板式精馏塔设计方案

板式精馏塔设计方案
一、设计方案确定
1.1 精馏流程
精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等,为保持塔的操作稳定性，流程中用泵直接送入塔原料，乙醇、水混合原料液经预热器加热至泡点后，送入精馏塔。

塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝后经分配器一部分回流，一部分经过冷却器后送入产品储槽，塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后为冷却水循环利用。

塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业中以错流式为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。

泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要的优点是操作弹性较大，液气比范围较大，不易堵塞；但由于生产能力及板效率底，已逐渐被筛孔塔板和浮阀塔板所替代。

筛孔塔板优点是结构简单，造价低，板上液面落差小，气体压强底，生产能力大；其缺点是筛孔易堵塞，易产生漏液，导致操作弹性减小，传质效率下降。

而浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了前述两种塔板的优点。

浮阀塔板结构简单，制造方便，造价底；塔板开孔率大，故生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间长，故塔板效率较高。

但浮阀塔板也有缺点，即不易处理易结焦、高粘度的物料，而设计的原料是乙醇-水溶液，不属于此类。

故总结上述，设计时选择的是浮阀塔板。

1.2设计方案论证及确定
1.2.1 生产时日及处理量的选择：设计要求塔年处理11.5万吨乙醇—水溶液系统，年工作日300d，每天工作24h。

1.2.2 选择用板式塔不用填料塔的原因：因为精馏塔精馏塔对塔设备的要求大致如下：
（1）生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常
流动。

（2）效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

（3）流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

（4）有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

（5）结构简单，造价低，安装检修方便。

（6）能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。

故选用板式塔。

1.2.3 板式精馏塔选择浮阀塔的原因：
（1）生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%～40%，与筛板塔接近。

（2）操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。

（3）塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。

（4）气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。

（5）塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%～80%，但是比筛板塔高 20%～30%。

1.3. 操作压力：常压精馏
对于乙醇－水体系，在常压下已经是液态，且乙醇－水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。

因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。

综上所述，选择常压操作。

1.4．q值得选择：泡点进料
进料状态有五种，如果选择泡点进料，即q=1时，操作比较容易控制，且不受季节气温的影响，此外，泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相同，设计和制造
时比较方便。

1.5．加热方式：间接蒸汽加热
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。

直接蒸汽加热只能用于塔底产物基本是水，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加，成本增加，故采用间接加热。

1.6回流比：
回流比的选择主要从经济观点出发，力求操作费与设备费最低， R=1.2Rmin。

1.7工艺流程草图及说明
1.7.1 工艺草图
1.8 工艺流程说明
一整套精馏装置应该包括精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

乙醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。

在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分液体气化，产生上升蒸汽，一起通过各层塔
板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品，经冷凝器冷却后送入贮槽。

塔釜采用再沸器加热。

塔底产品经冷却后送入贮槽。

二． 工艺计算
2.1 物料衡算
2.1.1. 将质量分数转换成摩尔分数
206876
.00148
.1860
0684.46400684.4640=+
=F x 859676
.00148
.186
0684.46940684.4694=+
=D x 0001956.00148
.1895.990684.4605.00684.4605.0=+
=W x
2.1.2.平均摩尔质量
kmol
kg M D /1318.420148.18)8597.01(8597.00684.46=⨯-+⨯=kmol
kg M F /8159.230148.18)2068.01(0684.462068.0=⨯-+⨯=kmol
kg M W /0203.180148.18)0001956.01(0684.460001956.0=⨯-+⨯=
2.1.
3.物料衡算
1.4861''=+W D
1.48614.0'0005
.0'94.0⨯=+W D 解方程组，得
02443.2067'=D
0756.2794'=W
2.1.4.摩尔流量的计算
h
kmol M F F F /1112.2048159.231.4861'=÷=÷=h kmol M D D D /0609.491318.4202443.2067'=÷=÷=h kmol M W W W /05164.1550203.180756.2794'=÷=÷=
2.2 塔板数确定
2.2.1．理论塔板数N T 的求取
由乙醇—水相平衡数据画得相平衡图，作出对角线y=x ，取点
（0.859676,0.859676）
液体中酒精质量分数 蒸汽中酒精质量质量分数 沸点／℃ 液体中酒精摩尔分数 蒸汽中酒精摩尔分数 0.01 0.13 99.9 0.004 0.053 0.1 1.3 99.8 0.04 0.51 0.15 1.95 99.7 0.055 0.77 0.2 2.6 99.6 0.08 1.03 0.3 3.8 99.5 0.12 1.57 0.4 4.9 99.4 0.16 1.98 0.5 6.1 99.3 0.19 2.48 0.6 7.1 99.2 0.23 2.9 0.7 8.1 99.1 0.27 3.3 0.8 9 99 0.31 3.725 0.9 9.9 98.9 0.35 4.12 1 10.75 98.75 0.39 4.51 2 19.7 97.65 0.79 8.76 3 27.2 96.65 1.19 12.75 4 33.3 95.8 1.61 16.34 5 37
94.95 2.01
18.68
7 44.6 93.35 2.86 23.96
8 47.6 92.6 3.29 26.21
9 50 91.9 3.73 28.12
10 52.2 91.3 4.16 29.92
11 54.1 90.8 4.61 31.56
12 55.8 90.5 5.07 33.06
13 57.4 89.7 5.51 34.57
14 58.8 89.2 5.98 35.83
15 60 89 6.46 36.98
16 61.1 88.3 6.86 38.06
17 62.2 87.9 7.41 39.16
18 63.2 87.7 7.95 40.18
19 64.3 87.4 8.41 41.27
20 65 87 8.92 42.09
21 65.8 86.7 9.42 42.94
22 66.6 86.4 9.93 43.82
23 67.3 86.2 10.48 44.61
24 68 85.95 11 45.41
25 68.6 85.7 11.53 46.08
26 69.3 85.4 12.08 46.9
27 69.8 85.2 12.64 47.49
28 70.3 85 13.19 48.08
29 70.8 84.8 13.77 48.68
30 71.3 84.7 14.35 49.3
31 71.7 84.5 14.95 49.77
32 72.1 84.3 15.55 50.27
33 72.5 84.2 16.15 50.78
34 72.9 83.8 16.77 51.27
35 73.2 83.75 17.41 51.67
36 73.5 83.7 18.03 52.04
37 73.8 83.5 18.68 52.43
38 74 83.4 19.34 52.68
39 74.3 83.3 20 53.09
40 74.6 83.1 20.68 53.46
41 74.8 82.95 21.38 53.76
42 75.1 82.78 22.07 54.12
43 75.4 82.65 22.79 54.54
44 75.6 82.5 23.51 54.8
45 75.9 82.45 24.25 55.22
46 76.1 82.35 25 55.48
47 76.3 82.3 25.75 55.74
48 76.5 82.15 26.53 56.03
49 76.8 82 27.32 56.44
51 77.3 81.8 28.93 57.12
52 77.5 81.7 29.8 57.41
53 77.7 81.6 30.61 57.7
54 78 81.5 31.47 58.11
55 78.2 81.4 32.34 58.39
56 78.5 81.3 33.24 58.78
57 78.7 81.25 34.16 59.1
58 79 81.2 35.09 59.55
59 79.2 81.1 36.02 59.84
60 79.5 81 36.98 60.29
61 79.7 80.95 37.91 60.58
62 80 80.85 38.95 61.02
63 80.3 80.75 40 61.44
64 80.5 80.65 41.02 61.76
65 80.8 80.6 42.09 62.22
66 81 80.5 43.17 62.52
67 81.3 80.45 44.27 62.99
68 81.6 80.4 45.41 63.43
69 81.9 80.3 46.55 63.91
70 82.1 80.2 47.72 64.21
71 82.4 80.1 48.92 64.7
72 82.8 80 50.16 65.34
73 83.1 79.95 51.39 65.81
74 83.4 79.85 52.68 66.28
75 83.8 79.75 54 66.93
76 84.1 79.72 55.34 67.42
77 84.5 79.7 56.71 68.07
78 84.9 79.65 58.71 68.76
79 85.4 79.55 59.55 69.59
80 85.8 79.5 61.02 70.29
81 86.3 79.4 62.52 71.14
82 86.7 79.3 64.05 71.86
83 87.2 79.2 65.64 72.71
84 87.7 79.1 67.27 73.61
85 88.3 78.95 68.92 74.69
86 88.9 78.85 70.62 75.81
87 89.5 78.75 72.36 76.93
88 90.1 78.65 74.15 78
89 90.7 78.6 75.99 79.26
90 91.3 78.5 77.88 80.42
91 92 78.4 79.82 81.83
92 92.65 78.3 81.82 83.15
93 93.4 78.27 83.87 84.7
95 95.05 78.18 88.15 88.25 95.57 95.57 78.15 89.41 89.41
从像图中可知在点(0.7788;0.8042)处有斜率最大值。

设其值为K. K=68594.07788
.0859676.08042.0859676.0=-- 由此可得R min =184.268594.0168594
.01≈-=-K K
经编程（13.1）可得R min =2.21 R ot =1.2652.221.22.1min ≈⨯=⨯R
原设回流比与所求最优回流比相差不大，符合要求。

a
J a
J a
J J J J J 元费用，
为再沸器折旧费及操作元以及维修费，为精馏塔塔体的折旧费元为精馏塔总费用，
313
21++=
()()是塔体的费用，元
是塔板的费用，元是塔体折旧率，式中H T C C H T c C C F a F C C F J ;101
~81,06.011=++=-
()1
201171.5657.0exp 38.278取为，》为板数因子，由于塔为塔板类型因子，浮阀取为美元对人民币的汇率N N T T L T N T L T F E
N F F F F E N D F F F C ==
为总板效率
为理论塔板数；为塔径，E N m D T ()()3
2
78502018.00min 5~33145.08116.0]0158
.0ln 02468.0ln 1808.095.6exp[m Kg R mm
b m H m
H m H m H Kg
W b D H D W H H E
N
H H D H
W W F C B D T S T T S B D T
T
S S L H 钢的密度取为为塔壁材料密度，塔壁厚取的储量，可取塔底空间高度，塔顶空间高度，为塔板间距，头直边的长度，为筒体的长度加两端封为塔体的质量，ρρπ+=++=+++=
()()
()
C
t t C
Kg KJ c Kg KJ r h Kmol D D R Kg C t t c Dr R C J p D W p D
W οοθ冷却水进出口温度，为冷却水的比热容，热，为塔顶馏出物的气化潜为塔顶馏出液的流率为回流比
元为冷却水的价格，21122,./0609.495.01=-+=
31
.0103)1.374(6.396))((S B S Z Z T r B qF DR T C C J --++=
θ
C Z0、C Z1为饱和水蒸气的价格系数，0.18元/kg 、31046.1-⨯元/（kg ·o C ） T S 为加热用饱和水蒸气温度，133.6o C q 为进料热状况参q=1
F 、B 为进料和塔底产品流率，F=204.1kmol/h,D=46.06Kmol/h r B 为塔釜物料的气化潜热，40638.2kJ/kmol
θ为操作时间，h/a
由编程得元
元元元5702863469990956.58339931.419554321====J J J J
2.2.2.各物理参数的计算
2.2.2.1.温度
在x D =0.859676时，塔顶温度T 1=78.2o C ；进料温度T 2=83.1o C ；塔底温度T 3=99.86o C.
精馏段平均温度 C T T t o
m 65.802
10.8320.782211
=+=+= 提溜段平均温度
C
C C T T t m O =︒+︒=+=
73.912
86.991.832322 2.2.2.2.塔顶、底平均摩尔质量的计算
由于
859676
.01==D X y ，由内插法得：
0.854359
1=x
且2067876
.0=F
x ,
534593
.0=F y
塔顶平均摩尔质量 1318.420148.18)859676.01(0684.46859676.0=⨯-+⨯=DM
V M
9826.410148.18)854359.01(06841.46854359.0=⨯-+⨯=DM L M 塔底平均摩尔质量
0121.330148.18)534593.01(0684.46534593.0=⨯-+⨯=FM V M
8159.230148.18)2067876.01(0684.462067876.0=⨯-+⨯=FM L M 故 5719.372
0121
.331318.422
=+=
+=FM
DM V V V M M M
8993.322
8159.239826.412
=+=+=
FM
DM L L L
M M M
2.2.
3.1.液相平均密度mL ρ
1精馏段： 塔顶C t ︒=2.781时，331/10725.0m kg ⨯=ρ
塔底C t o 1.832
=时，332/10721.0m kg ⨯=ρ
以上为通过查液体密度与温度关系图求的乙醇密度 有内插法求得
1t 时，3.9kg/m 972.8977-.897170
-8070
-.278.89771
=⨯+
=）（水ρ
2t 时，3/.8kg 969.8971-.396580
-90.0
80-.183.89712
m =⨯+=）（水ρ
由
9
.97206.072594.01
+=mD
ρ，得3/255.736m kg mD =ρ 由
.8969.60721.401
+=
进料
ρ，得3
kg/m 67.1852=进料
ρ 故3/211.7942
m kg mD mL =+=
进料
ρρρ
2提留段：
在提留段时h Kmol D R L /1095.1300609.49652.2=⨯=⨯=
h Kmol F L L /2207.3341112.2041095.130'
=+=+=
h Kmol W L V /1691.17905164.1559934.366''=-=-= 在提留段4
109558.1-⨯==w w y x 此时）之间介于（0053.00,0w y
3104761.1)000019558.0(0
00053.00
004.00-⨯≈-⨯--+
=x
203.018148.01810558.91-1684.04610558.914-4-)(≈⨯⨯+⨯⨯=）（提v M 616.018148.01810761.41-1684.04610761.413-3-)(=⨯⨯+⨯⨯=）（提l M 水的密度水ρ
3
3/.4958100/.396590m
Kg C m Kg C ==水水时在时在ρρο
ο
在t=3/4966.958)9086.99(90
1003
.9654.9583.96586.99m Kg C m ≈-⨯--+
=水时ρο
3
4
43
/4234.9584966
.958109558.11714109558.11
/714m Kg m Kg wm wm
=⨯-+
⨯==--ρρρ醇与温度关系图中查得乙醇的密度从液体密度
3
3)(/2995.905)(2
1/670.1852m Kg m Kg wm F m
F =+==ρρρρ底进料 2.3.2.气相密度
RT
M P mV
m mV =
ρ KPa p KPa P C T 656.144;101.278)(===水（醇）时精馏段在塔顶ο KPa p KPa P C T 865.853;045.8123.183)(===ο
οο水（醇）时在进料段
KPa
P KPa P 4468.368865.853067876.20-1045.8123067876.202477.093656.14459767.80-110159767.80=⨯+⨯==⨯+⨯=）（）（进料顶
3
)()
()(/3103.01)
5.680273(14.38719.5378473.6808473.6804468.3680447.29321
)(21m Kg RT M P KP P P P Vm m mv a m =+⨯⨯=⨯==+⨯=+=
精馏精馏进料顶精馏）（ρ
s
m LM L s
m VM V h
Kmol RD L h Kmol D R V Lm Lm S Vm Vm S /10791.41111
.27943600993
.832095.11303600/137.813103.013600179.537704.11793600/1095.1300609.49652.2/1704.1790609.49)1652.2()1(33-)
()(3)()(⨯=⨯⨯=
=
=⨯⨯===⨯===⨯+=+=精馏精馏精馏精馏ρρ
a
S a S S KP P C T KP P C T P C T 5.722510071.2158906.8992211=====时在时在时乙醇的饱和蒸汽压为在提留段温度οοο
a S KP P 8053.224)9086.99(90
10027
.15875.22527.158=-⨯--+
=
a
S a S a S S KP P KP P C t KP P C t P C 245.810099-6.89999
-1005022
.797-25.31015022.79725.31011005022.797996.8992211=⨯+
=====）（时在时在时水的饱和蒸汽压为在水水水水οοο
a
a KP P KP P 4468.368487.8100245.810010558.91-1053.822410558.914-4-==⨯⨯+⨯⨯=进料底）（
a m KP P P P 967.5842
4468
.368487.81002=+=+=
底进料塔釜 203.018=V M 提留 121.033=V M 进料
162.5252
=+=
V
V V M M M 进料提馏塔釜
616.018=L M 提馏 159.823=L M 进料
388.9202
=+=
L
L Lm M M M 进料提馏塔釜
3/123.70)
2738.491(14.38162
.525967.584m Kg RT M P V m Vm =+⨯⨯==
提馏底塔釜ρ
s
m M V V Vm
Vm S /7828.17132.036005162
.251691.1793600''3)(=⨯⨯=
=
釜提ρ
s m M L L Lm Lm S /1047.12995
.29053600338
.920207.23343600''33-)
()(⨯=⨯⨯=
=
釜提ρ
2.3.3塔效率的确定
在精馏段时：
02291.0)03103
.12111.794(8137.1104791.1)(39.006.045.006.0,5.4021
32
1=⨯⨯==-=-==-V L S S l T l T V L m
h H m h m H ρρ上液层厚度板间距
s
m u u s
m C u C C C V V L /8385.16264.27.07.0/6264.203103.103103
.12111.79409469.09469
.00)20
496.638(
83.00)20(
83
.00max max 2
.02.0200=⨯===-⨯=-==⨯===ρρρδ
查史密斯关联图得
s
m D V u m m u V D S S /1788.14.114.38137
.144.412192.18385.114.31454.2442211=⨯⨯===⨯⨯==ππ实际空塔气速圆整到
在提留段：
056.10)20
452.855(
86.00)20
(
86.001033.0)7123
.02995.905(7828.1101473.2)''(''2
.02.02020213
21=⨯====⨯⨯=-δ
ρρC C C V L V L S S 查史密斯关联图得
以精馏段直径为主1222max 222
max 22070.18440
.114.31090.24'4/8440.17.0/7632.37123
.07123
.02995.9051056.0'''D D m u V D s m u u s m C u S V V L 〈=⨯⨯==
===-⨯=-=πρρρ
粘度的计算
温度 60 80 100 乙醇 0.601 0.495 0.361 水 0.4688
0.3565
0.2838
4535
.03466.0log 616.017.0log 16.607.10466.30067876.20-12067876.03237.0)8003.89(80
1003565
.02838.03565.0345.4080-3.08980
-10095
.40-61.3095.4003.89286
.992.78286.99,2.782121=⨯-=-==+==-⨯--+==⨯+==+=+=
==m T a m a a E S mp S
mp S
mp t C t t t C
t C t μμμμμμμοοο全塔效率）（进料板）（值
下的求在在塔底在塔顶水醇水乙醇
三 实际板数
块，塔板效率为由编程可知塔板数为9552.944535
.048
48535.4048≈===
=T T N n N
4. 塔尺寸
4.1 塔高
塔高为H （不含底座）
个人孔人孔个数进料板数为塔底空间高度取塔顶空间取为人孔处板间距取为为进料板出板间距取为为实际踏板数
1288.118
95
31.60.60)1(≈==
++++---=p p F B D p F B D p p F F T p F n n n m H m H m H m H n H H H n H n H n n n H
m H 25.48316.0126.0145.0)112195(=++⨯+⨯+⨯---=
m
h m
h 25.51325.48302=+==塔总高为裙座高
4.2 塔径
m D 4.1=
4.3 溢流装置
m
D l D
l w w 98.04.17.07.0.806.0=⨯===取堰长）到（堰长选用单溢流降液管
m
h m h h h h m h h h m
l L E h h m l L h m L L m
h h h h h ow w ow
w ow ow l w w h ow w h S h l ow w l w 01028.0,04792.001028.005.004792.001028.01.005.0-.1004792.001028.006.001028.0)98.074712.6(1100084.2)(100084.2/1008848.698
.074712
.6/74712.63600108742.1360006.032
32
333==-≥≥--≥≥=-=-==⨯⨯==〈===⨯⨯=⨯==+=-故成立验算根据平直堰堰高
符合液封要求
的流速为取液体通过降液管底隙降液管底隙高度m u l L h s
m h w 01885.01
.098.00018742
.0''/.10,'=⨯== 4.4 塔板布置及浮阀数目
4.4.1降液管宽度与截面积
2221369.04.1414.3089.04089.0089.0196.04.114.014.07.0m D A A A m W D W D l f T f d d w =⨯⨯=⨯=⇒==⨯=⇒==π查得从弓形堰校正系数图上由
验算液体在降液管中停留时间t
s s L H A s
s L H A m H S T f S T f T 51375.2610
3578.245
.01369.0'
51496.41104791.145
.01369.045.03
23
1〉=⨯⨯=
=
〉=⨯⨯===--ττ提留段精馏段 均使用符合要求
4.4.2 流体力学验算
阀空数的计算
s
m F u s
m F u F F V V /0335.137132
.011
/8332.1003103
.111
112
021
0110==
=
====ρρ提留段：精馏段：型重阀），求阀空气速（采用取阀空动能因子
每层塔板上浮阀数
块
取板上浮阀数为块取提留段：块取精馏段：86835.820335
.1305.014.3109
.24'4863.858332
.1005.014.38137
.1442
022022
01201=⨯⨯⨯==
=⨯⨯⨯==u d V N u d V N ππ
浮阀空数图
4.4.3 塔板开孔率
m
W m W m W D
W S C d d
635.005.00196.04.114.014.0===⨯=⇒=两边安定区宽度取边缘区宽度 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取等边三角形高t'=75mm=0.075m
m
W W D x r
x
r x r x A A Nt A t S d P P P
4405.0)0635.0196.0(2
4
.1)(2)
arcsin 180)((2'
222=+-=+-=+-⨯==
π为鼓泡区面积且则排间距 2
22205.1]65
.04405
.0arcsin 65.018014.3)4405.065.0(4405.0[265.005.02
4.12m A m W D r P C =⨯+
-⨯⨯==-=-=
%
11%100)4.105.0(86%100)(4416.0075
.08605.1'2
2022
0=⨯⨯=⨯=⨯÷⨯÷==⨯==
D d N D N d m Nt A t P ππφ塔板开孔率 在常压操作时开孔率在10%到14%之间，所以验算准确。

4.4.4单板压降
降
为气体痛过上液层的压气体通过干板压降，压降，为气体通过一层塔板的11
h h h h h h c p c p +=g
u h u u u h u u L V c c L c c ρρρ237.59.192
00175
.00
00=≥=≤）阀全开后（）阀全开前（
m
h u u s
m u m
h u u s
m u c c c c c c 03658.081
.92995.90520335
.137123.037.5/65.127123
.01
.730417.02111
.79481.928332.1003103.137.5/33.1003103
.11
.732
002825.102
00825
.10=⨯⨯⨯⨯=〉===⨯⨯⨯⨯=⇒〉==提馏所以由于提留段：精馏段：临界空速： m h h h h h h h h w w L L 03071.001028.004972.04.04.0'''0111=+⨯=+=+=为板上有效液层厚度湿板压降δ
m
h h h m h h h m h m h d g h h L L L 3093.00105.573071.00'3077.001053.953017.00'1055.710
502995.90581.9108452.55610953.510
502111.79481.91065.38664-14-14
3
343
3
=⨯+=+==⨯+=+=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==
------提馏提馏精馏精馏提留段精馏段降为表面张力所产生的压δδδδδδρδ
a
L p f L c p L c p p g h p m
h h h m h h h 63.56481.92111.79407427.06751.003093.003658.007247.003077.00417.00=⨯⨯==∆=+=+==+=+=ρ精馏提馏提馏提馏精馏精馏精馏单板压降
a L P g h p 56.59981.92995.90506751.0)(=⨯⨯==∆ρ提馏单板压降
4.4.5 淹塔校核与液（雾）沫夹带
为防止淹塔现象要控制降液管中请液层高度)(w T d h H H +≤ϕ
损失
液体通过降液管的压头提馏段精馏段d p L p d
L p d h m
h m h m h h h h H 06751.006.0,07247.0===++=
m h l L H w d 423201101.2)04732
.098.0104971.1(2.0.20--⨯=⨯⨯⨯==）（在精馏段：精馏
m h h h H d l p d 1372.0101.206.007247.0411=⨯++=++=-精馏 m h l L h w d 42
3202102.5)04732
.098.0103578.2(2.0.20--⨯=⨯⨯⨯==）（在提留段：提馏
发生液泛
给定条件下降液管不会所以在设计塔板的结构）
（均小于与）（取前已经选定提馏精馏提馏w T d d w T w T d p d h H H H m
h H m h m H m h h h H +≈+⨯=+====⨯++=++=-ϕϕϕ24986.0)04972.045.0(5.0.5
0,04972.0,5.4012803.0102.506.00657.04212
4.4.
5.1雾沫夹带
计算泛点百分率校核雾沫夹带
%10078.00⨯-=
A
C K V
F V
L V ρρρ泛点率
80%%3.549386
.511.1018.703103.01-111.27943103
.017.811
/2111.794,/3103.011
.1053886.14
4.114.34/137.8103131222
31小于精馏段泛点，取查泛点负荷系数图得在精馏段：=⨯⨯⨯⨯
=
=====⨯===K m kg m kg C m D A s
m V L V F ρρπ
%80%4.850%100386
.5197.0018.70123.70-995.2905123
.7009.121
97
.00,/2995.905,/7123.0/09.1202323232小于提留段泛点取查泛点负荷图得在提留段≈⨯⨯⨯⨯⨯
=
=====K C m kg m kg s
m V F L V ρρ
以上均符合要求
4.4.
5.2验算雾沫夹带
精馏段s
pa s mpa s mpa C m N m Vm v
v L V .106.2159676.80-1859767.0.127.00,.119.00.278)
(/1065.38)(
1063.55-3425
.0-95.205⨯=+===⨯=⨯=--水蒸气乙醇气乙醇气水蒸气精馏
）（，在查图求的）（
μμμμμδμρρρδο
%57)6842
.03384.01788.1(7.0450)72.160052.0(159.06842.04.1405.14
A A 1.1788m/s
.70.80~.6095.0,159.0400)()72.1052.0(3384.0)10
26.103103.12111.794()03103.165.38(
1063.57.32
95.02
2P 7.32
425
.05
295.05≈⨯⨯⨯-⨯⨯=≈⨯⨯===
===⇒≥-==⨯-⨯=--e D A B mm H m u H h e m P T T L ππεϕϕβεϕβ空塔气速为）取的值（由
在提留段：
s
pa s
mpa s mpa cm dyc m kg m kg C V V L .1027.1127.0010558.91-1122.0010558.9110558.91-1109558.1'.112.00,.127.00',/85.55'/7123.0',/955.2905'9.9954-4-4-43
3--⨯=⨯⨯+⨯⨯=⨯+⨯======）（）（’，在水蒸气醇气乙醇气水蒸气μμμμμδρρο%
6.21)6824
.044.01788
.1(
)7.0450()72.160052.0(159.0)'()72.1052.0(44.0)10207.17123.02955.905()7123.08.55(
1063.5)'
''()''(1063.5'7.3295.07.32
425
.05
295.057
.3295.05=⨯⨯⨯÷-⨯⨯=-==⨯-⨯⨯=-⨯=---m H h e m T L Vm V L V εμϕβμρρρδβ
4.4.6 漏液
,
4
633min 0min
00min 01V
S F
u Nu d V F g F ρπ
=
==气相最小负荷，选型重阀，重量为选取的
不会发生过量液漏
提馏精馏提馏精馏s
m s V s
m s m V s m u s m u S S /7394.1/m 80.51092.17835.004
/7753.1/973.9009.95865.004
/092.17,/09.95332min 332min min 0min 0〈=⨯⨯⨯=
〈=⨯⨯⨯===π
π
4.4.7负荷性能图 4.4.7.1极限雾沫夹带线
602
.22277.0381,097.0,05.1008.1196.024.12%80%
1006.31%
10020+-=====⨯-=-=⨯+-=
=L V K C m A m W D Z A C K LZ V
e F p d L P
L
V
L V F 整理得计算按泛点精馏段：泛点取极限夹带ρρρ
038
.9256.8481,097.0,05.1,008.102+-=====L V K C m A m Z F P L 整理得：在提留段
4.4.7.2液泛线
1803.010535.12476.9108541.311803.010531.53476.9108541.31)4.0()(2499.0)04972.045.0(5.0)(2
0423
2
2
0423
2=⨯++=⨯+++++++==+⨯=+=--u L L u L L h h h h h h H h H H c
d ow w ow w d ow T d 在提留段液泛线为：在精馏段液泛线为：ϕ
为阀空数
为阀空直径，N d uN
d V 24
π
=
S
Lm /3
液相流量
5106-⨯ 4105.1-⨯ 3103-⨯ 3105.4-⨯
0.009 0.018
s m u /:0气速精馏段阀空
22.3965 22.2863 20.6255 19.9338 17.8245
11.6688
S
m V S /:3积流量空气体体精馏段阀
3.7800 3.7641 3.4811 3.3643 1.9694 3.0083
s m u /:0气速提留段阀空
36.9524 36.7706 34.0304 32.8919 22.8954 15.5388
s
m V /:3积流量空气体体提留段阀 6.0191 5.9895 5.5431 5.3577 3.7294 2.5311
4.7.2.1图精馏段负荷性能图
4.7.2.2图提留段负荷性能图
1859.29973
.018
.29973.0,18.2min max min max =====V V V V 操作弹性由图上可读出精馏段：
96.1158
.127
.21580.1,27.2min max min max ===
==V V V V 操作弹性由图上可读得提留段：
4.4.7.3降液管液相负荷上限线
s
m H A L L
H A s s
T
f T f /0154.04
45
.01369.04
445~33=⨯=
=⇒===ττ间下限
作为在降液管中停留时中停留时间为现在选取液体在降液管于降液管中停留时间不低液体最大流量应保证在
4.4.7.4液相下限线
s
m L s
m L L l L E L mm w /104.38/1034.8)98
.0(1668.0)(68.6006.006343432
32
--⨯=⨯=⇒⨯⨯==提留段：精馏段：的下限值
，求液相负荷为平直堰上最小液层厚度 4.4.7.5气相负荷下限
s
m N A u V s
m N A u V mm V u F F V /1580.18305.04
1092.7'/973.90865.004
09.9550632003200001=⨯⨯⨯===⨯⨯⨯
====π
π
ρ提留段提留段精馏段精馏段在提留段：在精馏段：时
重阀直径为的下限值，求出气相负荷为气体最小负荷比标准型重型取对于
五、机械强度计算
塔底强度校核 5.1圆筒体厚度
[][]mm
mm D mm
mm
C MPa
C R MPa P C P
PD i d t
t
i
d .828.21000
1400
2100026242.221
.085.01322104.11.02,5.8013210020,.102min min 322
不小于且按刚度要求需采用双面对接焊时为，在为常压操作圆筒体厚度δδδφφδφδδο=⨯===+-⨯⨯⨯⨯====+-=
考虑到塔体较高，内径较小，应适当增加厚度且取为17mm 适用，则有效厚度为15mm
封头壁厚
[]mm C P
PD t
i d 73.221.085.013224
.11.022=+-⨯⨯⨯=+-=
φδδ采用标准椭圆封头 mm n 18=δ头与筒体为了便于等厚焊接取封
5.2．载荷与应力分析
质量载荷计算
kg m m kg m H m D m D H D D m 4221311221105243.2785025.48)4.1436.1(4
14
.3/7850,25.48,.414.431218.00.41)-(4
⨯=⨯⨯-⨯=
====⨯+==
ρρ
π
内外内外，他体质量
kg
m m
H m D m D H D D m m m 42222222
22106813.2785025.51)4.1436.1(4
5.25135.248.41
6.431)-(4
3,⨯=⨯⨯-⨯=
=+====
π
ρ
π
，，裙座高度为塔体与裙座的质量为内外内外
kg m m 342310363.5106813.22.02.0⨯=⨯⨯==人孔法兰接管等质量
h N A m f ρ=4内构件质量
mm h mm mm mm h m A N N f 44,3,21396.0942.5931535
.4043
2
===-=
三种，取为塔板厚度标准有块，取为为塔板数目 kg m 0434.4127850104941396.044=⨯⨯⨯⨯=-
m mm D m kg mm H D m 63.1163010021430,/300100)D -(42322225==⨯+===
外内外，取保温层厚度保温层质量ρρ
π
kg m 3225109541.630025.48)434.163.1(4
14
.3⨯=⨯⨯-⨯=
扶梯平台质量
扶梯单位长度上的质量为40kg/m,操作平台共n 层 平台间距（2m ～8m ）取5m 。

操作平台宽1200mm ，密度3/150m kg C ο180直角
[]
kg m n 422
6100135.1360
180
1015063.1)22.163.1(4
4025.511065.95
25
.48⨯≈⨯
⨯⨯-⨯++
⨯===
π
层取
操作时塔内物料质量
3
27/702.68683
67
.1852324.4958111.27943
4
m kg Nh D m L L
L ≈++=
++=
=
进料
塔釜塔顶ρρρρρπ
kg
H D m kg m w 43212327104238.7105.248.41414
.34105346.72702.86806.0944.14
14
.3⨯=⨯⨯⨯==⨯≈⨯⨯⨯⨯=
水充水质量ρπ
5.3塔体与裙座操作质量
kg m m m m m m m 47654320107212.5⨯=+++++=
kg
m m m m m kg m m m kg
m m m m m m m w 46532min 5440max 47654310'109265.4103145.110116.7107784.6105642.5⨯=+++=⨯=⨯+⨯=+=⨯=+++++=最小操作质量最大操作质量塔体操作质量 5.4.1塔自震周期 70.21400
16101.210
25.51107212.525.5233.901033.903
53
4
3
03=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
⨯=⨯=-L
e D E H
m H T δ
式中，mm H
31025.51⨯=，kg m 40107212.5⨯=
MPa E 5101.2⨯=，mm e 16218=-=δ，
mm m D L 14004.1==
5.4.2 风载荷与风弯矩
5.4.2.1风载荷：
将塔沿高度分成五段：P=K 1K 2q o f i l i D e
K 1=0.7， K 2=1.4m ， 塔高=51.25m ， D e =1.4m ， q o =30×10-5MPa 若在合肥郊区建厂，则f i 如下：
3-10.25m L 1=10.25-3=7.25m f 1=1.00 10.25-20.5m L 2=20.5-10.25=10.25m f 2=1.25 20.5-30.75m L 3=30.75-20.5=10.25m f 3=1.42 30.75-41m L 4=41-30.75=10.25m f 4=1.56 41-51.25m L 5=51.25-41=10.25m f 5=1.67 扶梯的附加宽度：K 3=200mm （斜梯） 操作平台的附加量：K 4=2∑（A/li ）
其最大值为一，计算塔段10m 中有层平台，每层平台迎风面积为0.5m 2 K 4=（2×5×0.4×106）/1000=400mm
D e =D0+2δi +K 3+K 4=1824+2×100+200+400=2624mm 塔体各段风力：
5-10.25m: P 1=K 1K 21q o f 1l 1D e1=0.7×1.75×300×1.0×7.25×2.3902=4611.592N 10-20m: P 2=K 1K 22q o f 2l 2D e2=0.7×1.75×30×10-5×10000×1.14×2624=10993.25N 20-30m: P 3=K1K 23q o f 3l 3D e3=0.7×1.75×30×10×-5×10000×1.42×2624=12825.46N
30-33.4m: P 4=K 1K 24q o f 4l 4D e4=0.7×1.75×30×10-5×1.56×3400×2624=4786.88N
5.4.2.2风弯矩：
各截面的风弯矩为：
)()(2212121n i i l i i i n l i i l i i
i w l l l P l P P M ΛΛ+++++++=+++-+
若0-0截面为裙座基底截面，1-1截面为裙座人孔处截面，2-2截面为裙座与塔体焊缝处截面 0-0处截面弯矩
m N M w ⋅=-00
N D l f q K K P e o o 2.9643264200.11000010
3075.17.05'121'1=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-
N D l f q K K P e o o 24.6750264200.7000110
3075.17.05''121''1=⨯⨯⨯⨯⨯==-m N M w ⋅=++++++⨯++⨯+⨯=-62.575087 )2/4.310107(88.4786 )
2/10107(46.12825)2/107(25.109932/7675022
5.4.2.3 地震载荷
地震烈度为7时，地震影响系数最大值错误!未指定书签。

Ⅱ类场地上s T g
3.0=，则
03184
.0)70
.23.0(23.0)
(
9
.09
.0max =⨯==T
T g δα
由于617.364.125.51==D H .塔体任意点λ的地震载荷为：32
35H
x Q C S x α= C ——结构系数，小于1，取C=0.5，立式设备考略高振影响 确定危险截面：0-0截面为裙座基座截面
1-1截面为裙座人孔处截面 2-2截面为塔底焊缝处截面 0-0截面地震弯矩
m N QH C M d ⋅⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==
550
103838.425.5181.9103145.103184.05.0125
125α
m N M M d d
⋅⨯=⨯⨯==-550
0104798.5103838.425.125.11-1截面
地震弯矩
m
N H h h H H Q
C M d ⋅⨯=+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+-=534345
34
11341
102698.425.511125.51425.51381.9103145.103184.05.036543365αm N M M d d ⋅⨯=⨯⨯==-550
11103373.5102698.423.125.1
2-2截面地震弯矩
m
N H
h h H H Q C M d
⋅⨯=+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+-=534345
4
22342
108146.325.515525.51425.51381.9103145.103184.05.0365433653
αm
N M M d d
⋅⨯=⨯⨯==-552
2
2107683.4108146.325.125.1
5.5. 强度与稳定性验算
5.5.1 塔底危险截面2-2轴向应力及稳定性条件判断
ζ
δσ41i
PD =
ζ
δπσi o
D g m =2
ζ
δπσi w
D M 22234-=
MPa PD i 3642.2016
.044.1101325.041=⨯⨯==ζδσ
MPa D g m i o 2780.8016
.04.114.381.9105642.54'2=⨯⨯⨯⨯==ζδπσ
MPa D M i w 1764.70016
.04.114.36196.1442
2223=⨯⨯⨯==-ζδπσ MPa K t 425.13811375.17.0][=⨯⨯=σ MPa
R E K K i
e t t cr 75.3307.0/015.0101.206.075.17.0/06.0][5
=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=δσ
由于[]t
cr K MPa δσσσ≤=+=+=4544.781764.70278.83
2max
故塔底2-2截面满足抗压强度及轴向稳定条件。

5.5.2 塔底（2-2）截面上的抗拉强度校核
塔底（2-2）截面上的最大拉应力：
MPa
2626.641764.70278.83642.221max =+-=+-=σσσσMPa K t 445.13785.013275.17.0][=⨯⨯⨯=φσ
由于φσσt
K ][max 〈，因此该截面满足抗拉强度要求。

综合以上各项计算表明，在各种不同危险截面达到要求时，塔体壁厚取δn =18mm ，可以满足强度、刚度、稳定性要求。

5.6．裙座的强度和稳定性计算 5.
6.1 裙座强度校核：
裙座厚度δ=18mm,厚度附加量C=2mm ，则有效厚度δes =18-2=16mm.
5.6.1.1 裙座底部0-0截面轴向应力计算：
操作时全塔质量引起的压应力：
MPa D g m es i 0929.7016
.04.114.381.9107212..5402=⨯⨯⨯⨯==δπσ
风载荷引起的0-0截面弯曲应力：
MPa D M es i w 2545.75016
.04.1785.0107368.1785.02
6
20
03=⨯⨯⨯==-δσ 5.6.1.2 裙座底部0-0截面强度及轴向稳定性校核
{}
t
s
cr t
K K ][,][min 21max σσσσσ≤+=
所以，裙座材料采用20R 钢，查表钢制压力容器中使用钢板许用应力得：
P
i es t s cr t MPa R E MPa σδσσσ〉=⨯
⨯⨯====3785
.0015.0101.206.0/06.0][132][][52而，
即裙座出现失稳之前，材料已达弹性极限，因此强度时主要因素。

MPa
K MPa t 7.161][3474.822545.750928.732max =〈=+=+=σσσσ由于
因此满足了强度及稳定性要求。

5.6.1.3 裙座人孔处1-1截面轴向应力计算
全塔质量引起的压应力MPa 0929.72
=σ
风载荷一起的1-1截面弯曲应力
MPa S D M es i w
5768.72016.04.14
14.310675.1426
21
13=⨯⨯⨯==-πσ
5.6.1.4 裙座人孔处1-1截面强度及轴向稳定性校核
{}t
s cr t K K ][,][min 32max σσσσσ≤+=
MPa
K t 7.161][6697.795768.720929.732max =≤=+=+=σσσσ
故满足强度及稳定性要求。

5.7 焊缝强度
此塔裙座与塔体采用对接焊，局部无损探伤，焊缝承受的组合拉应力为：
MPa
D g m D M es i es i 6648.61016.04.114.381
.9107212.5016.04.1414.3106196.1442620222max
3=⨯⨯⨯⨯-
⨯⨯⨯=-=-δπδπσ 20R 在操作温度下的许用应力MPa t
w 132=σ
而302.9775.17.01326.06.0σσ〉=⨯⨯⨯=MPa K t
w
.因此焊缝的强度满足
5.8 水压试验时塔的强度和稳定性验算
5.8.1 水压试验时塔体环向应力稳定条件
φ
δφ
δδσs e e i T T D P P 9.02))(('≤++=
式中，P'为液柱静压力，因塔体高约51.25m,故取P '=0.51MPa 0.9σs ×φ=0.9×235×0.85=179.775MPa
φ
σφ
δδσs e e i T T MPa D P P 9.02363.3585.0016.02)016.04.1()51.0125.0(2)
)('(≤=⨯⨯+⨯+=++=
由于
因此满足水压试验强度要求
5.8.2水压试验时压力引起的轴向应力：
MPa D P e i T 9172.2016
.044
.1125.041=⨯⨯==
δσ 5.8.3 水压试验时重力引起的轴向应力：
MPa
D m m m D g m i
e i e 3225.194
.1016.014.381
.9)106813.2105243.2103145.1()(44521max 22max 222
-=⨯⨯⨯⨯-⨯+⨯-=-+-
=-=--πδπδσ
5.8.4 由弯矩引起的轴向应力：
MPa D M e
i w
0529.21016.04.14
14
.3106196.13.04
3.026
2
2
22
23
-=⨯⨯⨯⨯-=-
=--δπ
σ
5.8.5 最大组合轴向拉应力将设备质量和风载荷校核：
MPa
4582.370529.213225.199172.2223222122max -=--=++=---σσσσ2
2max
2244.22085.023575.17.09.09.0-〉=⨯⨯⨯⨯=σφδMPa K s
因此满足轴向稳定性要求。

5.9 裙座基础环设计：
裙座通过基础环
5.9.1基础环内外径确定：
()mm D D D mm mm D mm
D D os os ob os ob 1640100220214002200019403001640400~160=⨯+⨯+=++==+=+=保温层壁厚内为塔外径与保温层之和
圆整至取δδ
基础环内径
()
mm mm D D D ib os ib 150013403001640400~160圆整至取=-=-=
设计时选取mm D mm D ib ob 1500,2000==
5.9.2基础环壁厚的确定：
采用n=20个均布的地脚螺栓，将基础环固定在混凝土基础上，基础环上筋板（设厚度mm 242=δ）间的距离为：
mm n D l ob
3.185********
14.32=-⨯=
-=
δπ
基础环外伸宽度：
mm D D b os ob 1802
164020002=-=-=
两筋板间基础环部分的长宽比： 97.03
.185180≈=l b 由矩形板力矩查表得： ()()MPa
b 1902.37.2781.097.0781
.0537.17
.29279.4.01~.9097.0max =+-⨯--=δ之间
介于 0.1266218.0101902.31225.01225.0262max =⨯⨯⨯=⨯⨯==b M M y s σ 所以，基础环也采用20R 钢，其厚度为：
mm mm c M b b s b 20 7815.152400
12662
6][6==+⨯=+=
δσδ取 [σ]b 为基础环材料的许用应力，一般低碳钢结构取[σ]b =400MPa
5.9.3：裙座水压试验校核
5.9.3.1水压试验时由重力引起的轴向应力2δ
()[]
m e m m e i sm sm
es is A b D A A g m MPa D g m -+∑-=-=-≈⨯⨯⨯⨯-=-=----δδδπδ
δπδ2556.19016
.04.114.381.9103145.11
1max 1
12
500max 0
02
()m
m m l m b D l A e m m m im m
m m 15.00,17.0018.105.02为裙座壁厚取为为加强管壁厚取为为加强管长度取为，人孔直径裙座直径，δδδ== ()[]205788.0018.0117.02015.0018.025.02016.04.114.3m A Sm ≈⨯⨯-⨯⨯+⨯-⨯⨯=
5.9.3.2水压试验室由弯矩引起的应力3σ
MPa A g m Sm 2793.2205788
.081.9103145.1511max 112
-≈⨯⨯=-=--δ
MPa D M es
is W
5763.22016.04.14
14
.3107368.13.04
.3026
20
00
-03
3
±=⨯⨯⨯⨯±=±
=-δπ
δ
δ轴向应力水压试验时由弯矩引起
3
2
2
2
2
1
1113
10
513.125.024.1118.0015.022223.0---⨯≈⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=±
=m is m
es m Sm Sm
W b D l Z Z Z M δδ
系数为裙座处人孔截面抗弯01561.010513.12016.04.15.02016.04.14
24322
=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-⨯⨯⨯-⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-∑-=
-πδδπ
m e im m e is sm Z D b D Z
MPa 1909.3201561
.010675.13.061
13
±=⨯⨯±=-δ
5.9.3.3最大组合轴向压应力校核
[][][]满足要求
由于取轴向许用应力
cr cr b s cr MPa k kb MPa
MPa δδδδδδδδδδδ〈==-=--=+=-=--=+=--------},max{0875.259}9.0{4702.541909.322793.221323.425763.22556.191
1max 00max 11311211max 00300200max。