化工原理课程设计 (2)(2013)
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2013-6-24
6、塔板负荷性能图；
7、辅助设备计算与选型（泵、再沸器及冷 凝器） 8、筛板塔的工艺设计计算结果总表 ； 9、筛板塔接管尺寸一览表 10、设计讨论 11、参考文献 12、附属图纸（理论板图解图、塔板负荷 性能图、塔板结构示意图及工艺流程图）
2013-6-24
四、精馏塔工艺设计
计算前先查出物性数据。
2013-6-24
4、塔板工艺尺寸计算
安定区
开孔区
受 液 区
降 液 管
溢流堰
2013-6-24
2013-6-24
2013-6-24
（1）溢流装置的设计
2013-6-24
液相负荷、塔径与液流型式的关系
液体流量L，m3/h 塔径D，mm U形流 单溢流 双溢流
1000 1400 2000 3000 4000 5000
7以下 9以下 11以下 11以下 11以下 11以下
45以下 70以下 90以下 110以下 110以下 110以下
90～160 110～200 110～230 110～250
2013-6-24
1) 出口堰（溢流堰）
(0.6 ~ 0.8) D
堰长
，单溢流
lW
(0.5 ~ 0.6) D
，双溢流
塔径标准化以后，应重新验算液沫夹带量，必要时在此先进 行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各 项计算。
2013-6-24
塔有效高度：
H HD ( N p 2 S ) HT S H HF HB
' T
式中 HD——塔顶空间，m；
HB——塔底空间，m；
HT——塔板间距，m； HT’——开有人孔的塔板间距，m； HF——进料段高度，m； Np——实际塔板数； S——人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。
泡罩板
浮阀板
较成熟，操 结构复杂，阻力 作范围宽 大，生产能力低
某些要求弹性好 的特殊塔
效率高，操 采 用 不 锈 钢 ， 分离要求高,负荷变化 作范围宽 浮阀易脱落 大;原油常压分馏塔
筛板
效率较高， 安装要求水平,易 分离要求高,塔板较 成本低 堵,操作范围窄 多;化工中丙烯塔
舌型板 结 构 简 单 , 操 作 范 围 窄 ， 分离要求较低的闪 生产能力大 效率较低 蒸塔
2013-6-24
（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料 衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况 ，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理 论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。 通常，原料量和产量都以kg/h或吨/年来表示，但在 理论板计算时均须转换为kmol/h。另外，在设计时（ 如计算塔径），汽液流量又须用m3/s来表示。因此要 注意不同的场合应使用不同的流量单位。
塔板负荷性能图，塔板板面布置图。
• 生产工艺流程图第二周画。 • 说明书用A4纸书写，“化工原理”部分的图纸使用A2图纸
2013-6-24
二、设计题目
苯-甲苯溶液、苯-氯苯溶液、乙醇-水溶液及甲醇-水溶液的连 续精馏塔设计 设计条件见设计任务书
设计基础数据，如汽液相平衡数据、密度、粘度及表面张力、
Antoine方程中的常数等查阅有关参考资料。
工艺流程简图见后。
2013-6-24
2013-6-24
三、设计说明书的内容
1、目录 2、设计题目及原始数据(任务书)；
3、设计方案的确定及流程说明；
4、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡
算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径、
塔板设计、进出管径等);
5、塔板流体力学验算；
斜孔板 生 产 能 力 操作范围比浮阀 分离要求高 ， 生产 大,效率高 塔和泡罩塔窄 能力大
2013-6-24
2013-6-24
一、化工原理课程设计的目的和要求
• 目的：
– 锻炼综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、 设备选型、绘制图形、编写说明书。 – 培养工程观念：理论→小试→放大。
2013-6-24
2013-6-24
塔顶空间HD ：
塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔 气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为（ 1.5～2.0）HT。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要 求确定塔顶空间。
人孔数目S：
人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处
2013-6-24
（2）塔板设计
塔板可分为： 整块式，D800mm 分块式，D≥900mm 塔板面积分区：
鼓泡区，有效传质区
溢流区，降液管（及受液盘）所占区域 破沫区（安定区），进口防漏液，出口防汽泡夹带
2013-6-24
塔板的板面布置
有效传质区 Aa 降液区 A f A'f 塔板出、入孔安定区 Ws Ws' 尽 量 增 大 Aa
V ( R 1) D (1 q) F L RD qF
操作线方程：
RD qF W y m1 xm xW (R 1)D (1 q)F (R 1)D (1 q)F
q线方程： 由自定的q值和xF确定。
2013-6-24
2013-6-24
y1 ( xD )
y2
y3
xf
B A
xD R 1
y4
y5
y6
C
xw
xw x5
x4
x3
x2 x f
x1
xD
L xi i
i 1
n
是以加料的组成和状态计算的液体平均粘度，
和
2013-6-24
的估算都是以塔顶塔底的算术平均温度为准。
3、塔径及塔有效高度的计算
根据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径
x D ye Rm ye x e
再由自定的倍数求出回流比 （i）精馏段 上升蒸汽量： V=(R+1)D 下降液体量： L=RD 操作线方程：
L D yn 1 xn xD V V
R 1 yn 1 xn xD R 1 R 1
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提馏段
上升蒸汽量：
下降液体量：
成本
1.0
1.2～1.4
1.1
35～100 低
中 低 低
0.4～0.5
0.7～0.8 0.5~0.6 0.5
1.2～1.3 1.1～1.2 10～100
舌型塔板 1.3～1.5
斜孔板 1.5～1.8
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1.1
1.1
50～100 30～100
各种塔板的优点及适用范围
塔板类型 优 点 缺 点 适用范围
一、化工原理课程设计的目的 和要求
二、设计题目
化工原理课
程设计
--板式精馏塔设计
三、设计说明书的内容 四、精馏塔工艺设计 五、塔板流体力学验算 六、塔板负荷性能图 七、精馏塔接管尺寸计算
八、辅助设备计算与选型
九、生产工艺流程图
2013-6-24
化工原理课程设计--板式精馏塔设计
板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板 上气液接触元件的不同 ：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多 孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔。
1、物料衡算与操作线方程
通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流
量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：
（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求 （塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量 （2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提 馏段的上升蒸汽量和下降液体量；
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832
年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学
工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板。
林德塔板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波
纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板
2013-6-24
塔板的比较
塔板性能比较
相 对 生 相 对 操作范围 压强 结构 塔板类型 降 产能力 板效率 泡罩板 筛板 浮阀板 1.0 1.0 10～100 高 复杂 简单 一般 简单 简单
边缘区 WC
有效面积 Aa
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1）有效传质区（开孔区）：
对单溢流塔板
2 1 x 2 2 Aa 2 x r x r sin 0 180 r
D x Wd Ws , m 2 D r Wc , m 2
sin
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1
x r
E—液流收缩系数，见后图
当E=1时，可用列线图求hOW，见教材P112图5-6。 齿形堰：一般齿深hn<15mm 当液层高度不超过齿顶时：
2 5
h OW
how确定后，以下式
0.1 hOW hW 0.05 hOW
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全塔总物料衡算： 总物料 易挥发组分 F=D+W FχF = DχD + WχW
若以塔顶易挥发组分为主要产品，则塔顶回收率η为
DxD Fx F
则得到：
xF xW DF xD xW
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xD xF W F xD xW
操作线方程：
先求最小回流比：
理不需要经常清洗的物料，可隔8～10块塔板设置一个人孔；
对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔4～6块塔板开
一个人孔。人孔直径通常为450mm。所以人孔处板间距不低 于600mm。
2013-6-24
塔底空间HB 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。 其值视具体情况而定： 当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可 取3～5分钟，否则需有10～15分钟的储量，以保证塔底料液 不致流空。 塔底产品量大，塔底容量可取小些，停留时间可取3～5分钟 对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取1～1.5分钟。
hL hW hOW
式中 hL-—板上液层高度，m； h w—堰高，m； how—堰上液层高度，m。 <6mm，采用齿形堰 hOW >6mm，单溢流 >60mm，双溢流
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平直堰：
h OW
2.84 L h E 1000 l W
2 3
式中 Lh—塔内液体流量，m3/h。
—以角度数表示的反三角函数值。
2）安定区：---避免液沫夹带和减少漏液
如不能满足应调整降液管尺寸或板间距。 降液管底隙高度： 既要液体阻力小，又要气体不短路，一般：
Lh ho 3600 W u l o
2013-6-24
u´0—液体通过降液管底隙时的流
速，m/s。 uo
0.07 ~ 0.25m / s
进口堰及受液盘： 进口堰可以保证降液管的液封，并使塔板上液体分布均匀， 但占用塔面，易使沉淀物淤积，故多数不采用。 600以上的塔，多采用受液盘，这种结构便于侧线抽液体， 低液流时液封良好，具有改变液体流向的缓冲作用，一般深 度>50mm。
• 要求：
– 设定大致框架，绘制工艺流程图； – 进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，直 径，塔板数等）； – 选择附属设备； – 根据计算结果绘制主体设备图形； – 编写设计说明书。
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•
具体要求
• 所有工作必须独立完成
• 设计时间2周
• 化工原理部分一周
•
完成设计说明书，x-y相图（包括理论板数的求解过程），
化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450 ，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、 检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间， 其值不应小于600mm。
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自己选取板上液层高度hL。 常压塔一般为0.05-0.08m。 注意：此处要试差。 按标准，塔径圆整 再重新计算空塔气速。 验算板间距选择是否得当方法：
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E
教材P111图5-5
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液流收缩系数计算图
2）降液管
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弓型降液管的宽度及截面积： 从教材 P112图5-7，可求出Wd和Af，求出Af之后，应验算停 留时间：
3600A f H T Lh HT 3 ~ 5s (u L ) Lh Af
4Vs D u
u (0.6 ~ 0.8)umax
L V C V
umax
0 .2 C C 20 ( ) 20
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C——气体负荷因子，m/s
教材P108，图5-1
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选取塔板间距：塔板间距与塔径的关系
塔 径/D，m 板 间 距 / HT ，mm 0.3～ 0.5 200～ 300 0.5～0.8 250～350 0.8～1.6 300～450 1.6～2.4 350～600 2.4～4.0 400～600
6、塔板负荷性能图；
7、辅助设备计算与选型（泵、再沸器及冷 凝器） 8、筛板塔的工艺设计计算结果总表 ； 9、筛板塔接管尺寸一览表 10、设计讨论 11、参考文献 12、附属图纸（理论板图解图、塔板负荷 性能图、塔板结构示意图及工艺流程图）
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四、精馏塔工艺设计
计算前先查出物性数据。
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4、塔板工艺尺寸计算
安定区
开孔区
受 液 区
降 液 管
溢流堰
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（1）溢流装置的设计
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液相负荷、塔径与液流型式的关系
液体流量L，m3/h 塔径D，mm U形流 单溢流 双溢流
1000 1400 2000 3000 4000 5000
7以下 9以下 11以下 11以下 11以下 11以下
45以下 70以下 90以下 110以下 110以下 110以下
90～160 110～200 110～230 110～250
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1) 出口堰（溢流堰）
(0.6 ~ 0.8) D
堰长
，单溢流
lW
(0.5 ~ 0.6) D
，双溢流
塔径标准化以后，应重新验算液沫夹带量，必要时在此先进 行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各 项计算。
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塔有效高度：
H HD ( N p 2 S ) HT S H HF HB
' T
式中 HD——塔顶空间，m；
HB——塔底空间，m；
HT——塔板间距，m； HT’——开有人孔的塔板间距，m； HF——进料段高度，m； Np——实际塔板数； S——人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。
泡罩板
浮阀板
较成熟，操 结构复杂，阻力 作范围宽 大，生产能力低
某些要求弹性好 的特殊塔
效率高，操 采 用 不 锈 钢 ， 分离要求高,负荷变化 作范围宽 浮阀易脱落 大;原油常压分馏塔
筛板
效率较高， 安装要求水平,易 分离要求高,塔板较 成本低 堵,操作范围窄 多;化工中丙烯塔
舌型板 结 构 简 单 , 操 作 范 围 窄 ， 分离要求较低的闪 生产能力大 效率较低 蒸塔
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（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程，通过物料 衡算可以确定精馏塔中各股物料的流量和组成情况 ，塔内各段的上升蒸汽量和下降液体量，为计算理 论板数以及塔径和塔板结构参数提供依据。 通常，原料量和产量都以kg/h或吨/年来表示，但在 理论板计算时均须转换为kmol/h。另外，在设计时（ 如计算塔径），汽液流量又须用m3/s来表示。因此要 注意不同的场合应使用不同的流量单位。
塔板负荷性能图，塔板板面布置图。
• 生产工艺流程图第二周画。 • 说明书用A4纸书写，“化工原理”部分的图纸使用A2图纸
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二、设计题目
苯-甲苯溶液、苯-氯苯溶液、乙醇-水溶液及甲醇-水溶液的连 续精馏塔设计 设计条件见设计任务书
设计基础数据，如汽液相平衡数据、密度、粘度及表面张力、
Antoine方程中的常数等查阅有关参考资料。
工艺流程简图见后。
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2013-6-24
三、设计说明书的内容
1、目录 2、设计题目及原始数据(任务书)；
3、设计方案的确定及流程说明；
4、精馏过程有关计算(物料衡算、热量衡
算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径、
塔板设计、进出管径等);
5、塔板流体力学验算；
斜孔板 生 产 能 力 操作范围比浮阀 分离要求高 ， 生产 大,效率高 塔和泡罩塔窄 能力大
2013-6-24
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一、化工原理课程设计的目的和要求
• 目的：
– 锻炼综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、 设备选型、绘制图形、编写说明书。 – 培养工程观念：理论→小试→放大。
2013-6-24
2013-6-24
塔顶空间HD ：
塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔 气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为（ 1.5～2.0）HT。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要 求确定塔顶空间。
人孔数目S：
人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处
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（2）塔板设计
塔板可分为： 整块式，D800mm 分块式，D≥900mm 塔板面积分区：
鼓泡区，有效传质区
溢流区，降液管（及受液盘）所占区域 破沫区（安定区），进口防漏液，出口防汽泡夹带
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塔板的板面布置
有效传质区 Aa 降液区 A f A'f 塔板出、入孔安定区 Ws Ws' 尽 量 增 大 Aa
V ( R 1) D (1 q) F L RD qF
操作线方程：
RD qF W y m1 xm xW (R 1)D (1 q)F (R 1)D (1 q)F
q线方程： 由自定的q值和xF确定。
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y1 ( xD )
y2
y3
xf
B A
xD R 1
y4
y5
y6
C
xw
xw x5
x4
x3
x2 x f
x1
xD
L xi i
i 1
n
是以加料的组成和状态计算的液体平均粘度，
和
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的估算都是以塔顶塔底的算术平均温度为准。
3、塔径及塔有效高度的计算
根据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径
x D ye Rm ye x e
再由自定的倍数求出回流比 （i）精馏段 上升蒸汽量： V=(R+1)D 下降液体量： L=RD 操作线方程：
L D yn 1 xn xD V V
R 1 yn 1 xn xD R 1 R 1
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提馏段
上升蒸汽量：
下降液体量：
成本
1.0
1.2～1.4
1.1
35～100 低
中 低 低
0.4～0.5
0.7～0.8 0.5~0.6 0.5
1.2～1.3 1.1～1.2 10～100
舌型塔板 1.3～1.5
斜孔板 1.5～1.8
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1.1
1.1
50～100 30～100
各种塔板的优点及适用范围
塔板类型 优 点 缺 点 适用范围
一、化工原理课程设计的目的 和要求
二、设计题目
化工原理课
程设计
--板式精馏塔设计
三、设计说明书的内容 四、精馏塔工艺设计 五、塔板流体力学验算 六、塔板负荷性能图 七、精馏塔接管尺寸计算
八、辅助设备计算与选型
九、生产工艺流程图
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化工原理课程设计--板式精馏塔设计
板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板 上气液接触元件的不同 ：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多 孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔。
1、物料衡算与操作线方程
通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成和进料流
量、组成之间的关系。物料衡算主要解决以下问题：
（1）根据设计任务所给定的处理原料量、原料浓度及分离要求 （塔顶、塔底产品的浓度）计算出每小时塔顶、塔底的产量 （2）在加料热状态q和回流比R选定后，分别算出精馏段和提 馏段的上升蒸汽量和下降液体量；
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832
年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学
工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板。
林德塔板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波
纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板
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塔板的比较
塔板性能比较
相 对 生 相 对 操作范围 压强 结构 塔板类型 降 产能力 板效率 泡罩板 筛板 浮阀板 1.0 1.0 10～100 高 复杂 简单 一般 简单 简单
边缘区 WC
有效面积 Aa
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1）有效传质区（开孔区）：
对单溢流塔板
2 1 x 2 2 Aa 2 x r x r sin 0 180 r
D x Wd Ws , m 2 D r Wc , m 2
sin
2013-6-24
1
x r
E—液流收缩系数，见后图
当E=1时，可用列线图求hOW，见教材P112图5-6。 齿形堰：一般齿深hn<15mm 当液层高度不超过齿顶时：
2 5
h OW
how确定后，以下式
0.1 hOW hW 0.05 hOW
2013-6-24
全塔总物料衡算： 总物料 易挥发组分 F=D+W FχF = DχD + WχW
若以塔顶易挥发组分为主要产品，则塔顶回收率η为
DxD Fx F
则得到：
xF xW DF xD xW
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xD xF W F xD xW
操作线方程：
先求最小回流比：
理不需要经常清洗的物料，可隔8～10块塔板设置一个人孔；
对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔4～6块塔板开
一个人孔。人孔直径通常为450mm。所以人孔处板间距不低 于600mm。
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塔底空间HB 塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。 其值视具体情况而定： 当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可 取3～5分钟，否则需有10～15分钟的储量，以保证塔底料液 不致流空。 塔底产品量大，塔底容量可取小些，停留时间可取3～5分钟 对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取1～1.5分钟。
hL hW hOW
式中 hL-—板上液层高度，m； h w—堰高，m； how—堰上液层高度，m。 <6mm，采用齿形堰 hOW >6mm，单溢流 >60mm，双溢流
2013-6-24
平直堰：
h OW
2.84 L h E 1000 l W
2 3
式中 Lh—塔内液体流量，m3/h。
—以角度数表示的反三角函数值。
2）安定区：---避免液沫夹带和减少漏液
如不能满足应调整降液管尺寸或板间距。 降液管底隙高度： 既要液体阻力小，又要气体不短路，一般：
Lh ho 3600 W u l o
2013-6-24
u´0—液体通过降液管底隙时的流
速，m/s。 uo
0.07 ~ 0.25m / s
进口堰及受液盘： 进口堰可以保证降液管的液封，并使塔板上液体分布均匀， 但占用塔面，易使沉淀物淤积，故多数不采用。 600以上的塔，多采用受液盘，这种结构便于侧线抽液体， 低液流时液封良好，具有改变液体流向的缓冲作用，一般深 度>50mm。
• 要求：
– 设定大致框架，绘制工艺流程图； – 进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，直 径，塔板数等）； – 选择附属设备； – 根据计算结果绘制主体设备图形； – 编写设计说明书。
2013-6-24
•
具体要求
• 所有工作必须独立完成
• 设计时间2周
• 化工原理部分一周
•
完成设计说明书，x-y相图（包括理论板数的求解过程），
化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450 ，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、 检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间， 其值不应小于600mm。
2013-6-24
自己选取板上液层高度hL。 常压塔一般为0.05-0.08m。 注意：此处要试差。 按标准，塔径圆整 再重新计算空塔气速。 验算板间距选择是否得当方法：
2013-6-24
E
教材P111图5-5
2013-6-24
液流收缩系数计算图
2）降液管
2013-6-24
弓型降液管的宽度及截面积： 从教材 P112图5-7，可求出Wd和Af，求出Af之后，应验算停 留时间：
3600A f H T Lh HT 3 ~ 5s (u L ) Lh Af
4Vs D u
u (0.6 ~ 0.8)umax
L V C V
umax
0 .2 C C 20 ( ) 20
2013-6-24
C——气体负荷因子，m/s
教材P108，图5-1
2013-6-24
选取塔板间距：塔板间距与塔径的关系
塔 径/D，m 板 间 距 / HT ，mm 0.3～ 0.5 200～ 300 0.5～0.8 250～350 0.8～1.6 300～450 1.6～2.4 350～600 2.4～4.0 400～600