2009-11-12
?设计题目,筛板式精馏塔设计
化工原理课程设计
第一部分：化工原理课程设计任务书
第二部分：设计方法
第四部分：设计示例
第三部分：化工塔器 CAD设计软件介绍
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化工原理课程设计任务书
一,设计题目：苯——甲苯混合液筛板 ( 浮阀 ) 精馏塔设计
二,原始数据
年产量,2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 3 5 0 0 0 4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 5 0 0 0 0 吨
料液初温,2 5 ~ 3 5 ℃
料液浓度,4 0 % 4 5 % 5 0 % 5 5 % 6 0 % （苯质量分率）
塔顶产品浓度,9 7, 5 % 9 8 % 9 8, 5 % （苯质量分率）
塔底釜液含甲苯量不低于 9 7 % 9 8 % ( 以质量计 )
每年实际生产天数,330 天 （一年中有一个月检修）
精馏塔塔顶压强,4 kp a （表压）
冷却水温度,30 ℃
饱和水蒸汽压力,2, 5 k g f / cm
2
( 表压 )
设备型式：筛板 ( 浮阀 ) 塔
厂址：常州地区
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进料组成 （质量
% ）
年生
产量
/ 吨 学号
4 0 % 4 5 % 5 0 % 5 5 % 6 0 %
2 5 0 0 0 1 20 11 15 25
3 0 0 0 0 21 2 28 24 10
3 5 0 0 0 16 30 3 9 14
4 0 0 0 0 29 17 8 4 26
4 5 0 0 0 19 7 22 27 5
5 0 0 0 0 6 18 12 23 13
三, 设计任务
完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附
属设备的设计和选用，绘制带控制点工艺流程图，
塔板结构简图，编制设计说明书。
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四, 设计内容
1,工艺设计
（ 1 ） 选择工艺流程和工艺条件
a, 加料方式
b, 加料状态
c,塔顶蒸汽冷凝方式
d, 塔釜加热方式
e,塔顶塔底产品的出料状态
塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。
（ 2 ） 精馏工艺计算：
a,物料衡算确定各物料流量和组成。
b,经济核算确定适宜的回流比
根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原
则，尽量使用计算机进行最优化计算，确定适宜回流
比。
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(a ),生产经常费
包括再沸器水蒸汽费，塔顶冷凝器，产品冷却器
冷却水费。
a1, 水蒸汽费用 C
S
采用饱和水蒸汽压力,2, 5 k g f / cm
2
( 表压 )
按 1 吨煤可获得 6 吨水蒸汽计。
1 吨煤单价 250 元。
a2, 冷却水费用 C
W
冷却水单价按 2 元 / 吨而定。
换热器中冷却水温升一般取 1 0 ~ 2 0 ℃。
(b ), 设备投资费
b 1, 精馏塔投资费 C
D
成本,2 0 0 0 0 D
1, 2
元 / 实际塔板
D,精馏塔内径 m
b 2, 年折旧率为 1 5 %
全塔成本,2 0 0 0 0 D
1, 2
N
e
× 1 5 % 元 / 年
N
e
：实际塔板数
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b
3.
精馏塔塔径
按塔顶第一块塔板计算
板间距 H
T
= 0, 3 0 ~ 0, 4 5 m
b 4, 最小回流比 R mi n
b
5
,精馏塔理论塔板数 N
采用逐板计算法在计算机上求得。
b
6
,精馏塔实际塔板数 N e
全塔效率采用 O 'co n n el l 关联式计算。
(c),总费用和适宜回流比
总费用 C
T
=C
D
+C
S
+C
W
元 / 年
总费用最低所对应的回流比作为最佳回流比，
然后四舍五入近似到小数点后一位，作为适宜回流
比。回流比的参考搜索范围,（ 1, 1 ~ 2, 0 ） R
m i n
。
在用计算机计算的同时，应有一组手算结果。
a,精馏塔实际塔板数
用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计
算得到全塔理论塔板数以及精馏段和提馏段各自的
理论塔板数。
然后根据全塔效率 E
T
，求得全塔、精馏段、提
馏段的实际塔板数，确定加料板位置。
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2,精馏塔设备设计
(1 ) 选择塔型和板型
采用板式塔，板型为筛板 ( 浮阀 ) 塔。
(2 ) 塔板结构设计和流体力学计算
按塔顶或塔底状态设计一 ~ 二块板，其中精馏段和提馏段
各段的塔板结构尽可能一致。
注：以上的塔板设计可在手算优化一块塔板的基础上，使用,化
工塔器 CA D 设计软件”进行其余塔板的优化设计。
(3 ) 绘制塔板负荷性能图
分别画出精馏段和提馏段的负荷性能图。
(4 ) 有关具体机械结构和塔体附件的选定
① 接管规格：
根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道。
② 全塔高度：
包括上、下封头，裙座高度。
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3,附属设备设计和选用
(1 ) 加料泵选型，加料管规格选型
加料泵以每天工作 3 小时计 （每班打 1 小时）。
大致估计一下加料管路上的管件和阀门。
(2 ) 高位槽、贮槽容量和位置
高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积。
贮槽容积按加满一次可生产 10 天计算确定。
(3 ) 换热器选型
对原料预热器，塔底再沸器，塔顶产品冷却器等进行选
型。
(4 ) 塔顶冷凝器设计选型
根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶冷凝
器进行选型设计。
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4, 编写设计说明书
设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设
计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和
经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结
果；对所选用的物性数据和使用的经验公式图表应注明来
历。
设计说明书应附有带控制点工艺流程图，塔板结构简图
和计算机程序框图和原程序。
5,注意事项,
1,写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源 ;
2,每项设计结束后,列出计算结果明细表 ;
3,设计说明书要求字迹工整,装订成册上交 ;
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筛板式精馏塔设计方法
一, 工艺计算
二, 设备计算
三, 辅助设备计算
四, 塔体结构
五, 带控制点工艺流程图
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一,工艺计算
主要 内容是 ( 1 ) 物料 衡算 ( 2 ) 确定 回流 比 ( 3 ) 确 定理 论
板数和实际板数 ( 4 ) 塔的气液负荷计算 ( 5 ) 热量衡算
塔设备的生产能力一般以千克 / 小时或吨 / 年表示，但在理论板计
算时均须转换成 kmol /h,在塔板设计时，气液流量又须用
m s
3
表示。
因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。
1,全塔物料衡算,
F D W? ?
FX DX WX
F D W
? ?
塔顶产品易挥发组分回收率
?
为：
? ?? ? DX FX
D F
( )
式中, F, D, W 分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液的摩尔流量
( k m o l / h ),
X
F
、
X
D
、
X
W
分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液组
成的摩尔分率
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2,确定最小回流比
一般是先求出最小回流比，然后根据
? ?
m i n
21.1 RR —?
,确定回流比
R
m i n
是根据汽液相平衡方程
? ?
y
x
?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?1 1
q 线方程 y
q
q
x
x
q
F
?
?
?
?1 1
联立求得交点
x
q
.
y
q
，然后代入方程 R
x y
y x
D q
q q
m i n
?
?
?
其中利用 t ～ x ～ y 关系，并借助二次样条插入的方法，求得塔顶
塔底的温度，进而求取全塔的平均温度，从而可以根据全塔平均温度
求取全塔平均相对挥发度。
式中,
R
— 回流
R
m i n — 最小回流比
?
— 全塔平均相对挥发度
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3,理论板数和实际板数的确定
（ 1 ）逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。
精馏段操作线方程,y
L
L D
x
D
L D
x
n n D?
?
?
?
?
1
提馏段操作线方程：
? ?
?
? ?
? ?
? ?
?
y
L qF
L qF W
x
W
L qF W
X
n n w1
x y
n n?
?
1
( 利用操作线方程 )
y x
n n
?
( 利用相平衡关系 )
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（ 2 ）塔顶冷凝器的类型
( i ) 当塔顶为全凝器时,d
Xy ?
1
则自第一块塔板下降的液相组成 X
1
与 Y
1
成
相平衡，故可应用相平衡方程由 Y
1
计算出 X
1
，
自第二块塔板上升蒸汽组成 Y
2
与 X
1
满足操作线
方程，由操作线方程以 X
1
计算得出 Y
2
.
(ii) 当塔顶为分凝器时,
KXX
d
?
0
先求出分凝器内与 X
d
成相平衡的 X
0
,再由
操作线方程以 X
0
计算得出 Y
1
，然后由相平衡方
程由 Y
1
计算出 X
1
，如此交替地使用操作线方程
和相平衡关系逐板往下计算，直到规定的塔底组成为止，得到理论板
数和加料位置。
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（ 3 ）加料板位置的确定
求出精馏段操作线和提馏段操作线的交点
x y
q q
、
，并以
x
q 为分
界线,当 交替 使 用操 作 线方 程 和 相平 衡 关系逐 板往下 计算 到
x x x x
n q n q
? ?
?
且
1 时，就以第 n 块板为进料板。
（ 4 ）实际板数的确定
板效率：利用奥康奈尔的经验公式
? ?E
T L
?
?
0 49
0 245
.
.
??
其中：
?
— 塔顶与塔底的平均温度下的相对挥发度
?
L — 塔顶与塔底的平均温度下的液相粘度,
m p a s?
对于多组分的液相粘度：
? ?
L i Li
x?
?
?
Li — 液态组分 i 的粘度,
m p a s?
x
i — 液相中组分 i 的摩尔分率
实际理论板数
N
N
E
T
实
理
?
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4,塔的气液负荷计算
(1),精馏段气液负荷计算
? ?V R D? ? 1
L RD?
V
VM
S
Vm
Vm
?
3600 ?
L
LM
S
Lm
Lm
?
3600 ?
V— 塔内气体摩尔流量 k m o l / h
Vs — 塔内气体体积流量
m s
3
M
Vm
、
M
Lm
— 分别为精馏段气相平均分子量、液相平均分子量
? ?
Vm Lm
、
— 分别为精馏段气相平均密度、液相平均密度
kg m
3
(2),提馏段气液负荷计算 ( 同上 )
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5,热量衡算
总热量衡算 Q Q Q Q Q Q
V W L B F R
? ? ? ? ?
式中：
Q Q Q Q Q Q
V W L B F R
、,,,,
分别是塔顶蒸汽带出的 热
量、塔底产品带出的热量、塔设备的热损失、塔釜加热量、进料带入
的热量、回流带入热量、
其中：塔设备的热损失
Q Q
L B
? 0 1.
再沸器热负荷
? ?Q Q Q Q Q
B V W R F
? ? ? ?1 1.
冷凝器热负荷
Q Q Q Q
C V D R
? ? ?
Q Q
C D
、
— 分别为塔顶冷凝器带走热量、塔顶产品带走热量
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二．塔和塔板主要工艺尺寸的 设计
它包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流型式的确定，板上
清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计
算，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力校核和负荷性能图。
1,板间距
H
T
的初估
板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关系。板距取大些，塔
可允许气流以较高的速度通过，对完成一定生产任务，塔径可较小；
反之，所需塔径就要增大些。板间距取得大，还对塔板效率、操作弹
性及安装检修有利。但板间距增大以后，会增加塔身总高度，增加金
属耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而又会增加全塔的造价。初选
板间距时可参考下表所列的推荐值。
表 1 板间距与塔径关系
塔径 D,m 0, 3 ～ 0.5 0, 5 ～ 0.8 0, 8 ～ 1.6 1, 6 ～ 2.0
塔板间距 H T m m 2 0 0 ～ 300 2 5 0 ～ 350 3 5 0 ～ 450 4 5 0 ～ 600
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2,塔径 D 的初估与圆整
根据流量公式计算塔径，即
D
V
u
S
?
4
?
式中 Vs — 塔内的气相流量，
m s
3
u — 空塔气速,m / s
? ?u u? 0 6 0 8,~,
m a x
u C
L V
V
max
?
?? ?
?
u
m a x
— 最大空塔气速,m / s
? ?
L V
、
— 分别为液相与气相密度，
kg m
3
负荷系数
2.0
20
20
?
?
?
?
?
?
?
?
CC
(
C
20 值可由 Smith 关联图求取 )
由上式算出的塔径按部颁发塔盘标准圆整，圆整后的塔径除了必
须满足板间距与塔径的关系外，还须进行空塔气速校核。
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5.0
232
32
32
20
)(
])( ln)43196.049123.0
088307.007291.0(ln)3212.139.1079.0
474675.0(4695.65496.56562.1531.4e x p [
V
L
vLT
v
v
V
L
LhHZ
LZZ
ZLZZZ
ZZZC
?
?
???
???
??????
???????
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3,液流型式的选择
液体在板上的流动型式主要有,U 型流、单流型、双流型和阶梯流
型等，其中常选择的则为单流型和双流型。 （图见附录 1 ）
表 2,选择液流形式参考表
塔径 流体流量 m
3
/h
Mm U 形流型 单流型 双流型 阶梯流型
6 0 0 5 以下 5 ～ 25
9 0 0 7 以下 7 ～ 50
1 0 0 0 7 以下 4 5 以下
1 2 0 0 9 以下 9 ～ 70
1 4 0 0 9 以下 7 0 以下
1 5 0 0 1 0 以下 7 0 以下
2 0 0 0 1 1 以下 9 0 以下 90 ～ 160
3 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 200 200 ～ 300
4 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 230 230 ～ 350
5 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 250 250 ～ 400
6 0 0 0 1 1 以下 110 ～ 250 250 ～ 450
应用
场合
用于较低
液气比
一般应用 高 液 气 比
和大型塔板
极 高 液 气 极
大型塔板
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4,溢流堰 （出口堰）的设计
(1),堰长 W
l
,依据溢流型式及液体负荷决定堰长,单溢流型塔板堰
长
l
W
一般取为 (0.6 ～ 0.8)D ；双溢流型塔板，两侧堰长取为 (0,5 ～
0.7)D,其中 D 为塔径
(2),堰上液层高度
h
OW
：
堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压
强增大，物沫夹带增加。对平直堰，设计时
h
OW
一般应大于 0, 0 06 m,
若低于此值应改用齿形堰。
h
OW
也不宜超过 0.06 ～ 0,07 m,否则可改
用双溢流型塔板。
平直堰的 h
OW
按下式计算
h E
L
l
OW
h
W
?
?
?
?
?
?
?
2 84
1000
2
3
.
式中
W
l
— 堰长,m;
L
h
— 塔内液体流量，
m h
3
E
— 液流收缩系数，查图求取。一般可取为 1,误差不大
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齿形堰
h
OW
不超过齿顶时
? ?
2
5
17.1
WnSOW
lhLh ?
h
OW 超过齿顶时
? ?? ?
2
5
2
5
735.0
nOWOW
n
W
S
hhh
h
l
L ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
S
L
— 塔内液体流量,
Sm
3
n
h
— 齿深,m ; 可取为 0.015 m
(3),堰高
W
h
堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系：
OWLW
hhh ??
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5,降液管的设计
（ 1 ）、降液管的宽度 d
W
与截面积 f
A
可根据堰长与塔径比值
?
?
?
?
?
?
D
l
W
，查图求取。
降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降
液管中的停留时间一般等于或大于 3 ～ 5 秒，对低发泡系统可取低值，
对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加长些 。
故在求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的
停留时间，即
? ?
? ?
A H
L
f T
S
?
— 液体在降液管中的停留时间,s
A
f
— 降液管截面积，
m
3
（ 2 ）, 降液管底隙高度
h
O
为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为
? ?h h
O W
? ? 0 006 0 012,~,
,m
h
O
也不易小于 0.02 ～ 0,0 25 m,以免引起堵塞，产生液泛。
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6,塔板设计
(1),塔板布置
i, 开孔区面积
A
a
对于单流型塔板 ?
?
?
?
?
?
???
?
)( s i n2
1222
r
x
rxrxA
a
式中
x
D
W W
d S
? ? ?
2
( )
,m
r
D
W
C
? ?
2
,m
s i n
? 1
x
r
以弧度表示的反三角函数
对于双流型塔板
A x r x r
x
r
x r x r
x
r
a
? ? ?
?
?
?
?
?
?
? ? ?
?
?
?
?
?
?
? ?
2 2
2 2 2 1
1
2
1
2 2 1
s i n s i n
式中
x
W
W
d
S1
2
?
?
?
(
?W
d 为双溢流中间降液管的宽度 )
其它符号与单流型塔板公式同
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ii 溢流区 溢流区面积
A
f 及
?A
f 分别为降液管和受液盘所占面积,
iii 安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为
使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液
管。其宽度
W
S
(
?W
S
) 指堰与它最近一排孔中心之间的距离，可参考下
列经验值选定：
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溢流堰前的安定区
W
S = 70 ～ 1 00 mm
进口堰后的安定区
?W
S = 50 ～ 1 00 mm
直径小于 1 m 的塔可适当减小。
i v 无效区
在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的 边缘
之用，称无效区。其宽度视需要选定,小塔为 30 ～ 75 mm,大塔可达 50 ～
75 mm 。为防止液体经边缘区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁
设置旁流挡板。
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（ 2 ）、筛板的筛孔和开孔率
i 筛孔孔径 d
0
孔径 d
0
的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质
及加工费等有关。工业上常用 d
0
=3 ～ 8 mm,推荐 4 ～ 6 mm 。
ii 筛孔厚度 δ
一般碳钢 δ =3 ～ 4 mm 不锈钢 δ =2 ～ 2.5 mm
iii 孔心距 t
筛孔在筛板上一般按正三角形排列，常用孔心距 t= ( 2.5 ～ 5 )d
0
,推
荐 ( 3 ～ 4 )d
0
。 t / d
0
过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响
塔板传质效率。
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Ⅳ 开孔率 ?
开孔率
?
是指筛孔总面积 A
o
[m
2
] 与开孔面积 A
a
[m
2
] 之比，即
2
0
0
)/(
907.0
dtA
A
a
???
一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量
大,板效率低。通常开孔率为 5% ～ 1 5% 。
Ⅴ 筛孔数 n
mmt
t
A
n
a
,:
1 1 5 8 0 0 0
2
孔心距?
孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，若布孔数较多可在适当位置
堵孔。
若塔内上下段负荷变化较大时，应根据流体力学验算情况，分段改
变筛孔数以提高全塔的操作稳定性。
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7,塔板的流体力学验算
塔板流体力学验算目的是为了检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的
计算是否合理，塔板能否正常操作。
( 1 ) 气体通过塔板的压强降, p
h
,m 液柱
?
hhhh
lCp
???
p
h
— 气体通过每层塔板压降相当的液柱高度,m 液柱
h
C
— 气体通过筛板的干板压降,m 液柱
l
h
— 气体通过板上液层的阻力,m 液柱
h
?
— 克服液体表面张力的阻力,m 液柱
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i, 干板压降
h
C
L
V
C
C
u
h
?
?
2
0
0
)(051.0?
式中
u
0
— 筛孔气速,m/s
? ?
L V
、
— 分别为液、气密度，
kg m
3
C
0
— 孔流系数，
孔径与塔板厚度之比),,,,,,,(
)(000338.0)(00732.0)(0677.08806.0
0
30200
0
?
???
d
ddd
C ????
2009-11-12
i i, 板上液层阻力 l
h
板上充气液层阻力受堰高、气速及溢流长度等因素的影响，一般
用下面的经验公式计算：
)(
00 OWWLl
hhhh ??? ??
式中,
h
L — 板上清液层高度,m
?
0
— 反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，无
因次,一般
?
0
= 0.5 ～ 0.6 。
?
0
与气相动能因子 a
F
有关，
1 8 5 9 6 4.0
00
6 52 02 9.0
?
? F?
)( 单流型塔板
fT
s
aVaa
AA
V
uuF
?
?? ?
i i i, 液体表面张力的阻力
MN
gd
h
L
/:
4
0
?
?
?
?
表面张力?
气体通过塔板的压降 （ Δ P
p
=h
p
g ρ
L
）应低于设计允许值。
2009-11-12
(2), 降液管内液体高度 ( 液泛 or 淹塔 )
降液管内液体高度
H
d
代表液体通过一层塔板时所需液位高度，可
用下式表示,
dpLd
hhhH ?????
式中
?
— 进出口堰之间的液面梯度,m 液柱 ( 一般很小，可以
忽略 )
p
h
— 气体通过一块塔板的压降,m 液柱
h
d
— 液体流出降液管的压降,m 液柱
h
d
可按下列经验公式计算：
无入口堰,
h
L
L h
d
S
W
?
?
?
?
?
?
?0 153
0
2
.
有入口堰：
h
L
l h
d
S
W
?
?
?
?
?
?
?0 2
0
2
.
2009-11-12
如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当超过
上一层塔板的堰顶后，产生液体倒流，即发生了液泛，因此，需要足
够的降液管高度，或控制适当阻力以防液泛的发生 。 实际降液管中液
体和泡沫的总高度大于用上式计算的值 。 为了防止液泛，应保证降液
管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰 。 因此
H h
H
T W
d
? ?
?
式中
H
T — 板间距,m
?
— 系数。为考虑降液管内液体充气及操作安全两种因素的
校正系数。对于容易起泡的物系，取 0, 3 ～ 0,4 ；对不易起泡的物系，
取 0.6 ～ 0,7 ；对于一般物系，取 0.5 。
2009-11-12
（ 3 ）雾沫夹带
雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多
的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的
操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过 0.1 kg,
即控制雾沫夹带量
e
V < 0, 1 kg( 液 )/kg( 气 ) 。
2.3
6
)
5.2
(
107.5
LT
a
V
hH
u
e
?
?
?
?
?
2009-11-12
（ 4 ）漏液点气速 u
OW
当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称
为漏液点气速 u
OW
，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积
液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。
为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 K:
若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较大。
VLLOW
hhCu ??
?
/)13.00 0 5 6.0(4.4
0
???
]/[.,,,.,,,0.25.1 smuu
u
u
K
OWo
OW
O
漏液点气速筛孔气速～??
2009-11-12
8,塔板的负荷性能图
在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之
后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此
时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操
作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的
形式表示。
2009-11-12
塔板负荷性能图
Vs,m3/s
Ls,m3/s
(1)雾沫夹带线
(2)液泛线
(3)液相上限线
(4)漏夜线
(5)液相负荷下
限线
A Vs,min
P操作点
B Vs,max
O
2009-11-12
( 1 ), 雾沫夹带线 (1)
雾沫夹带线表示雾沫夹带量
e
V
= 0,1 kg( 液 )/kg( 气 ) 时的
V L
S S
— 关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因过多
的雾沫夹带而使板效率严重下降。此线可根据上述流体力学验算
中雾沫夹带泛点率公式作出。
( 2 ), 液泛线 (2)
液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的关系，
塔板的适宜操作区也应在此线之下，否则将可能发生液泛现象，
破坏塔的正常操作。
( 3 ), 液相负荷上限线 (3)
此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于
尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在
降液管中的停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层
塔板，造成气相返混，降底塔板效率。
2009-11-12
液体在降液管内的停留时间为：
? ?
? ?
A H
L
f T
S
?
不应小于 3 ～ 5 s,按
?
= 5 s 计算,则：
5
m a x,
Tf
S
HA
L ?
依此式可求得液相负荷上限，据此作出液相负荷上限线 ( 3) 。
塔板的适宜操作区应在竖直线 ( 3) 的左方。
( 4 ), 泄漏线 ( 4 )
由漏液点气速 u
OW
标绘对应的 V
s
～ L
s
。
(5),液相负荷下限线 （ 5 ）
对于平直堰，一般取堰上液层高度
h
OW = 0,0 0 6m 作为液相负荷
下限条件，低于此限便不能保证板上液流均匀分布，降低气液接触
效果。
平直堰 h
OW
按下式计算
3
2
m i n,
3600
1000
84.2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
W
s
OW
l
L
Eh
将已知的
l
W
及
h
OW
的下限值 ( 0, 0 0 6m ) 代入上表，并取 E = 1,便可
取得
L
S
的下限值，据此作出液相负荷下限线 。 塔板的适宜操作区应
在竖直线 （ 5 ）右侧 。
2009-11-12
在负荷性能图上，由上述线所包围的阴影区域，应是所
设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区 。 在此区域内，
塔板上的流体力学状况是正常的 。
（ 6 ）塔的操作弹性
在塔的操作液气比下，操作线 OAB 与界限曲线交点的气
相最大负荷与气相允许最低负荷之比，即：
m i n,
m a x,
s
s
V
V
?操作弹性
s
s
V
V
m a x,
?上操作弹性
m in,s
s
V
V
?下操作弹性
2009-11-12
三．浮阀塔的辅助设备
1,配管
(1) 塔顶蒸汽管 d
p
常压操作,u
v
=1 2 -2 0m /s
v
S
P
u
V
d
?
4
?
(2) 回流管 d
R
强制回流,u
R
=1,5 -2,5 m/s
R
S
R
u
L
d
?
4
?
(3) 进料管 d
F
泵输进料,u
F
=1,5 -2,5 m/s
进料温度下,
F
F
F
F
F
F
u
L
d
MF
L
?
?
4
?
?
?
2009-11-12
(4) 塔釜出料管 d
w
塔釜出料,u
w
=0,5 -1 m/s,
w
s
w
u
L
d
?
'
4
?
（ 1 ） 再沸器返塔蒸汽管 d
v'
取 u
v'
=15m/S
2,辅助设备
（ 1 ）冷凝器
a,热负荷 Q
C
= V r
b,冷却水用量 W
取冷却水的进口温度为 3 0 ℃，出口温度为 45 ℃，水的比热为
4.18 kJ/kg ℃ 则 W=Q/ (C
P
? t)
c,换热平均温差 ? t
m
( 泡点回流 )
d,换热系数 K 查教材上册 P
229
，表 4-4
e,换热面积 S
S=Q /(K ? t
m
) 可查表选设备。
2
1
12
ln
tT
tT
tt
t
m
?
?
?
??
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（ 2 ）再沸器
a,热负荷 Q
B
= V
'
r
由塔底压强组成确定塔底温度表。
b,加热蒸汽用量 G
G =Q
B
/r
'
c,换热平均温差 ? t
m
? t
m
=T 蒸汽 -t 釜温
d,换热系数 K
查教材上册 P
229
，表 4-4
e,换热面积 S
'
S
'
=Q /(K ? t
m
)
查表选设备。
贮槽、加料泵、高位槽、产品冷却器设计从略。
2009-11-12
四、塔体结构
1, 塔顶空间 H
D
塔顶空间 H
D
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，一般取 1 ～ 1,5 m 。
2, 塔底空间 H
B
塔底空间 H
B
具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底
有 10 ～ 15 分钟的储量，以保证塔釜料液不致排完。若塔的
进料设有缓冲时间的容量，塔底容量可取为 3 ～ 5 分钟的储
量。
3, 人孔
一般每隔 6 ～ 8 层塔板设一人孔 （安装、检修用），人孔处板
间距≥ 600 mm,人孔直径一般为 450 ～ 50 0 mm,其伸出塔体
的筒体长为 200 ～ 250 mm,人孔中心距操作平台约 800 ～
1200 mm 。
2009-11-12
4, 塔高 H( 不包括封头、裙坐 )
H =( n - n
F
-n
p
- 1 ) H
T
+n
F
H
F
+n
P
H
p
+H
D
+H
B
n ——实际塔板数；
n
F
——进料板数
H
F
——进料板处板间距,m
n
P
——人孔数
H
p
——设人孔处的板间距,m
H
D
——塔顶空间,m （不包括头盖部分）
H
B
——塔底空间,m （不包括底盖部分）裙坐
H
H
B
H
F
H
D
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五, 带控制点工艺流程图
?设计题目,筛板式精馏塔设计
化工原理课程设计
第一部分：化工原理课程设计任务书
第二部分：设计方法
第四部分：设计示例
第三部分：化工塔器 CAD设计软件介绍
2009-11-12
化工原理课程设计任务书
一,设计题目：苯——甲苯混合液筛板 ( 浮阀 ) 精馏塔设计
二,原始数据
年产量,2 5 0 0 0 3 0 0 0 0 3 5 0 0 0 4 0 0 0 0 4 5 0 0 0 5 0 0 0 0 吨
料液初温,2 5 ~ 3 5 ℃
料液浓度,4 0 % 4 5 % 5 0 % 5 5 % 6 0 % （苯质量分率）
塔顶产品浓度,9 7, 5 % 9 8 % 9 8, 5 % （苯质量分率）
塔底釜液含甲苯量不低于 9 7 % 9 8 % ( 以质量计 )
每年实际生产天数,330 天 （一年中有一个月检修）
精馏塔塔顶压强,4 kp a （表压）
冷却水温度,30 ℃
饱和水蒸汽压力,2, 5 k g f / cm
2
( 表压 )
设备型式：筛板 ( 浮阀 ) 塔
厂址：常州地区
2009-11-12
进料组成 （质量
% ）
年生
产量
/ 吨 学号
4 0 % 4 5 % 5 0 % 5 5 % 6 0 %
2 5 0 0 0 1 20 11 15 25
3 0 0 0 0 21 2 28 24 10
3 5 0 0 0 16 30 3 9 14
4 0 0 0 0 29 17 8 4 26
4 5 0 0 0 19 7 22 27 5
5 0 0 0 0 6 18 12 23 13
三, 设计任务
完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附
属设备的设计和选用，绘制带控制点工艺流程图，
塔板结构简图，编制设计说明书。
2009-11-12
四, 设计内容
1,工艺设计
（ 1 ） 选择工艺流程和工艺条件
a, 加料方式
b, 加料状态
c,塔顶蒸汽冷凝方式
d, 塔釜加热方式
e,塔顶塔底产品的出料状态
塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。
（ 2 ） 精馏工艺计算：
a,物料衡算确定各物料流量和组成。
b,经济核算确定适宜的回流比
根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原
则，尽量使用计算机进行最优化计算，确定适宜回流
比。
2009-11-12
(a ),生产经常费
包括再沸器水蒸汽费，塔顶冷凝器，产品冷却器
冷却水费。
a1, 水蒸汽费用 C
S
采用饱和水蒸汽压力,2, 5 k g f / cm
2
( 表压 )
按 1 吨煤可获得 6 吨水蒸汽计。
1 吨煤单价 250 元。
a2, 冷却水费用 C
W
冷却水单价按 2 元 / 吨而定。
换热器中冷却水温升一般取 1 0 ~ 2 0 ℃。
(b ), 设备投资费
b 1, 精馏塔投资费 C
D
成本,2 0 0 0 0 D
1, 2
元 / 实际塔板
D,精馏塔内径 m
b 2, 年折旧率为 1 5 %
全塔成本,2 0 0 0 0 D
1, 2
N
e
× 1 5 % 元 / 年
N
e
：实际塔板数
2009-11-12
b
3.
精馏塔塔径
按塔顶第一块塔板计算
板间距 H
T
= 0, 3 0 ~ 0, 4 5 m
b 4, 最小回流比 R mi n
b
5
,精馏塔理论塔板数 N
采用逐板计算法在计算机上求得。
b
6
,精馏塔实际塔板数 N e
全塔效率采用 O 'co n n el l 关联式计算。
(c),总费用和适宜回流比
总费用 C
T
=C
D
+C
S
+C
W
元 / 年
总费用最低所对应的回流比作为最佳回流比，
然后四舍五入近似到小数点后一位，作为适宜回流
比。回流比的参考搜索范围,（ 1, 1 ~ 2, 0 ） R
m i n
。
在用计算机计算的同时，应有一组手算结果。
a,精馏塔实际塔板数
用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计
算得到全塔理论塔板数以及精馏段和提馏段各自的
理论塔板数。
然后根据全塔效率 E
T
，求得全塔、精馏段、提
馏段的实际塔板数，确定加料板位置。
2009-11-12
2,精馏塔设备设计
(1 ) 选择塔型和板型
采用板式塔，板型为筛板 ( 浮阀 ) 塔。
(2 ) 塔板结构设计和流体力学计算
按塔顶或塔底状态设计一 ~ 二块板，其中精馏段和提馏段
各段的塔板结构尽可能一致。
注：以上的塔板设计可在手算优化一块塔板的基础上，使用,化
工塔器 CA D 设计软件”进行其余塔板的优化设计。
(3 ) 绘制塔板负荷性能图
分别画出精馏段和提馏段的负荷性能图。
(4 ) 有关具体机械结构和塔体附件的选定
① 接管规格：
根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道。
② 全塔高度：
包括上、下封头，裙座高度。
2009-11-12
3,附属设备设计和选用
(1 ) 加料泵选型，加料管规格选型
加料泵以每天工作 3 小时计 （每班打 1 小时）。
大致估计一下加料管路上的管件和阀门。
(2 ) 高位槽、贮槽容量和位置
高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积。
贮槽容积按加满一次可生产 10 天计算确定。
(3 ) 换热器选型
对原料预热器，塔底再沸器，塔顶产品冷却器等进行选
型。
(4 ) 塔顶冷凝器设计选型
根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶冷凝
器进行选型设计。
2009-11-12
4, 编写设计说明书
设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设
计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和
经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结
果；对所选用的物性数据和使用的经验公式图表应注明来
历。
设计说明书应附有带控制点工艺流程图，塔板结构简图
和计算机程序框图和原程序。
5,注意事项,
1,写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源 ;
2,每项设计结束后,列出计算结果明细表 ;
3,设计说明书要求字迹工整,装订成册上交 ;
2009-11-12
筛板式精馏塔设计方法
一, 工艺计算
二, 设备计算
三, 辅助设备计算
四, 塔体结构
五, 带控制点工艺流程图
2009-11-12
一,工艺计算
主要 内容是 ( 1 ) 物料 衡算 ( 2 ) 确定 回流 比 ( 3 ) 确 定理 论
板数和实际板数 ( 4 ) 塔的气液负荷计算 ( 5 ) 热量衡算
塔设备的生产能力一般以千克 / 小时或吨 / 年表示，但在理论板计
算时均须转换成 kmol /h,在塔板设计时，气液流量又须用
m s
3
表示。
因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。
1,全塔物料衡算,
F D W? ?
FX DX WX
F D W
? ?
塔顶产品易挥发组分回收率
?
为：
? ?? ? DX FX
D F
( )
式中, F, D, W 分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液的摩尔流量
( k m o l / h ),
X
F
、
X
D
、
X
W
分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液组
成的摩尔分率
2009-11-12
2,确定最小回流比
一般是先求出最小回流比，然后根据
? ?
m i n
21.1 RR —?
,确定回流比
R
m i n
是根据汽液相平衡方程
? ?
y
x
?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?1 1
q 线方程 y
q
q
x
x
q
F
?
?
?
?1 1
联立求得交点
x
q
.
y
q
，然后代入方程 R
x y
y x
D q
q q
m i n
?
?
?
其中利用 t ～ x ～ y 关系，并借助二次样条插入的方法，求得塔顶
塔底的温度，进而求取全塔的平均温度，从而可以根据全塔平均温度
求取全塔平均相对挥发度。
式中,
R
— 回流
R
m i n — 最小回流比
?
— 全塔平均相对挥发度
2009-11-12
3,理论板数和实际板数的确定
（ 1 ）逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。
精馏段操作线方程,y
L
L D
x
D
L D
x
n n D?
?
?
?
?
1
提馏段操作线方程：
? ?
?
? ?
? ?
? ?
?
y
L qF
L qF W
x
W
L qF W
X
n n w1
x y
n n?
?
1
( 利用操作线方程 )
y x
n n
?
( 利用相平衡关系 )
2009-11-12
（ 2 ）塔顶冷凝器的类型
( i ) 当塔顶为全凝器时,d
Xy ?
1
则自第一块塔板下降的液相组成 X
1
与 Y
1
成
相平衡，故可应用相平衡方程由 Y
1
计算出 X
1
，
自第二块塔板上升蒸汽组成 Y
2
与 X
1
满足操作线
方程，由操作线方程以 X
1
计算得出 Y
2
.
(ii) 当塔顶为分凝器时,
KXX
d
?
0
先求出分凝器内与 X
d
成相平衡的 X
0
,再由
操作线方程以 X
0
计算得出 Y
1
，然后由相平衡方
程由 Y
1
计算出 X
1
，如此交替地使用操作线方程
和相平衡关系逐板往下计算，直到规定的塔底组成为止，得到理论板
数和加料位置。
2009-11-12
（ 3 ）加料板位置的确定
求出精馏段操作线和提馏段操作线的交点
x y
q q
、
，并以
x
q 为分
界线,当 交替 使 用操 作 线方 程 和 相平 衡 关系逐 板往下 计算 到
x x x x
n q n q
? ?
?
且
1 时，就以第 n 块板为进料板。
（ 4 ）实际板数的确定
板效率：利用奥康奈尔的经验公式
? ?E
T L
?
?
0 49
0 245
.
.
??
其中：
?
— 塔顶与塔底的平均温度下的相对挥发度
?
L — 塔顶与塔底的平均温度下的液相粘度,
m p a s?
对于多组分的液相粘度：
? ?
L i Li
x?
?
?
Li — 液态组分 i 的粘度,
m p a s?
x
i — 液相中组分 i 的摩尔分率
实际理论板数
N
N
E
T
实
理
?
2009-11-12
4,塔的气液负荷计算
(1),精馏段气液负荷计算
? ?V R D? ? 1
L RD?
V
VM
S
Vm
Vm
?
3600 ?
L
LM
S
Lm
Lm
?
3600 ?
V— 塔内气体摩尔流量 k m o l / h
Vs — 塔内气体体积流量
m s
3
M
Vm
、
M
Lm
— 分别为精馏段气相平均分子量、液相平均分子量
? ?
Vm Lm
、
— 分别为精馏段气相平均密度、液相平均密度
kg m
3
(2),提馏段气液负荷计算 ( 同上 )
2009-11-12
5,热量衡算
总热量衡算 Q Q Q Q Q Q
V W L B F R
? ? ? ? ?
式中：
Q Q Q Q Q Q
V W L B F R
、,,,,
分别是塔顶蒸汽带出的 热
量、塔底产品带出的热量、塔设备的热损失、塔釜加热量、进料带入
的热量、回流带入热量、
其中：塔设备的热损失
Q Q
L B
? 0 1.
再沸器热负荷
? ?Q Q Q Q Q
B V W R F
? ? ? ?1 1.
冷凝器热负荷
Q Q Q Q
C V D R
? ? ?
Q Q
C D
、
— 分别为塔顶冷凝器带走热量、塔顶产品带走热量
2009-11-12
二．塔和塔板主要工艺尺寸的 设计
它包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流型式的确定，板上
清液高度、堰长、堰高的初估与计算，降液管的选型及系列参数的计
算，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力校核和负荷性能图。
1,板间距
H
T
的初估
板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关系。板距取大些，塔
可允许气流以较高的速度通过，对完成一定生产任务，塔径可较小；
反之，所需塔径就要增大些。板间距取得大，还对塔板效率、操作弹
性及安装检修有利。但板间距增大以后，会增加塔身总高度，增加金
属耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而又会增加全塔的造价。初选
板间距时可参考下表所列的推荐值。
表 1 板间距与塔径关系
塔径 D,m 0, 3 ～ 0.5 0, 5 ～ 0.8 0, 8 ～ 1.6 1, 6 ～ 2.0
塔板间距 H T m m 2 0 0 ～ 300 2 5 0 ～ 350 3 5 0 ～ 450 4 5 0 ～ 600
2009-11-12
2,塔径 D 的初估与圆整
根据流量公式计算塔径，即
D
V
u
S
?
4
?
式中 Vs — 塔内的气相流量，
m s
3
u — 空塔气速,m / s
? ?u u? 0 6 0 8,~,
m a x
u C
L V
V
max
?
?? ?
?
u
m a x
— 最大空塔气速,m / s
? ?
L V
、
— 分别为液相与气相密度，
kg m
3
负荷系数
2.0
20
20
?
?
?
?
?
?
?
?
CC
(
C
20 值可由 Smith 关联图求取 )
由上式算出的塔径按部颁发塔盘标准圆整，圆整后的塔径除了必
须满足板间距与塔径的关系外，还须进行空塔气速校核。
2009-11-12
5.0
232
32
32
20
)(
])( ln)43196.049123.0
088307.007291.0(ln)3212.139.1079.0
474675.0(4695.65496.56562.1531.4e x p [
V
L
vLT
v
v
V
L
LhHZ
LZZ
ZLZZZ
ZZZC
?
?
???
???
??????
???????
2009-11-12
3,液流型式的选择
液体在板上的流动型式主要有,U 型流、单流型、双流型和阶梯流
型等，其中常选择的则为单流型和双流型。 （图见附录 1 ）
表 2,选择液流形式参考表
塔径 流体流量 m
3
/h
Mm U 形流型 单流型 双流型 阶梯流型
6 0 0 5 以下 5 ～ 25
9 0 0 7 以下 7 ～ 50
1 0 0 0 7 以下 4 5 以下
1 2 0 0 9 以下 9 ～ 70
1 4 0 0 9 以下 7 0 以下
1 5 0 0 1 0 以下 7 0 以下
2 0 0 0 1 1 以下 9 0 以下 90 ～ 160
3 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 200 200 ～ 300
4 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 230 230 ～ 350
5 0 0 0 1 1 以下 1 1 0 以下 110 ～ 250 250 ～ 400
6 0 0 0 1 1 以下 110 ～ 250 250 ～ 450
应用
场合
用于较低
液气比
一般应用 高 液 气 比
和大型塔板
极 高 液 气 极
大型塔板
2009-11-12
4,溢流堰 （出口堰）的设计
(1),堰长 W
l
,依据溢流型式及液体负荷决定堰长,单溢流型塔板堰
长
l
W
一般取为 (0.6 ～ 0.8)D ；双溢流型塔板，两侧堰长取为 (0,5 ～
0.7)D,其中 D 为塔径
(2),堰上液层高度
h
OW
：
堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压
强增大，物沫夹带增加。对平直堰，设计时
h
OW
一般应大于 0, 0 06 m,
若低于此值应改用齿形堰。
h
OW
也不宜超过 0.06 ～ 0,07 m,否则可改
用双溢流型塔板。
平直堰的 h
OW
按下式计算
h E
L
l
OW
h
W
?
?
?
?
?
?
?
2 84
1000
2
3
.
式中
W
l
— 堰长,m;
L
h
— 塔内液体流量，
m h
3
E
— 液流收缩系数，查图求取。一般可取为 1,误差不大
2009-11-12
齿形堰
h
OW
不超过齿顶时
? ?
2
5
17.1
WnSOW
lhLh ?
h
OW 超过齿顶时
? ?? ?
2
5
2
5
735.0
nOWOW
n
W
S
hhh
h
l
L ??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
S
L
— 塔内液体流量,
Sm
3
n
h
— 齿深,m ; 可取为 0.015 m
(3),堰高
W
h
堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系：
OWLW
hhh ??
2009-11-12
5,降液管的设计
（ 1 ）、降液管的宽度 d
W
与截面积 f
A
可根据堰长与塔径比值
?
?
?
?
?
?
D
l
W
，查图求取。
降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降
液管中的停留时间一般等于或大于 3 ～ 5 秒，对低发泡系统可取低值，
对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加长些 。
故在求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的
停留时间，即
? ?
? ?
A H
L
f T
S
?
— 液体在降液管中的停留时间,s
A
f
— 降液管截面积，
m
3
（ 2 ）, 降液管底隙高度
h
O
为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为
? ?h h
O W
? ? 0 006 0 012,~,
,m
h
O
也不易小于 0.02 ～ 0,0 25 m,以免引起堵塞，产生液泛。
2009-11-12
2009-11-12
6,塔板设计
(1),塔板布置
i, 开孔区面积
A
a
对于单流型塔板 ?
?
?
?
?
?
???
?
)( s i n2
1222
r
x
rxrxA
a
式中
x
D
W W
d S
? ? ?
2
( )
,m
r
D
W
C
? ?
2
,m
s i n
? 1
x
r
以弧度表示的反三角函数
对于双流型塔板
A x r x r
x
r
x r x r
x
r
a
? ? ?
?
?
?
?
?
?
? ? ?
?
?
?
?
?
?
? ?
2 2
2 2 2 1
1
2
1
2 2 1
s i n s i n
式中
x
W
W
d
S1
2
?
?
?
(
?W
d 为双溢流中间降液管的宽度 )
其它符号与单流型塔板公式同
2009-11-12
ii 溢流区 溢流区面积
A
f 及
?A
f 分别为降液管和受液盘所占面积,
iii 安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为
使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液
管。其宽度
W
S
(
?W
S
) 指堰与它最近一排孔中心之间的距离，可参考下
列经验值选定：
2009-11-12
溢流堰前的安定区
W
S = 70 ～ 1 00 mm
进口堰后的安定区
?W
S = 50 ～ 1 00 mm
直径小于 1 m 的塔可适当减小。
i v 无效区
在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的 边缘
之用，称无效区。其宽度视需要选定,小塔为 30 ～ 75 mm,大塔可达 50 ～
75 mm 。为防止液体经边缘区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁
设置旁流挡板。
2009-11-12
（ 2 ）、筛板的筛孔和开孔率
i 筛孔孔径 d
0
孔径 d
0
的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质
及加工费等有关。工业上常用 d
0
=3 ～ 8 mm,推荐 4 ～ 6 mm 。
ii 筛孔厚度 δ
一般碳钢 δ =3 ～ 4 mm 不锈钢 δ =2 ～ 2.5 mm
iii 孔心距 t
筛孔在筛板上一般按正三角形排列，常用孔心距 t= ( 2.5 ～ 5 )d
0
,推
荐 ( 3 ～ 4 )d
0
。 t / d
0
过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响
塔板传质效率。
2009-11-12
Ⅳ 开孔率 ?
开孔率
?
是指筛孔总面积 A
o
[m
2
] 与开孔面积 A
a
[m
2
] 之比，即
2
0
0
)/(
907.0
dtA
A
a
???
一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量
大,板效率低。通常开孔率为 5% ～ 1 5% 。
Ⅴ 筛孔数 n
mmt
t
A
n
a
,:
1 1 5 8 0 0 0
2
孔心距?
孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，若布孔数较多可在适当位置
堵孔。
若塔内上下段负荷变化较大时，应根据流体力学验算情况，分段改
变筛孔数以提高全塔的操作稳定性。
2009-11-12
7,塔板的流体力学验算
塔板流体力学验算目的是为了检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的
计算是否合理，塔板能否正常操作。
( 1 ) 气体通过塔板的压强降, p
h
,m 液柱
?
hhhh
lCp
???
p
h
— 气体通过每层塔板压降相当的液柱高度,m 液柱
h
C
— 气体通过筛板的干板压降,m 液柱
l
h
— 气体通过板上液层的阻力,m 液柱
h
?
— 克服液体表面张力的阻力,m 液柱
2009-11-12
i, 干板压降
h
C
L
V
C
C
u
h
?
?
2
0
0
)(051.0?
式中
u
0
— 筛孔气速,m/s
? ?
L V
、
— 分别为液、气密度，
kg m
3
C
0
— 孔流系数，
孔径与塔板厚度之比),,,,,,,(
)(000338.0)(00732.0)(0677.08806.0
0
30200
0
?
???
d
ddd
C ????
2009-11-12
i i, 板上液层阻力 l
h
板上充气液层阻力受堰高、气速及溢流长度等因素的影响，一般
用下面的经验公式计算：
)(
00 OWWLl
hhhh ??? ??
式中,
h
L — 板上清液层高度,m
?
0
— 反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，无
因次,一般
?
0
= 0.5 ～ 0.6 。
?
0
与气相动能因子 a
F
有关，
1 8 5 9 6 4.0
00
6 52 02 9.0
?
? F?
)( 单流型塔板
fT
s
aVaa
AA
V
uuF
?
?? ?
i i i, 液体表面张力的阻力
MN
gd
h
L
/:
4
0
?
?
?
?
表面张力?
气体通过塔板的压降 （ Δ P
p
=h
p
g ρ
L
）应低于设计允许值。
2009-11-12
(2), 降液管内液体高度 ( 液泛 or 淹塔 )
降液管内液体高度
H
d
代表液体通过一层塔板时所需液位高度，可
用下式表示,
dpLd
hhhH ?????
式中
?
— 进出口堰之间的液面梯度,m 液柱 ( 一般很小，可以
忽略 )
p
h
— 气体通过一块塔板的压降,m 液柱
h
d
— 液体流出降液管的压降,m 液柱
h
d
可按下列经验公式计算：
无入口堰,
h
L
L h
d
S
W
?
?
?
?
?
?
?0 153
0
2
.
有入口堰：
h
L
l h
d
S
W
?
?
?
?
?
?
?0 2
0
2
.
2009-11-12
如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当超过
上一层塔板的堰顶后，产生液体倒流，即发生了液泛，因此，需要足
够的降液管高度，或控制适当阻力以防液泛的发生 。 实际降液管中液
体和泡沫的总高度大于用上式计算的值 。 为了防止液泛，应保证降液
管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰 。 因此
H h
H
T W
d
? ?
?
式中
H
T — 板间距,m
?
— 系数。为考虑降液管内液体充气及操作安全两种因素的
校正系数。对于容易起泡的物系，取 0, 3 ～ 0,4 ；对不易起泡的物系，
取 0.6 ～ 0,7 ；对于一般物系，取 0.5 。
2009-11-12
（ 3 ）雾沫夹带
雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多
的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的
操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过 0.1 kg,
即控制雾沫夹带量
e
V < 0, 1 kg( 液 )/kg( 气 ) 。
2.3
6
)
5.2
(
107.5
LT
a
V
hH
u
e
?
?
?
?
?
2009-11-12
（ 4 ）漏液点气速 u
OW
当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称
为漏液点气速 u
OW
，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积
液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。
为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 K:
若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较大。
VLLOW
hhCu ??
?
/)13.00 0 5 6.0(4.4
0
???
]/[.,,,.,,,0.25.1 smuu
u
u
K
OWo
OW
O
漏液点气速筛孔气速～??
2009-11-12
8,塔板的负荷性能图
在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之
后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此
时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操
作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的
形式表示。
2009-11-12
塔板负荷性能图
Vs,m3/s
Ls,m3/s
(1)雾沫夹带线
(2)液泛线
(3)液相上限线
(4)漏夜线
(5)液相负荷下
限线
A Vs,min
P操作点
B Vs,max
O
2009-11-12
( 1 ), 雾沫夹带线 (1)
雾沫夹带线表示雾沫夹带量
e
V
= 0,1 kg( 液 )/kg( 气 ) 时的
V L
S S
— 关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因过多
的雾沫夹带而使板效率严重下降。此线可根据上述流体力学验算
中雾沫夹带泛点率公式作出。
( 2 ), 液泛线 (2)
液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的关系，
塔板的适宜操作区也应在此线之下，否则将可能发生液泛现象，
破坏塔的正常操作。
( 3 ), 液相负荷上限线 (3)
此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于
尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在
降液管中的停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层
塔板，造成气相返混，降底塔板效率。
2009-11-12
液体在降液管内的停留时间为：
? ?
? ?
A H
L
f T
S
?
不应小于 3 ～ 5 s,按
?
= 5 s 计算,则：
5
m a x,
Tf
S
HA
L ?
依此式可求得液相负荷上限，据此作出液相负荷上限线 ( 3) 。
塔板的适宜操作区应在竖直线 ( 3) 的左方。
( 4 ), 泄漏线 ( 4 )
由漏液点气速 u
OW
标绘对应的 V
s
～ L
s
。
(5),液相负荷下限线 （ 5 ）
对于平直堰，一般取堰上液层高度
h
OW = 0,0 0 6m 作为液相负荷
下限条件，低于此限便不能保证板上液流均匀分布，降低气液接触
效果。
平直堰 h
OW
按下式计算
3
2
m i n,
3600
1000
84.2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
W
s
OW
l
L
Eh
将已知的
l
W
及
h
OW
的下限值 ( 0, 0 0 6m ) 代入上表，并取 E = 1,便可
取得
L
S
的下限值，据此作出液相负荷下限线 。 塔板的适宜操作区应
在竖直线 （ 5 ）右侧 。
2009-11-12
在负荷性能图上，由上述线所包围的阴影区域，应是所
设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区 。 在此区域内，
塔板上的流体力学状况是正常的 。
（ 6 ）塔的操作弹性
在塔的操作液气比下，操作线 OAB 与界限曲线交点的气
相最大负荷与气相允许最低负荷之比，即：
m i n,
m a x,
s
s
V
V
?操作弹性
s
s
V
V
m a x,
?上操作弹性
m in,s
s
V
V
?下操作弹性
2009-11-12
三．浮阀塔的辅助设备
1,配管
(1) 塔顶蒸汽管 d
p
常压操作,u
v
=1 2 -2 0m /s
v
S
P
u
V
d
?
4
?
(2) 回流管 d
R
强制回流,u
R
=1,5 -2,5 m/s
R
S
R
u
L
d
?
4
?
(3) 进料管 d
F
泵输进料,u
F
=1,5 -2,5 m/s
进料温度下,
F
F
F
F
F
F
u
L
d
MF
L
?
?
4
?
?
?
2009-11-12
(4) 塔釜出料管 d
w
塔釜出料,u
w
=0,5 -1 m/s,
w
s
w
u
L
d
?
'
4
?
（ 1 ） 再沸器返塔蒸汽管 d
v'
取 u
v'
=15m/S
2,辅助设备
（ 1 ）冷凝器
a,热负荷 Q
C
= V r
b,冷却水用量 W
取冷却水的进口温度为 3 0 ℃，出口温度为 45 ℃，水的比热为
4.18 kJ/kg ℃ 则 W=Q/ (C
P
? t)
c,换热平均温差 ? t
m
( 泡点回流 )
d,换热系数 K 查教材上册 P
229
，表 4-4
e,换热面积 S
S=Q /(K ? t
m
) 可查表选设备。
2
1
12
ln
tT
tT
tt
t
m
?
?
?
??
2009-11-12
（ 2 ）再沸器
a,热负荷 Q
B
= V
'
r
由塔底压强组成确定塔底温度表。
b,加热蒸汽用量 G
G =Q
B
/r
'
c,换热平均温差 ? t
m
? t
m
=T 蒸汽 -t 釜温
d,换热系数 K
查教材上册 P
229
，表 4-4
e,换热面积 S
'
S
'
=Q /(K ? t
m
)
查表选设备。
贮槽、加料泵、高位槽、产品冷却器设计从略。
2009-11-12
四、塔体结构
1, 塔顶空间 H
D
塔顶空间 H
D
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，一般取 1 ～ 1,5 m 。
2, 塔底空间 H
B
塔底空间 H
B
具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底
有 10 ～ 15 分钟的储量，以保证塔釜料液不致排完。若塔的
进料设有缓冲时间的容量，塔底容量可取为 3 ～ 5 分钟的储
量。
3, 人孔
一般每隔 6 ～ 8 层塔板设一人孔 （安装、检修用），人孔处板
间距≥ 600 mm,人孔直径一般为 450 ～ 50 0 mm,其伸出塔体
的筒体长为 200 ～ 250 mm,人孔中心距操作平台约 800 ～
1200 mm 。
2009-11-12
4, 塔高 H( 不包括封头、裙坐 )
H =( n - n
F
-n
p
- 1 ) H
T
+n
F
H
F
+n
P
H
p
+H
D
+H
B
n ——实际塔板数；
n
F
——进料板数
H
F
——进料板处板间距,m
n
P
——人孔数
H
p
——设人孔处的板间距,m
H
D
——塔顶空间,m （不包括头盖部分）
H
B
——塔底空间,m （不包括底盖部分）裙坐
H
H
B
H
F
H
D
2009-11-12
五, 带控制点工艺流程图
