1、化工原理课程设计,板式精馏塔设计,第一章 板式精馏塔设计,主要内容：一、塔设备简介二、板式精馏塔主体设备的设计三、板式塔的结构和附属设备选型配套设计,第一节 塔设备简介,塔设备是气液传质设备 分类：板式塔和填料塔 工业生产对塔设备的主要要求：生产能力大；传质、传热效率高；流体流动的摩擦阻力小；操作稳定，适应性强，操作弹性大；结构简单，材料耗用少；制造安装容易，操作维修方便。应综合考虑以上诸因素。,第二节 板式精馏塔的工艺设计,主要内容：一.设计方案的确定二.物料衡算和操作线方程三.理论板数的求算方法四.塔和塔板主要工艺尺寸的设计,一.设计方案的选定,1.装置流程的确定 包括：热量的利用，进料方
2、式的选择，冷凝器的选择（全凝器或分凝器）2.操作压强的选择：取决于冷凝温度 包括：常压、减压、加压,3.进料热状况的选择：用 表示 五种进料热状况:冷液进料：饱和液体（泡点）进料：饱和蒸汽（露点）进料：气液混合进料：过热气进料：原则上采用冷液进料，但通常采用泡点进料。,4.加热方式的选择 大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。5.回流比的选择 主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用之和最低。一般经验值为,1、两组分理想物系的气液平衡函数关系,气液相平衡(vapor-liquid equilibrium)：溶液与其上方蒸气达到平衡时气液两相各组分组成的关系。,物系的分类：理想物系和非理想物系。
3、,理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律（Raoults law)，即,式中 p溶液上方组分的平衡分压 p0同温度下纯组分的饱和蒸气压 x溶液中组分的摩尔分率,第三节 双组分溶液的气液平衡,根据道尔顿分压定律和拉乌尔定律,当总压P不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即,式（a）和（b）为 两组分理想物系的气液平衡关系式。,（a）,（b）,第三节 双组分溶液的气液平衡,当总压不高时，蒸气服从道尔顿分压定律,对于二元溶液 xB=1-xAyB=1-yA,整理后，略去下标.,气液平衡方程,第三节 双组分溶液的气液平衡,2、相对挥发度及气液平衡方程,3.二元物系连续板式精馏塔的工艺计算,
4、1.物料衡算与操作线方程全塔物料衡算总物料 F=D+W易挥发组分 FxF=DxD+WxW,精馏段操作线方程或 其中 L=RD 提留段操作线方程或 其中,进料线方程（线方程）,线方程代表精馏段操作线与提留段操作线交点的轨迹方程。,4.理论板数的求算,求算理论板数之前，需知原料液组成，选择进料热状况（即 q 值）和操作回流比等精馏操作条件，利用气、液相平衡关系和操作方程求算。常用理论板数的求算方法有三种方法，现分别予以介绍。,（1）逐板计算法,设塔顶采用全凝器，泡点回流，则,注意：间接蒸汽加热时，再沸器内可视为气液两相达平衡，故再沸器相当于一层理论板，则提馏段理论板数为(m-1)层。缺点：计算虽然
5、准确，但较繁琐。,（2）直角梯级求解法（M.T.图解法）,方法和步骤如下：设采用间接蒸汽加热，全凝器（），泡点进料。首先在y-x图上作平衡线和对角线。作精馏段操作线。作进料线（q线）。与精馏段操作线相交与点d。作提留段操作线。图解理论板层数。跨过交点d的梯级为进料板。如采用再沸器，应减去一层塔板数，如采用分凝器，应再减去一层塔板数。,（3）简捷法(Gilliland）,求算Rmin和选定R。Rmin的求算如下式：a.进料为饱和液体时,xq=xF,故 b.进料为饱和蒸汽时,Yq=YF,故对于平衡曲线形状不正常的情况，可用作图法求Rmin.,平衡曲线形状不正常情况下Rmin求法,计算Nmin,计算
6、 值。在吉利兰图横坐标上找到相应点，自此点引铅垂线与曲线相交，由交点相应的纵坐标值求算出不包括再沸器的理论板数N。确定进料板位置。,三、塔效率的估算,1.定义：为在指定分离要求与回流比所需理论板数NT与实际塔板数NP的比值。即：2.两个关联方法 Dickamer和Bradford法 根据精馏塔全塔效率关联图，有下列公式：（适用于液相粘度为 0.071.4mPas 的烃类物系。）m:根据塔顶和塔底的组成查气液组成图（自己绘制），分别获得塔顶塔底温度数据，然后再查物系的粘度表（书上附录）进而求解,Oconnell 法 将全塔效率关联为相对挥发度与液相平均粘度乘积的函数，得到精馏塔全塔效率关联曲线。
7、用下式表示：适用于，且板上液流长度1.0的一般工业板式塔。,粘度可用加和法估算：,第二章 塔主要工艺尺寸的设计,主要内容：1.塔高 2.塔径 3.溢流装置与液体流型 4.塔板设计,1.塔高,1.1 计算公式：,选定时，还要考虑实际情况。,1.2 板间距HT选取的一般依据,2.塔径,2.1 计算公式：,C为负荷系数，可由Smith关联图查取。注意：查得的负荷系数为液体表面张力20mN/m的值C20，故一般应将C值加以修正。,式中 Vs 气体体积流量，m/s u 空塔气速，m/s,2.塔径,2.2 圆整 将计算所得塔径向系列标准圆整 400、500、700、800、1000 46002.3 变径塔
8、或通径塔,3.溢流装置设计,3.1 降液管类型与溢流方式,（a）圆形降液管（b）内弓形降液管（c）弓形降液管 它由部分壁面和一块平板围成的，由于能充分利用内空间，提供较大降液面积及两相分离空间，被普遍用。（d）倾斜式弓形降液管 它既增大了分离空间又不过多占用塔板面积，故适用于大直径大负荷塔板。,3.1.1 降液管类型,U型流 小液体负荷，液体流程长，板面利用好，板效较高，但液面落差大。,单流型 液体流程较长，板面利用好，塔板结构简单，直径2.2米以下的塔。,3.1.2 溢流堰的类型,阶梯溢流 结构复杂，适用于大塔径负荷大的塔。,双溢流 流程短可减少液面落差，但板面利用率低且结构复杂，用于液体负
9、荷大，直径2m以上塔。,一般可根据初估塔径和液体流量进行选择。,4.溢流堰装置的设计计算,4.1.1 堰长 lw 单流型 lw 为（0.6 0.8）D 双溢流 lw 为（0.5 0.7）D 也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的 lw：,其中 D 塔径 lw 溢流堰长 Lh 液体流量,4.1 溢流堰,式中 hL 板上液层高度(一般50100mm）how 堰上液层高度,4.1.2 堰高 hw,堰上液层高度how 可按 Francis 公式计算,堰上液层高度 平直堰的hOW按下式计算 l W 堰长，m Lh 塔内液体流量，m/h E 液流收缩系数，一般取1,常压 0.04 0.05m 减压 0.015
10、0.025m 高压 0.04 0.08m 一般均不宜超过 0.1m,求得how后，即可按下式指出的范围确定堰高hw,堰高,若how小于6mm，应采用齿形堰,4.2.1 降液管的宽度 Wd 与截面积 Af,4.2 降液管,若知堰长与塔径的比值，由右图即可查取降液管的宽度与截面积。,降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内的停留时间一般等于或大于35s。求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间。即 式中 液体在降液管中的停留时间，s Af降液管的截面积，m2,4.2.2 降液管底隙高度,hw h0 6 mm,h0 应低于 hw,降液管底隙高度 h0,（1）
11、一般取为：（2）也可按下式计算 式中 液体通过降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超过0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。,（1）塔板布置（2）筛板的筛孔与开孔率,5.塔板的设计计算,5.1 塔板布置 开孔区、溢流区、安定区 和 无效区,开孔区 也称为鼓泡区。对垂直弓形降液管的单流型塔板按下式计算。式中 Aa鼓泡面积，m2,溢流区 溢流区面积Af和Af分别为降液管和受液盘所占面积。安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区（破沫区），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。无效区 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梁。
12、小塔为3050mm,大塔为5075mm。为防止液体经边缘区流过产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。,5.2 筛板的筛孔与开孔率,孔径 筛板厚度 孔心距 开孔率 筛孔数,筛孔的正三角形排列,筛孔的孔径d0 筛孔的孔径d0 的选取与塔的操作性能要求、物质性质、塔板厚度、材质及加工费用等有关，一般认为，表面张力为正的物系易起泡沫，可采用d0 为38mm（常用的46mm）的小孔径筛板，属鼓泡型操作；表面张力为负系统的物系易堵，可采用d0 为1025mm的大孔径筛板，其造价低，不易堵塞，属喷射型操作。,筛板厚度 一般碳钢 或 不锈钢 或,孔心距t 筛孔在筛板上一般按正三角形排列，孔心距 t=(2
13、.55)d0，常取t=(34)d0 t/d0过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板的传质效率。开孔率 筛板上筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。筛孔按正三角形排列的计算公式：一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量小，但操作弹性小，漏液量大，板效率低。通常开孔率为 5%15%。,筛孔数目,第三章 塔板流体力学验算,一、塔板流体力学验算的目的,检验初设的塔板计算是否合理 判定塔板能否维持正常操作,二、验算内容,1.塔板压力降,塔板流体力学验算,1.塔板压力降,1.1 干板阻力 hc 的计算,故上式可简化为,u0 气体通过筛孔的速度，m/s；C0 流量系数，由干筛孔的流量系数图查取。,塔
14、板流体力学验算,1.塔板压力降,1.2 气体通过液层的阻力 hl 计算 液体表面张力的阻力 h 计算,一般，使用下图查h1，而非使用上式计算,三、塔板的负荷性能图（过难，这次设计中不要求）,可通过适当调整塔板结构参数来改变负荷性能图。,塔板流体力学验算,B,设计题目,在常压连续精馏塔中分离含41%的苯、甲苯混合液，要求塔顶馏出液中汗甲苯不大于4%，塔底釜液中含甲苯不低于96%（以上均为质量分率）,已知：混合液处理量4t/h；进料热状态自选；回流比自选 塔顶压强4kPa（表压）单板压降不大于0.7kPa,常压下苯甲苯的气液平衡数据,设计任务,一、设计出下表中所列项目，并写出详细设计过程（可打印/手写）每组交一份,二、自己的设计心得，不少于800字，每个同学交一份,
