刘筛板馏塔设计

化工原理课程设计筛板精馏塔设计刘平常州大学石油化工学院时间：

19周周四—20周周三(1周）

2014.7.3—2014.7.9地点：

W2209（上午8:30-10:30答疑）答辩：

2014.7.9上午总评成绩=设计书+面试+平时指导教师：冷一欣刘平化工原理课程设计安排与考核设计专用文件袋设计说明书（先做草稿再抄写，30-40页，封皮）带控制点工艺流程图、塔设备条件图，用3号图纸2张其余工艺设计图，用坐标纸3张（A4大小）课程设计提交资料总体要求：绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，编制设计说明书。1.精馏塔工艺设计内容：全塔物料衡算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。2.精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。3.辅助设备：接管、换热器、加料泵。说明：1.写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。2.每项设计结束后，列出计算结果明细表。3.设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册。

装备111、112

苯-甲苯混合液筛板精馏塔设计装备113

甲醇-水混合液筛板精馏塔设计设计题目苯-甲苯混合液筛板精馏塔设计任务书基础设计数据：1.处理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,…)吨/年

(n:名单序号)2.进料组成：苯40%，甲苯60%（wt.%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：苯98%

塔釜釜残液组成：苯2%5.塔顶压强：4KPa（压表）6.年工作时间：8000小时7.公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃

导热油：进口温度260℃，出口温度250℃

装备111苯-甲苯混合液筛板精馏塔设计任务书基础设计数据：

1.处理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,………)(n为名单序号)2.进料组成：苯50%，甲苯50%（wt.%，下同）

3.进料状态：泡点进料

4.产品要求：塔顶馏出液组成：苯98%

塔釜釜残液组成：苯2%5.塔顶压强：4KPa（压表）

6.年工作时间：8000小时

7.公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃

导热油：进口温度260℃，出口温度250℃

装备112甲醇-水混合液筛板精馏塔设计任务书基础设计数据：1.处理能力：50000+n×5000(n=1,2,3,………)(n为名单序号)2.进料组成：甲醇55%，水45%（wt.%，下同）3.进料状态：泡点进料4.产品要求：塔顶馏出液组成：甲醇98%

塔釜釜残液组成：甲醇2%5.塔顶压强：4KPa（压表）6.年工作时间：8000小时7.公用工程：循环冷却水：进口温度32℃，出口温度38℃

导热油：进口温度260℃，出口温度250℃

装备113设计说明书内容1.封皮2.前言（设计的任务和目的）3.符号说明（参见课程设计95页）4.目录5.计算内容6.附录（图）计算说明书目录一、设计任务书二、工艺流程图与工艺条件三、精馏塔工艺计算四、塔体设计五、塔板流体力学校核六、塔板负荷性能图七、配管及辅助设备八、塔高计算九、结束语附录注意页码标注！苯-甲苯混合液筛板精馏塔设计计算示例

一.设计任务书

按要求填入处理量和进料组成二.工艺流程和工艺条件

1.带控制点工艺流程图及工艺流程叙述（3号图纸，参见P14，图占2/3）

2.设计方案的确定（参见P98）

（1）操作压强常压、加压、减压。根据系统的物性、技术的可行性、经济的合理性等方面考虑。加压：可使冷凝温度提高，一般用于沸点低，常压下为气态的物料。减压：可使沸点降低，用于热敏性的物料。（2）进料热状态进料状态与所需塔板的数目、加料位置及塔径大小有关。在实际操作中，较多的采用将料液加热到泡点或接近泡点进料。一方面可以提高操作的稳定性；另一方面，精馏段和提馏段的上升蒸汽量相同，可以采用相同的塔径，给设计和制备带来方便。

（3）加料方式可采用直接进料的方式，将料液先经过预热器加热到泡点后进塔，在进塔处安装流量计，计量。另可采用泵将料液打进高位槽，再由高位槽进塔。（4）塔釜加热方式采用间接蒸汽加热（设置再沸器）。（5）塔顶冷凝方式采用全凝器，泡点回流。

（6）塔板类型（参见P99）比较几种塔板，说明筛板塔的优缺点。降液管受液区溢流堰安定区开孔区塔板俯视图常用塔板的类型（1）泡罩塔优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。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。组成：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔（2）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径d0：3-8mm;大孔径筛板d0

：12-25mm。（3）浮阀塔板方形浮阀塔盘圆形条形优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性降低塔板的压降，具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。（4）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。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。缺点：气泡夹带现象比较严重。垂直筛板液相塔板泡罩气相舌形塔板（5）多降液管（MD）塔板

优点：提高允许液体流量塔板的比较

塔板性能比较

塔板类型

相对生产能力

相

对板效率

操作范围

压强降

结构成本

泡罩板

1.0

1.0

10～100

高

复杂

1.0

筛板

1.2～1.4

1.1

35～100

低

简单

0.4～0.5

浮阀板

1.2～1.3

1.1～1.2

10～100

中

一般

0.7～0.8

舌型塔板

1.3～1.5

01.1

50～100

低

最简单

0.5~0.6

斜孔板

1.5～1.8

1.1

30～100

低

简单

0.5

各种塔板的优点及适用范围

优点

缺点

适用范围

塔板类型

泡罩板

较成熟，操作范围宽

结构复杂，阻力大，生产能力低

某些要求弹性好的特殊塔

浮阀板

效率高，操作范围宽

采用不锈钢，浮阀易脱落

分离要求高,负荷变化大;原油常压分馏塔

筛板

效率较高，成本低

安装要求水平,易堵,操作范围窄

分离要求高,塔板较多;化工中丙烯塔

舌型板

结构简单,生产能力大

操作范围窄，效率较低

分离要求较低的闪蒸塔

斜孔板

生产能力大,效率高

操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄

分离要求高，生产能力大

三.精馏塔工艺计算

3.1苯-甲苯相平衡关系安托因方程：

由t（在苯，甲苯沸点(80.1,110.6)之间取值）根据安托因方程求出PA0和PB0

，再根据泡点方程求出x,露点方程求出y

说明：平均相对挥发度为

?

3.2绘制t-x-y图及x-y图

在坐标纸上绘图，大小要求t-x-y图为10×10cm，x-y图为

15×15cm左右tPA0PB0xyα828384…110表1.。。。。项目

数值进料流量F,kmol/h塔顶产品流量D,kmol/h塔釜残液流量W,kmol/h进料组成，xF(摩尔分数）塔顶产品组成，xD(摩尔分数）塔釜残液组成，xW(摩尔分数）表1物料衡算表3.3全塔物料衡算

1.

质量分数af\aD\aW转化为摩尔分数x,生产能力转换为F(kmol/h)料液平均分子量：Mm=xAMA+xBMB进料流量：F=50000×103/（8000×Mm）F=D+WDFxf

=DxD+Wxw

W

3.4实际板数及进料位置的确定

1.确定最小回流比Rmin

2.确定操作回流比R

由Fenske方程计算最小理论板数Nmin

利用吉利兰关联图书P200，计算

R

~NT如下：绘制NT~R关系图，找出最佳回流比。

工程上取R=（1.1-2.0）RminR/RminRNT1.11.2…2.0图解法求得NT

（不包括塔釜）和Nf

（在x-y

图上画）

3.图解法求理论板数及加料板位置

4.总板效率

ET

t-x-y图：由xD

得到tD，由xW

得到tW

，计算出t=0.5（tD+tW）找出温度t下x,y,计算出α.µL=xAµA+xBµB5.实际板数及加料板位置的确定

回流比理论板数板效率实际板数理论加料位置实际加料位置包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计算,塔板布置和筛孔的布置等,最后是水力学校核和负荷性能图。四.塔体设计

设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）：

4.1初估板间距HT

取板间距HT=350mm或400mm

，板上液层厚度hL=0.06m，则HT-hL=0.29m。塔板间距和塔径的经验关系（P103表3-4）说明：工业塔中，板间距范围200~900mm4.2塔径计算

查P104图3-2，得C20由P104公式3-4,3-5得液泛气速umax计算两相流动参数FLVu=(0.6-0.8)umax则气体流通面积An=VS/u选取单溢流塔盘，取lw

/D=0.7，查P108图3-10得Af/AT=0.088

Af:降液管截面积则塔截面积：说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准：参见P104300,350,400,450,500,600,700,800,900,1000,1100,1200，1400，1600，2000，2200mm等塔径

，圆整。

由此重新计算：

AT=0.785D2Af=0.088ATAn=AT-Af

u=VS/An

计算结果汇总注意：

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。

2）校核HT与D的范围。D-塔径hw-堰高how-堰上液层高度HT-板间距ho-降液管底隙高度Hd-降液管内清液层高度hL-板上液层高度

hL=hw+howHd

溢流装置（10×20cm）4.3塔板结构设计

4.3.1溢流装置

①溢流型式的选择依据：塔径、流量；（D＜2m，一般采用单溢流、弓形降液管）

型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。②降液管形式和底隙

降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Af

/AT确定；

底隙高度

h0：通常在40~60mm。③

溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。0采用弓形降液管，平直堰及平型受液盘，l

w=(0.6~0.8)

D堰上液层高度P106公式3-7

（E取1）堰高hw=hL-how（常压hw=20-50mm

）液管底隙高度ho=hw-0.006

（m）（一般大于20-25mm

）要求：溢流装置计算弓形降液管宽度Wd和截面积Af

查P108图3-104.3.2塔盘布置WCWDWSlWrx塔盘布置图（10×10cm）

1.受液区和降液区一般两区面积相等。

2.入口安定区和出口安定区。

D＜800mm，采用整块D＞800mm，采用分块

参见P116-117(1)安定区宽度Ws

开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。其宽度指堰与它最近一排孔中心之间的距离。

Ws=Ws’=50~100mm（2）边缘区宽度Wc

在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的边缘之用，称无效区。其宽度视需要选定,小塔为25-50mm，大塔可达50-75mm。这里可取25～50mm。取筛孔直径do=（3–8）mm，孔径比取t/d0=3.0-3.5开孔率(P110公式3-19)=0.907/(t/d0)2(=5-15%)

筛孔面积A0=

Aa

筛孔气速u0=VS/A0

筛孔数目n=4A0/d02以Aa为面积计算的气速ua=VS/Aa(3)筛板塔有效传质区布置

d0t正三角排列鼓泡区面积Aa(P109公式3-16)在坐标纸上画出塔板的板面布置及主要尺寸

参见P106图3-5

计算结果汇总五、塔板流体力学校核

5.1塔板阻力（压降）

塔板阻力hp包括

以下几部分:

（a）干板阻力hc

—气体通过板上孔的阻力（无液体时）；

（b）液层阻力hl—气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力hσ—孔口处表面张力。可用清液柱高度表示：取板厚δ=3mm，δ/d0=3/6=0.5

查图P112图3-14得C0

再由公式3-27求得hc（a）干板阻力hc

（b）气体通过液层的阻力hl

β为液层充气系统，由P112图3-15查得

说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。（c）克服液体表面张力阻力hσ

（一般可不计）

故气体通过筛板阻力（压降）hp和ΔPp

（P111公式3-24）

5.2液沫夹带量校核

单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev

：

kg液体/kg气体，或kmol液体

/kmol气体。

P113公式3-36说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。

要求：ev≤

0.1

kg

液体/kg气体降液管内的清液高度要求（P.115公式3-46）式中φ为相对泡沫密度，与物系的发泡性能有关。一般物系：φ=0.5不易发泡：φ=0.6-0.7容易发泡：φ=0.3-0.45.3降液管溢流液泛校核Hd=hp+hl+hdhl、hp已求。hd由P115公式3-44求取。说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或增大塔板间距。5.4液体在降液管中停留时间校核

目的：避免严重的气泡夹带降低板效率。

停留时间：P108公式3-13要求：说明：停留时间过小，可增加降液管面积或增大塔板间距。说明：如果稳定系数k过小，可减小开孔率或降低堰高。5.5漏液点校核

P114公式3-38六、塔板负荷性能图在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。参见《化工原理课程设计》P.153操作弹性=Vmax

/Vmin(1、液体流量下限线令how=0.006m，由P106公式3-7计算出Lh(m3/h)2、液体流量上限线取在降液管中的停留时间为3s，根据P108公式3-13得Ls，换算成Lh(m3/h)3、漏液线P153在操作范围内，任取几个LS值，依上式算出对应的VS,min值4、雾沫夹带线雾沫夹带线表示雾沫夹带量ev=0.1kg(液)/kg(气)时的VS-LS关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因过多的雾沫夹带而使板效率严重下降。5、液泛线

液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的关系，塔板的适宜操作区也应在此线之下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。液泛现象负荷性能图的结果汇总在坐标纸上画出负荷性能图七、配管及辅助设备7.1接管（P1413.4.4节）无缝钢管P24（