化工原理课程设计精馏板式塔的设计

④ 降液管的宽度Wd和截面积Af： 可根据堰长lw与塔径D的比值，由图中查取Wd/D和Af/AT的值,。求得的降液 管的宽度和截面积，应按照下式进行验算液体在降液管内的停留时间，并
确保停留时间大于或等于3～5s，这样使得溢流中的泡沫有足够的时间在降
液管中分离。
（27）
⑤ 降液管底隙高度hb：
（28）
• 采用合适的回流比； • 蒸馏系统的合理设置，如采用中间再沸器和中间 冷凝器的流程，可以提高精馏塔的热力学效率。
3.板式精馏塔的工艺计算
釜。 （1） （2）
得出：
3.1物料衡算及操作线方程
• 常规塔：一处进料和塔顶、塔底各有一个产品，塔釜间接蒸汽加热的精馏
（3）
（4）
式中：F、D、W——分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；
2.2进料状态的选择
• • • • • • •
进料状态以进料热状态参数q表示，有五种进料状态； q>1.0时，为低于泡点温度的冷液进料； q＝1.0时，为泡点下饱和液体； q＝0时，为露点下的饱和蒸气； 1>q>0时，为介于泡点和露点间的气液混合物； q<0时，为高于露点的过热蒸气进料。 为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏段采 用相同塔径以便于制造，则采用饱和液体（泡点）进料， 但需增设原料预热器。
• 4、塔的负荷性能图（放在说明书的流体力学验算后、用 标准坐标纸绘制）
2.设计方案的确定
2.1操作压力
精馏操作可以在常压、减压和加压下进行。
除热敏性物料外，凡通过常压精馏即可实现分离要 求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的 系统，都采用常压精馏；
对热敏性物料或混合物沸点过高的系统，宜采用减 压精馏； 常压下成气态的物料必须采用加压精馏。
5.2.3 溢流装置的设计
溢流装置的设计参数包括溢流堰长lw、堰高hw、弓形降 液管截面积Af、降液管底隙高度hb、堰上液层高度how。
① 堰长lw：依据溢流型式及液体负荷决定 单溢流型：lw一般取为（0.6～0.8）D； 双溢流型：两侧堰长lw取（0.5～0.7）D，D为塔径
② 堰上液层高度how: 对于平直堰，设计时how一般应大于0.006m。 可按下式计算：
5.2.2降液管
降液管是塔板间液体流动的通道，也是溢流液中夹带的气体得以分离的场合。 从形状上看，降液管可以分为弓形降液管和圆形降液管。
（a）圆形降液管；（b）内弓形降液管，均适用于直径较小的塔板； （c）弓形降液管，它由部分塔壁和一块平板围成，能充分利用塔内空间，提供较大 的降液面积及两相分离空间，普遍应用于直径较大、负荷较大的塔板； （d）倾斜式弓形降液管，它即增大了分离空间又不过多的占用塔板间距，适用于大 直径大负荷的塔板。下面介绍单流型具有弓形降液管塔板的溢流装置的设计。
（25）
Ls－液体体积流量，m3/h； E－液流收缩系数，一般情况取1。 当平堰上液层高度how＜ 6mm或液流强度Ls/lw ＜ 3m3/（m h）时，需改为齿形流，此时how的计算 公式可参看手册。
③ 溢流堰高hw：
（26） 对于常压或加压塔，一般取hw＝50～80mm；
对于减压塔或要求塔板阻力很小时，hw为25mm左右； 当液体量很大时，hw可适当取大。
利用体系的汽－液相平衡方程（A），精馏段操作线方程（A）和提 馏段操作线方程（C），自塔顶开始，向下逐板计算，可以求得各层 塔板上的汽、液相组成，计算结果较精确。
当计算至xn与xF相等或接近时，第n层为加料板。同理，于加料板以下， 改用方程（A）与方程（C）进行交叉计算，直至xN等于或略小于xw为 止，则再沸器相当于第NT块塔板，此塔的总理论板数为NT－1，提馏段 板数为（NT－n）块。
hb不宜小于0.02～0.025m，以免引起堵塞。当选定hb后，即可求得液体流经底隙 的流速μ0，其值不大于0.3～0.5m/s。
（29）
⑥ 受液盘及进口堰
受液盘有凹形和平形两种形式。 对于直径较小的塔或处理易聚合的物系时，塔板不易有死角存在，多采用平形受液盘。 对于直径大于800mm以上的塔板或有侧线抽出时，也可以采用凹形受液盘。 当大直径的塔采用平形受液盘时，一般需在塔板上设置进口堰。
板式塔大致可以分为两类： 1、降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板等等； 2、无降液管塔板，如穿流式筛板，穿流式波纹板。 工业上应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。
泡罩塔主要优点是操作弹性大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定 可靠；但其结构复杂，造价高，安装维修不便，气相压降较大。 浮阀塔是现今应用最广的一种板型，其主要优点是生产能力大，操作弹性较 大，分离效果较高，塔板结构较泡罩塔简单。制造费是泡罩塔板的60～80％， 是筛板塔的120～130％。目前国内多用F1型（重阀）浮阀塔。 筛板塔主要优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力 高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易 堵塞，不适宜处理粘性大、脏的和带固体粒子的料液。
4.3.4 塔底空间高度HB
为了保证塔底产品抽出稳定，使塔底液体不致流空，一般可取塔底产品的 停留时间为10～15min，因此可按残液量和塔径进行计算，也可取经验值， 常取1.3～3m。
4.3.5 塔体总有效高度H
（24）
S—人孔的数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔））
5.塔板类型及主要参数
5.1塔板类型的选择
1.1 化工原理课程设计的目的
• 学生需要培养的能力： • 1、查阅资料，选用公式和搜集数据的能力； • 2、综合分析设计任务要求，确定化工工艺流 程，进行设备选型； • 3、迅速准确进行工程计算的能力； • 4、用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设 计思想的能力。
1.2 化工原理课程设计的内容
4.塔体主要尺寸的设计
4.1塔板间距（HT）
需要考虑以下几个因素： 1、雾沫夹带：板间距小，则雾沫夹带量大，板间距增加则 雾沫夹带量可以减小，当板间距增大到一定程度，雾沫夹 带量的改变很小，过大的板间距就没有必要了。 2、物料的起泡性：易起泡的物系，板间距较大，反之则小。 3、操作弹性：当有较大的操作弹性时，选较大的板间距。 4、与塔径的大小有关。不同的塔径范围的塔板间距建议采 用下表的数据。
4.3 其它塔体的主要尺寸
4.3.1塔顶高度HD
塔顶空间高度作用是安装塔板和人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，塔顶空间
高度一般取1.0～1.5m。
4.3.3进料段高度 HF
进料如果是液相，则HF应稍大于一般的板间距，并满足安装人孔的 需要。如果是两相进料，则HF需要取得大一些，以利于进料两相分 离。一般可取： HF＝（1.0～1.2）m。
3.3 理论板数的确定
3.3.1 作图法
由（xD，xD）点开始，在精馏段操作线与平衡线间做梯级，当跨过 第m块理论板后液相浓度首次出现xm<xq,则取第m块理论板为加料 板可使总的理论板数最小。梯级的总个数即为理论塔板数。 作图法的缺点：当平衡线和操作线较靠近时，作图法画梯级的误差 较大。
3.3.2 逐板计算法
（12）
（13）
（3）对于理想溶液或在相对挥发度可取为常数时，可以用 解析法计算Rmin; 进料为饱和液体时：
（14）
进料为饱和蒸气时：
（15）
a全塔—全塔平均相对挥发度，α全塔变化不大时，可取塔顶和塔底的α几何平均值。
3.2.2 适宜的回流比 分别取不同的系数，求出对应的塔板数，然后画出R－N图， 由图可知最合适的回流比。
3.3.3 简捷法求理论板数
a. 在全回流下求出所需理论板数Nmin,对于接近理想体系的混合物，可以采用芬斯克 方程计算；
（16）
b.使用吉利兰图，根据 在内的理论板数N；
，由曲线查出
，即可求出不包括再沸器
C.确定进料板位置，利用公式（16），以xF代xw，α精馏代替α全塔，求得精馏段 的最小理论板数Nmin（精），按照步骤b法求得精馏段的理论板数N精，则加料板
4.2塔径D的计算
适宜的空塔气速:
（22）
对于直径较小或板间距小的塔，以及起泡严重的物系，系数取 低限，反之则取高限。 初步估算的塔径为:
（23）
目前，塔的直径已标准化，所求得的塔径必须圆整到标准值。 塔径在1米以下者，标准化先按100mm增值变化；塔径在1米 以上者，按200mm增值变化，即1000mm，1200mm，1400 mm….。 圆整后的直径，再按实际塔径按（23）式求出实际空塔气速， 验算其是否在最大允许空塔气速的0.6～0.8范围内，做为后面 有关计算中的空塔气速值。
（20）
（21）
C20—为液相表面张力σ为0.02N/m时的负荷因数，可由Smith气相负荷 因数关联图查出。需要先知道液滴沉降高度（HT－hL），液气流动
参数 有关。
hL——为板上清液高度，由于塔径和降液管的尺寸未定，hL可以取估计值： 对于常压及加压塔： hL＝60～ 80mm 对于减压塔： hL＝20～ 30mm
另外，考虑安装检修的需要，在塔体人孔处的板间距不 应小于600mm；对只需开手孔的小型塔，开手孔处的板间距 可取为450mm以下。
4.2塔径D的计算
以不发生气速，求得塔径。 最大允许空塔气速: 其中C为气相负荷因数：
式中σ —为表面张力，N/m；
1.2.2图纸的主要内容：
• 1、工艺流程简图 • 2、一张塔设备工艺条件图，用A1纸画，标准机械制图方 法制图，包括塔和关键部位图、技术特性表、接管表 (塔 径在1.5m米以上须开人孔，0.8mm以下，只开手孔）。 • 技术特性表：注明操作压强、温度、工作介质、容器类别 等。 • 用标准标注方法 • 3、Y－X相图，N－R图用标准坐标纸绘制
5.2 塔板有关参数的计算
5.2.1板上液流型式的确定
常用的塔板流动型式有下面几种： （1）单流型：这是最普遍和最常用的，液体的流径较长，板面利用好； 塔板结构简单，直径小于2.2m以下的塔普遍采用此型； （2）双流型：用于大塔径及液相负荷较大的场合； （3）回流型：又称U型流型，用于液气比较小的场合； （4）其他流型：当塔径及液流量都特大式，双流型无法满足，可以用四 流型或阶梯型。