精馏塔的设计计算
1
第一节 概述
一、化工原理课程设计的目的和要求 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. 查阅数据手册，正确选用公式和搜集数据的能力； 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 1、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 对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）工艺流程简图 以单线图的形式绘制流程图，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
已知：实际塔板数 NP ； 选取塔板间距 HT；
有效塔高：
ZHT Np
实际塔体高度＝有效高＋顶部空间＋底部空间＋塔裙座高度
塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D，m 0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 >2.4
塔板间距 HT，m 0.2-0.3
0.3-0.35
0.35-0.45 0.45-0.6
设计气速 u = 泛点率 ×umax
③ 计算塔径 D(教材P137)
气体流通有效截面积An
An
Vs u
An AAd
An 1 Ad
A
A
A An 1 Ad A
An
Ad D
如塔顶：y1 = xD =0.966， 可查得x1 =0.916 气液平衡关系 则：MVDm= 0.966×78.11+(1－0.966) ×92.13=78.59 kg/kmol MLDm= 0.916×78.11+(1－0.916) ×92.13=79.29 kg/kmol
y
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
（2）全塔效率ET 可查P145页图11-21确定(筛板塔、浮阀塔应进行校正)
或：av =0.1～1.0时，
E0.4(9 ) （3）实际塔板数NP 分别求精馏段和提馏段所需实际板数，确定进T 料板位置。
0.245 av
（二）塔的工艺条件及物性数据 1、操作压强
NPN/ET
塔顶pD ： pD 表 10 .3 1k Pa 塔底 p W p ： D 表 1 .3 0 N 1 P p k Pa 进料 p F p D ： 表 1.3 0 N （ P 1 p 精 k） P a
剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。 ◇水的入口温度：由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消
耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但 一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
x
3、平均密度
（1）气相平均密度 （2）液相平均密度
Vm
pmMVm RTm
1 a （3）计算塔顶、塔底、进料处气、液相平均密度； i
（4）计算精馏段、提馏段平均密度。 Lm
i
平均密度：Lm (精)=(LD+ LF)/2 Vm (精)=(VD+ VF)/2 Lm (提)=(LW+ LF)/2 Vm (提)=(VW+ VF)/2
提馏段平均温度：
tm=( tW+ tF)/2 ＝(92+108)/2＝100 ℃
110 100 90 80
0
p=101.3kPa
t-y t-x
x (y) 1.0
2、平均摩尔质量 （1）由塔顶、塔底、进料处的浓度计算平均摩尔质量； （2）计算精馏段平均摩尔质量MVm (精)、 MLm (精)； （3）计算提馏段平均摩尔质量MVm (提)、 MLm (提)。
平均压强：pm(精)=( pD+ pF)/2 pm(提)=( pW+ pF)/2
2、操作温度 塔顶tD ：可由t-x-y图查得塔顶tD 、塔底tW 、进料处tF 。
平均温度：tm(精)=( tD+ tF)/2 tm(提)=( tW+ tF)/2
t/℃
如图：xF=0.5， xw=0.05时， 泡点进料tF=92℃ （露点进料tF=101℃） 塔底 tw=108℃
一、设计方案的确定 1、设计方案确定的原则：
◇满足工艺和操作的要求：保证产品达到任务规定的要求，质量要稳定 ，有一定的操作弹性 ，要 考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)。
◇经济方面：要节省热能和电能的消耗，降低操作费用；减少设备及基建费用。 ◇保证安全生产
2、操作压力的选择：设计压力一般指塔顶压力。 ◇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。 ◇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
800.2 20.06
790.3 780.3 18.85 17.66
770.0 16.49
21.69 20.59 19.94 18.41
17.31
0.308 0.279 0.255 0.233
0.215
0.311 0.286 0.284 0.254
0.228
(三) 气液负荷的计算 精馏段：V＝(R＋1)D kmol/h
6、热能的利用 精馏过程耗能较多，节约和合理地利用精馏过程本身的热能。
◇选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。 ◇塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。
二、工艺计算
（一）全塔物料衡算 1、计算原料液、塔顶、塔底浓度 2、平均分子量：（原料液MF、塔顶MD 、塔底MW ） 3、物料衡算求W、D (或F) kmol/h 4、塔板数的计算 （1）理论板数的计算： 作y－x图、t－x－y图； 求最小回流比Rmin、实际回流比R； 图解法求理论板数N。
◇设计目的：塔板设计是以塔内气液的物流量、操作条件和特性数据为依据，设计出具有良好性能 (压降小、弹性宽、效率高)的塔板结构尺寸。 ◇设计的基本思路：以塔内气液的物流量和板上的气液组成、温度、压力等条件为依据，先参考经 验数据初步确定有关结构参数，然后进行流体力学计算，校核单项指标是否符合经验数据范围，再 绘制负荷性能图，考核其操作弹性等综合指标是否合适。如不符合要求必须调整结构参数，重复上 述设计步骤，直到满意为止。
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。
4、加热方式的选择 ◇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。 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
加热蒸汽用量。
◇换热器的设计选型 ◇输液用泵的型号：根据流体的输送量、杨程和流体物性，选定泵的型号(在各输液泵中 任选一个选型)； ◇流程中主要管线的设计：先选定物料在管路中的适宜流速，经计算、圆整，最后确定 管路尺寸和材质。 5、抄写说明书。 6、绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔装配图。
第二节 板式精馏塔的工艺计算
直接蒸汽加热。 ◇加热剂：T＜180℃，常用饱和水蒸气。 ◇再沸器结构： 小塔可在塔底，形式有夹套式、蛇管式、列管式。 大塔一般在塔外，形式为列管式，有立式和卧式两种。
5、冷却方式 ◇冷却器：通常在塔顶设置蒸气全部冷凝的全凝器。其为辅助设备，需进行选型，多采用列管式，
水平或垂直放置。 ◇冷却剂的选择：由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却
（4）计算精馏段、提馏段平均粘度。
lg m xilg i
温度t ℃ L(苯) kg/m3 L(甲苯) kg/m3 L(苯) mN/m L(甲苯) mN/m L(苯) m·Pas L(甲苯) m·Pas
物性参数表
80
90
100
110
120
815
803.9 792.5 780.3
768.9
810 21.27
◇确定理论塔板数（作图法）、实际板数； ◇确定塔高和塔径。
3、塔板设计： ◇设计塔板各主要工艺尺寸 溢流装置、塔板布置、筛孔或浮阀的设计及排列（图）； ◇进行流体力学校核计算； ◇画出塔的负荷性能图。
4、辅助设备的设计： ◇换热器的热负荷：求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需冷却水用量；再沸器的热负荷和所需
4、液体平均表面张力
（1）液相平均表面张力
x （2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的表m 面张力； i i
（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均表面张力；
（4）计算精馏段、提馏段平均表面张力。
5、液体平均粘度
（1）液相平均粘度
（2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的粘度；
（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均粘度；
◇设计过程： 设计时，先选取某段塔板（如精馏段、提馏段）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸， 应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。 由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，因此设计 过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。
一、精馏塔的结构设计 1、塔的有效高度和板间距
L＝RD 提馏段： V＝V ＋(q－1)F
L ＝L ＋F
m3/s
m3/s
Vs