化工原理课程设计苯甲苯混合液的连续板式精馏塔.doc

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1、化工原理课程设计二说明书设计题目： 苯-甲苯混合液的连续板式精馏塔 班 级： 2012级化工（3）班 姓 名： 学 号： 1220103128 设计时间： 2014-11-30至2014-12-06 指导教师： 目 录一、 前言二、 生产任务书三、 设计方案的确定及流程说明（一） 装置流程的确定（二） 操作压强的选择（三） 进料热状况的选择（四） 加热方式（五） 回流比的选择四、 塔的工艺计算（一） 装置流程的确定（二） 塔的物料衡算（三） 塔板数的确定（四） 全塔效率（五） 实际塔板数（六） 塔的工艺条件及物性参数数据计算（七） 塔的气液负荷计算五、 塔和塔板主要工艺尺寸的设计（一） 塔径（

2、二） 溢流装置（三） 塔板布置（四） 筛孔数与开孔率（五） 塔的有效高度六、 塔板的流体力学验算（一） 气体通过筛板压降相当的液柱高度（二） 雾沫夹带量的验算（三） 漏液的验算（四） 液泛的验算七、 塔板的负荷性能图（一） 雾沫夹带线（二） 液泛线（三） 液相负荷上限线（四） 漏液线（五） 液相负荷下限线八、 设计结果一览表九、 分析与讨论（一） 设计评述（二） 有关问题的分析讨论（三） 心得体会十、 参考文献十一、 附带参考文献前 言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

3、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

4、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。化工过程设备设计（二）任务书（一） 设计题目：试设计一座苯甲苯连续精馏塔，要求年产纯度为 98 %的甲苯 25572.888 吨，塔顶馏出液中苯含量不低于 99 %，原料液中含苯 41 %（以上均为质量%）。（二） 操作条件（1）塔顶压强：4kPa（表压）（2）进料热状况： 饱和液体进料 （3）回流比： 自选 （4）单板压降不大于0.7kPa（三） 设备型式：F1型浮阀塔或筛板塔（四） 设备工作日：每年330天，每天24小时连续运行（五） 厂址大气压：101.3kPa（六） 设计内容1、设计方案的确定及流程说明2、塔的工艺计算3、塔

5、和塔板主要工艺尺寸的设计 （1）塔高、塔径及塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学验算 （3）塔板的负荷性能图4、设计结果概要或设计结果一览表5、对本设计的评述和有关问题的分析讨论一、 概述1.1 塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。 在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和

6、消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。1.2 塔设备的分类及一般构造 塔设备经过长期发展，形成了型式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜型式分类的。但是长期以来，最常

7、用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类，还有几种装有机械运动构件的塔。 在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。 在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料，细分为多种塔型。装有机械运动构件的塔，也就是有补充能量的塔，常被用来进行萃取操作，液有用于吸收、除尘等操作的，其中以脉动塔和转盘塔用得较多。 塔设备的构件，除了种类繁多的各种内件外，

8、其余构件则是大致相同的。 1.塔体 塔体是塔设备的外壳。常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒和作为头盖和低盖的椭圆形封头所组成。随着化工装置的大型化，渐有采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体除满足工艺条件（如温度、压力、塔径和塔高等）下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所引起的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工等的影响。对于板式塔来说，塔体的不垂直度和弯曲度，将直接影响塔盘的水平度（这指标对板式塔效率的影响是非常明显的），为此，在塔体的设计、制造、检验、运输和吊装等各个环节中，都应严格保证达到有关要求，不使其超差。 2.塔体支座 塔体支座是塔体安放到基础上的连接部分。它必须保证

9、塔体坐落在确定的位置上进行正常的操作。为此，它应当具有足够的强度和刚度，能承受各种操作情况下的全塔重量，以及风力、地震等引起的载荷。最常用的塔体支座是裙式支座（简称为“裙座”）。 3.除沫器 除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于回收贵重物料、提高分离效率、改善塔后设备的操作状况，以及减少对环境的污染等，都是非常必要的。 4.接管 塔设备的接管是用以连接工艺管路，把塔设备与相关设备连成系统。按接管的用途，分为进液管、出液管、进气管、出气管、回流管、侧线抽出管和仪表接管等。 5.人孔和手孔 人孔和手孔一般都是为了安装、检修检查和装填填料的需要而设置的。在板式塔和填料塔中，各有不

10、同的设置要求。 6.吊耳 塔设备的运输和安装，特别是在设备大型化后，往往是工厂基建工地上一项举足轻重的任务。为起吊方便，可在塔设备上焊以吊耳。 7.吊柱 在塔顶设置吊柱是为了在安装和检修时，方便塔内件的运送。1.3 对塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。（1） 生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。（2） 操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液复合量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保

11、证能长期连续操作。（3） 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。（4） 结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。（5） 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。人们对于高效率、生产能力大、稳定操作和低压力降的追求，推动着塔设备新结构型式的不断出现和发展。1.4 塔设备的用材塔设备与其他化工设备一样，置于室外、无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的

12、。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也较成熟。特别是在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的优点，因而被广泛地采用。为此，有些场合为了满足腐蚀性介质或低温等特殊要求，采用有色金属材料（如钛、铝、铜、银等）或非金属耐腐蚀材料，也有为了减少有色金属的耗用量而采用渗铝、镀银等措施，或采用钢壳衬砌、衬涂非金属材料的。用这类材料制成的塔设备，塔径一般都不大，当尺寸稍大时，就得在塔外用钢架结构加强。此外，这些材料在制造、运输、安装等方面都各有特点，在设计时还应参阅其他有关资料，认真加以考虑。可供制作塔设备内件的材料，比之塔体用材，选择余地更大了。板式塔中的塔盘，以及浮阀、泡罩一类

13、气液接触元件，由于结构较为复杂，加之安装工艺和使用方面的要求（如浮阀应能自由浮动），所以仍是以钢材为主，其他材料（如陶瓷、铸铁等）为辅。填料的用材，往往只考虑制造成型方面的性能，所以可用多种材料制成同一型式和外形尺寸的填料，以满足不同场合需要。如拉西环最初是用瓷做的，以后又出现用钢、石墨或硬聚氯乙烯塑料等制造；鲍尔环也有用钢、铝或聚丙烯塑料等制造；至于高效的丝网填料，则除了用各种金属丝网外，还可将尼龙、塑料等编织成网，进而制得。总之，选材所考虑得因素较多。1.5 板式塔的常用塔型及其选用板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多。根据目前国内外实际使用的情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。1

14、.5.1 泡罩塔泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作所使用的塔设备中，曾占有主要地位，近三十年来由于塔设备有很大的进展，出现了许多性能良好的新塔型，才使泡罩塔的应用范围和在塔设备中所占的比重有所减少。但泡罩塔并不因此失去其应用价值，因为它具有如下优点。 操作弹性较大，在负荷变动范围较大时仍能保持较高的效率。 无泄漏。 液气比的范围大。 不易堵塞，能适应多种介质。泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修麻烦以及气相压力降较大。然而，泡罩塔经过长期的实践，积累的经验比其他任何塔型都丰富，常用的泡罩已经标准化。在处理非腐蚀性物料时，整个泡罩塔盘都可用碳钢制造。泡罩塔盘的蒸

15、气压力降虽然高一些，但在常压或加压下操作时，并不是主要问题。根据现今的情况，泡罩塔盘在工业上仍有一定的实用价值。泡罩塔盘的主要结构包括泡罩、升气管、溢流管及降液管。泡罩塔如果塔盘设计欠妥或操作不当，常会出现以下不正常现象，从而使塔板效率下降，甚至破坏操作。（1） 锥流 当液体流量很小或液封高度不够时，从齿缝出来的蒸气，能推开液体，掠过液面直接上升，以致气液接触不良。（2） 脉动 当蒸气流量很小、不能以连续鼓泡的形式通过液层时，必然是逐渐积累蒸气，使塔盘下方的气压逐渐升高，当增加到足够的数值后，才能通过齿缝鼓泡逸出；而当流过若干气泡后，气压下降，就停止鼓泡；再等到上升至一定压力后，才能重新鼓泡。

16、即蒸气的流动过程表现为蒸气脉动鼓泡。（3） 偏流和倾流 当液体流量过大和蒸气流量过小时，塔盘上液面落差大，使气流分布不均，就称为偏流；情况严重时，液体从升气管溢流而下，称为倾流。这现象多出现于大塔中。（4） 过量的雾沫夹带 蒸气速度过高时，被夹带到上一塔盘的液量超过了允许值，称为过量的雾沫夹带。（5） 液泛 部分液体未能通过降液管流下，被拦截在塔板上，泡沫层高度充满板间距，以致无法操作，这称为液泛（或淹塔）。造成液泛的原因有：板间距太小，降液管面积太小，或是气液流量太大，超过了设计限度。泡罩是泡罩塔板最主要的部件，品种很多，目前应用最多的型式是具有矩形或梯形齿缝，底部有缘圈、结构可拆的圆泡罩。

17、1.5.2 筛板塔筛板塔也是很早出现的一种板式塔。20世纪50年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，筛板塔具有下列优点：生产能力大（2040），塔板效率高（1015），压力降低（3050），而且结构简单，塔盘造价减少40左右，安装、维修都较容易。从而一反长期的冷落状况，获得了广泛应用。近年来对筛板塔盘的研究还在发展，出现了大孔径筛板（孔径可达2025mm）、导向筛板等多种型式。筛板塔盘上分为筛孔区、无孔区、溢流堰及降液管等几部分。工业塔常用的筛孔孔径为38mm，按正三角形排列，孔间距与孔径的比为2.55。近年来有用大孔径（102

18、5mm）筛板的，它具有制造容易、不易堵塞等优点，只是漏液点稍高，操作弹性较小。与泡罩塔操作情况类似，液体从上一层塔盘的降液管流下，横向流过塔盘，经溢流堰进入降液管，流入下一层塔盘。依靠溢流堰来保持塔盘上的液层高度。蒸气自下而上穿过筛孔时，分散成气泡，穿过板上液层。在此过程中进行相际的传热和传质。筛板塔盘的特点如下。（1） 结构简单，制造维修方便。（2） 生产能力较大。（3） 塔板压力降较低。（4） 塔板效率较高，但比浮阀塔盘稍低。（5） 合理设计的筛板塔可具有适当的操作弹性。（6） 小孔径筛板易堵塞，故不宜处理脏的、黏性大的和带有固体粒子的料液。1.5.3 浮阀塔20世纪50年代起，浮阀塔已大

19、量用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数有数百块之多。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。浮阀塔之所以广泛

20、应用，是由于它具有下列特点。（1） 处理能力大 浮阀在塔盘上可安排得比泡罩更紧凑。因此浮阀塔盘的生产能力可比圆形泡罩塔盘提高2040。（2） 操作弹性大 浮阀可在一定范围内自由升降以适应气量的变化，而气缝速度几乎不变，因之能在较宽的流量范围内保持高效率。它的操作弹性为35，比筛板和舌形塔盘大得多。（3） 塔板效率高 由于气液接触状态良好，且蒸气以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少。因此塔板效率较高，一般情况下比泡罩塔高15左右。（4） 压力降小 气流通过浮阀时，只有一次收缩、扩大及转弯，故干板压力降比泡罩塔低。在常压塔中每层塔盘的压力降一般为400666.6Pa。浮阀的型式很多，国内已采用的浮阀

21、，如V-1型、V-4型、V-6型、十字架型和A型，其中常用的是V-1型和V-4型。浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸气自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。1.5.4 舌形塔及浮动舌形塔舌形塔是喷射型塔，20世纪60年代开始应用。它是在塔盘板上开有与液流同方向的舌形孔，蒸气经舌孔流出时，其沿水平方向的分速度促进了液体的流动，因而在大液量时也不会产生较大的液面落差。由于气液两相呈并流流动，这就大大地减少了雾沫夹带。当舌孔气速提高到某一定值时，塔盘上的液体被气流喷射成滴状和片状，从而加大了

22、气液接触面积。与泡罩塔相比，其优点是：液面落差小，塔盘上液层薄、持液量小，压力降小（约为泡罩塔盘的3350），处理能力大，塔盘结构简单，钢材可省1245，且安装维修方便；其缺点是：操作弹性小（仅24），塔板效率低，因而使用受到一定限制。浮动舌形塔盘也是一种喷射塔盘，其舌片综合了浮阀及固定舌片的结构特点，因此既有舌形塔盘的大处理量、低压力降、雾沫夹带小等优点，又有浮阀塔的操作弹性大、效率高、稳定性好等优点；缺点是舌片易损坏。1.5.5 穿流式栅板塔穿流式栅板塔属于无溢流装置的板式塔，在工业上也得到广泛应用。属于穿流式的还有：穿流式波纹筛板塔盘、穿流式双孔径筛板塔盘等。穿流式塔盘根据板上开有栅缝或

23、筛孔，分别称为穿流式栅板塔或穿流式筛板塔。这种塔盘没有降液管，气液两相同时相向通过栅缝或筛孔。操作时蒸气通过孔缝上升，进入液层，形成泡沫；与蒸气接触后的液体，也不断地通过孔缝流下。这种塔盘由于操作范围窄，一直未能推广应用。至20世纪50年代初，穿流式栅板塔的工业应用获得成功，因而近年来应用日广。穿流式栅板塔的特点如下。（1） 结构简单 塔盘上无溢流装置，结构比一般筛板塔盘还简单。因而制造容易，安装维修方便，节省材料和投资。 （2） 生产能力大 由于没有溢流装置，就节省了降液管所占的塔截面积（一般约占塔盘总面积的1530），所以蒸气流量较大。（3） 压力降小 开孔率大，孔缝气速可比溢流式塔盘为小

24、，其压力降比泡罩塔小4080，因而可用于真空蒸馏。（4） 污垢不易沉积、孔道不易堵塞 可用塑料、陶瓷、石墨等非金属耐腐蚀材料制造。（5） 操作弹性较小 能保持较好效率的负荷上下限之比约为1.52.0，低于其他板式塔。（6） 塔板效率较低 比一般板式塔约低3060。但穿流式塔的孔缝气速较小，雾沫夹带量也小，故塔板间距可缩小，因而在同样的分离条件下，塔的总高度与泡罩塔大致相同。穿流式塔盘上的气液通道可制成长条形栅缝或圆形筛孔，栅缝或筛孔大小可按物料的污垢程度、所要求的效率等情况而定，孔缝大，则耐污垢性好、加工容易，但效率较低。栅缝一般宽为312mm、长为100150mm，常用缝宽为35mm。筛孔孔

25、径一般为310mm，近来有用到25mm的，常用孔径为58mm。塔盘开孔率一般为1525，亦有大到40的。1.5.6 其他类型塔盘1.导向筛板塔盘2.多降液管筛板塔盘3.网孔塔盘4.Kittel塔盘5.旋流塔盘6.角钢塔盘1.6 塔型选择一般原则塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节。选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔设备的制造、安装、运转和维修等。1.6.1 与物性有关的因素（1） 易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。（2） 具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单、造价便宜的筛板塔盘

26、、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。（3） 具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔和浮阀塔。（4） 黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率较差。（5） 含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用填料。（6） 操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔盘上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。1.6.2 与操作条件有关的因素（1） 若气相传质阻力大（即气相控制系统，如低黏度液体的

27、蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统（如水洗二氧化碳），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。（2） 大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。此外，导向筛板塔盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷。（3） 低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。（4） 液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜用板式塔。1.6.3 其他因素（1） 对于多数情况，塔径小于8

28、00mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜采用新型填料。（2） 一般填料塔比板式塔重。（3） 大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。1.7 板式塔的强化板式塔产生、发展的过程，实际上就体现了塔设备的强化途径。可将板式塔的发展划分为三个时期，由于当时的主观要求和客观条件所决定，各个时期的发展有所侧重。（1） 从板式塔的产生到第二次世界大战结束 这阶段的板式塔主要用来炼油，典型设备是泡罩塔。由于当时设计于操作的水平不高，人们希望板式塔有较大的操作弹性，且操作方便，而这正

29、是泡罩塔的特点。筛板塔虽然具有结构简单、造价低、处理能力大等优点，但因缺乏设计资料和难于操作管理而较少采用。（2） 从第二次世界大战结束至20世纪50年代末 在炼油工业继续发展的同时，以三大合成为中心的化学工业开始有了较大的发展。这一阶段由于处理量的扩大和多方面的要求，泡罩塔已不甚适应。筛板塔则逐渐为人们所接受，技术上有较大的进展。同时，为了适应工业发展的要求，对原有的板式塔提出了造价低、处理能力大、能保持高的效率和大的操作弹性等方面的要求，因而相继出现了S形塔盘、条形泡罩塔盘等泡罩型新塔盘，结合泡罩、筛板的优点而创制的各种浮阀塔盘，以及一些喷射型、穿流型的塔盘。这些塔型与泡罩塔相比，都有结构

30、简单、造价便宜、处理能力较大的优点。（3） 20世纪60年代至今 从60年代起，开始出现生产装置的大型化，所以也要求塔设备向大型化方向发展。与此同时，塔设备的广泛应用，又提出了高压、真空、大的液体负荷、高弹性比等许多特殊要求，迫使板式塔以强化设备的生产能力为中心，向高效率、大通量方向发展，因而各种新型塔板不断出现。常用塔型如筛板、浮阀、泡罩塔盘的设计方法也日趋完善，建立了系列、标准，并采用电子计算技术，使设计快速化和最优化。还应指出，节约能源也日益成为板式塔发展中必须考虑的问题。板式塔强化的具体途径是改进流体动力学因素，以提高设备的通过能力和改善相间的接触状况，同时又充分利用气液两相之间的热力

31、学因素，以提高设备的传质速率与分离效率。从塔盘的流体力学来看，随着气速的增大，气液两相接触时的操作状态是：鼓泡-泡沫-喷射，依次过渡。一定的操作状态都要求相应的塔盘结构。同时，结构的改变又为解决生产能力与分离效率之间的矛盾创造了有利条件。例如喷射型塔盘的生产能力一般都比泡罩塔盘、浮阀塔盘为大，且压力降也低。事实上每种塔盘结构都可以历经从鼓泡到喷射的过渡，问题在于什么是最好的操作状态，由设计操作参数所决定的。二、 设计方案的确定（一）装置流程的确定精馏装置包括精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器

32、和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应该考虑余热的利用，注意节能。此外，为了保持塔的操作稳定性，流程中除了用泵直接送入塔原料外，还可用高位槽送料以免受泵操作波动的影响。塔顶冷凝器装置根据生产情况以决定采用分凝器分凝器或者全凝器。一般来说，塔顶分凝器对上升气虽有一定增浓作用，但是在石油化工中获取液相产品时往往采用全凝器，以便于准确地控制回流比，若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。（二）操作压强的选择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

33、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。（三）进料热状况的选择进料热状况以热状态参数q表达，定义式如下：有5种进料状态：（1）q1.0冷液进料（2）q=1.0饱和液体进料（3）q=0饱和蒸汽进料（4）0q1.0气液混合物进料（4）q0过热蒸汽进料原则上，

34、在供热量一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但是为了使塔的操作稳定免受季节气温影响，精，提馏段宜采用相同的塔径以便于制造，则常采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器。若工艺要求减少塔釜加热量避免塔釜温度过高、料液产生聚合或者结焦，则应采用气态进料。（四）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。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。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

35、服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于苯-甲苯溶液，一般采用1.12.0KPa（表压）。（五）回流比的选择 回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费用和操作费用之和最低。苯甲苯混合液是属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2.0倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔顶产品经冷却后送至储罐。最小回流比取决于物系，理想物系则是精馏段操作线和平衡线相交时计算。非理想物系根据情况，一般是操作线（精馏段或提留段）与平衡线相切时得到最小回流比。三、 二元连续板式精馏塔的工艺计算（一） 装置流程的确定精馏塔中苯甲苯饱和蒸汽（原料）经预热器加热到指定温度后送入到精馏塔的进料版，在进料

36、版上自塔上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底，在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传质过程。操作时，连续的从再沸器再取出部分液体气化。产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶或是自然回流作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品。塔釜采用间接蒸汽和再沸器共热。塔底产品经冷却后送入储槽。装置流程见下附图：装置流程图（二） 工艺计算2.1原料液及塔顶、塔釜产品含苯的摩尔分率 2.1平均分子量 2.3物料衡算 已知： 联立以上三式知： 转化单位为： 2.4板层数的确定（1）理论板层数NT的确定 苯甲苯属于理想物系，可采

37、用图解法求解理论板层数。由手册查得苯甲苯物系的气液平衡数据，绘出x-y图常压下苯-甲苯的气液平衡数据温度t C液相中苯的摩尔分率x气相中苯的摩尔分率x110.560.000.00109.911.002.50108.793.007.11107.615.0011.2105.0510.020.8102.7915.029.4100.7520.037.298.8425.044.297.1330.050.795.5835.056.694.0940.061.992.9645.066.791.4050.071.390.1155.075.588.8060.079.187.6365.082.586.5270.08

38、5.785.4475.088.584.4080.091.283.3385.093.682.2590.095.981.1195.098.080.6697.098.880.2199.099.680.01100100.0求最小回流比及操作比采用作图法求最小回流比。由于进料为饱和进料，故q=0。在x-y图对角线上，自点e（0.541118，0.541118）作斜率为0的进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为xq=0.325，yq=0.540；由最小回流比时操作线与平衡线交点坐标代入最小回流比计算公式知：取操作回流比。求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程精馏段操作线方程为： 提馏段操作线方程为： 图解

39、法求理论板层数 求解过程如图所示。求解结果如下： 总理论板层数： 进料位置：第6块实际板层数的求取全塔效率公式： 取 所以： 精馏段： 提馏段： （三） 精馏塔的工艺条件及物性数据的计算3.1操作压力的计算（1）塔顶的操作压力： 取每层塔板的压强为：p=0.7kpa 进料板压强： （2）塔釜的操作压力： （3）精馏段平均操作压强： （4）提馏段平均操作压强： 3.2操作温度的计算根据操作压强，依据下式试差计算操作温度： 试差计算结果可得：塔顶： 进料板： 塔底： 则精馏段平均温度为：则提馏段平均温度为：3.3平均摩尔质量计算塔顶：进料板：塔底：精馏段平均分子量：提馏段平均分子量：3.4平均密度

40、（1）液相密度 计算式： 塔顶： 塔釜： 进料板： 所以： 精馏段平均液相密度： 提馏段平均液相密度： （2）气相密度 3.5液体表面张力 精馏段平均表面张力： 提馏段平均表面张力： 3.6液体粘度 精馏段平均粘度： 提馏段平均粘度： 操作压强kpa温度平均分子量kg/kmol液相密度Kg/m3气相密度Kg/m3表面张力mN/m液体粘度mpas精馏段108.888.405Mvm=80.978804.6292.93220.49830.287Mlm=82.841提馏段117.2103.035Mvm=87.574787.7633.28219.10790.261Mlm=89.207塔的工艺条件及物性数

41、据计算结果列表：（四） 塔的气液负荷计算4.1精馏段： 4.2提馏段 4、 塔和塔板主要工艺尺寸计算（1） 塔径 初选板间距HT=0.40m，取板上液层高度hL=0.06m，故HT-hL=0.34m。精馏段： 查Smith关联图得： C20=0.07代入： 取安全系数为0.7： 故： D=1.001411084m提馏段同精馏段，查得C20=0.08,计算知D=0.940441126m按标准，将D与D圆整为1.4m，则空塔气速精馏段：u=0.40m/s，u=0.39m/s。（2） 溢流装置 采用单溢流，弓形降液管，平形受液盘及平形溢流堰，不设进口堰。各项计算如下：溢流堰长；取：lw/D=0.66

42、则：出口堰高：精馏段： 查液流收缩系数图得E=1.04 提馏段： 查液流收缩系数图得E=1.05 （3） 降液管的宽度wd与降液管的面积Af由lw/D查图弓形降液管的宽度与面积：得wd/D=0.124得Af/AT=0.0722计算wd=0.1736计算Af=0.11108692计算AT=1.5386m2所以： 精馏段： 提馏段： （4） 降液管底隙高度：取液体通过降液管底隙的流速： 精馏段： 提馏段 （5） 塔板布置边缘区宽度Wc=0.035m 安定区宽度Ws=0.065m开孔面积式中：x=0.4614mr=0.665m计算Aa=1.120115Wc WdlWRx655m2布置图如下： 精馏塔塔板布置图（六）筛孔数n与开孔率筛孔的孔径d0=5mm碳素钢的板厚为=3mm取t/d0=4孔中心距t=15mm塔板上的筛孔数取整为n=3235塔板上的开孔率：5.66875%气体通过精馏段阀孔的气速为气体通过提馏段阀孔的气速为（七）塔的有效高度Z精馏段：4.4m提馏段：5.2m人孔：0.8m塔高计算（H=Z精+Z提+Z人孔）：10.4m5、 筛板的流体力学验算（1）气体通过筛板压降相当的液柱高度式中：由查干筛孔的流量系数图（见附图）得到所以：查充气