化工原理精餾課程設(shè)計(jì)---篩板式精餾塔的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　篩板式精餾塔的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　篩板式精餾塔的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言 ……………………………………………………………………………………………… 2</p><p>　

2、　一、概述 ………………………………………………………………………………………… 2</p><p>　　二、精餾系統(tǒng)工藝流程的確定 ………………………………………………………………… 3</p><p>　　三、物料衡算 …………………………………………………………………………………… 3</p><p>　　四、塔板數(shù)計(jì)算 ………………………………………

3、………………………………………… 3</p><p>　　1、理論塔板數(shù)的確定</p><p><b>　　2、總板效率估計(jì)</b></p><p><b>　　3、計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)</b></p><p>　　五、塔板結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 5<

4、;/p><p><b>　　1、初選塔板間距</b></p><p><b>　　2、塔徑計(jì)算</b></p><p>　　3、塔板上溢流型式的確定</p><p><b>　　4、塔板布置</b></p><p>　　5、塔板各部分面積和對(duì)應(yīng)氣速計(jì)算<

5、;/p><p>　　六、塔板流體力學(xué)校核 ………………………………………………………………………… 10</p><p>　　1、板上溢流強(qiáng)度檢查</p><p>　　2、氣體通過塔板的壓力降計(jì)算</p><p><b>　　3、液面落差校核</b></p><p><b>　　4、漏液點(diǎn)

6、氣速校核</b></p><p>　　5、降液管內(nèi)液面高度和液體停留時(shí)間校核</p><p>　　七、塔板負(fù)荷性能圖 …………………………………………………………………………… 12</p><p>　　1、負(fù)荷性能圖的繪制</p><p>　　2、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)述</p><p>　　八、塔總體結(jié)構(gòu)

7、………………………………………………………………………………… 13</p><p><b>　　1、塔高的計(jì)算</b></p><p><b>　　2、接管</b></p><p><b>　　3、人孔和手孔</b></p><p>　　九、精餾塔附屬設(shè)備選型設(shè)算 …………

8、……………………………………………………… 18</p><p>　　參考資料 ………………………………………………………………………………………… 18</p><p><b>　　附錄 </b></p><p>　　1、乙醇～水溶液的密度 ……………………………………………………………… 18</p><p>

9、;　　2、乙醇～水溶液汽液平衡數(shù)據(jù)（常壓） ……………………………………………… 19</p><p>　　3、乙醇～水蒸汽在沸騰條件下的密度 ………………………………………………… 20</p><p>　　4、苯、甲苯的密度、表面張力和汽化潛熱 ………………………………………… 20</p><p>　　5、總傳熱系數(shù)（列管換熱器）的大致范圍 …………………

10、………………………… 20</p><p>　　6、乙醇～水混合物的熱焓 ……………………………………………………………… 21</p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的一次基本

11、訓(xùn)練，它要求學(xué)生按照課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，完成一項(xiàng)化工設(shè)備的設(shè)計(jì)工作，通過設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，同時(shí)在以下幾個(gè)方面得到訓(xùn)練、培養(yǎng)和提高：</p><p>　　1. 綜合應(yīng)用化工原理課程及有關(guān)先修課程的基本知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題的能力。</p><p>　　2. 查閱技術(shù)資料、選用計(jì)算方法、計(jì)算公式和收集數(shù)據(jù)的能力。</p><p>　　3. 樹立

12、正確的設(shè)計(jì)思想，懂得工程設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧技術(shù)上的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)上的合理性和操作上的安全可靠性。</p><p>　　4. 用層次清楚的計(jì)算，輔以必要而簡(jiǎn)潔的文字說明和清析的圖表來表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果的能力。</p><p>　　5. 工程制圖的能力。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)結(jié)果要求編寫成“設(shè)計(jì)說明書”，繪制相應(yīng)的工藝流程圖和主體設(shè)備圖。</p><p>

13、;　　設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容一般應(yīng)按如下項(xiàng)目編寫</p><p><b>　　1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書。</b></p><p><b>　　2. 目錄。</b></p><p>　　3. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。</p><p>　　4. 設(shè)計(jì)計(jì)算過程：</p&

14、gt;<p>　?、?工藝計(jì)算及主體設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算。包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、主體設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算等。</p><p>　?、?輔助設(shè)備的選型計(jì)算。通過計(jì)算選定典型輔助設(shè)備的規(guī)格型號(hào)。</p><p><b>　　5. 圖紙：</b></p><p>　?、?工藝流程圖。以單線條的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備與

15、輔助設(shè)備的物料走向、物流量、能流量和主要測(cè)量點(diǎn)。</p><p>　?、?主體設(shè)備工藝條件圖。圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和接管表。</p><p>　　6. 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總。分表列舉各流股物料量、能耗指標(biāo)、主要操作參數(shù)、主體設(shè)備工藝尺寸以及輔助設(shè)備的規(guī)格、型號(hào)和數(shù)量等。</p><p>　　7. 設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)述。</p><p>&

16、lt;b>　　8. 參考資料。</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書根據(jù)化工原理教學(xué)大綱的要求，對(duì)給定化工單元操作典型設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算，給學(xué)生提示了設(shè)計(jì)計(jì)算步驟，指導(dǎo)計(jì)算方法，并提供了部分計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，作為對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充。</p><p>　　設(shè)計(jì)計(jì)算中需要用到的大部分計(jì)算公式和數(shù)據(jù)應(yīng)由學(xué)生自己查閱有關(guān)資料。</p><p><

17、b>　　一、概述</b></p><p>　　塔設(shè)備是實(shí)現(xiàn)精餾、吸收、解吸和萃取等化工單元操作的主要設(shè)備，它可以使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。因此，塔設(shè)備在化工過程中有時(shí)也用來實(shí)現(xiàn)氣體的冷卻、除塵、增濕或減濕等。</p><p>　　最常用的塔設(shè)備可分為兩大類：板式塔和填料塔。此外，還有多種內(nèi)部裝有機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的搭，例如脈動(dòng)塔和轉(zhuǎn)盤塔

18、等，則主要用于萃取操作。</p><p>　　板式塔按其塔盤結(jié)構(gòu)，填料塔按所用填料的不同，又各細(xì)分為多種塔型。</p><p>　　不管是何種塔型，除了首先要能使氣（汽）液兩相充分接觸，獲得較高的傳質(zhì)效率外，還希望能綜合滿足下列要求：</p><p>　?。?）生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶及液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。</p&g

19、t;<p>　?。?）操作穩(wěn)定，操作彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣（汽）液負(fù)荷量有較大的波動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定操作．</p><p>　?。?）流體流動(dòng)阻力小，即流體通過塔設(shè)備的壓力降小。以節(jié)省動(dòng)力消耗，降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓蒸餾，較大的壓力降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。</p><p>　　（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。</p>&l

20、t;p>　?。?）耐腐蝕，不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。</p><p>　　事實(shí)上，任何一種塔型都難以全面滿足上述要求，而只能在某些方面具有獨(dú)特之處。但是，對(duì)于高效率、大生產(chǎn)能力、穩(wěn)定可靠的操作和低壓降的追求，則推動(dòng)著塔設(shè)備新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展．</p><p>　　篩板塔是板式塔中較早出現(xiàn)的塔型之一，它綜合具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造維修方便、生產(chǎn)能力大（可比浮閥塔大），塔板效率較

21、高（比浮閥塔稍低），壓降小等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是操作彈性較小，篩孔也容易堵塞，使用曾一度受到限制。但是近幾十年來，經(jīng)大量工業(yè)規(guī)模研究，逐步掌握了篩板塔性能，并形成了較完善的設(shè)計(jì)方法，還開發(fā)了大孔徑篩板（孔徑可達(dá)20~25mm）、導(dǎo)向篩板等型式，使篩板塔的不足得到補(bǔ)救，即合理的設(shè)計(jì)可以保證較高的操作彈性（僅稍低于泡罩塔）?，F(xiàn)在，篩板塔已成為生產(chǎn)上最為廣泛采用的塔型之一。 二元物系精餾用篩板塔的工藝設(shè)計(jì)，主要包括精餾系統(tǒng)工藝流程的確定、

22、物料衡算、塔板數(shù)的計(jì)算、塔板結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)、熱量衡算和附屬設(shè)備的選型計(jì)算等項(xiàng)。</p><p>　　二、精餾系統(tǒng)工藝流程的確定</p><p>　　根據(jù)原料液狀況和工藝要求決定進(jìn)料熱狀況、塔底釜液的加熱方式、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案和換熱器的類型等，確定系統(tǒng)的工藝流程。</p><p>　　對(duì)所確定的方案，編寫說明書時(shí)應(yīng)有必要的論證。</p>&

23、lt;p><b>　　三、物料衡算</b></p><p>　　根據(jù)工藝條件進(jìn)行物料衡算，以確定塔頂餾出液量D和塔底殘液量W，并分別用kg/h、kmol/h、m3/h和m3/s等單位表達(dá)，便于后續(xù)計(jì)算中采用。</p><p><b>　　四、塔板數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　1、理論塔板數(shù)N的確定</p&

24、gt;<p>　　可以采用逐板計(jì)算法或直角梯級(jí)圖解法來確定理論塔板數(shù)。逐板計(jì)算法較為準(zhǔn)確，但手算比較麻煩，提倡采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。圖解法較為簡(jiǎn)便，但作圖誤差較大，尤其是對(duì)于需要塔板較多的場(chǎng)合。</p><p>　　采用圖解法求解理論塔板數(shù)，在圖解時(shí)，應(yīng)將y～x圖繪制足夠大，以減小誤差。若操作線與平衡線在部分線段過于靠近，直角梯級(jí)過于密集，可以采用局部放大的方法另繪一圖對(duì)此部分進(jìn)行圖解，以避免整體圖過

25、大。</p><p>　　不管采用哪種方法，都要注意處理物料系統(tǒng)是否理想溶液，非理想溶液的汽液平衡關(guān)系與理想溶液有較大差別，在尋求最小回流比和計(jì)算最少理論板數(shù)具體方法都將有所不同。</p><p>　　適宜回流比R的選定是理論塔板數(shù)N設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一般可按如下步驟進(jìn)行：</p><p>　?。?）在y～x坐標(biāo)圖上繪出汽液平衡曲線，圖解求出最小回流比Rmin。</

26、p><p>　?。?）計(jì)算最少理論塔板數(shù)Nmin：對(duì)理想溶液可用芬斯克（Fenske）公式計(jì)算；對(duì)非理想溶液可在y～x坐標(biāo)圖上，以對(duì)角線作為全回流操作線圖解求得Nmin。</p><p>　　（3）選取5～8個(gè)不同的回流比R，用吉利蘭（Gilliland）關(guān)聯(lián)圖分別求得與之對(duì)應(yīng)的理論塔板數(shù)N，然后在直角坐標(biāo)上標(biāo)繪N～R關(guān)系曲線，如圖l，陰影區(qū)域的R值可視為最佳回流比范圍，在此范圍內(nèi)選取一個(gè)R值

27、作為實(shí)際回流比。</p><p>　　以上對(duì)二元物系精餾的處理方法，基于“恒摩爾流”等一些簡(jiǎn)化假設(shè)。在編寫說明書時(shí)，應(yīng)對(duì)有關(guān)假設(shè)用于設(shè)計(jì)的二元物系可能帶來的誤差作出必要的說明和論證。</p><p>　　實(shí)際回流比R確定以后，就可以算精餾段和提餾段的上升蒸氣量V、Vˊ及回流液體量L、Lˊ，可分別以kg/h，kmol/h、m3/h和m3/s等單位表達(dá)，以便后續(xù)計(jì)算中使用。</p>

28、<p><b>　　2、總板效率估計(jì)</b></p><p>　　總板效率受物系的性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)和操作條件等影響，一般按下述三種方法之一來確定：</p><p>　?。?）參考工廠同類塔型相同或相近物系的精餾操作的總板效率數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究，獲取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。</p><p>　

29、?。?）采用簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。例如使用“奧康內(nèi)爾（O’Connell）蒸餾塔效率關(guān)聯(lián)圖”。</p><p>　　3、計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)Ne。</p><p>　　五、塔板結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　精餾塔精餾段和提餾段的上升蒸汽量V與V＇、下流液體量L與L′，因進(jìn)料熱狀況而不一定相同，即精餾段與提餾段的氣、液相負(fù)荷不一定相同。另外，各塊塔板上汽液濃度沿板序而變化，

30、泡、露點(diǎn)不同，汽、液物性數(shù)據(jù)也不一樣。因此，作塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要確定以哪一塊板上的條件作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，一般可以塔頂?shù)谝粔K板為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。必要時(shí)，可以取精餾段和提餾段各一塊板作設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣就可能獲得精餾段與提餾段塔徑不同、結(jié)構(gòu)參數(shù)有別的設(shè)計(jì)結(jié)果。但為制造方便通常還是采用同一塔徑，僅在流速變化較大或用高合金鋼制造的場(chǎng)合才有必要采用不同塔徑。</p><p>　　一塊篩孔塔板完整的工藝設(shè)計(jì)必須確定的主

31、要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：</p><p><b>　?。?）塔板直徑D；</b></p><p><b>　?。?）板間距HT；</b></p><p>　?。?）溢流堰的型式，長(zhǎng)度lw和高度hw；</p><p>　?。?）降液管的型式，降液管底部與塔板間的距離ho；</p><p>

32、;　?。?）液體進(jìn)、出口安定區(qū)的寬度Ws，邊緣區(qū)寬度We；</p><p>　?。?）篩孔直徑do，孔間距to。</p><p>　　篩板搭的各種性能是由上述各結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定的，因此，這些參數(shù)不是完全獨(dú)立的，而是通過液泛、液沫夾帶、漏液、板壓降等流動(dòng)現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)的。在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)所選定的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行各種水力學(xué)校核，并作必要的調(diào)整，以獲取一個(gè)較好的方案。</p><p&

33、gt;　　塔板的設(shè)計(jì)可按如下步驟進(jìn)行：</p><p>　　1、初選塔板間距HT</p><p>　　板間距對(duì)塔的液沫夾帶量和液泛氣速有重要的影響。在一定的氣液負(fù)荷及塔徑條仵下，適當(dāng)增加板間距，可減少液沫夾帶量，且不易發(fā)生液泛，從而提高了操作負(fù)荷的上限。但是，塔板間距與塔高直接相關(guān)，其值不宜過大。 </p><p>　　實(shí)際上，板間距的選擇常常取決于安裝和檢修的方

34、便，要保證足夠的空間高度。在開人孔處，板間距不應(yīng)小于600mm。</p><p>　　表1 給出了篩板塔不同塔徑所推薦的板間距，可供參考。</p><p>　　表1 篩板塔的塔板間距</p><p><b>　　2、塔徑D的計(jì)算</b></p><p>　　塔徑和塔高是塔設(shè)備工藝設(shè)計(jì)最基本的參數(shù)。通常，確定塔板數(shù)時(shí)的誤

35、差沒有確定塔徑時(shí)的誤差那么大。而且塔一旦建立起來，如果塔板數(shù)不適當(dāng)，尚可以調(diào)節(jié)操作獲得部份的補(bǔ)償，可是塔徑卻不能再改變了。因此，確定塔徑要留有余地。</p><p><b>　?。?）塔徑初算</b></p><p>　　利用篩板搭的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖和氣體負(fù)荷參數(shù)計(jì)算液泛氣速uF；</p><p>　　根據(jù)uF初定一個(gè)操作空塔氣速u＇；</p&

36、gt;<p><b>　　由u′計(jì)算塔徑D；</b></p><p>　　參考表1，檢查D與HT是否相適應(yīng)，如果二者不相適應(yīng)，應(yīng)調(diào)整HT，重新計(jì)算D。</p><p>　　對(duì)調(diào)整計(jì)算后的塔徑D要按規(guī)定圓整到系列值，然后再以圓整后的塔徑D去計(jì)算實(shí)際操作氣速u。</p><p>　　規(guī)范塔徑的公稱直徑有400、450、500、600、

37、700、800、900、1000、1200、1400、1600，…… 等。</p><p>　?。?）塔徑的核算——檢查液沫夾帶量 </p><p>　　利用液沫夾帶分率關(guān)聯(lián)圖由液氣流動(dòng)參數(shù)FLG和液泛分率估計(jì)出液沫夾帶分率，一般不宜超過0.10，最高只能為0.15。如果過大，就需要加大塔徑，即調(diào)小實(shí)際操作的空塔氣速，或者加大板間距，然后重新估計(jì)液沫夾帶分率。&

38、lt;/p><p>　　從經(jīng)濟(jì)上看，加大板間距（即增加了塔高）往往比增加塔徑有利。</p><p>　　3、塔板上溢流型式的確定</p><p>　　溢流型塔板，液體流動(dòng)須克服板上氣液接觸元件所引起的阻力，形成液面落差。于是氣體較多地從塔板上低液位處通過，影響氣流均勻分布，降低塔板效率。</p><p>　　篩板塔形成的液面落差較小，這一因素的影

39、響不大。但是液流在塔板上能否均勻分布仍很重要，特別是當(dāng)液流量較小或塔徑較大時(shí)，因此，仍需注意正確設(shè)計(jì)液體流型。</p><p>　　可以按表2綜合考慮塔徑與液體負(fù)荷的關(guān)系，決定塔板上的液體流型。</p><p>　　表2 板上溢流型式與塔徑、液體負(fù)荷關(guān)系</p><p><b>　　4、塔板布置</b></p><p>

40、;　　首先確定降液管型式。常用降液管型式為弓形降液管，只有在塔徑較小時(shí)才采用圓形降液管。</p><p>　　對(duì)于單流型弓形降液管的塔板，如圖2所示，其各結(jié)構(gòu)參數(shù)，可參考篩板塔塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸數(shù)據(jù)的推薦范圍，逐次確定。</p><p><b>　?。?）篩孔孔徑do</b></p><p>　　孔徑的大小直接影響塔板操作性能。在開孔率、空塔氣速

41、和液流量相同的條件下增大孔徑，雖可減小板壓降，不易阻塞，但漏液量增大，操件彈性降低。一般在液相負(fù)荷低的小塔中，篩孔孔徑采用do=4～6mm，塔徑大時(shí)可采用do＝8～12mm，有特殊要求時(shí)，也可采用do＝2.2～3mm的小孔。</p><p>　?。?）篩孔中心距to和開孔率。</p><p>　　為使氣液接觸良好和最大限度地利用塔板面積，篩孔一般采用正三角形排列，這時(shí)孔徑do、孔中心距to

42、和開孔率之間的關(guān)系為：</p><p>　　孔中心距to，一般推薦值為 ，而以最合適。當(dāng)時(shí)，氣流互相干擾，容易出現(xiàn)液面晃動(dòng)和傾流；過大則鼓泡不均勻。</p><p>　　開孔率是影響篩板性能的重要因素，因它直接關(guān)系到篩孔動(dòng)能因數(shù)。在相同的空塔氣速下，開孔率大則動(dòng)能因數(shù)小。如動(dòng)能因數(shù)過小，塔板氣液接觸將呈鼓泡狀態(tài)，漏液量大，塔板效率低。動(dòng)能因數(shù)過高，氣液接觸呈部分噴射狀態(tài)，液沫夾帶量增加，亦

43、降低塔板效率。泡沫工況操作時(shí)，要求按工作區(qū)截面積計(jì)算的開孔率為5~10%；噴霧工況操作時(shí)，開孔率可提高到12%以上。</p><p><b>　?。?）篩板厚度tp</b></p><p>　　在塔板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度許可的條件下，應(yīng)盡可能選用較薄的板材制作篩板，這不僅可以降低干板壓降，而且可以改善氣液接觸狀態(tài)。篩孔用沖壓加工制造的篩板，其厚度：對(duì)于碳鋼tp≤do；對(duì)于不

44、銹鋼tp≤，否則加工困難。因此，篩板厚度的選取范圍為tp=（0.4~0.8）do。</p><p>　?。?）溢流堰長(zhǎng)lw </p><p>　　溢流堰具有保持塔板上一定的液層高度和促使液流均勻分布的作用。常用的溢流堰長(zhǎng)為1w=(0.68~0.76)D。</p><p>　　溢流堰過長(zhǎng)則堰上溢流強(qiáng)度低，由于塔板構(gòu)件的安裝誤差，液體越堰時(shí)分布不勻；堰長(zhǎng)不夠則堰上液流強(qiáng)

45、度高，堰上液頭大，影響塔板操作的穩(wěn)定性，也不利于液流中的氣液分離。</p><p>　　堰上液流強(qiáng)度Li按下式計(jì)算：</p><p>　　式中 ——液體的體積流量，m3/h。</p><p>　　堰上液流強(qiáng)度最好是Li<60m3/m.h,相應(yīng)的堰上液頭約44mm。最大液流強(qiáng)度不宜超過100~130m3/m.h。</p><p><

46、;b>　　（5）堰板高度hw</b></p><p>　　對(duì)于一般的篩板塔板，應(yīng)使篩板上的清液層高度hL=50~100mm，即堰板高度為hw=(50~100)-how，式中how為堰上液頭（mm）。</p><p>　　堰上液頭how，對(duì)于平直堰，可用佛蘭西斯（Francis）公式計(jì)算。</p><p>　　一般，堰板高度hw在25~75mm。&l

47、t;/p><p>　　真空度較高或要求壓力降很小的情況，可按hL≤25mm來決定堰板高，此時(shí)hw僅有6~15mm。通常情況則不應(yīng)取得太低，以免影響氣液接觸時(shí)間和增加液沫夾帶量——因?yàn)楹Y板持液量過低，由飛濺引起的液沫夾帶量會(huì)反常增高。</p><p>　?。?）降液管下沿與塔板板面間距ta</p><p>　　在確定降液管下沿與塔板板面距ta的大小時(shí)，應(yīng)使液體通過此截面的

48、流速Wb<0.4m/s，從而保證液流通過此截面的壓力降在13~25mm液柱。ta可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中 VL——液體的體積流量，m3/s。</p><p>　　Wb一般取0.1~0.4m/s，易起泡的物系取低值；ta一般應(yīng)大于20~25mm，但要比hw低6~12mm以上，以保證液封。</p><p>　?。?）安定區(qū)寬度Ws和邊緣區(qū)寬度Wc

49、</p><p>　　塔板入口安定區(qū)是為防止氣體短路進(jìn)入降液管及防止因降液管流出液流的沖擊而漏液；出口安定區(qū)則為使液體在進(jìn)入降液管前，有一定時(shí)間脫除其中所含的氣體。一般，入、出口安定區(qū)的寬度等值設(shè)計(jì)，取為50~100mm。</p><p>　　邊緣區(qū)留出一定的寬度Wc，為固定塔板用，其值大小應(yīng)與塔徑相應(yīng)，一般可取為25~50mm。</p><p>　　5、塔板各部分

50、面積和對(duì)應(yīng)氣速計(jì)算</p><p>　　塔板面積可以分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　?。?）降液管截面積Ad</p><p>　　按幾何關(guān)系先計(jì)算降液管寬度Wd</p><p>　　再計(jì)算溢流堰lw所對(duì)應(yīng)的圓心角（角度）</p><p>　　則降液管截面積Ad按下式計(jì)算</p><p>　

51、?。?）塔板工作面積Aa 指板上開孔區(qū)域的面積，按幾何關(guān)系計(jì)算</p><p><b>　　式中 </b></p><p>　?。?）塔有效截面積An 指塔板之上可供氣體通過的面積，又稱凈截面積。其值為塔截面積A扣除降液管截面積，即An=A-Ad</p><p>　?。?）篩孔總面積Ao</p><p>&

52、lt;b>　　按開孔率的定義</b></p><p>　　則 Ao= Aa</p><p>　　以氣體流量VG（m3/s）分別按塔截面積A、塔板工作面積Aa、塔有效截面積An、篩孔總面積Ao計(jì)算空塔速度u、表觀氣速ua、有效截面氣速un和篩孔氣速uo。</p><p>　　六、塔板流體力學(xué)校核</p><p>　　對(duì)前述

53、設(shè)計(jì)的篩板必須進(jìn)行流體力學(xué)校核，主要核算的內(nèi)容為板上溢流強(qiáng)度、板壓降、液面落差、漏液情況和液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間等，以判斷設(shè)計(jì)工作點(diǎn)是否在篩板的正常操作范圍內(nèi)。如有不適，必須對(duì)原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正。最后，還要繪出所設(shè)計(jì)塔板的負(fù)荷性能圖，以全面了解塔板的操作性能，決定設(shè)計(jì)是否認(rèn)可。</p><p>　　1、板上溢流強(qiáng)度檢查</p><p>　　平直堰板設(shè)計(jì)，可采用佛蘭西斯（Franci

54、s）公式計(jì)算堰上液頭高度how。how宜在45mm左右，上限不宜超過60mm，過大須改用雙流型或多流型。為保持液流均勻，以往曾規(guī)定當(dāng)平直堰水平偏差超過3mm時(shí)，how的下限為6mm，再小則改用齒形堰。但隨塔徑的增加，要求堰的水平偏差不超過3mm是困難的，因此又規(guī)定how的下限為13mm，再小就要改用齒形堰。</p><p>　　2、氣體通過塔板的壓力降計(jì)算</p><p>　　氣體通過塔板

55、的壓力降是塔板的重要流體力學(xué)特性，它不僅影響塔板的操作，還決定沿塔高的壓力分布和全塔的壓力降。在保證塔板效率的前提下，希望板壓降盡可能低，以減少操作費(fèi)用。</p><p>　　氣體板壓降通常采用加和性模型計(jì)算，即先分別計(jì)算干板壓降ho和氣體通過泡沫層的壓力降hL，均用清液的液柱高表示，則氣體通過塔板的壓降=ho+hL。</p><p>　　如果算出的板壓降超過允許值，可增大開孔率或降低堰板

56、高度hW以減小干板壓降ho或板上清液層高h(yuǎn)L。</p><p><b>　　3、液面落差校核</b></p><p>　　篩板塔板面液體流動(dòng)阻力小，其液面落差通?？珊雎圆挥?jì)。在塔徑和液體流量很大時(shí)，可選取相應(yīng)公式進(jìn)行核算。</p><p><b>　　4、漏液點(diǎn)氣速校核</b></p><p>　　

57、漏液點(diǎn)氣速的高低，對(duì)篩板塔的操作彈性影響很大。為保證所設(shè)計(jì)篩板具有足夠的操作彈性，通常要求設(shè)計(jì)篩孔氣速uo與漏液點(diǎn)篩孔氣速uo′之比（稱為篩扳的穩(wěn)定系數(shù)，以k表示）不小于1.5~2.0，即。</p><p>　　校核時(shí)，先計(jì)算漏液點(diǎn)干板壓降，由計(jì)算漏液點(diǎn)篩孔氣速，再計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)k，如k值過小就要修正篩板結(jié)構(gòu)參數(shù)，改動(dòng)塔板面積分配，甚至減小塔徑，以求得合理的塔板結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　

58、　5、降液管內(nèi)液面高度Hd和液體仃留時(shí)間校核</p><p>　　板式塔的液泛一般是由兩個(gè)原因造成：一是由于氣速過高，塔板壓降增大，使降液管內(nèi)液層增高；二是由于液體流量增加，通過降液管的流動(dòng)阻力增大，也會(huì)使降液管內(nèi)液層增高。當(dāng)降液管內(nèi)液面高到溢流堰頂時(shí)，即為液泛。</p><p>　　液體自降液管下流，必須克服三項(xiàng)阻力：</p><p>　　（1）液體通過降液管的壓

59、頭損失hd；</p><p>　　（2）氣體通過塔板的壓力降；</p><p>　?。?）塔板上的液層壓頭（）</p><p>　　此三項(xiàng)之和即液體通過降液管所需的液位高度，即降液管內(nèi)的清液層高度Hd。</p><p>　　實(shí)際上降液管內(nèi)是充氣液體，所以降液管內(nèi)實(shí)際液層（發(fā)泡）高度為</p><p>　　式中 ——相

60、對(duì)泡沫密度。</p><p>　　計(jì)算出，按防止液泛條件，應(yīng)有</p><p><b>　　<(HT+hw)</b></p><p>　　如果過大，應(yīng)考慮是否需要加大板間距HT，或者調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如加大降液管下沿與塔板板面距離ta，加大溢堰長(zhǎng)lw等，以降低液流阻力來解決。</p><p>　　Hd亦不能過小，

61、才能保證液體在降液管內(nèi)有足夠仃留時(shí)間釋放夾帶氣泡，通常規(guī)定按清液計(jì)的仃留時(shí)間要大于3~5秒，即</p><p><b>　　七、塔板負(fù)荷性能圖</b></p><p>　　1、負(fù)荷性能圖的繪制</p><p>　　有關(guān)五條氣、液流量極限關(guān)系曲線可按如下原則作出：</p><p><b>　?。?）液流量下限線&

62、lt;/b></p><p>　　以堰上液頭how 的下限值6mm（最好采用13mm）計(jì)算對(duì)應(yīng)的液體流量VL，即（VL）min，標(biāo)繪液流量下限線。</p><p><b>　?。?）液流量上限線</b></p><p>　　以液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的下限值3~5秒計(jì)算對(duì)應(yīng)的液體流量VL，即（VL）max，標(biāo)繪液流量上限線。</p&g

63、t;<p><b>　?。?）漏液線</b></p><p>　　設(shè)定5~6個(gè)不同的液體流量VL（可在略比（VL）min～（VL）max大的范圍</p><p>　　內(nèi)較均勻地選取），按次計(jì)算對(duì)應(yīng)的堰上液頭how、漏液點(diǎn)干板壓降、漏液點(diǎn)篩孔氣速及氣體流量下限（VG）min=Ao。</p><p>　　標(biāo)繪VL～（VG）min曲線，

64、即漏液線。</p><p><b>　　（4）液泛線</b></p><p>　　先計(jì)算降液管內(nèi)允許的最大液面高度Hd=，然后設(shè)定5~6個(gè)不同的液體流量VL（同上條），按次計(jì)算對(duì)應(yīng)的堰上液頭how、液體流過降液管時(shí)的壓頭損失hd、氣體通過泡沫層的壓力降hL、允許最大板壓降、干板壓降ho、篩孔氣速uo及氣體流量上限(VG)max=uo Ao。</p>&l

65、t;p>　　標(biāo)繪VL～（VG）max曲線，即液泛線。</p><p>　　（5）過量液沫夾帶線</p><p>　　先規(guī)定一個(gè)液沫夾帶量的上限值eG（通常可以取為0.1kg液沫/kg干氣體）。然后設(shè)定5~6個(gè)不同的液體流量VL（同上條），按次計(jì)算對(duì)應(yīng)的堰上液頭how、有效截面氣速uｎ及氣體流量上限（VG）/max=uｎA(yù)n。</p><p>　　標(biāo)繪VL～（V

66、G）/max曲線，即過量液沫夾帶線。</p><p>　　以上繪制塔板負(fù)荷性能圖的計(jì)算過程，要求五條曲線要分別以一組數(shù)據(jù)作典型計(jì)算在說明書中表述清楚，各組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果整理列表表示。</p><p>　　2、塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)述</p><p>　　塔板負(fù)荷性能圖繪制好后，在圖上標(biāo)繪“操作線”，標(biāo)明“操作點(diǎn)”，計(jì)算“極限負(fù)荷比”，并根據(jù)塔板負(fù)荷性能圖圖形、操作線和操作點(diǎn)

67、在圖中相對(duì)位置，對(duì)所設(shè)計(jì)塔的操作彈性大小、操作性能好壞作出評(píng)述，決定設(shè)計(jì)是否認(rèn)可。</p><p><b>　　八、塔總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　塔的總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。它主要包括：</p><p>　　（1）塔體與裙座結(jié)構(gòu)。</p><p>　?。?）塔盤結(jié)構(gòu) 它包括塔盤板、受液盤、溢流堰、降液管及支承件

68、、緊固件、密封件等。</p><p>　　塔盤按裝配特點(diǎn)可分為整塊式和分塊式兩種類型。一般塔徑為300~900mm時(shí)，采用整塊式塔盤；塔徑在900mm以上時(shí)，人已能在塔內(nèi)進(jìn)行裝拆，可采用分塊式塔盤。</p><p>　?。?）除沫裝置 常用的除沫裝置有折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器和旋流板除沫器。在分離要求不嚴(yán)格時(shí)，還可用填料層除沫器。</p><p>　?。?）設(shè)備管口

69、 包括用于安裝、檢修塔盤的人（手）孔，氣體及液體物料進(jìn)出的接管，以及安裝化工儀表用的短接管等。</p><p>　?。?）塔附件 包括支承保溫材料的保溫圈、吊裝塔盤用的吊柱以及扶梯平臺(tái)等。</p><p>　　另外，對(duì)于精餾用塔，若設(shè)分離式加熱釜——再沸器，為使其能穩(wěn)定工作，必須使塔底貯液高度維持恒定，因此還須在塔底設(shè)置垂直隔板（圖3中未畫出）。這種隔板主要有部分循環(huán)式、直流式和平衡

70、式等幾種。</p><p><b>　　1、塔高的計(jì)算</b></p><p>　　有了塔板數(shù)和板間距，還需要計(jì)算塔的頂部、底部空間及支座高度，才能確定塔高。在因設(shè)計(jì)人（手）孔和進(jìn)料管而調(diào)大了部分板間距時(shí)，計(jì)算塔高要相應(yīng)考慮在內(nèi)。</p><p>　　（1）塔的頂部空間高度</p><p>　　塔的頂部空間高度是指塔頂?shù)?/p>

71、一塊板到塔頂封頭切線處的距離。為了減少塔頂出口氣體夾帶液沫量，頂部空間一般取1.2~1.5m。若要更多地去除液沫，可在塔頂設(shè)除沫器，如用金屬除沫網(wǎng)，則網(wǎng)底到塔板的距離一般不小于板間距。</p><p>　　（2）塔的底部空間高度</p><p>　　塔的底部空間高度是指塔底最末一塊塔板到塔底封頭切線處的距離。當(dāng)進(jìn)料系統(tǒng)有15分鐘的緩沖容量時(shí)，釜液的仃留時(shí)間可取3~5分鐘，否則須取15分鐘。

72、但對(duì)釜液流量大的塔仃留時(shí)間，一般也取3~5分鐘；對(duì)于易結(jié)焦的物料，仃留時(shí)間應(yīng)縮短，一般取1~1.5分鐘。據(jù)此，就可以從釜液流量求出底部貯液空間，再由塔徑求出底部貯液高度，加上板間距即塔底部空間高度。</p><p>　　（3）加料板的空間高度</p><p>　　加料板的空間高度取決于加料板的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)料狀態(tài)。如果是液相進(jìn)料，其高度可與板間距相同或稍大，如果是氣相進(jìn)料，則取決于進(jìn)口管的形

73、式。</p><p><b>　?。?）支座高度</b></p><p>　　塔體常用裙座支撐。裙座的形式分為圓柱形（圖４）和圓錐形兩種。</p><p>　　裙座高度是指從塔底封頭切線到基礎(chǔ)環(huán)之間的高度。今以圓柱形裙座為例，可知裙座高度是由塔底封頭切線至出料管中心線的高度U和出料管中心線至基礎(chǔ)環(huán)的高度V兩部分組成。</p>&l

74、t;p>　?。盏淖钚〕叽缡怯筛撼隹诠艹叽鐩Q定的；V測(cè)應(yīng)按工藝條件確定，例如考慮與出料管相連接的再沸器高度，出料泵所需的位頭等。</p><p>　　裙座上的人孔通常用長(zhǎng)圓形，其尺寸為510×（1000~1800）mm，以方便進(jìn)出。</p><p><b>　　2、接管</b></p><p>　?。?）回流管和液體進(jìn)料管<

75、;/p><p>　　回流管和液體進(jìn)料管的的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：液體不直接加在塔盤鼓泡區(qū)；盡量均勻分布；接管安裝高度不妨礙塔盤上液體流動(dòng)；液體內(nèi)含氣體時(shí)，應(yīng)設(shè)法分離；管內(nèi)允許流速一般不超過1.5~1.8m/s。</p><p>　　接管的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直管、彎管和T形管。物料清潔和腐蝕輕微時(shí)，可以用不可拆結(jié)構(gòu)，即把進(jìn)料管直接焊在塔壁上。否則，應(yīng)用帶套管的進(jìn)料管。圖５為直管進(jìn)料管，其尺寸見

76、表3。進(jìn)料管距塔板的高度P和管長(zhǎng)L，由工藝決定。</p><p>　　表3 進(jìn)料管尺寸（mm）</p><p><b>　?。?）釜液出口管</b></p><p>　　當(dāng)塔支座直徑小于800mm時(shí)，塔底釜液出料管一般可采用圖6（a）所示結(jié)構(gòu)，先焊彎段在封頭上，再焊支座在封頭上，最后焊法蘭短接管在彎管上。</p><p&g

77、t;　　當(dāng)支座直徑大于800mm時(shí)，出料管可采用圖6（b）所示結(jié)構(gòu)。在出料管上，焊有三塊支承扁鋼，以便將出料管活嵌在引出管通道里。為了便于安裝，出料管外尺寸m，應(yīng)小于支座內(nèi)徑，引出管通道直徑應(yīng)大于出料管法蘭外徑。</p><p><b>　　（3）氣體進(jìn)口管</b></p><p>　　當(dāng)氣體分布要求不高時(shí)，用圖7（a）所示結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管；當(dāng)塔徑較大，進(jìn)氣要求均勻時(shí)，可

78、用圖7（b）所示結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管，管上開有三排出氣小孔，管徑及小孔直徑和數(shù)量，由工藝條件決定。當(dāng)采用直接蒸汽加熱釜液時(shí)，蒸汽進(jìn)入管安裝在液面以下，管上小孔設(shè)在進(jìn)入管的下方和側(cè)方，孔徑通常為5~10mm，孔中心距為5~10倍孔徑，全部吹氣孔總截面積約為鼓泡截面積的1.25至1.5倍。</p><p><b>　　（4）氣體出口管</b></p><p>　　氣體出口管安置在

79、塔壁上或安置在塔頂封頭上，通常都要考慮除沫問題，可以設(shè)置簡(jiǎn)單的除沫擋板或設(shè)置效率較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的除沫裝置。</p><p><b>　　3、人孔和手孔</b></p><p>　　人孔和手孔的安設(shè)是為了安裝、撿修設(shè)備內(nèi)部裝置。</p><p>　　塔徑大于800mm時(shí)開設(shè)人孔，一般每隔10~20層塔板或5~10m塔段設(shè)置一個(gè)人孔。板間距小的塔

80、按塔板數(shù)考慮，板間距大的塔按高度考慮。但在氣液進(jìn)出口等需經(jīng)常維修、清理部位，應(yīng)增設(shè)人孔。另外在塔頂和塔釜，也應(yīng)各設(shè)置一個(gè)人孔。</p><p>　　人孔的形狀有圓形和橢圓形兩種。圓形人孔的直徑一般為400~600mm；橢圓形人孔的最小尺寸為400×300mm。</p><p>　　塔體上宜采用垂直吊蓋入孔，也可采用回轉(zhuǎn)蓋人孔。圖8為一種回轉(zhuǎn)蓋快開人孔的結(jié)構(gòu)圖。</p>

81、<p>　　在設(shè)置人孔處，塔板間距至少應(yīng)比人孔尺寸大150mm，且不得小于600mm。</p><p>　　塔徑小于800mm時(shí)，可在塔頂設(shè)置法蘭（塔徑小于450mm的塔，采用分段法蘭連接），不在塔體上開設(shè)人孔，必要處開設(shè)手孔。手孔的直徑一般為150~250mm，它的結(jié)構(gòu)如圖9。</p><p>　　九、精餾塔附屬設(shè)備選型計(jì)算</p><p>　　精餾

82、塔附屬設(shè)備主要指原料液加熱器、釜液再沸器、餾出蒸氣冷凝器等，應(yīng)根據(jù)精餾流程先作熱量衡算，分別計(jì)算原料液預(yù)熱、釜液加熱、塔頂蒸汽冷凝的熱負(fù)荷，同時(shí)確定使用何種加熱劑和冷卻劑并計(jì)算其用量，然后作設(shè)備的選型計(jì)算。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　?。?）國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，1989．</p&g

83、t;<p>　?。?）化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書編輯委員會(huì)，塔設(shè)備設(shè)計(jì)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988．</p><p>　?。?）化學(xué)工業(yè)部化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站，化工單元操作設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)），化學(xué)工業(yè)部第六設(shè)計(jì)院出版，1987．</p><p>　?。?）《化學(xué)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì)，化學(xué)工程手冊(cè)，第13篇 氣液傳質(zhì)設(shè)備，化學(xué)工業(yè)出版社，1981．</p><p&g

84、t;　?。?）[美]N.P.Chopey，化學(xué)工程計(jì)算手冊(cè)（中譯文），大連工學(xué)院出版社，1986．</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　乙醇～水溶液的密度（kg/m3）</p><p>　　2、乙醇～水溶液汽液平衡數(shù)據(jù)（常壓）</p><p>　　3、乙醇～水蒸汽在沸騰條件下的密度（kg/m3）

85、, P=1.013×105 N/m2</p><p>　　4、苯、甲苯的密度、表面張力和汽化潛熱</p><p>　　5、總傳熱系數(shù)（列管換熱器）的大致范圍</p><p>　　6、乙醇～水混合物的熱焓,kJ/kg(kcal/kg)</p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b&g

86、t;　　班級(jí)＿＿＿＿＿＿</b></p><p><b>　　姓名＿＿＿＿＿＿</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：乙醇水溶液篩板精餾塔的工藝設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一．基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1．原料液量＿＿＿＿＿＿＿＿ [kg/h]</p>&

87、lt;p>　　2．原料液組成 乙醇＿＿＿＿％，水＿＿＿＿％</p><p>　　3．原料液溫度 ＿＿＿＿＿℃</p><p>　　4．餾出液組成 乙醇含量大于＿＿＿＿＿％</p><p>　　釜液組成 乙醇含量小于＿＿＿＿＿％</p><p>　?。ㄒ陨蠞舛染纲|(zhì)量分率）</p><p>　　5．操作壓力

88、 常壓</p><p><b>　　二．設(shè)計(jì)范圍</b></p><p>　　1．精餾系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)，繪流程圖一張；</p><p>　　2．篩板精餾塔的工藝計(jì)算；</p><p>　　3. 篩板精餾塔塔板結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)，繪制塔板負(fù)荷性能圖、塔板結(jié)構(gòu)圖和整體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；</p><p>　　4