板式塔设计2
板式塔设计
② 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。
平流堰
溢流辅堰
三角形齿堰
栅栏堰
堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，相际传质面积过小； 过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 ~ 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。
考虑经济性，经验选取。
塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D，m
0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 >2.4
塔板间
距
0.2-0.3 0.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.8 ≥0.6
HT，m
说明：工业塔中，板间距范围200 ~ 900 mm
<11
<110 110-200 200-300
<11
<110 110-230 230-350
<11
<110 110-250 250-400
<11
<110 110-250 250-450
塔径确定 确定原则： 防止过量液沫夹带液泛
步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。
（6）设计结果 设计说明书、带控制点的工艺流程图、主体设备工艺条件图
1.2 设计方案 （1）工艺流程确定
分离序列、能量利用、辅助设备、控制方案 （2）操作条件的选择
操作压力 —— 加压、常压、减压 进料状态 —— 过冷液体、饱和液体、汽液混合、饱和蒸
汽、过热蒸汽
（3）加热剂及加热方法 加热剂——饱和水蒸气、热水、热工艺物流、热油等 加热方法——间接加热、直接加热
板式塔设计
板式塔设计概述本章符号说明英文字母A a——塔板开孔区面积，m2；A f——降液管截面积，m2；A0——筛孔总面积，m2；A T——塔截面积，m2；c0——流量系数，无因次；C——计算u max时的负荷系数，m/s；C s——气相负荷因子，m/s；d0——筛孔直径，m；D——塔径，m；ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)；E——液流收缩系数，无因次;E T——总板效率，无因次；F——气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)；F0——筛孔气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)；h1——进口堰与降液管间的水平距离，m；h c——与干板压降相当的液柱高度，m液柱；h d——与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m：h f——塔板上鼓泡层高度，m；h l——与板上液层阻力相当的液柱高度，m；h L——板上清液层高度，m；h0——降液管的底隙高度，m；h ow——堰上液层高度，m；h w——出口堰高度，m；h′w——进口堰高度，m；hσ——与克服σ的压降相当的液柱高度，m；H——板式塔高度;H B——塔底空间高度，m；H d——降液管内清液层高度，m；H D——塔顶空间高度，m；H F——进料板处塔板间距，m ；H P——人孔处塔板间距，m；H T——塔板间距，m；H1——封头高度，m；H2——裙座高度，m；K——稳定系数，无因次；l W——堰长，m；L h——液体体积流量，m3/h；L S——液体体积流量，m3/s；n——筛孔数目；N T——理论板层数；P——操作压力，Pa；△P——压力降，Pa；△P p——气体通过每层筛板的压降，Pa；r——鼓泡区半径，m；t——筛孔的中心距，m；u——空塔气速，m/s；u F——泛点气速，m/su0——气体通过筛孔的速度，m/s；u0.min——漏液点气速，m/s；u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s；V h——气体体积流量，m3/h；V S——气体体积流量，kg/s；W L——液体质量流量，kg/s；W V——气体质量流量，kg/s；W c——边缘无效区宽度，m；W d——弓形降液管宽度，m；W s——破沫区宽度，m；Z——板式塔的有效高度，m；希腊字母β——充气系数，无因次；δ——筛板厚度，mθ——液体在降液管内停留时间，s；μ——粘度，Pa·s；ρ——密度，kg/m3；σ——表面张力，N/m；φ——开孔率或孔流系数，无因次；ψ——液体密度校正系数，无因次。
《化工原理》电子教案 板式塔及其工艺设计计算
《化工原理》电子教案板式塔及其工艺设计计算教案章节：一、板式塔的概述教学目标：1. 理解板式塔的定义及其在化工过程中的作用。
2. 掌握板式塔的分类和基本结构。
教学内容：1. 板式塔的定义及作用2. 板式塔的分类a) 固定床板式塔b) 流动床板式塔c) 喷射塔3. 板式塔的基本结构a) 塔体b) 塔板c) 塔内件教学方法：1. 采用讲授法，介绍板式塔的基本概念、分类和结构。
2. 利用图片和示意图，展示板式塔的内部结构和工作原理。
3. 通过案例分析，使学生了解板式塔在化工过程中的应用。
教学评估：1. 课堂问答，检查学生对板式塔概念的理解。
2. 绘制板式塔的结构示意图，检查学生对板式塔结构的掌握。
教案章节：二、板式塔的工艺设计计算教学目标：1. 掌握板式塔的工艺设计计算方法。
2. 能够根据实际情况选择合适的板式塔。
教学内容：1. 板式塔的工艺设计计算方法a) 计算塔内件尺寸b) 计算塔内流体流动参数c) 计算塔的传质效率2. 板式塔的选择依据a) 塔内压力降b) 塔内液气比c) 塔的分离效果教学方法：1. 讲解板式塔工艺设计计算的基本方法。
2. 利用实例，演示板式塔工艺设计计算的步骤。
3. 分析不同板式塔的优缺点，引导学生根据实际情况选择合适的塔型。
教学评估：1. 课堂问答，检查学生对板式塔工艺设计计算方法的理解。
2. 设计实际案例，让学生运用板式塔工艺设计计算方法进行计算。
教案章节：三、固定床板式塔的设计计算教学目标：1. 掌握固定床板式塔的设计计算方法。
2. 能够进行固定床板式塔的工艺设计。
教学内容：1. 固定床板式塔的设计计算方法a) 计算塔内件尺寸b) 计算塔内流体流动参数c) 计算塔的传质效率2. 固定床板式塔的工艺设计a) 确定塔板类型b) 计算塔板间距c) 计算塔内压力降教学方法：1. 讲解固定床板式塔的设计计算方法。
2. 利用实例，演示固定床板式塔的设计计算步骤。
3. 分析不同塔板类型的优缺点，引导学生选择合适的塔板类型。
板式塔(筛板塔)设计教材
u
0.2
u f C f 20 20
式中
f
L V V
0.5
—— 气体负荷因子， m/s；可由 u
查取 图3
C f 20—— 液相表面张力，mN/m
V 、 L 是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降 注意： uAfT –Af ）为依据计算的。 液管面积（
4. 塔和塔板主要尺寸的设计
4.1 塔和塔板设计的主要依据
进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是： 汽相 流量 VS ( m³ /s ), 密度 ρV ( kg/m³) 液相 流量 LS ( m³ /s ), 密度 ρL ( kg/m³) 表面张力 σ （ mN/m ） 注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板 上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下： (1) 若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为 代表进行设计. (2) 若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值 进行设计。
4.2塔板的设计参数
筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅 图 2 ）： （1）塔板直径D； （2）板间距HT； （3）溢流堰的型式，长度 lW 和高度 hw； （4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho； （5）液体进、出口安定区的宽度Ws’、Ws ,边缘 区宽度Wc； （6）筛孔直径do,孔间距t。
3.2 回流比的选定
选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，
同时应考虑到操作时的调节弹性。
选择方法：
（1） 参考生产现场所提供的回流比数据； （2） 回流比取最小回流比Rmin的1.2～2倍； （3） 先求最少理论板数 Nmin , 以理论板数为Nmin 的两倍求取回流比R； （4） 作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线 图上确定合适的回流比R。
化工原理板式塔设计
化⼯原理板式塔设计⽬录第⼀章板式精馏塔的设计1.1概述 (1)1.2板式精馏塔的设计原则与步骤 (1)1.3理论塔板数的确定 (3)1.4塔板效率和实际塔板数 (7)1.5板式精馏塔的结构设计 (8)1.6 板式精馏塔⾼度及其辅助设备 (27)1.7 板式精馏塔的计算机设计 (31)第⼆章板式精馏塔设计举例2.1苯－甲苯板式精馏塔设计 (33)2.2⼄醇—⽔板式精馏塔设计 (47)2.3 甲醇—⽔板式精馏塔设计 (66)第三章塔设备的机械计算3.1 塔体及裙座的强度计算 (86)3.2 塔盘板及其⽀撑梁的强度、挠度计算 (104)3.3 塔盘技术条件 (105)3.4 塔盘⽀撑件的尺⼨公差 (109)附录 (111)第⼀章板式精馏塔的设计1.1概述蒸馏是利⽤液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的⽅法。
蒸馏操作在化⼯、⽯油化⼯、轻⼯等⼯业⽣产中中占有重要的地位。
为此，掌握⽓液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是⾮常重要的。
蒸馏过程按操作⽅式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。
间歇蒸馏是⼀种不稳态操作，主要应⽤于批量⽣产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化⼯⽣产常⽤的⽅法。
蒸馏过程按蒸馏⽅式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。
简单蒸馏是⼀种单级蒸馏操作，常以间歇⽅式进⾏。
平衡蒸馏⼜称闪蒸，也是⼀种单级蒸馏操作，常以连续⽅式进⾏。
简单蒸馏和平衡蒸馏⼀般⽤于较易分离的体系或分离要求不⾼的体系。
对于较难分离的体系可采⽤精馏，⽤普通精馏不能分离体系则可采⽤特殊精馏。
特殊精馏是在物系中加⼊第三组分，改变被分离组分的活度系数，增⼤组分间的相对挥发度，达到有效分离的⽬的。
特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。
精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。
⼀般说来，当总压强增⼤时，平衡时⽓相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压下为⽓态的混合物，可采⽤加压精馏；沸点⾼⼜是热敏性的混合液，可采⽤减压精馏。
板式塔的设计
泡罩实物
泡罩塔板 a.操作示意图；b.塔板平面图；c.圆形泡罩
一、塔板的类型
泡罩塔板的优缺点 优点
操作弹性大 塔板不易堵塞
缺点
生产能力及板效率较低 结构复杂、造价高
一、塔板的类型
(2)筛孔塔板
筛孔塔板简称筛板，1830年问世，其结构特 点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为3～ 8mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设 置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。
浮阀实物
浮阀塔板 a.F1 型浮阀；b. V-4 型浮阀；c. T 型浮阀
V－V塔板
梯形导向浮阀塔板
新型浮阀塔板
一、塔板的类型
浮阀塔板的优缺点 优点
结构简单、造价低 操作弹性大 生产能力大 塔板效率较高
缺点
处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板粘结 操作时阀片易脱落或卡死
喷射接触状态
五、板式塔的流体力学性能
2. 塔板压降 气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。 干板阻力 板上各部件所造成的局部阻力。 塔板 充气液层阻力 阻力 板上充气液层的静压力形成的阻力。 表面张力阻力 液体表面张力形成的阻力。 塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降
五、板式塔的流体力学性能
塔板的负荷性能 用负荷性能图表 示
操 作 点
操作线
2
5
雾沫夹 带线
液泛线
液 相 负 荷 下 限 线
qV ,V1 qV ,V
3
4
1
qV ,L1 qV , L
液 相 负 荷 上 限 线 漏液线
塔板的负荷性能图
六、板式塔的操作特性
(1)漏液线
漏液线气相负荷下限线
板式塔设计 2
泡沫层相对密度：对不易起泡物系，Φ =0.5-0.6 易起泡物系， Φ=0.3-0.4
' 判断： H d HT hW
34 若泡沫高度过大，可 减小塔板阻力或 增大塔板间距
hd：降液管的阻力
33
②
液体通过降液管的阻力 hd，
Ls u 8 Ls hd 0.153 l h 1.1810 l h 2g W b W b
2 d 2 2
主要考虑底隙阻力 hd，
泡沫层高度
H
' d
' L
Hd
Hd l
13
液流型式选取参考表
液 体 流 量 m3/h 塔径 m U 型流型 单流型 双流型 阶梯流型 1.0 1.4 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 <7 <9 <11 <11 <11 <11 <11 <45 <70 <90 <110 <110 <110 <110 90-160 110-200 200-300 110-230 230-350 110-250 250-400 110-250 250-450
参考值：2HT
塔的安装高度 ：塔体高度＋裙座高度
4
二、塔径的计算
原则：防止过量液沫夹带液泛 思路：确定液泛气速 uf (m/s) →选设计气速 u →计算塔径 D。 L V uf C 1、液泛气速： V
C：气体负荷因子 C = f ( HT , 液体表面张力，两相接触状况） （1）求两相流动参数 FLV：
9
选取 Ad / AT
10
以上求出了塔径D：
D
4 AT
2板式塔设计
x n −1
xn
2、液相单板效率
E mL
x n −1 − x n = * x n −1 − x n
* αxn yn = * 1 + (α − 1) xn
x n −1
n −1
yn
xn n
y n +1
气液为理想体系的情况下：
n +1
y n—— 离开第n块板，液面上方各处的气相平均浓度； xn*——离开n块板的液相理论组成，即与塔板上升蒸汽y n成相平衡的液相组成。 x n-1—— 离开第n-1块板的最终液相浓度； x n—— 离开第n块板的最终液相浓度；
u = (0.6 ~ 0.8)u max
（泛点率）
雾沫夹带量与板间距有关，但由下面极限空塔速度的计算方法可看出：极限空塔速度与板间距无关。
利用“球形颗粒在流体中的沉降”进行推导，得到极限空塔气速
umax
ρ L − ρV =C ρV
（m/s）
C——负荷系数，m/s； ρV、ρL—气、液两相的密度，kg/m3。由设计任务给定。
浮阀塔设计
作为设计型问题，应该有已知条件，如原料组成、处理量、分离要求等。 故，塔内精馏、提馏段各自的上升蒸汽量VS、下降液体流量Ls、气液密度ρv、 ρL都是已知条件。 在设计中，用到大量公式进行计算，公式中哪些物理量是已知的，哪些是未 知待求的，自己心里要清楚。
第一部分：结构尺寸的初步设计
Vn , yn
Ls ρ L 1 ( ) 2 （液气动能参数） Vs ρV
计算精馏段极限空塔气速
ρ L − ρV umax，精 = C ρV
精馏段适宜空塔气速： 计算精馏段塔径：
u精 = (0.6 ~ 0.8)umax，精
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工艺计算
计算顺序：物料衡算→最小回流比和最少理论板→确定 R →
理论塔板数→全塔效率→实际板数及实际进料位置
1、物料衡算：作出物料衡算示意图，取300天／年， 24小时/天计，根据原料组成和处理量、产品要求等， 决定各处的组成和流量，列物料衡算汇总表
名称 原料 F 乙醇 水 釜液 W 乙醇 水 馏出 液 D 乙醇 水 摩尔流量 摩尔组成 质量流量 质量组成 平均分子量
u 泛点百分率 uf
0.75 ~ 0.85 建议取上限
选
lw
（0.6～0.8下限） D
Af
AT
D
（参考资料）
Vs A n＝ u
2 A T＝ D 4
Uf参考资料查Cf20
塔径D计算（方法2 根据适宜的空塔气速，求出塔径 ） 4V 初选 H T 计算 umax 计算 u D u
u 泛点百分率 umax 75 ~ 85%
设计任务书单独一页，包括以上三项。
三、设计要求 按“板式塔设计”规定的基本内容完成各项任务。 1、绘出物料流程图、塔板结构图、塔体工艺图 （A4打印纸或坐标纸）； 2、给出各接口尺寸；估算冷凝器和再沸器的A，换 热器选型，不用校核。 3、给出冷却剂、加热剂用量。
工艺计算中最小回流比、理论板数和负荷性能图在坐标纸 （25*35公分）上做出，有局部放大。
N 进料＝
N T精 ET
1
ET
NT
R内
Rmin
R外
塔板工艺尺寸设计
精馏段第一块塔板
为什么？
选择设计板：
提馏段第一块塔板
板面布置： 选择降液管形式 塔板分区
结构参数设计：
D, HT , lW , hW , ho , ' Ws ,Ws ,Wc , t , d 0
塔板校核： 做出负荷性能图 顺序： D →负荷性能图 →操作线 →操作线弹性 →计算结果汇总表
' s
塔板校核（流体力学验算）
塔板压降 h f 允许压降 减压 液沫夹带 溢流液泛
常压 500 ~ 600Pa 塔顶负压 釜压 0 Pa
eV 0.1 kg液体kg干气
Hd HT hw
液体在降液管内的停留时间 漏液
3 ~ 5s
k 1.5 ~ 2.0
do 3 ~ 8mm
A0 d0 ＝0.907 Aa t
2
t 2.5 ~ 5do
p128
uo
分块
5 ~ 15%
Vs 式10 24 u 0＝ A0
当塔径小于900mm时采用整块式塔板；当塔径大于800mm时， 由于人能在塔内进行装拆，可采用分块式塔板； 塔径为800~900mm时，可根据具体情况任意选用上述两种结构。
塔板布置
选择液流形式 板面分区
Wc
Ws Ws' 50 ~ 100mm
Wc 25 ~ 50mm
do 3 ~ 8mm
t 2.5 ~ 5do
Af
分块（通道板）p12
Ws
Aa
Ws
’
Af ’
边缘区Wc
Aa
A0 开孔率： Aa 筛孔排列形式
（正三角形）
u0
安定区
溢流区Af
鼓泡区Aa
题分析讨论）。
设计方案的选定（简述选定理由）
1.精馏方式： 连续精馏、间歇精馏、特殊精馏； 2.操作压力： 常压、加压、减压； 3.塔板形式： 筛板、浮阀塔板； 物 料 流 程 图
4.加热方式： 间接蒸汽加热、直接蒸汽加热；
5.加料方式及进料热状况： 高位槽、加料泵； 6.回流液温度： 泡点回流 冷液回流 ts-tL=10~20℃。
2、精馏工艺条件计算 从经济核算角度，利用吉利兰图用捷算法估算R和NT。 1）、回流比的选取
①确定Rmin，Nmin（图解法） （要局部放大图） ②利用吉利兰图确定一系列N-R相关数据（列N-R 对应表） ③绘出N－R关系图（坐标纸）。 ④由急剧下降向平缓过渡阶段所对应R为操作R（稍大）。 ⑤根据回流液热状况确定塔外回流比。 2）、理论板的确定 图解法（局部放大） 3）、实际塔板数的确定
不小于6ｍｍ 时采用齿形堰
降液管底隙高度ho
ho 20 ~ 25mm hw
降液管、受液盘的结构及尺寸，
hw , ho ,Ws ,W ,Wc , do , t
' s
Ws ,W ,Wc , do , t
Ws W 50 ~ 100mm
' s
' s
Wc 25 ~ 50mm
Aa
p128式10 23
塔板压降
h f hd hl 允许值
1 V u0 hd 2 g L C0 hl hw how
β查取
p釜 Np p＋1atm
2
p107式10-4 C0查取 p132图10-45
3 ~ 4mm
式10 31
p＝L ghf 500 ~ 600Pa
如降液管当量清液层高度Hd大，可
Lh 3 2.8410 E l w Nhomakorabea2
3
l w , H T
塔板校核
液体在降液管内的停留时间
Af H d 3 ~ 5s Ls
漏液
Af
u0 h h d c k 1.5 ~ 2.0 uow 漏液点关联图
漏 液
如eV超过允许值，可
D , H T
6
关联图
经验式
5.7 10 un ev H H f T
3.2
Hd
溢流液泛 H h 相对泡沫系数 0.5
T w
Hd hw how hf hf
0
how
Ls 2 2 h f＝0.153( ) 0.153(u0 ) lw h0
设计说明书封面格式
年产8000吨乙醇筛板塔 工艺设计说明书
单 位 ×专业× 班级 设 计 者 ××× ×号 指导教师 日 期
设计参考资料
1. 《化学工程手册》
2. 《化工制图》 3. 《化工过程及设备设计》 华南理工大学 4. 《化工原理（上，下册）》天大，华东理工 5. 《化工原理实验》 化原教研室主编
1 V uow hd 2 g L C0 查关联图
uow
u0 k 1.5 ~ 2.0 uow
Ls hc 0.0061 0.725 hw 0.006 F 1.23 lw Vs 0.5 ua F ua V AT 2 A f
设uow
工艺流程图画在说明书中。
设计步骤
选定设计方案 进行工艺计算 物料流程图 实际塔板数、各接口尺寸、换热 器选型、冷却剂、加热剂用量。
塔板结构设计
塔体工艺尺寸设计
塔板结构图
塔体工艺图
撰写设计说明书：封面、目录、设计任务书、设计方案
的论证及选定、工艺计算（物料及热量衡算；操作条件和Ｒ的选定；ＮＴ、 ＮＰ计算；进料口位置）、塔板结构设计、塔体工艺尺寸设计、辅助 设备的选型（接管等）、符号表、参考文献、结束语（设计评价、问
加热剂用量
塔顶空间=1~2m，设人孔、测试口；
每8~10块板设一人孔， HT>600mm； 塔 高
加料口板间距加大，设测试口；
塔釜空间=3m，设人孔、测试口；
裙座=2m，设人孔两个。
绘图
物料流程图： 只标设备，不标特性。 塔板结构图：塔板分块、孔的排列、 降液管的尺寸； 塔体工艺图：
包括：总高、管口位置、板间距、管口方 位、标题栏、管口表、技术特性表。
how
Lh 2.8410 E l w
3
2
3
堰上液层高度how 不小于6ｍｍ（平顶堰）
液流收缩系数E参考资料。
D, H T , l w , hw , ho ,Ws ,W ,Wc , d o , t 和Wd，，how，n
A0 孔 数 n＝ d 02 4
3 ~ 4mm
结构参数的设计 ' D, HT , lw , hw , ho ,Ws ,Ws ,Wc , do , t
L V u f Cf 20 确定塔径D（方法1） 20 V
0.2 0.5
D圆整
选H T u f u An AT A f
6. 《板式塔设计》 化原教研室主编
7. 《化工原理课程设计指导》 任小光主编
8. 《化工原理课程设计》 王国胜主编
其它要求
统一用A4复印纸书写，和图一起左侧装订；
时间安排
答疑地点：4#实213
注意事项
设计方法以一本书为主，不要混用。
说明书中的数据、公式要注明出处。 课程设计的成绩组成： 说明书、设计图
设置测量口 测温、测压
各接口尺寸：
F ,W ,V , L u
d
4
2
接管尺寸
冷却剂、加热剂用量： 作热量衡算图 全凝器热负荷计算
t2 400 C ~ 450 C
Qc Vrc Wc C p t 2 t1
再沸器热负荷计算
冷却剂用量
QB VrB W蒸汽r蒸汽
计算结果列热量衡算汇总表，Ｐ63 估算换热器面积，选型。
绘图要求
25*35cm坐标纸
标题栏
撰写设计说明书
1.设计任务书（三项内容）
每项单独一页
2.目录
3.符号表 4.精馏方案的选择
正文
5.工艺计算
6.精馏塔的工艺尺寸设计 7.参考文献 8.结束语
每项单独一页
设计任务书