1、化工原理化工原理課程設計的作用1.化工原理的培養目標之一；化工原理的培養目標之一； 工程觀點工程觀點/定量計算定量計算/實驗技能實驗技能/設計能力設計能力2.培養自學和綜合運用所學知識的能力培養自學和綜合運用所學知識的能力；3.通過設計計算培養通過設計計算培養“四心四心”； 細心、耐心、信心、責任心細心、耐心、信心、責任心4.通過設計計算，了解做事的通過設計計算，了解做事的“程序程序”。 “胸有成竹胸有成竹”掌握化工原理課程設計的方法 英文中的英文中的“5WH”設計型計算的主要特征設計型計算的主要特征1.“從無到有從無到有”為設計施工單位為設計施工單位提供設備尺寸、接管方位、工藝條提供設備尺寸

2、、接管方位、工藝條件參數等。件參數等。2.“校核設備校核設備”由于條件變化對由于條件變化對現有設備進行校核計算，為實際生現有設備進行校核計算，為實際生產節省資源。產節省資源。南南 京京 工工 業業 大大 學學化化 工工 原原 理理 課課 程程 設設 計計 任任 務務 書書 專業:化學工程與工藝 班級:化工07058/化強0701 姓名 ： . 設計日期： 2010 年 06 月 14 日至 2010 年 06 月 25 日設計題目：常常 壓壓 二二 元元 篩篩 板板 精精 餾餾 塔塔 的的 設設 計計 設計條件：設計題目：常常 壓壓 二二 元元 篩篩 板板 精精 餾餾 塔塔 的的 設設 計計

3、設計條件：設計條件：體系：丙酮水已知：進料量F：240kmol/h 進料濃度ZF： 0.15進料狀態：q1,冷液進料(1.08)設計題目：常常 壓壓 二二 元元 篩篩 板板 精精 餾餾 塔塔 的的 設設 計計 設計條件：設計條件：操作條件：塔頂壓強p頂=4 kPa(表壓)， 單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水一般采用深井水，溫度t12；塔釜加熱方式：1）直接蒸汽加熱； 2)間接蒸汽加熱，一般采用3kgf/cm2水蒸汽。全塔效率：ET = 52%分離要求：1)xD=99.5(乙醇水體系xD=88)； 2)xW=0.2（乙醇水體系xW=1）； 3)回流比R/Rmin =1.6 。設計計算的內容

4、：一、流程的設計；二、物料衡算；三、1.理論板數NT；2.ET；3.N；四、工藝計算和物性1.P m；2.t m；3.M m；4.m；5.m；6.Lm；五、負荷計算設計計算的內容：六、1、塔徑D2、溢流裝置 單溢流 弓形降液管；平形降液管平形溢流堰lw0.66D,hw；wd；Ad；h03、塔板布置4、n,5、Z6、塔高設計計算的內容：七、流體力學驗證1.Hp；2.ev；3.漏液；4.液泛八、塔板負荷圖九、總圖十、附屬設備及接管尺寸 核心： 精餾段、提餾段計算及校核 換熱器的計算及校核氯仿苯體系氯仿苯體系汽液平衡數據汽液平衡數據 (101.325kPa)氯仿質量分數液相汽相t()0.00.080

5、.20.100.13679.90.200.272790.300.40678.10.400.5377.20.500.65760.600.7574.60.700.8372.80.800.9070.50.900.961671.01.061甲醇水體系汽液平衡數據甲醇水體系汽液平衡數據 (101.325kPa) 甲醇mol分數xyt()0.00.01000.020.13496.40.040.2393.50.060.30491.20.080.36589.30.100.41887.70.150.51784.40.200.57981.7甲醇mol分數xyt()0.300.665780.400.72975.30

6、.500.77973.10.600.82571.20.700.8769.30.800.91567.50.900.958660.950.979651.01.064.5丙酮水體系汽液平衡數據丙酮水體系汽液平衡數據 (101.325kPa)參考教材參考教材P306 丙酮mol分數xyt()0.00.01000.010.25392.70.020.42586.50.050.62475.80.100.75566.50.150.79863.40.200.81562.10.300.83061.0丙酮mol分數xyt()0.400.83960.40.500.84960.00.600.85959.70.700.8

7、7459.00.800.89858.20.900.93557.50.950.96357.01.01.056.13丙酮水體系汽液平衡數據丙酮水體系汽液平衡數據 (101.325kPa) 5 ， 劉雪暖，湯景凝。劉雪暖，湯景凝。化工原理課程設計化工原理課程設計。 丙酮mol分數xyt()0.00.01000.010.27992.00.0250.4784.20.050.6375.60.100.75466.90.200.81362.40.300.83261.10.400.84260.3丙酮mol分數xyt()0.500.85159.80.600.86359.20.700.87558.80.800.89

8、758.20.900.93557.40.950.96256.90.975 0.97956.71.01.056.5丙酮水體系汽液丙酮水體系汽液平衡數據平衡數據 (101.325kPa) ，時鈞，余國淙，汪家鼎。時鈞，余國淙，汪家鼎。化學工程手冊化學工程手冊。 丙酮mol分數xyt()0.050.638174.80.100.730168.530.150.771665.260.200.791663.590.300.812461.870.400.826960.750.500.838759.950.600.853259.120.700.871258.290.800.895057.490.900.9335

9、56.680.950.962756.3丙酮水體系汽液平衡數據丙酮水體系汽液平衡數據 0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0 yx 劉雪暖 化學 工 程手冊 教材板板 式式 塔塔一、板式塔結構及性能一、板式塔結構及性能（1） 板式塔結構板式塔結構 進料回流液塔頂氣相塔底液相塔板結構塔板結構 氣體通道氣體通道 形式很多，如篩板、浮閥、泡罩等，對塔板性能影響很大。 降液管（液體通道）降液管（液體通道） 液體流通通道，多為弓形。 受液盤受液盤 塔板上接受液體的部分。 溢流堰溢流堰 使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。浮閥塔板結構（2） 塔板上的氣塔板上的氣液

10、兩相流動液兩相流動汽、液兩相接觸方式汽、液兩相接觸方式 兩相流動的推動力兩相流動的推動力 全塔：逆流接觸塔板上：錯流接觸液體：重力氣體：壓力差 塔板上塔板上理想流動理想流動情況情況： 液體橫向均勻流過塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層。 氣液兩相接觸傳質，達相平衡相平衡，分離后，繼續流動。 塔板上的塔板上的非理想非理想流動情況流動情況： 氣相或液相返混氣相或液相返混 液沫夾帶、氣泡夾帶 ，即：返混現象返混現象 后果后果：板效率降低板效率降低。 不均勻流動不均勻流動 液面落差液面落差（水力坡度）：引起塔板上氣體分布氣體分布不均勻； 塔壁作用塔壁作用（阻力）：引起塔板上液體分布液體分布不均勻。

11、后果：后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。板效率降低。液泛現象液泛現象二、二、 塔內氣、液兩相異常流動塔內氣、液兩相異常流動 （1）液泛）液泛 如果由于某種原因，使得氣、液兩相流動不暢，使板上液層迅速積累，以致充滿整個空間，破壞塔的正常操作，稱此現象為液泛。液泛。1) 過量霧沫夾帶液泛過量霧沫夾帶液泛原因：原因： 氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板； 氣相運動是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動。 液泛氣速：液泛氣速： 開始發生液泛時的氣速。2）降液管液泛）降液管液泛 當塔內氣、液兩相流量較大，導致塔板阻力及降液管內阻力增大時，均會引起降液管液層升高，以致達到上一層

12、塔板，破壞降液管的正常流動，直至液相逐漸充滿塔板空間，發生液泛。說明：說明：兩種液泛互相影響和關聯，其最終現象相同。（2） 嚴重漏液嚴重漏液 漏液量增大，導致塔板上難以維持正常操作所需的液面，無法操作。此漏液為嚴重漏液，稱相應的孔流氣速為漏液點氣速漏液點氣速 。三、常用塔板的類型三、常用塔板的類型（1）泡罩塔板）泡罩塔板優點優點：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：缺點：結構復雜，制造成本高，塔板阻力大。 組成：組成：升氣管和泡罩圓形泡罩條形泡罩泡罩塔（2）篩板塔板）篩板塔板優點優點：結構簡單、造價低、塔板阻力小。 目前，廣泛應用的一種塔型。塔板上開圓孔，孔徑：3 - 8 mm，大孔

13、徑篩板：12 - 25 mm。（3）浮閥塔板）浮閥塔板圓形浮閥條形浮閥浮閥塔盤方形浮閥優點：優點：浮閥根據氣體流量，自動調節開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產中得到廣泛的應用。缺點：缺點：浮閥易脫落或損壞。方形浮閥F1型浮閥（4）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 優點：優點：提高允許液體流量 五五. 篩板塔化工設計計算篩板塔化工設計計算（1）塔的有效高度）塔的有效高度 Z 已知：已知：實際塔板數 NP ； 塔板間距 HT； pTNHZ 選取塔板間距選取塔板間距 HT ：理論塔板數計算軟件塔徑塔徑D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-

14、2.02.0-2.42.4塔板間距塔板間距HT，m0.2-0.30.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.80.6塔板間距和塔徑的經驗關系塔板間距和塔徑的經驗關系塔體高度：有效高塔體高度：有效高+頂部頂部+底部底部+ 其它其它 有效塔高：有效塔高：VVLfCuLVmVmLvlVVVLLVqqqqFss C：氣體負荷因子，與 HT、 液體表面張力和兩相接觸狀況有關。有關。 液泛氣速液泛氣速兩相流動參數兩相流動參數 FLV：（2）塔徑）塔徑 確定原則：確定原則： 防止過量液沫夾帶液泛 步驟：步驟： 先確定液泛氣速 uf (m/s)； 然后選設計氣速 u； 最后計算塔徑 D

15、。2 . 02020CC對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖 ，C20=(HT 、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlVVVLLVssqqFVLVf20 uC篩板塔泛點關聯圖 選取設計氣速選取設計氣速 u 選取泛點率：泛點率： u / uf 一般液體， 0.6 0.8 易起泡液體，0.5 0.6uVAs所需氣體流通截面積所需氣體流通截面積設計氣速設計氣速 u = 泛點率泛點率 ufADAd 計算塔徑計算塔徑 DTdTAAAA1塔截面積：

16、塔截面積：A = AT - AdTAD4塔徑塔徑說明：計算塔徑需圓整，且重新計算實際氣速及泛點率。說明：計算塔徑需圓整，且重新計算實際氣速及泛點率。（3）溢流裝置設計）溢流裝置設計 溢流型式的選擇溢流型式的選擇 依據：依據：塔徑 、流量； 型式型式：單流型、U 形流型、雙流型、階梯流型等。 降液管形式和底隙降液管形式和底隙 降液管：弓形弓形、圓形。 降液管截面積：由Ad/AT = 0.06 0.12 確定； 底隙 hb ：通常在 30 40 mm。 溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰） 作用作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。 型式型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。堰長堰長 l

17、W ：影響液層高度。堰高堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度 過小，過小，相際傳質面積過小； 過大過大，塔板阻力大，效率低。 常、加壓塔：40 80 mm ； 減壓塔：25 mm 左右。 TdWAAfDlDbfDldW75. 06 . 0 DlW7 . 05 . 0 DlW說明：通常應使溢流強度說明：通常應使溢流強度qVLh/lW 不大于不大于100130 m3/（m h）。）。 或： 雙流型:單流型：3/231084.2WVLowlqEhh(4) 塔板及其布置塔板及其布置 受液區和降液區受液區和降液區 一般兩區面積相等。 入口安定區和出口安定區入口安定區和出口安定區 其中， E：液流收縮系數，

18、：液流收縮系數，一般可近似取 E =1。mmhOW6mmbbss10050mmbc50堰上方液頭高度堰上方液頭高度 hOW ：要求：要求： 邊緣區：邊緣區：bcbdbslWrx)sin(21222rxrxrxAa)sin( 2)sin( 211221211222rxrxrxrxrxrxAa（5）篩孔的尺寸和排列）篩孔的尺寸和排列 篩孔篩孔： 有效傳質區內，常按正三角形排列。 篩板開孔率篩板開孔率 ： 單流型弓形降液管塔板單流型弓形降液管塔板： 有效傳質區：有效傳質區： 雙流型弓形降液管塔板雙流型弓形降液管塔板：20220907. 060sin21421tdtdAAoaobcbdbslWrxd0

19、t00AquSVV20200785. 04dAdAna篩孔直徑篩孔直徑 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大篩孔) 孔中心距孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 開孔率開孔率: : 通常為 0.08 0.12。 板厚：板厚：碳鋼（3 4mm）、不銹鋼。 篩孔氣速：篩孔氣速：篩孔數：篩孔數：d0t(6) 塔板的校核塔板的校核 對初步設計的結果進行調整和修正。VmVmLVLmeqqeeqevVVLVLVmLmvssqqqqe11 液沫夾帶量校核液沫夾帶量校核單位質量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質量（或摩爾） ev ： kg 液體 / kg氣體，或 kmol液體 / km

20、ol氣體單位時間夾帶到上層塔板的液體質量（或摩爾） e： kg 液體 / h 或 kmol液體 / h 液沫夾帶分率：夾帶的液體流量占橫過塔板液體流量的分數。 故有： 所以2 . 33107 . 5fTvHHue說明：說明：超過允許值，可調整塔板間距塔板間距或塔徑塔徑。 ev的計算方法的計算方法：方法1：利用Fair關聯圖求，進而求出ev。方法2：用Hunt經驗公式計算ev。)(5 . 2OWWfhhH式中Hf 為板上泡沫層高度：要求要求： ev 0.1 kg 液體 / kg氣體。 塔板阻力的計算和校核塔板阻力的計算和校核 塔板阻力：塔板阻力：液柱mgphLff 塔板阻力 hf包括 以下幾部分

21、: （a）干板阻力 h0氣體通過板上孔的阻力（設無液體時）； （b）液層阻力 hl 氣體通過液層阻力； （c）克服液體表面張力阻力 h孔口處表面張力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h0200,021CuggphLVLofd0/C0塔板孔流系數C0 孔流系數孔流系數OWWlhhh（b）液層阻力）液層阻力 hl查圖求充氣系數查圖求充氣系數2/1V32/1aamkgsmuF說明：說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率增加開孔率或 降低堰高。降低堰高。03104dghL（c）克服液體表面張力阻力克服液體表面張力阻力（一般可不計） 降液管液泛校核降液管液泛校核dLOWWdhgpphhH12dfOW

22、Whhhh故塔板阻力：hhhhLf0降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m)()()4(0476.032vLfsLfbHLZHb（a） 液面落差液面落差一般較小，可不計。當一般較小，可不計。當不可忽略時不可忽略時，一般要求：一般要求： 0.5h0282211018. 1153. 02bWsbWsddhlLhlLguh（b b） 液體通過降液管阻力液體通過降液管阻力 hd21dddhhh包括底隙阻力 hd1和進口堰阻力hd2。無進口堰時：無進口堰時：02dhdlLddHHHWTdhHH泡沫層高度泡沫層高度要求：要求：說明：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力減小塔板阻力或 增大塔板間距。增大塔板間距。泡沫層相對密度：對不易起泡物系，6 . 05 . 04 . 03 . 0易