筛板式精馏塔的设计
化工原理教研室
化工原理课程设计指导书
筛板式精馏塔的设计
贵州工业大学化工原理教研室 孙礼运 编
目录
前言 ???????????????????????????????????? 2
一、概述 ?????????????????????????????????? 2 二、精馏系统工艺流程的确定 ????????????????????????? 3 三、物料衡算 ???????????????????????????????? 3 四、塔板数计算 ??????????????????????????????? 3 1、理论塔板数的确定 2、总板效率估计 3、计算实际塔板数
五、塔板结构的工艺设计 ??????????????????????????? 5 1、初选塔板间距 2、塔径计算
3、塔板上溢流型式的确定 4、塔板布置
5、塔板各部分面积和对应气速计算
六、塔板流体力学校核 ???????????????????????????? 10 1、板上溢流强度检查
2、气体通过塔板的压力降计算 3、液面落差校核 4、漏液点气速校核
5、降液管内液面高度和液体停留时间校核
七、塔板负荷性能图 ????????????????????????????? 12 1、负荷性能图的绘制 2、塔板结构设计评述
八、塔总体结构 ??????????????????????????????? 13 1、塔高的计算 2、接管
3、人孔和手孔
九、精馏塔附属设备选型设算 ????????????????????????? 18
参考资料 ?????????????????????????????????? 18 附录
1、乙醇～水溶液的密度 ???????????????????????? 18 2、乙醇～水溶液汽液平衡数据（常压） ?????????????????? 19 3、乙醇～水蒸汽在沸腾条件下的密度 ??????????????????? 20 4、苯、甲苯的密度、表面张力和汽化潜热 ???????????????? 20
5、总传热系数（列管换热器）的大致范围 ????????????????? 20 6、乙醇～水混合物的热焓 ???????????????????????? 21
化工原理课程设计任务书
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前言
化工原理课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生工程设计能力的一次基本训练，它要求学生按照课程设计任务书的要求，完成一项化工设备的设计工作，通过设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，同时在以下几个方面得到训练、培养和提高： 1. 综合应用化工原理课程及有关先修课程的基本知识去分析和解决实际问题的能力。 2. 查阅技术资料、选用计算方法、计算公式和收集数据的能力。
3. 树立正确的设计思想，懂得工程设计应兼顾技术上的先进性、经济上的合理性和操作上的安全可靠性。
4. 用层次清楚的计算，辅以必要而简洁的文字说明和清析的图表来表达设计结果的能力。 5. 工程制图的能力。
课程设计结果要求编写成“设计说明书”，绘制相应的工艺流程图和主体设备图。 设计说明书的内容一般应按如下项目编写 1. 设计任务书。 2. 目录。
3. 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。 4. 设计计算过程：
① 工艺计算及主体设备的设计计算。包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主体设备结构和工艺尺寸的设计计算等。
② 辅助设备的选型计算。通过计算选定典型辅助设备的规格型号。 5. 图纸：
① 工艺流程图。以单线条的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料走向、物流量、能流量和主要测量点。
② 主体设备工艺条件图。图面应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。 6. 设计结果汇总。分表列举各流股物料量、能耗指标、主要操作参数、主体设备工艺尺寸以及辅助设备的规格、型号和数量等。 7. 设计结果评述。 8. 参考资料。
本课程设计指导书根据化工原理教学大纲的要求，对给定化工单元操作典型设备的设计计算，给学生提示了设计计算步骤，指导计算方法，并提供了部分计算公式和数据，作为对课堂教学内容的补充。
设计计算中需要用到的大部分计算公式和数据应由学生自己查阅有关资料。
一、概述
塔设备是实现精馏、吸收、解吸和萃取等化工单元操作的主要设备，它可以使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。因此，塔设备在化工过程中有时也用来实现气体的冷却、除尘、增湿或减湿等。
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最常用的塔设备可分为两大类：板式塔和填料塔。此外，还有多种内部装有机械运动构件的搭，例如脉动塔和转盘塔等，则主要用于萃取操作。
板式塔按其塔盘结构，填料塔按所用填料的不同，又各细分为多种塔型。 不管是何种塔型，除了首先要能使气（汽）液两相充分接触，获得较高的传质效率外，还希望能综合满足下列要求：
（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带及液泛等破坏正常操作的现象。
（2）操作稳定，操作弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定操作．
（3）流体流动阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。以节省动力消耗，降低操作费用。对于减压蒸馏，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。 （4）结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 （5）耐腐蚀，不易堵塞，方便操作、调节和检修。
事实上，任何一种塔型都难以全面满足上述要求，而只能在某些方面具有独特之处。但是，对于高效率、大生产能力、稳定可靠的操作和低压降的追求，则推动着塔设备新结构型式的不断出现和发展．
筛板塔是板式塔中较早出现的塔型之一，它综合具有结构简单、制造维修方便、生产能力大（可比浮阀塔大），塔板效率较高（比浮阀塔稍低），压降小等优点。不足之处是操作弹性较小，筛孔也容易堵塞，使用曾一度受到限制。但是近几十年来，经大量工业规模研究，逐步掌握了筛板塔性能，并形成了较完善的设计方法，还开发了大孔径筛板（孔径可达20~25mm）、导向筛板等型式，使筛板塔的不足得到补救，即合理的设计可以保证较高的操作弹性（仅稍低于泡罩塔）。现在，筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型之一。
二元物系精馏用筛板塔的工艺设计，主要包括精馏系统工艺流程的确定、物料衡算、塔板数的计算、塔板结构工艺设计、热量衡算和附属设备的选型计算等项。
二、精馏系统工艺流程的确定
根据原料液状况和工艺要求决定进料热状况、塔底釜液的加热方式、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案和换热器的类型等，确定系统的工艺流程。
对所确定的方案，编写说明书时应有必要的论证。
三、物料衡算
根据工艺条件进行物料衡算，以确定塔顶馏出液量D和塔底残液量W，并分别用kg/h、kmol/h、m3/h和m3/s等单位表达，便于后续计算中采用。
四、塔板数计算
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1、理论塔板数N的确定
可以采用逐板计算法或直角梯级图解法来确定理论塔板数。逐板计算法较为准确，但手算比较麻烦，提倡采用计算机辅助设计。图解法较为简便，但作图误差较大，尤其是对于需要塔板较多的场合。
采用图解法求解理论塔板数，在图解时，应将y～x图绘制足够大，以减小误差。若操作线与平衡线在部分线段过于靠近，直角梯级过于密集，可以采用局部放大的方法另绘一图对此部分进行图解，以避免整体图过大。
不管采用哪种方法，都要注意处理物料系统是否理想溶液，非理想溶液的汽液平衡关系与理想溶液有较大差别，在寻求最小回流比和计算最少理论板数具体方法都将有所不同。
适宜回流比R的选定是理论塔板数N设计的关键，一般可按如下步骤进行： （1）在y～x坐标图上绘出汽液平衡曲线，图解求出最小回流比Rmin。
（2）计算最少理论塔板数Nmin：对理想溶液可用芬斯克（Fenske）公式计算；对非理想溶液可在y～x坐标图上，以对角线作为全回流操作线图解求得Nmin。 （3）选取5～8个不同的回流比R，用吉利兰（Gilliland）关联图分别求得与之对应的理论塔板数N，然后在直角坐标上标绘N～R关系曲线，如图l，阴影区域的R值可视为最佳回流比范围，在此范围内选取一个R值作为实际回流比。
以上对二元物系精馏的处理方法，基于“恒摩尔流”等一些简化假设。在编写说明书时，应对有关假设用于设计的二元物系可能带来的误差作出必要的说明和论证。
实际回流比R确定以后，就可以算精馏段和提馏段的上升蒸气量V、Vˊ及回流液体量L、Lˊ，可分别以kg/h，kmol/h、m3/h和m3/s等单位表达，以便后续计算中使用。
2、总板效率?估计
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