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。

板式塔的设计要点1、对于理想混合物，其相对挥发度可以取其纯组分蒸汽压的比值。

2、塔的操作压力主要取决于冷凝器中冷剂的冷凝温度，以及再沸器中为避免工艺物流热降解而允许的最高温度。

3、对于顺序分离精馏塔系列：首先进行最容易的分离(采用最小塔板数及最小回流比)如果相对挥发度及进料组成变化不是很大，可一次将需要的产品精馏出塔顶。

如果相对挥发度及进料组成变化很明显，按照其挥发度的降序排列，依次精馏出所需产品。

如果进料浓度变化很明显，但是相对挥发度相差不多，按照其浓度的降序排列，依次精馏出所需产品。

4、最经济的回流比通常在最小回流比的1.2 ~ 1.5倍之间。

5、最经济的塔板数通常取最小理论板数的两倍，而最小理论板数是由Fenske-Underwood关联式决定的6、通常塔盘设计中实际塔盘数目要比计算值富余出10 % 。

7、板间距应该取450 ~ 610 mm。

8、塔盘效率最高值通常在中等压力下蒸气线速度为0.6 m/s；真空条件下蒸气线速度为1.8 m/s。

9、每块塔盘的典型压降为0.007 bar。

10、水溶液物系精馏的塔盘效率通常在60 ~ 90 % ，而气体吸收和汽提塔的塔盘效率接近于10 ~ 20 %。

12、最常见的三类塔盘为浮阀、筛板和泡罩。

泡罩适用于要求低漏液率的工况，其压降比浮阀和筛板塔盘还要低。

13、筛板塔盘筛孔直径约为6 ~ 13mm，开孔面积约占塔盘总鼓泡面积的10 %。

14、浮阀塔盘阀孔直径为38mm，每平方米鼓泡面积中约设置130 ~ 150个浮阀。

15、最普通的堰高为50 ~ 76 mm，典型的堰长取塔径值的75 %。

16、回流泵的输送能力应该有至少10 %的设计余量。

17、适宜的Kremser吸收因子通常在1.25 ~ 2.00之间。

18、回流罐通常是卧式安装，设计停留时间为5分钟时充满罐容积的一半。

19、对大多数的塔，直径至少为0.9 m，其顶部应该留1.2 m高度的蒸气排放空间，底部应该留1.8 m高度的釜液累积排放和再沸器返回接口空间。

板式塔课程设计绪论一、教学目标本课程的教学目标分为三个维度：知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

1.知识目标：通过本课程的学习，学生需要掌握板式塔的基本原理、结构类型、设计计算方法以及应用领域等方面的知识。

2.技能目标：学生需要具备板式塔的CAD绘制能力，能够独立完成板式塔的设计计算，并了解板式塔的施工安装过程。

3.情感态度价值观目标：培养学生对化工过程装备行业的热爱，提高学生对板式塔在化工领域重要性的认识，培养学生的创新意识和团队合作精神。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.板式塔的基本原理：介绍板式塔的工作原理、塔内流体流动特点以及塔内质量传递过程。

2.板式塔的类型：讲解不同类型的板式塔，如泡罩塔、筛板塔、浮动喷射塔等，并分析各种类型的优缺点。

3.板式塔的设计计算：教授板式塔的设计计算方法，包括塔径计算、塔高计算、塔内构件设计等。

4.板式塔的应用领域：介绍板式塔在化工、环保、能源等行业中的应用案例。

5.板式塔的施工安装：讲解板式塔的施工安装过程，包括塔体安装、内件安装、调试运行等。

三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行授课：1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握板式塔的基本原理、设计计算方法和应用领域。

2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解板式塔在工程中的应用。

3.实验法：学生进行板式塔的模型实验，增强学生对板式塔结构和工作原理的认识。

4.讨论法：学生就板式塔的设计计算、施工安装等方面的问题进行讨论，提高学生的思辨能力和团队协作能力。

四、教学资源为了保证教学的顺利进行，教师需要准备以下教学资源：1.教材：《化工过程装备设计原理》等板式塔相关教材。

2.参考书：提供相关领域的参考书籍，以丰富学生的知识体系。

3.多媒体资料：制作板式塔的PPT、视频等多媒体资料，以便于学生更好地理解板式塔的结构和原理。

4.实验设备：准备板式塔模型实验所需的设备，如板式塔模型、流体循环系统等。

对于每个塔板结构参数已设计好的塔,处理固定的物系时，要维持其正常操作,必须把气、液负荷限制在一定范围内。

通常在直角坐标系中,标绘各种极限条件下的V-L关系曲线，从而得到塔板适宜的气、液流量范围图形，该图形称为塔板的负荷性能图，如图1—23所示,一般由下列五条曲线组成。

⑴ 漏液线线1为漏液线，又称为气相负荷下限线。

气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。

筛板塔的漏液线由式（1—47）或式（1-48）作出，浮阀塔的漏液线由式(1-49）作出.⑵ 雾沫夹带线线2为雾沫夹带线。

当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。

对于精馏，一般控制eV≤0.1kg液/kg气。

筛板的雾沫夹带线按式（1—50）作出。

浮阀塔的雾沫夹带线按式（1—51）或式(1-52)作出。

⑶ 液相负荷下限线线3为液相负荷下限线.液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降.一般取how=6mm作为下限，按式（1—33）～式（1—37）中一式作出液相负荷下限线。

⑷ 液相负荷上限线线4为液相负荷上限线，该线又称降液管超负荷线。

液体流量超过此线,表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。

通常根据液相在降液管内的停留时间应大于3s，按式（1-24）作出此线。

⑸ 液泛线线5为液泛线。

操作线若在此线上方,将会引起液泛。

根据降液管内的液层高度，按式(1-46）作出此线.由上述各条曲线所包围的区域，就是塔的稳定操作区。

操作点必须落在稳定操作区内,否则塔就无法正常操作。

必须指出，物系一定，塔板负荷性能图的形状因塔板结构尺寸的不同而异.在设计塔板时,可根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数来满足所需的弹性范围.操作时的气相流量与液相流量在负荷性能图上的坐标点称为操作点。

在连续精馏塔中，回流比一定，板上的气液比V/L也为定值。