化工原理課程設計-板式精餾塔設計--常州大學石油化工學院--基礎化工部-進料回流液塔頂氣相塔底液相常壓分離環己醇–苯酚連續操作篩板精餾塔工藝設計任務書

基礎設計數據：1.處理能力：50000t/a（年工作按8000小時計）2.進料組成：環己醇30%，苯酚70%（mol%，下同）3.進料狀態：泡點進料4.產品要求：塔頂餾出液組成：環己醇98%，苯酚2%

塔釜釜殘液組成：環己醇1%，苯酚99%5.塔頂壓強：760mmHg（絕壓）6.公用工程：循環冷卻水：進口溫度32℃，出口溫度38℃

導熱油：進口溫度260℃，出口溫度250℃

總體要求：繪制帶控制點工藝流程圖，完成精餾塔工藝設計以及有關附屬設備的計算與選型。繪制塔板結構簡圖，編制設計說明書。1.精餾塔工藝設計內容：全塔物料恒算、確定回流比；確定塔徑、實際板數及加料板位置。2.精餾塔塔板工藝設計內容：塔板結構設計、流體力學計算、負荷性能圖、工藝尺寸裝配圖。3.換熱器設計：確定冷熱流體流動方式以及換熱器結構，進行換熱器的熱負荷計算，根據換熱面積初選換熱器；帶控制點工藝流程圖用A3圖紙畫塔工藝條件圖（帶管口）用A3紙畫其余工藝設計圖用坐標紙課程設計的要求注意事項:

寫出詳細計算步驟,并注明選用數據的來源

每項設計結束后,列出計算結果明細表

設計說明書要求字跡工整,裝訂成冊上交計算說明書目錄設計任務書帶控制點工藝流程圖與工藝說明精餾塔工藝計算塔板結構設計精餾塔工藝條件圖換熱器的選型符號說明結束語參考文獻附錄常壓分離環己醇―苯酚連續操作篩板精餾塔設計計算示例

1.設計任務書

按要求填入處理量和進料組成2.帶控制點工藝流程圖與工藝說明

（1）帶控制點工藝流程圖（參考課程設計P14圖1-3）

（2）操作壓力的選擇（3）加料狀態的選擇（4）工藝流程敘述3.精餾塔工藝計算

3.1相平衡關系

利用安托因方程計算（參考化原P184）：logP°=A–B/(t+C)列出數據表1，在表后寫出計算示例。t/0CPA°/kPaPB°/kPaxAyAα80.181…110.6表1苯-甲苯常壓相平衡數據

說明：平均相對揮發度為5.62

3.2繪制t-x(y)圖及y-x圖在坐標紙上繪圖，大小要求t-x(y)圖為10*10cm，y-x圖為20*20cm對于環己醇-苯酚體系：項目數據進料流量F,kmol/h塔頂產品流量D,kmol/h塔釜殘液流量W,kmol/h進料組成，xF(摩爾分數）塔頂產品組成，xD(摩爾分數）塔釜殘液組成，xW(摩爾分數）表2物料衡算表3.3全塔物料衡算

（化原設計p146）料液平均分子量：Mm=0.3×100+0.7×94=95.8進料流量：F=50000×103/8000×95.8=65.24kmol/hF=D+WD=19.5kmol/hFxF=DxD+Wxw

W=45.74kmol/h

3.4實際板數及進料位置的確定

1.確定最小回流比Rmin

2.確定操作回流比R

由Fenske方程計算最小理論板數Nmin

q=1,xe=xF

ye=f(xe)由y~x圖得出利用吉利蘭關聯圖(化原P200)

，計算NT~R如下表3：0.86314.70.98811.81.14010.71.2929.91.4449.3RNT1.5209.0繪制NT~R關系圖，找出最佳回流比。說明：R取(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0)Rmin6個點(一般R取1.2~2Rmin，曲線不太陡的位置)

在y-x圖上，利用圖解法求得NT，加料板位置nT3.圖解法求理論板數及加料板位置

4.實際板數及加料板位置的確定由t-x(y)圖查tD、tW

、

tF

（其中tD查露點線,因為xD=y1;tW查泡點線;tF查泡點線）由此平均溫度查表得液體粘度μi和α由此平均溫度查t-x(y)圖得進料的xi

全塔效率由奧康奈爾O’connell關聯式計算：（化原p212圖5-38或化原下P118圖10-20）

回流比R理論板數板效率實際板數理論加料位置實際加料位置表4塔板數求取小結包括板間距的初估，塔徑的計算，塔板溢流形式的確定，板上清液高度、堰長、堰高的初估與計算，降液管的選型及系列參數的計算，塔板布置和篩板的篩孔和開孔率，最后是水力學校核和負荷性能圖。4.塔板結構設計

7/20/20237/20/2023篩板塔板優點：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：3-8mm，大孔徑篩板：12-25mm。lwWD7/20/20234.1設計參數的計算（以塔頂第一塊板為依據）：

液相密度L=950kg/m3（化原p319有機液體相對密度圖）

氣相密度V=PM/RT=2.92kg/m3

液相表面張力

=32dyn/cm（化原p321有機液體表面張力）

氣相流量VS=(R+1)DM/3600V=0.408m3/s

液相流量LS=RDM/3600L=0.000684m3/s

（參見《化工原理課程設計》P147-149）7/20/20234.2初估塔徑

取板間距HT=350mm（化原設計p103)，板上液層厚度hL=0.07m（化原設計p104)

，則HT-hL=0.28m。塔板間距和塔徑的經驗關系（化原下冊P129）說明：工業塔中，板間距范圍200~900mm兩相流動參數FLV=則液泛氣速：7/20/2023對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖，C20=(HT

、FLV)

C20：σ=20dyn/cm

時的氣體負荷因子0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05篩板塔泛點關聯圖（化原下冊P129圖10-42）7/20/2023取操作氣速u=（0.6-0.8）uf=0.75uf=0.893m/s則氣體流通面積

An=VS/u=0.457m2

選取單溢流塔盤（化原設計p105圖3-4）

，取lw

/D=0.7，查《化工原理（下冊）》P127圖10-40或化原設計p108圖3-10）得Af/AT=0.088

Af指弓形降液管截面積

則塔截面積：

塔徑

D=

，圓整為0.8m。

說明：計算塔徑需圓整。系列化標準：

0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等7/20/2023由此重新計算：

AT=0.785D2=0.5024m2Af=0.088AT=0.0442m2An=AT-Af=0.4582m2u=VS/An=0.89m/s實際泛點百分率：

u/uf×100%=75%

注意：

1）必須用圓整后的D重新計算確定實際的氣體流通截面積、實際氣速及泛點率。

2）校核HT與D的范圍。7/20/2023D:塔徑hw:堰高how:堰上液層高度HT:板間距ho:降液管底隙高度Hd:降液管內液面高度Hd

溢流裝置（10*20cm）4.3塔板結構設計

4.3.1溢流裝置

①溢流型式的選擇依據：塔徑、流量；

型式：單流型、U形流型、雙流型、階梯流型等。《化工原理課程設計》P104-111，P150液流型式選取參考表②降液管形式和底隙

降液管：弓形、圓形。降液管截面積：由Af

/AT=0.06~0.12確定；

底隙

h0：通常在40~60mm。③

溢流堰（出口堰）作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。0采用弓形降液管，平直堰及平型受液盤，lw=0.7D=0.56m堰上液層高度

堰高hw=hL-how=0.06238m液管底隙高度ho=hw-0.006=0.05638m

要求：注：將算出的結果標在溢流裝置圖上7/20/2023一般取安定區寬度

WS=（50-100）mm一般取邊緣區寬度

WC=（30-50）mm

4.3.2塔盤布置WCWDWSlWrx塔盤布置圖（10*20cm）①

受液區和降液區一般兩區面積相等。②

入口安定區和出口安定區。（化原設計p106)

說明：溢流裝置圖和塔盤布置圖畫在一張坐標紙上，上下排列7/20/2023取篩孔直徑do=（3–8）mm，孔徑比t/d0=3.5由lw/D=0.7，查《化工原理（下冊）》P127圖10-40

得Wd/D=0.15，則

Wd=0.15D=0.12mx=D/2-(Wd+Ws)=0.21mr=D/2-Wc

=0.36m

鼓泡區面積：

開孔率

=A0/Aa=0.907(d0/t)2=0.074

篩孔面積

A0=

Aa=0.021m2

篩孔氣速

u0=VS/A0=19.43m/s

篩孔數目

n=4A0/d02=1672個

③有效傳質區d0t7/20/20234.4塔板流體力學校核

（1）塔板阻力

塔板阻力hf包括

以下幾部分:

（a）干板阻力hd—氣體通過板上孔的阻力（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hσ—孔口處表面張力。可用清液柱高度表示：（a）干板阻力hd《化工原理課程設計》P111-115,P151-153d0/δC0塔板孔流系數查得

孔流系數C0=0.75，則取板厚

=3mm，《化工原理課程設計》P112，圖3-14（b）液層阻力hl查圖得充氣系數β=0.58于是：《化工原理課程設計》P112，圖3-15說明：（1）若塔板阻力過大，可增加開孔率或降低堰高。（2）對于常壓和加壓塔，塔板阻力一般沒有什么特別要求。（3）對于減壓塔，塔板阻力有一定的要求。（c）克服液體表面張力阻力（一般可不計）

故塔板阻力：（2）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

/kmol氣體液沫夾帶分率ψ：夾帶的液體流量占橫過塔板液體流量的分數。故有：

方法1：利用費爾關聯圖，由和實際泛點百分率0.75，查得Ψ=0.08，進而求出ev=0.047<0.1。ev的計算方法：（化原下冊P132圖10-47）方法2：用Hunt經驗公式計算ev：說明：超過允許值，可調整塔板間距或塔徑。

式中Hf

為板上泡沫層高度：要求：ev≤

0.1

kg

液體/kg氣體（3）降液管溢流液泛校核降液管中清液柱高度(m)：（a）液面落差Δ一般較小，可不計。當不可忽略時：一般要求：Δ<0.5h0主要為底隙阻力，而進口堰阻力一般為0（當無進口堰時）：（b）液體通過降液管阻力hf

降液管中泡沫層高度：要求：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或增大塔板間距。對不易起泡物系：易起泡物系：而Hd/=0.34(HT+hw)=0.41

（4）液體在降液管中停留時間校核目的：避免嚴重的氣泡夾帶降低板效率。

停留時間：要求：說明：停留時間過小，可增加降液管面積或增大塔板間距。（a）計算嚴重漏液時干板阻力hd′（b）計算漏液點氣速uow

說明：如果穩定系數k過小，可減小開孔率或降低堰高。（5）嚴重漏液校核

漏液點氣速uow：發生嚴重漏液時篩孔氣速。

穩定系數：要求：（c）計算穩定系數

4.5塔板負荷性能圖在確定了塔板的工藝尺寸，又按前述各款進行了流體力學驗算之后，便可確認所設計的塔板能在任務規定的氣液負荷下正常操作。此時，有必要進一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負荷波動范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示。7/20/2023（1）漏液線（氣相負荷下限線）

(第一點：Lh=LS（

0.000684）×3600=2.46m3/hVh=A0uow×3600=491.4m3/h第二點：取Lh=10m3/h，同樣可以計算得到：

u

ow’=7.5m/s，

則Vh=A0uow’×3600=567m3/h

7/20/2023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。7/20/2023（2）過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）(第一點取液氣比與操作點相同，令ev

=0.1則夾帶分率由FLV及查圖得泛點率為0.88則un=0.88×uf=0.88×1.19=1.05m/s于是相應的氣液流量為：

Vh=unAn×3600=1732.0m3/hLh=(LS/VS)Vh=2.4m3/h

規定：ev=

0.1（

kg

液體/kg氣體）為限制條件。7/20/2023(第二點取液氣質量比LSL/VSV=2.0，令ev

=0.1計算夾帶分率

=0.048同樣計算FLV=0.11，查得泛點率為0.92由FLV及

(HT-hL)查圖得C20’=0.053則液泛氣速于是

Vh=un’An×3600=1593.4m3/hLh=2VhL/V=9.8m3/h

7/20/2023原因：①氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；②氣相運動是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動。7/20/2023（3）液相負荷下限線(對于平直堰，一般取堰上液層高度作為液相負荷下限條件，低于此限便不能保證板上液流均勻分布，降低氣液接觸效果。依此式可求得液相負荷下限，據此作出液相負荷下限線(3)。塔板的適宜操作區應在豎直線(3)的右方。7/20/2023（4）液相負荷上限線(此線反映對于液體在降液管內停留時間的起碼要求。對于尺寸已經確定的降液管，若液體流量超過某一限度，使液體在降液管中的停留時間過短，則其中氣泡來不及放出就進入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。依此式可求得液相負荷上限，據此作出液相負荷上限線(4)。塔板的適宜操作區應在豎直線(4)的左方。7/20/2023（5）液泛線(液泛線表示降液管內泡沫層高度超過最大允許值時，破壞塔的正常操作。

第一點取

Lh=10m3/hLh,max則

hf=0.153(LS/lwh0)2=0.0012mhl

=(hw+h

ow)=0.0532m于是液泛時的干板壓降為hd=(HT+hw)-(hw+h

ow+hf+hl)=0.132m則孔速為

于是相應的氣相流量Vh=u0A0×3600=1645.1m3/h

7/20/2023第二點取Lh=25m3/hLh,max同樣計算得：h

ow

=0.0357mhf=0.0074mhl

=0.0638m于是

hd=0.0988m則孔速u0’=18.83m/s于是相應的氣相流量Vh=u0’A0×3600=1423.2m3/h

塔的操作彈性為：液泛現象塔板結構設計結果匯總塔板結構計算結果匯總項目數值或說明備注塔徑/mm塔板數/塊板間距/mm塔板類型溢流堰類型堰長/mm堰高/mm

降液管底隙高度/mm

篩孔(浮閥)個數/個孔速/m/s開孔率/%板壓降/mmH2O降液管內液體停留時間/s降液管內液體清液層高度/mm泛點率/%操作彈性塔頂空間HD塔頂空間HD的作用是供安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取1～1.5m。塔底空間HB塔底空間HB具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有10～15分鐘的儲量，以保證塔釜料液不致迅速排完，一般取2.0～2.5m。5.1

塔體總高5.精餾塔工藝條件圖（按比例畫，課程設計書p19圖1-5，1-6）7/20/2023人孔

一般每隔6～8層塔板設一人孔（供安裝、檢修用），人孔處板間距≥600mm，人孔直徑一般為450～550mm,其伸出塔體的筒體長為200～250mm,人孔中心距操作平臺約800～1200mm。

塔高H=(n-nF-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn——實際塔板數；nF——進料板數HF——進料板處板間距，mnP——人孔數Hp——人孔處的板間距，mHD——塔頂空間，m（不包括頭蓋部分）HB——塔底空間，m（不包括底蓋部分）進料板可取2塊，進料板處間距取1000mm。7/20/2023（1）塔頂氣相管徑dp

塔頂氣相出口流速uv與塔的操作壓力有關，常壓可取12~20m/s，減壓可取20~30m/s。5.2精餾塔配管的計算（課程設計書p142）（2）回流液管徑dR

回流量前已算出，自回流的流速范圍為0.2~0.5m/s；若用泵輸送回流液，流速uR可取1~1.5m/s。7/20/2023（3）加料管徑dF

料液由泵送時流速uF可取1.5~2.0m/s。（4）釜液排出管徑dw

塔釜液出塔的流速uw可取0.5~2.0m/s。7/20/2023（5）再沸器返塔蒸汽管徑dv’常壓與加壓塔流速uv’可取10m/s，減壓塔可取15m/s

。說明：以上計算的管徑，均應圓整到相應規格的管徑，有以下兩種方法表示：（A）DN50（B）?56×3（化原上冊