板式塔设计解析
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板式塔设计计算
参考书： 化工原理 化工单元过程及设备课程设计 2013.6
1
1. 工艺过程及设备设计的性质及特点
实践性 综合性 工程观念 创造性
2、工艺设计的基本原则
技术先进性和可靠性 经济性 安全性 可操作性和可控制性 清洁生产
2
第一节 设计方案确定
一. 确定精馏流程 （1）流程设计需要考虑的基本问题
FLV
qVLs qVV s
l qmL v qmV
V L
费克关连图
12
（2）求操作条件下的C值
（3）计算液泛气速 uf 2、选取设计气速 u
C
C20
20
0.2
uf C
L V V
选取泛点率： u / uf
一般液体， 0.6 -- 0.8 易起泡液体，0.5 -- 0.6
设计气速 u = 泛点率 ×uf
● 常用的加热方式：间壁式
（4）塔顶冷却剂的选择
● 常用的冷却剂：冷却水（循环水？）、液氨等 乙烯－乙烷：－10~-20 ℃ ，可以用液氨； 丙烯－丙烷：40~50 ℃，可以用冷却水
● 冷却水出口温度的选择：与水量有关－热量衡算
4
第二节 精馏过程的模拟计算
设计任务书给定的条件：
塔板类型、进料量及组成qnF ,xF、进料状态q、两 端产品组成(xD、xW)、回流比之比R/Rmin、总板效率ET、 塔顶压力P
•由以上α逐板计算→得出理论板数N
•由总板效率→计算实际板数NP →与前面的假设比较 •如果相差较大，需重新迭代
•最后计算获得实际板数NP
7
第三节 板式塔的设计计算 一、塔的有效高度 Z及总高度 已知：实际塔板数NP
选取塔板间距 HT（见表）
Z HT N p
8
选取塔板间距 HT ：(计算塔径之后还要迭代） 考虑经济性 、经验选取
●分离序列的选择－本设计不需要考虑 ●热能的合理应用：能量集成思想 ●辅助设备的选择和设计：罐、换热器、泵 ● 过程的控制和调节：原料量、回流量、液位等
（2）操作条件的选择－本设计为指定
● 操作压力：加压、常压、减压 ● 进料状态：一般为饱和液体进料
3
（3）塔底加热剂及加热方式
● 常用的加热剂：饱和水蒸气、热水 乙烯－乙烷：0~10℃，可以用热水； 丙烯－丙烷：50~60 ℃，可以用蒸汽或热水
所需气体流通截面积 A qVVs
u
13
塔截面积 AT = 气体流通截面积 A +降液管面积 Ad
即： A = AT - Ad
塔截面积
A
AT
1
Ad
AT
选取 Ad / AT ，计算塔径 D
D 4 AT
14
选取 Ad / AT原则:
单流型弓形降液管：0.06 -- 0.12 多流型：可适当增大 U 形流型：可适当减小
=KA/KB
高压下KA、KB的求法：查图或计算（公式、软件）。
塔底：压力的估算方法
工程经验：每块塔板压降 hf=100mm液柱
6
求塔底压力的步骤：
•假设实际板数NP或理论塔板数N，确定塔底压力： P底＝P顶＋NPhfρLg
•按塔顶相同方法计算相对挥发度
•求平均相对挥发度
1 2
2
核算以上所假设的N是否正确：
参考：2HT
塔的安装高度 ：塔体高度＋裙座高度 10
二、塔径的计算
原则：防止过量液沫夹带液泛
思路：确定液泛气速 uf (m/s) →选设计气速 u →计算塔径 D。
1、液泛气速：
C：气体负荷因子
uf C
L V V
C = f ( HT , 液体表面张力，两相接触状况） 两相流动参数 FLV：
FLV
9
塔体高度=塔有效高Z+顶部高度+底部高度+ 其它
顶部高度参考：1.2-1.5m 底部空间高度：与流体的流量和停留时间有关
参考：液层2m，液面-板：0.5-0.7m 其它高度：如
人孔(φ450-500mm),10-20层板或5-10米设一个 手孔：不用附加高度 进料口：取决于进料板的形式和进料方式
2. 降液管和底隙 降液管：弓形、圆形 由Ad/AT=0.06~0.12确定
底隙 hb ：30 -- 40 mm
3. 溢流堰 维持塔板上一定液层 使液体均匀横向流过
19
液流型式选取参考表
塔径 m
液 体 流 量 m3/h U 型流型 单流型 双流型 阶梯流型
1.0
<7
<45
1.4
<9
<70
2.0
<11
qVLs qVV s
l qmL
v
qmV
V L
式中，qVVs、qVLs：气、液相体积流率 m3 /s
qmV、qmL： 气、液相质量流率 kg /s
11
筛板塔(浮阀、泡罩塔)： （1）查图得C20=(HT 、FLV)
横坐标：两相流动参数 FLV
纵坐标：
C20 u f
V L V
C20 ： σ=20mN/m 时的 气 体负荷因子
<90 90-160
3.0
<11
<110 110-200 200-300
HT ↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓ HT ↑，则塔内气速↑，塔径可↓，但塔高↑
塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D，m
0.3-0.5
塔板间
距
0.2-0.3
HT，m
0.5-0.8 0.3-0.35
0.8-1.6 1.6-2.0 0.35-0.45 0.45-0.6
2.0-2.4 0.5-0.8
>2.4 ≥0.6
点率是否合理。（液泛气速不变）
（2）校核HT与D的范围－－合理否？
17
初选板间距
FLV
Ls Vs
l v
C20
C
C20
Байду номын сангаас
20
0.2
C
uf C
L V V
u = 泛点率 ×uf
uf
u
A
选取Ad / AT
AT
D
圆整
不符合
校核HT与D的范围
符合
确定实际的气体流通截面积、
实际气速及泛点率
18
三、溢流装置设计 1. 溢流型式的选择 依据：塔径、流量
15
选取 Ad / AT
16
以上求出了塔径D：
注意：
D 4 AT
（1）计算出的塔径需圆整。 系列化标准：
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
强调：必须用圆整后的塔径D重新计算，确定实际
的气体流通截面积A、实际气速u及泛点率，判断泛
（1）物料衡算(M)：qnL、qnV、qnL’、qnV’
（2）热量衡算(H)：
计算再沸器和冷凝器热流量、加热剂和冷却剂
的用量
（3）气液平衡方程(E)
（4）归一方程（S）
5
烃类特点：近似认为理想体系，可按恒摩尔流假设处理 为求理论板数需要知道：
塔顶、塔底温度→相对挥发度 塔顶：已知总压和组成，计算泡点和相对挥发度
参考书： 化工原理 化工单元过程及设备课程设计 2013.6
1
1. 工艺过程及设备设计的性质及特点
实践性 综合性 工程观念 创造性
2、工艺设计的基本原则
技术先进性和可靠性 经济性 安全性 可操作性和可控制性 清洁生产
2
第一节 设计方案确定
一. 确定精馏流程 （1）流程设计需要考虑的基本问题
FLV
qVLs qVV s
l qmL v qmV
V L
费克关连图
12
（2）求操作条件下的C值
（3）计算液泛气速 uf 2、选取设计气速 u
C
C20
20
0.2
uf C
L V V
选取泛点率： u / uf
一般液体， 0.6 -- 0.8 易起泡液体，0.5 -- 0.6
设计气速 u = 泛点率 ×uf
● 常用的加热方式：间壁式
（4）塔顶冷却剂的选择
● 常用的冷却剂：冷却水（循环水？）、液氨等 乙烯－乙烷：－10~-20 ℃ ，可以用液氨； 丙烯－丙烷：40~50 ℃，可以用冷却水
● 冷却水出口温度的选择：与水量有关－热量衡算
4
第二节 精馏过程的模拟计算
设计任务书给定的条件：
塔板类型、进料量及组成qnF ,xF、进料状态q、两 端产品组成(xD、xW)、回流比之比R/Rmin、总板效率ET、 塔顶压力P
•由以上α逐板计算→得出理论板数N
•由总板效率→计算实际板数NP →与前面的假设比较 •如果相差较大，需重新迭代
•最后计算获得实际板数NP
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第三节 板式塔的设计计算 一、塔的有效高度 Z及总高度 已知：实际塔板数NP
选取塔板间距 HT（见表）
Z HT N p
8
选取塔板间距 HT ：(计算塔径之后还要迭代） 考虑经济性 、经验选取
●分离序列的选择－本设计不需要考虑 ●热能的合理应用：能量集成思想 ●辅助设备的选择和设计：罐、换热器、泵 ● 过程的控制和调节：原料量、回流量、液位等
（2）操作条件的选择－本设计为指定
● 操作压力：加压、常压、减压 ● 进料状态：一般为饱和液体进料
3
（3）塔底加热剂及加热方式
● 常用的加热剂：饱和水蒸气、热水 乙烯－乙烷：0~10℃，可以用热水； 丙烯－丙烷：50~60 ℃，可以用蒸汽或热水
所需气体流通截面积 A qVVs
u
13
塔截面积 AT = 气体流通截面积 A +降液管面积 Ad
即： A = AT - Ad
塔截面积
A
AT
1
Ad
AT
选取 Ad / AT ，计算塔径 D
D 4 AT
14
选取 Ad / AT原则:
单流型弓形降液管：0.06 -- 0.12 多流型：可适当增大 U 形流型：可适当减小
=KA/KB
高压下KA、KB的求法：查图或计算（公式、软件）。
塔底：压力的估算方法
工程经验：每块塔板压降 hf=100mm液柱
6
求塔底压力的步骤：
•假设实际板数NP或理论塔板数N，确定塔底压力： P底＝P顶＋NPhfρLg
•按塔顶相同方法计算相对挥发度
•求平均相对挥发度
1 2
2
核算以上所假设的N是否正确：
参考：2HT
塔的安装高度 ：塔体高度＋裙座高度 10
二、塔径的计算
原则：防止过量液沫夹带液泛
思路：确定液泛气速 uf (m/s) →选设计气速 u →计算塔径 D。
1、液泛气速：
C：气体负荷因子
uf C
L V V
C = f ( HT , 液体表面张力，两相接触状况） 两相流动参数 FLV：
FLV
9
塔体高度=塔有效高Z+顶部高度+底部高度+ 其它
顶部高度参考：1.2-1.5m 底部空间高度：与流体的流量和停留时间有关
参考：液层2m，液面-板：0.5-0.7m 其它高度：如
人孔(φ450-500mm),10-20层板或5-10米设一个 手孔：不用附加高度 进料口：取决于进料板的形式和进料方式
2. 降液管和底隙 降液管：弓形、圆形 由Ad/AT=0.06~0.12确定
底隙 hb ：30 -- 40 mm
3. 溢流堰 维持塔板上一定液层 使液体均匀横向流过
19
液流型式选取参考表
塔径 m
液 体 流 量 m3/h U 型流型 单流型 双流型 阶梯流型
1.0
<7
<45
1.4
<9
<70
2.0
<11
qVLs qVV s
l qmL
v
qmV
V L
式中，qVVs、qVLs：气、液相体积流率 m3 /s
qmV、qmL： 气、液相质量流率 kg /s
11
筛板塔(浮阀、泡罩塔)： （1）查图得C20=(HT 、FLV)
横坐标：两相流动参数 FLV
纵坐标：
C20 u f
V L V
C20 ： σ=20mN/m 时的 气 体负荷因子
<90 90-160
3.0
<11
<110 110-200 200-300
HT ↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓ HT ↑，则塔内气速↑，塔径可↓，但塔高↑
塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D，m
0.3-0.5
塔板间
距
0.2-0.3
HT，m
0.5-0.8 0.3-0.35
0.8-1.6 1.6-2.0 0.35-0.45 0.45-0.6
2.0-2.4 0.5-0.8
>2.4 ≥0.6
点率是否合理。（液泛气速不变）
（2）校核HT与D的范围－－合理否？
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初选板间距
FLV
Ls Vs
l v
C20
C
C20
Байду номын сангаас
20
0.2
C
uf C
L V V
u = 泛点率 ×uf
uf
u
A
选取Ad / AT
AT
D
圆整
不符合
校核HT与D的范围
符合
确定实际的气体流通截面积、
实际气速及泛点率
18
三、溢流装置设计 1. 溢流型式的选择 依据：塔径、流量
15
选取 Ad / AT
16
以上求出了塔径D：
注意：
D 4 AT
（1）计算出的塔径需圆整。 系列化标准：
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
强调：必须用圆整后的塔径D重新计算，确定实际
的气体流通截面积A、实际气速u及泛点率，判断泛
（1）物料衡算(M)：qnL、qnV、qnL’、qnV’
（2）热量衡算(H)：
计算再沸器和冷凝器热流量、加热剂和冷却剂
的用量
（3）气液平衡方程(E)
（4）归一方程（S）
5
烃类特点：近似认为理想体系，可按恒摩尔流假设处理 为求理论板数需要知道：
塔顶、塔底温度→相对挥发度 塔顶：已知总压和组成，计算泡点和相对挥发度