán)重的氣泡夾帶降低板效率。

停留時(shí)間：要求：說(shuō)明：停留時(shí)間過(guò)小，可增加降液管面積或增大塔板間距。（a）計(jì)算嚴(yán)重漏液時(shí)干板阻力hd′（b）計(jì)算漏液點(diǎn)氣速uow

說(shuō)明：如果穩(wěn)定系數(shù)k過(guò)小，可減小開(kāi)孔率或降低堰高。（5）嚴(yán)重漏液校核

漏液點(diǎn)氣速uow：發(fā)生嚴(yán)重漏液時(shí)篩孔氣速。

穩(wěn)定系數(shù)：要求：（c）計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)

4.5塔板負(fù)荷性能圖

在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進(jìn)行了流體力學(xué)驗(yàn)算之后，便可確認(rèn)所設(shè)計(jì)的塔板能在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下正常操作。此時(shí)，有必要進(jìn)一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負(fù)荷波動(dòng)范圍。這個(gè)范圍通常以塔板負(fù)荷性能圖的形式表示。操作彈性=Vmax/Vmin（1）漏液線

(第一點(diǎn)：Lh=LS（

0.000684）×3600=2.46m3/hVh=A0uow×3600=491.4m3/h第二點(diǎn)：取Lh=10m3/h，同樣可以計(jì)算得到：

uow’=7.5m/s，

則Vh=A0uow’×3600=567m3/h

在圖中作平行與橫坐標(biāo)的直線即可。漏液量增大，導(dǎo)致塔板上難以維持正常操作所需的液面，無(wú)法操作。此漏液為嚴(yán)重漏液，稱相應(yīng)的孔流氣速為漏液點(diǎn)氣速。（2）過(guò)量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）(

規(guī)定：ev=

0.1（

kg

液體/kg氣體）為限制條件。把u、Hf、how和hw的計(jì)算公式代入ev計(jì)算公式，得到Vh和Lh的關(guān)系式，作圖。原因：①氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；②氣相運(yùn)動(dòng)是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動(dòng)。（3）液相負(fù)荷下限線(對(duì)于平直堰，一般取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件，低于此限便不能保證板上液流均勻分布，降低氣液接觸效果。

依此式可求得液相負(fù)荷下限，據(jù)此作出液相負(fù)荷下限線(3)。塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在豎直線(3)的右方。（4）液相負(fù)荷上限線(

此線反映對(duì)于液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的起碼要求。對(duì)于尺寸已經(jīng)確定的降液管，若液體流量超過(guò)某一限度，使液體在降液管中的停留時(shí)間過(guò)短，則其中氣泡來(lái)不及放出就進(jìn)入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。

依此式可求得液相負(fù)荷上限，據(jù)此作出液相負(fù)荷上限線(4)。塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在豎直線(4)的左方。（5）液泛線(

液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度超過(guò)最大允許值時(shí)，破壞塔的正常操作。

由以下公式得到Vh和Lh的關(guān)系式：液泛現(xiàn)象5.換熱器選型5.1換熱器的初步選型（1）塔頂冷凝器熱負(fù)荷QC=(R+1)D(IVD-ILD)=(R+1)DMDrD=4.63×105kcal/h。取冷卻水的進(jìn)口溫度為32℃，出口溫度為38℃，則換熱平均溫差tm=87.3℃，取換熱系數(shù)K=350w/m2℃，則所需換熱面積：

S=4.63×105×103×4.18/(3600×350×87.3)=17.7m2

選擇型號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)系列JB1145-73Fg18（雙程）（2）塔底再沸器熱負(fù)荷QB=(R+1)DMBrB=2.08×106kJ/h。取導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度為260℃，出口溫度為250℃，則換熱平均溫差tm=57.5℃，取換熱系數(shù)K=500w/m2℃；則所需換熱面積：S=2.08×106×103/(3600×500×57.5)=20.0m2

選擇型號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)系列JB1145-73Fg20（單程）5.2塔頂冷凝器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)工藝要求，確定換熱器類型；（2）根據(jù)物料情況，確定流體流徑（管程、殼程的安排）；（3）確定定性溫度下冷熱流體的物性數(shù)據(jù)；（4）計(jì)算熱負(fù)荷、冷卻水量以及傳熱溫差；（5）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步估計(jì)K值；高溫流體低溫流體K值推薦/kcal/m2.h.℃有機(jī)蒸汽水350-650高沸點(diǎn)碳?xì)浠衔镎羝?50-850有機(jī)蒸汽與水蒸汽混合物水400-750油汽蒸汽水350-450水蒸汽水1500-2500甲醇蒸汽水450-550（6）由傳熱方程Q=KA△tm

計(jì)算換熱面積?？紤]10%-15%的裕度，確定面積；（7）根據(jù)換熱器類型和面積，選定換熱器型號(hào),列出該換熱器的參數(shù)；換熱器參數(shù)表外殼直徑D/mm公稱壓力P/Mpa公稱面積A/m2管程數(shù)Np管子排列方式管子尺寸/mm管長(zhǎng)l/m管數(shù)NT/根管心距t/mm5001.6572正方形Φ25╳2.5324832（8）計(jì)算管程給熱系數(shù)ai利用以下公式計(jì)算：其中管程流動(dòng)面積：管程流體流速：雷諾準(zhǔn)數(shù)：（9）計(jì)算總傳熱系數(shù)K（10）計(jì)算傳熱面積溫度校正系數(shù)：根據(jù)R和P查溫度校正系數(shù)實(shí)際傳熱溫差為計(jì)算傳熱面積為實(shí)際傳熱面積為若則所選換熱器合適，否則重新選擇（11）計(jì)算管程壓力降（12）計(jì)算殼程壓力降ft

為管程結(jié)垢校正系數(shù),對(duì)三角形排列的取1.5

對(duì)正方形排列的取1.4換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總塔頂冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表項(xiàng)目數(shù)值備注換熱器類型固定管板式換熱器面積57m2管程流體冷卻水殼程流體塔頂汽相外殼直徑500mm管程流速2.5m/s殼程流速12.5m/s管程數(shù)雙程管子長(zhǎng)度3.0m管子尺寸Φ25╳2.5正方形排列管程壓降殼程壓降3.7kpa5.3kpa折流板型式弓形折流板折流板間距200mm塔頂空間HD

塔頂空間HD的作用是供安裝塔板和開(kāi)人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取1～1.5m。塔底空間HB

塔底空間HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有10～15分鐘的儲(chǔ)量，以保證塔釜料液不致迅速排完，一般取2.0～2.5m。6.1塔體總高6.精餾塔工藝條件圖人孔

一般每隔6～8層塔板設(shè)一人孔（供安裝、檢修用），人孔處板間距≥650mm，人孔直徑一般為450～550mm,其伸出塔體的筒體長(zhǎng)為200～250mm,人孔中心距操作平臺(tái)約800～1200mm。塔高H=(n-np-2)HT+HF+nPHp+HD+HBn——實(shí)際塔板數(shù)HF——進(jìn)料板處板間距，mnP——人孔數(shù)Hp