化工原理课程设计指导书 板式精馏塔的设计 山东理工大学化学工程学院 化学工程系编 2017年1月
1 化工原理课程设计指导书 –––––板式精馏塔的设计 山东理工大学化学工程学院 化学工程系编 2017 年 1 月
目录 绪论00004 第一节概述. .8 1.1精榴振作对塔设备的要求. .8 1.2板式塔集型. 1.2.1筛板塔 1.2.2浮阀塔 1.3精榴塔的孩计步骤 第二节设计方案的确定， .10 21棒作条件的确定。 .10 2.1.1操作压力 10 2.1.2进料状态 10 2.1.3加热方式 10 2.1.4冷却剂与出口温度 11 2.1.5热能的利用 11 2.2确定被计方景的原则 11 第三节板式精馏塔的工艺计算.12 3.】物料衡算与操作孩方程 .12 3.1.1常规塔 12 3.1.2直接蒸汽加热 .13 第四节板式塔主要尺寸的设计计算.14 4.1塔的有效高度计算 15 4.2板式塔的塔板工艺尺寸计算 .18 4.2.1溢流装置的设计 18 4.2.2塔板设计， .25 4.2.3塔板的流体力学计算 .28 4.2.4塔板的负荷性能图。 .33 第五节板式塔的结构.。 .34 5.1塔的总体转物 34 5.2塔体是高度 .34 5.2.1塔顶空间Ho .34
2 目 录 绪 论. 4 第一节 概 述 . 8 1.1 精馏操作对塔设备的要求.8 1.2 板式塔类型.8 1.2.1 筛板塔 .9 1.2.2 浮阀塔 .9 1.3 精馏塔的设计步骤.9 第二节 设计方案的确定. 10 2.1 操作条件的确定. 10 2.1.1 操作压力. 10 2.1.2 进料状态. 10 2.1.3 加热方式. 10 2.1.4 冷却剂与出口温度. 11 2.1.5 热能的利用 . 11 2.2 确定设计方案的原则. 11 第三节 板式精馏塔的工艺计算 . 12 3.1 物料衡算与操作线方程. 12 3.1.1 常规塔. 12 3.1.2 直接蒸汽加热. 13 第四节 板式塔主要尺寸的设计计算. 14 4.1 塔的有效高度计算. 15 4.2 板式塔的塔板工艺尺寸计算. 18 4.2.1 溢流装置的设计. 18 4.2.2 塔板设计. 25 4.2.3 塔板的流体力学计算. 28 4.2.4 塔板的负荷性能图. 33 第五节 板式塔的结构. 34 5.1 塔的总体结构 . 34 5.2 塔体总高度. 34 5.2.1 塔顶空间 HD. 34
5.2.2人孔数目 34 5.2.3塔底空间H8 .36 5.3塔板结构 4.36 5.3.1整块式塔板结构. .36 第六节精馏装置的附属设备.36 6】国使除版器 37 62管毫式换热器的孩计与选型. .37 62.1流体流动阻力（压强降）的计算 6.2.2管壳式换热器的选型和设计计算步骤. 38 .39 6.3再第器. 39 6.4接管直径 40
3 5.2.2 人孔数目. 34 5.2.3 塔底空间 HB. 36 5.3 塔板结构 . 36 5.3.1 整块式塔板结构 . 36 第六节 精馏装置的附属设备. 36 6.1 回流冷凝器. 37 6.2 管壳式换热器的设计与选型 . 37 6.2.1 流体流动阻力（压强降）的计算. 38 6.2.2 管壳式换热器的选型和设计计算步骤. 39 6.3 再沸器. 39 6.4 接管直径. 40
绪 论 一、化工原理课程设计的目的和要求 课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程 及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起 着培养学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选 择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复 的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作 能力的有益实践。 通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从己发表的文献中和从生产现场中搜集）的能 力： 2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的 劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的 能力： 3.迅速准确的进行工程计算的能力 4.用简洁的文字，清晰的图表米表达自己设计思想的能力。 二、化工原理课程设计的内容和步骤 (一)课程设计的基本内容 1.设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述： 2.主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工 艺尺寸计算及结构设计： 3.典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号 规格的选定： 4.带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料 流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点： 5.主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表： 完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设 计工作的主要依据，应包括以下主要内容： (1)封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间）： (2)设计任务书： (3)日录： (4)设计方案简介： (5)设计条件及主要物性参数表： (6)工艺设计计算： (7)辅助设备的计算及选型 (8)设计结果汇总表： (9)设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论：
4 绪 论 一、化工原理课程设计的目的和要求 课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程 及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起 着培养学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选 择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复 的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作 能力的有益实践。 通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能 力； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的 劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的 能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 二、化工原理课程设计的内容和步骤 （一）课程设计的基本内容 1. 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述； 2. 主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工 艺尺寸计算及结构设计； 3. 典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号 规格的选定； 4. 带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料 流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点； 5. 主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表； 完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设 计工作的主要依据，应包括以下主要内容： （1）封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）； （2）设计任务书； （3）目录； （4）设计方案简介； （5）设计条件及主要物性参数表； （6）工艺设计计算； （7）辅助设备的计算及选型； （8）设计结果汇总表； （9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；
(10)工艺流程图及设备工艺条件图： (11)参考资料。 (一)课程设计的步 1.动员和布置任务： 2.阅读指导书和查阅资料： 3.现场调查： 4.设计计算，绘图和编写说明书： 5.考核和答辩。 整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确：计算要 求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处：图表应能简要表达 计算的结果。 课程设计的答辩，是及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心 得和扩大收获的重要过程。答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。个别答辩的目的 不仅是对学生进行全面考核，更主要的是促进学生开动脑筋，提高设计水平。所以，在个别 答辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。公开答辩是在个别答辩的基础上，选 出几个有代表性的学生在全班公开答辩，实际上是以他们的中心发言来引导全班性的讨 论，目的是交流心得、探讨问题和扩大收获。 三、带控制点的工艺流程图的绘制 带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样，它以形象的图形、符号、代号表示出化工 设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流 程图绘制范围如下： 1.必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备： 2.应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向： 3.冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽（不包括副产品蒸汽）及蒸汽冷凝液系 统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意表示出与工艺设备相连的一小段及相应的控 制阀门和仪表： 4.包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署： 5.必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符号及调节阀等。这里指的控制点 符号包括被测变量的仪表功能（如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集 中，就地仪表等) 流程图的绘制步骤如下： 1.用细实线(0.3mm)画出设备简单外形，设备 一般按1：100或1：50的比例绘制，如某 种设备过高（如精馏塔），过大或过小，则可适当放大或缩小： 2.常用设备外形可参照图01规定所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外 形，表明设备的特征即可： 3.用粗实线(0.9mm)画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头： 4.辅助物料管道（如冷却水、加热蒸汽等），用中粗实线(0.6mm)表示： 5.设备按主要物料的流向在图面上由左至右展开排列，图上一律不标示设备的支脚 支架和平台等，一般情况下也不标注尺寸
5 （10）工艺流程图及设备工艺条件图； （11）参考资料。 （二）课程设计的步骤 1. 动员和布置任务； 2. 阅读指导书和查阅资料； 3. 现场调查； 4. 设计计算,绘图和编写说明书； 5. 考核和答辩。 整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要 求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达 计算的结果。 课程设计的答辩，是及时了解学生设计能力的补充过程，也是提高设计水平，交流心 得和扩大收获的重要过程。答辩通常包括个别答辩和公开答辩两种形式。个别答辩的目的 不仅是对学生进行全面考核，更主要的是促进学生开动脑筋,提高设计水平。所以，在个别 答辩后，应允许学生修改补充自己的图纸和说明书。公开答辩是在个别答辩的基础上，选 出几个有代表性的学生在全班公开答辩，实际上是以他们的中心发言来引导全班性的讨 论，目的是交流心得、探讨问题和扩大收获。 三、带控制点的工艺流程图的绘制 带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工 设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。工艺流 程图绘制范围如下： 1. 必须反映出全部工艺物料和产品所经过的设备； 2. 应全部反映出主要物料管路，并表达出进出装置界区的流向； 3. 冷却水、冷冻盐水、工艺用的压缩空气、蒸汽(不包括副产品蒸汽)及蒸汽冷凝液系 统等的整套设备和管线不在图内表示，仅示意表示出与工艺设备相连的一小段及相应的控 制阀门和仪表； 4. 包括绘制图例，图画上必要的说明和标注，并按图签规定签署； 5. 必须标注工艺设备，工艺物流线上的主要控制点符号及调节阀等。这里指的控制点 符号包括被测变量的仪表功能(如调节、纪录、指示、积算、连锁、报警、分析、检测及集 中,就地仪表等)。 流程图的绘制步骤如下： 1. 用细实线(0.3mm)画出设备简单外形，设备一般按 1:100 或 1:50 的比例绘制，如某 种设备过高(如精馏塔)，过大或过小，则可适当放大或缩小； 2. 常用设备外形可参照图 0-1 规定所示，对于无示例的设备可绘出其象征性的简单外 形，表明设备的特征即可； 3. 用粗实线(0.9mm)画出连接设备的主要物料管线，并注出流向箭头； 4. 辅助物料管道(如冷却水、加热蒸汽等)，用中粗实线(0.6mm)表示； 5. 设备按主要物料的流向在图面上由左至右展开排列，图上一律不标示设备的支脚、 支架和平台等，一般情况下也不标注尺寸
工艺物料和辅助物料管线的介质代号按规定编制，常用介质代号规定如表0-1。 每一条管道均应标注管道组合号管道组合号的形式如下例： PG0105-150L1B-H 其中PG为介质代号，01为主项（设计单元）代号，05为该主 项内同一介质管道的序号，150为管道的公称直径，L为压力等级代号，1为顺序号，B为 材质代号，H为保温代号。 表0-1流程图上介质代号 代号 中文名称 代号 中文名称 PG 工艺气体 PL 工艺液体 BW 锅炉给水 HS 高压蒸汽 T 放空气 LS 低压蒸汽 E 真空排放气 MS 中压蒸汽 工艺水 蒸汽冷凝水 CWS (循环)冷却水上水 PWW 生产废水 CWR (循环)冷却水回水 CSW 化学污水 RWS 冷冻盐水上水 RWR 冷冻盐水回水 图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表0-2。 表0-2单元设备分类代号 单元设备 代号 单元设备 代号 转化器，反应器再生器 炉子 F 槽、储罐 换热器 E 泵 火炬 压缩机、风机 过滤机 四、主体设备工艺条件图 主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发 中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备（板式塔和填料塔），干燥中的干燥器等。一般，主体 设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某 一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换 热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类 似情况。 主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出 来。图面上应包括如下内容： 1.设备图形指主要尺寸（外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸）、接管、人孔等： 6
6 工艺物料和辅助物料管线的介质代号按规定编制，常用介质代号规定如表 0-1。 每一条管道均应标注管道组合号管道组合号的形式如下例： PG0105-150 L1B-H 其中 PG 为介质代号，01 为主项（设计单元）代号，05 为该主 项内同一介质管道的序号，150 为管道的公称直径，L 为压力等级代号，1 为顺序号，B 为 材质代号，H 为保温代号。 表 0-1 流程图上介质代号 图上应标注单元设备的代号，单元设备分类代号见表 0-2。 表 0-2 单元设备分类代号 单元设备 代号 单元设备 代号 转化器,反应器,再生器 槽、储罐 泵 火炬 过滤机 R V P S M 炉子 换热器 塔 压缩机、风机 F E T C 四、主体设备工艺条件图 主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发 中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主体 设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某 一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换 热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类 似情况。 主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出 来。图面上应包括如下内容: 1. 设备图形 指主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管、人孔等； 代号 中文名称 代号 中文名称 PG 工艺气体 PL 工艺液体 BW 锅炉给水 HS 高压蒸汽 VT 放空气 LS 低压蒸汽 VE 真空排放气 MS 中压蒸汽 PW 工艺水 SC 蒸汽冷凝水 CWS (循环)冷却水上水 PWW 生产废水 CWR (循环)冷却水回水 CSW 化学污水 RWS 冷冻盐水上水 RWR 冷冻盐水回水
料中 Q 心莱 下菜 青薇木聚 旋 家脑漫达过1 异吴式 蛋式 果新式 县片女 食式 以 显式气柜 夜作 图0-1流程图设备外形图例 7
7 图 0-1 流程图设备外形图例
2.技术特性 指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒 性和爆炸危险性： 3.设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。 应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设 计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的 教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。 第一节概述 11精榴操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气（汽、液两相之间的传质，而作为气（汽）、液两相传质所用的塔设备 首先必须要能使气（汽）、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满 足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： (1)气（汽）、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液 泛等破坏操作的现象。 (2)操作稳定，弹性大，即当塔设备的气（汽）、液负荷有较大范围的变动时，仍能在 较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3)流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从 而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空 度，最终破坏物系的操作。 (4)结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易， (5)耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (6)塔内的滞留量要小。 实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。 不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进 行选型。 1.2板式塔类型 气一液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采 用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。 板式塔为逐级接触型气一液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气一液接触元件的不 同，可分为泡罩塔、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 等多种。 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，如 S型板、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 板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前
8 2. 技术特性 指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒 性和爆炸危险性； 3. 设备组成一览表 注明组成设备的各部件的名称等。 应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设 计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的 教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。 第一节 概 述 1.1 精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备， 首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满 足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： (１) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液 泛等破坏操作的现象。 (２) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在 较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (３) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从 而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空 度，最终破坏物系的操作。 (４) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (５) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (６) 塔内的滞留量要小。 实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。 不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进 行选型。 1.2 板式塔类型 气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采 用填料塔，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。 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，可分为泡罩塔、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 等多种。 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，如 S 型板、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 板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前
两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。 1.2.1筛板塔 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： (1)结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80%左 右。 (2)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10~15%。 (3)塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。 (4)压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。 筛板塔的缺点是 (1)塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 (2)操作弹性较小（约2一3）。 (3)小孔筛板容易堵塞 1.2.2浮阀塔 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔 板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在 某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方 面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精 馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm,使用效果均较好。国外浮阀 塔径，大者可达10m,塔高可达80m,板数有的多达数百块。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： (1)处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20~40%，而接近于筛板塔。 (2)操作弹性大， 般约为5~9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 (3)塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。 (4)压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400~660Nm2 (5)液面梯度小。 (6)使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 (7)结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60~80%，为筛板塔的120~130%。 本书虽未包括其它塔板的设计资料，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同 的。学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板。 13精榴塔的设计步 本设计按以下几个阶段进行： (1)设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设 备型式及其材质的选取等进行论述。 (2)蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 (3)塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵 等，并画出塔的操作性能图。 (4)管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器， (⑤)抄写说明书
9 两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论浮阀塔与筛板塔的设计。 1.2.1 筛板塔 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： (１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的 60％，为浮阀塔的 80％左 右。 (２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 10～15％。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 (４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30％左右。 筛板塔的缺点是： (１) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 (２) 操作弹性较小(约 2～3)。 (３) 小孔筛板容易堵塞。 1.2.2 浮阀塔 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔 板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在 某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方 面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精 馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从 200mm 到 6400mm，使用效果均较好。国外浮阀 塔径，大者可达 10m，塔高可达 80m，板数有的多达数百块。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： (１) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 20～40％，而接近于筛板塔。 (２) 操作弹性大，一般约为 5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 (４) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为 400～660N/m2。 (５) 液面梯度小。 (６) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 (７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的 60～80％,为筛板塔的 120～130％。 本书虽未包括其它塔板的设计资料，但其设计的基本方法与浮阀塔和筛板塔是相同 的。学生在设计时，可以根据具体条件进行板塔的选型，而不限于选用上述两种塔板。 1.3 精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行： (１) 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设 备型式及其材质的选取等进行论述。 （２）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 （３）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵 等，并画出塔的操作性能图。 （４）管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 (5) 抄写说明书
(6)绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。 第二节设计方案的确定 21操发多伴的确宝 确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。 例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余 热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。下面结合课程设计的需要，对 某些问题作些阐述。 2.1.1操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料 的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分 离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽 真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特 殊要求时， 一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力 可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸 汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 2.1.2进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进 料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔 的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的 塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 2.1.3加热方式 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。 若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大（如酒精与水的混合液）， 便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热：在釜内 只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而 直接蒸汽加热，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。但对有些物 系（如酒精与水的二元混合液），当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离， 故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。 值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以使克服 蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于酒精水溶液，一般采用0.40.7Pa(表压)。 饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。同时，饱和水 蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。但若要求加热温 度超过180℃时，应考虑采用其它的加热剂，如烟道气或热油。 当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高
10 (6) 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。 第二节 设计方案的确定 2.1 操作条件的确定 确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。 例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余 热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。下面结合课程设计的需要，对 某些问题作些阐述。 2.1.1 操作压力 蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料 的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分 离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽 真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特 殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力 可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸 汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 2.1.2 进料状态 进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进 料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔 的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的 塔径相同，为设计和制造上提供了方便。 2.1.3 加热方式 蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。 若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)， 便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内 只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而， 直接蒸汽加热，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。但对有些物 系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离， 故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。 值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服 蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于酒精水溶液，一般采用 0.4~0.7KPa（表压）。 饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。同时，饱和水 蒸汽的冷凝潜热较大，价格较低廉，因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。但若要求加热温 度超过 180℃时，应考虑采用其它的加热剂，如烟道气或热油。 当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高