1、板式塔（筛板塔）设计板式塔（筛板塔）设计v精馏方案选定v相平衡关系v工艺计算v塔和塔板主要尺寸的设计v塔体总高及辅助装置1.精馏方案选定 方案选定是指确定整个精馏设备的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：（1）满足工艺要求；（2）操作平稳、易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。1.1 操作压力 精馏可在常压、加压或减压下进行。沸点低、常压下为气态的物料必须选用加压精馏；热敏性、高沸点物料常用减压精馏。1.2 进料状态 一般将料液预热到泡点或接近泡点后送入塔内。这样可使：(1)塔的操作比较容易控制；(2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近，塔径相似，设计制造比较方便。1.3 加
2、热方式（1）间接蒸汽加热（2）直接蒸汽加热 适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混合 物。优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的蒸 汽进行加热。操作费用和设备费用均可 降低。2.相平衡关系 2.1 图 查取操作压力下的气相摩尔分率 和相应的液相摩尔分率 ，标绘 图。xyxyxy 2.2 2.2 相对挥发度相对挥发度 对于理想物系 饱和蒸汽压可直接由手册查取，或由Antoine方程计算。全塔平均相对挥发度 分别为塔顶、加料、塔底组成的相 对挥发度。汽液相平衡关系：31321BApp321、xxy113.工艺计算 3.1 物料衡算 物料衡算的任务 （1）由设计任务所给定的F、求D、W （2）在q和
3、R选定后，计算 WDFxxx、WDFWxDxFxWDFLVLV、qFRDLFqDRVRDLDRV111（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程 精馏段：提馏段：DxVDxVLynn1WxVWxVLynn13.2 回流比的选定 选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，同时应考虑到操作时的调节弹性。选择方法：（1）参考生产现场所提供的回流比数据；（2）回流比取最小回流比Rmin的1.22倍；（3）先求最少理论板数 Nmin,以理论板数为Nmin 的两倍求取回流比R；（4）作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线 图上确定合适的回流比R。3.3理论板数的确定 （1）若物系符合恒摩尔流假定，可用逐板
4、计算法或图解法求取理论板数NT及理论加料板位置。（2）对于非恒摩尔流物系，应在焓浓度图上图解求取理论板数。3.4实际塔板数的确定 3.4.1 实际塔板数及实际加料板位置的确定 塔釜为一块理论板 式中 N 塔内实际板数 NT 理论板数 ET 全塔总效率TTENN1式中 Nm 实际加料板位置 NR 精馏段理论板数 由于在计算中引用了诸多简化假定，Nm与实际情况有一定偏差。所以在设计时可在Nm的上下各多设一个加料口，待开车调试时再确定最佳实际加料板位置。1TRmENN 3.4.2塔板效率的估计 塔板效率与物系性质、塔板结构及操作条件等众多因素有关，尚无精确的计算方法。常用的估计方法有：（1）参考生产
5、现场同类型的塔板、物系性质 相同（或相近）的塔板效率数据。（2）（3）朱汝瑾公式（4）Van Winkle 关联（5）AIChE 法 Oconnell关联图ET 全塔效率 塔顶、塔底平均温 度下的相对挥发度 液体平均粘度，mNs/m2;温度以塔 顶、塔底平均温度 计；组成以进料组 成计。Lu图 1 精馏塔全塔效率关联图3.5 热量衡算目的：确定再沸器的热负荷和冷凝器的冷却负荷。塔顶蒸汽带出热量Qv=VIv(I 焓，kJ/kg)塔底产品带出热量Qw=WIw 进料带入热量 QF=FIF 回流带入热量 QL=LIL 塔釜加热量 QB 设备热损失 Qn0.1QB总热量衡算 Qv+Qw+Qn=QL+QF
6、+QB QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF)塔顶冷凝器带走的热量 QC塔顶产品带走的热量 QD=DID冷凝器热量衡算 QV=QC+QD+QL塔顶冷凝器冷却负荷 QC=QV-QD-QL若为恒摩尔流，塔顶全凝，泡点回流且热损失很小，则可化简计算：QB QC=Vrc式中rc 组成为 的混合液的平均气化热 rb 组成为 的混合液的平均气化热。DxWxbrV4.塔和塔板主要尺寸的设计4.1 塔和塔板设计的主要依据进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是：汽相 流量 VS(m/s),密度 V(kg/m)液相 流量 LS(m/s),密度 L (kg/m)表面张力 （mN/m）注意：由于各块塔板的组成和温度不
7、同，所以各块塔板上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下：(1)若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为代表进行设计.(2)若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值进行设计。4.2塔板的设计参数 筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅 ）：（1）塔板直径D；（2）板间距HT；（3）溢流堰的型式，长度 和高度 hw；（4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho；（5）液体进、出口安定区的宽度Ws、Ws,边缘 区宽度Wc；（6）筛孔直径do,孔间距t。Wl图 2图 2 筛板的板面布置及主要尺寸4.3 筛孔塔板的设计程序 塔板设计的基本程序是：（1）选择板间距和初步确定塔径
8、；（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必 要，需对某些结构参数加以调整。4.3.1板间距的选择和塔径的初步确定一、板间距的选择HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系理论上，存在一个经济上最佳的HT；实际上，HT的选择常取决于制造和维修的方便，可参考下表选择。表 1 不同塔径的板间距参考表塔径D/mm80012001400240026006600板间距TH/mm300、350、400、450、500400、450、500、550、600、650、700450、500、550、600、650、700、750、800二、塔径计算HT选定之后，可根据夹
9、带液泛条件初步确定D。具体方法是：(1)计算液泛速度 式中 气体负荷因子，m/s；可由 查取 液相表面张力，mN/m 气、液相密度，kg/m 注意：是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降液管面积（AT Af）为依据计算的。fu5.02.02020VVLffCufu20fCLV、fu图 3图 3 筛板塔的泛点关联图(2)确定泛点百分率泛点百分率可取为0.8 0.85；对易起泡物系可取为0.75。泛点百分率确定后，便可计算出 。fnuu液泛气速设计气速泛点百分率 nu(3)确定液流型式和液流型式可由 确定 的选取与液体流量L及系统发泡情况有关。单流型：=0.6 0.8双流型：=0.5 0.7对
10、易发泡的物质：可取得高一些当液流型式和 确定后，降液管面积Af 和塔板总面积AT之比可由 求得。DlW/DlW/DlW/DlW/DlW/DlW/表 2图 4 表 2 选择液流型式的参考表塔径/m液体流量（m/h)U形流型单流型双流型阶梯流型1.07451.49702.01190 90 1603.011110110 200200 3004.011110110 230230 3505.011110110 250250 4006.011110110 250250 450图图 4 弓型降液管的宽度与面积弓型降液管的宽度与面积(4)计算塔径塔内气体流通面积且 已求出，所以AT可确定。塔径根据塔设备系列化
11、规格，将D 圆整后作为初选塔径。nsfTnuVAAATfAATAD44.3.2 塔板结构设计一、溢流堰的型式和高度的选择（1）溢流堰一般为平顶的，当堰上液高how6mm时应采用齿形堰。（2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫层亦低，相际接触表面小；hw太高，液层阻力大，板压降高。堰高hw可参考下表选定。堰高hW/mm真空常压加压最小值102040最大值205080表 3 各种操作情况的堰高参考表二、降液管和受液盘的结构和有关尺寸的选择(1)降液管分为圆形降液管和弓形降液管两种，一般多采用弓形降液管。(2)受液盘有平型和凹型两种型式，对直径大于800mm的塔板推荐使用凹形受液盘。(3)为保证液封,ho
12、应小于hw,但不应小于20 25mm以免堵塞。三、安定区和边缘区宽度的选择Ws可取为50 100mmWs 一般等于WsWc与塔径有关，一般可取25 50 mmWs、Ws、Wc取定以后，单流型塔板的有效传质面积Aa可以确定。式中 分别为弓形降液管和受液盘的宽 度，m。可由图 4查出。rxrxrxrxrxrxAa12221222sinsincsdsdWDrWWDxWWDx222,ddWW四、孔径和开孔率的选择(1)孔径do的选择 do小，加工麻烦，易堵塞；但不易漏液，操作弹性大。do大，加工容易，不易堵塞；但漏液点高，操作弹性小。推荐取3 8mm(2)的选择 小，相际接触表面小，且板压降大。大，干
13、板压降小且漏液点高，操作弹性下降。一般情况下，可取孔间距 t=(2.55)do 开孔率开孔率 是孔径与孔间距t的比值d0/t决定的式中 Ao 筛孔总面积 Aa 有效面积222907.060sin21421tdtdAAooao4.3.3塔板的校核 一、板压降的校核板压降等于干板压降与液层阻力之和，即(1)干板压降 ldfhhhsmAVuCughsLVd/,2100200孔速式中求求取取孔孔流流系系数数，可可由由图图50C 图 5 干板孔流系数图中 塔板厚度，一般碳 钢塔板取34mm;合 金钢板取22.5 mm do 孔径 降液区面积塔截面积开孔截面积(2)液层阻力 式中堰上液高 owwlhhh3
14、/2whlL31084.2owh2131/mkgsmEFa 为液层充气系数，可由图 7 求取 若算出的板压降hf 超过允许值，可增大开孔率 或降低堰高hw使hf下降。图 7 充气系数和动能因子Fa间的关系 E为校正系数，也称液流收缩系数，其值可由图为校正系数，也称液流收缩系数，其值可由图 6 查出。查出。图3-6 液流收缩系数式中 以塔截面积与降液面积之差即 为基准计算的气体 速度，m/s。5.0VaauFaufTAA2二、液沫夹带的校核为使筛板具有较高的板效率，应控制液沫夹带量ev 0.1kg液体/kg干气，可增大塔径或板间距使ev下降。VsLsVVLe1图 8图 8 液沫夹带关联图三、溢流
15、液泛条件的校核为避免发生溢流液泛，必须满足式中相对泡沫密度 与物系的发泡性有关：对一般物系，可取为0.5；对不易发泡物系 可取为0.60.7;对于容易发泡物系，可取为0.30.4。wTdfdhHHH降液管内清液高度 其中hw已选定，hf,how前已算出，其余二项分别计算如下：(a)液面落差 对筛板塔，液面落差通常可忽略不计。(b)降液管阻力 主要集中于降液管出口，可由下式计算 ffowwdhhhhH202020153.021hlLhlLgChwswsffhfh四、液体在降液管内停留时间的校核 为避免严重的气泡夹带现象，通常规定液体在降液管的停留时间不小于35s,即 对易起泡物系，可取其中较高数
16、值。53sdfLHA五、漏液点的校核为使塔板具有足够的操作弹性，通常要求设计孔速uo与漏液点孔速uow之比不小于1.52.0，即k称为筛板的稳定系数 2.05.1owouuk 漏液点的干板压降hd 或漏液点孔速uow与板上当量清液高度hc有关，Davies和Gordon对hd和hc进行了关联，结果如右图所示。图 9 筛板漏液点关联图 图中hc为漏液点当量清液高度，可由下式计算式中：气体的动能因子，以面积（AT-2Af）计算的漏液点气 速，m/s。利用上式和图 9可以试差求出漏液点的干板压降和相应的孔速 。若算出的k 值太小，可减少开孔率 和降低堰高hw。wswclLFhh23.1006.072
17、5.00061.05.0VawuFFawuowu4.3.4负荷性能图对一定物系和一定的塔结构，必相应有一个适宜的气液流量范围。该范围即为塔板负荷性能图所包围的区域。图 10 筛板塔的负荷性能图 V/(m/h)/(3hmL12345图中线1为过量液沫夹带线。其位置通常是以液沫夹带量ev=0.1kg液体/kg干气为依据确定的。图中线2为漏液线。其位置可根据漏液点气速确定。图中线3为溢流液泛线。该线可根据溢流液泛的产生条件确定。图中线4为液量下限线。其位置可根据how=6mm确定。图中线5为液量上限线。其位置可根据液体在降液管中停留时间不小于35s确定。负荷性能图对于现有塔的操作、塔板的改造和设计有
18、一定的指导意义。5.塔体总高及辅助装置5.1塔体总高度塔总高度（不包括裙座）由下式决定H=HD+(N2S)HT+SHT+HF+HB 式中H 塔高（不包括裙座），m 塔顶空间，m HT 塔板间距，m 开有人孔的塔板间距，m 进料段高度，m 塔底空间，m N 实际塔板数 人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间 的人孔）HDHTHFHBS塔顶空间的作用是供安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口气体中液体夹带。一般HD取1.01.5m。HT应大于或等于600mm。一般HF要比HT大，有时要大一倍，以保证防冲设施的安装。塔底空间具有中间贮槽的作用，釜液在此应有1015分钟的储量。对于
19、易结垢、结焦的物料每隔46块板开一个人孔；对于较清洁的物料，可每隔810板开一个人孔。人孔直径一般450550mm。5.25.2接管尺寸接管尺寸5.2.1塔顶蒸汽管式中 Vs 汽相流量，m/s;蒸汽速度，m/s。常压操作取12 20m/s。VspuVd4pdVu5.2.2回流管dR 式中 Lh 回流液量，kg/h;L 液相密度，kg/m;液相在回流管内速度，m/s。重力回流取0.20.5m/s;强制回 流取1.52.5m/s。LRhRuLd36004Ru5.2.3进料管df式中 F 进料量，kg/h;进料管内流速，一般取0.40.8 m/s;由泵输送时取1.52.5m/s。LffuFd3600
20、4fu5.2.4 塔釜出料管dw 式中 W 塔釜出料量，kg/h;塔釜出料速度，一般取0.51.0m/s注意：所有计算所得尺寸均应圆整到相应规格的管 径。LwWuWd36004wu5.3 回流冷凝器5.3.1 回流型式（1）小型塔冷凝器可安装在塔顶，冷凝液由重力作用回流入塔。（2）大型塔冷凝器安装在地面或平台上，回流液由泵输送，即强制回流。冷凝器常采用管壳式换热器，一般认为卧式壳程冷凝较好。5.3.2 工艺计算 回流冷凝器的工艺计算内容包括：(1)按工艺要求决定冷凝器的热负荷QR，选择冷却剂、冷 却剂进出口温度并计算冷却剂用量；(2)初估设备尺寸，由平均温度tm和经验的总传热系数 K,计算所需的传热面积A，并由此选择标准型号的冷 凝器或自行设计；(3)复核传热面积，对已选型号或自行设计的设备计算实 际的总传热系数K和实际所需传热面积；(4)决定安装尺寸，估计各管线长度及阻力损失，以决定 冷凝器底部与回流入口之间的高度差HR。5.4 再沸器 5.4.1 再沸器型式 小塔再沸器可直接安装在塔底部，大型塔再沸器一般安装在塔外。常用再沸器的型式有热虹吸式再沸器，此种型式的再沸器可分为立式和卧式两种。5.4.2 工艺计算 再沸器工艺计算的步骤与回流冷凝器计算相同，可参见5.3.2
