摘 要
填料塔为连续接触式的气液传质设备，与板式塔相比，不仅结构简单，而且
具有生产能力大，分离填料材质的选择，可处理腐蚀性的材料，尤其对于压强降
较低的真空精馏操作，填料塔更显示出优越性。本文以甲醇-水的混合液为研究
对象，因甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，所以此设计采
用常压精馏。根据物料性质、操作条件等因素选择填料塔，此设计采用高位槽泡
点进料、塔底再沸器和塔顶全凝器的重力回流的方式，将甲醇—水进行分离的填
料精馏塔。通过甲醇—水的相关数据，对全塔进行了物料衡算和热料衡算，得出
精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系，以及再沸器和冷凝器的类
型和尺寸，进而得到精馏塔的理论板数。分析了进料、塔顶、塔底、提馏段、精
馏段的流量及其物性参数。对精馏段和提留段的塔径及填料层高度进行了计算，
以确定塔的结构尺寸。对冷凝器、加热器、塔内管径、液体分布器、填料支撑板、
塔釜及除沫器进行了选型计算，从而得到分离甲醇—水混合物液的填料精馏塔。
关键词：填料塔；理论板数；结构尺寸；流量；回流比
Abstract
The packed tower is continuous contact gas-liquid mass transfer equipment.
Compared with tray column, the packed tower not only has a simple structure, but
also has higher capacity to product. The packed tower can choose the separation of
packing materials and handle corrosive materials. Especially for operation of low
pressure drop vacuum distillation , the packed column shows superiority. This article
make methanol-water mixture as the object of study .Because methanol-water system
has a wide relative volatility at atmospheric, so this design adopt atmospheric
distillation. According to the material properities, operating conditons and other
factors,we select packed tower. This design adpot high groove bubble point to
charge-in, the way of tower bottom reboiller and the gravity reflux of supertower
condenser and this design is the pached distillation of separae methanol from water.
By mthanol-water related data, this paper make material and heat material balance
calculation, conclude the relationship between the flow, composition of distillation
products and the flow, composition of charge-in, as well as reboiler and condensers’
type and size, and then get the count of theoretical plate. This thesis analysis the flow
and physical paraameters of charge-in, supertower, tower bottom, stripping section,
rectifying section. This paper calculate the diameter of stripping section and rectifying
section and the height of packing layer, then determine the structural size of tower.
This thesis makes section and calculation on condenser, heater, inside diameter of
tower, liquid distributor, packing support panel, recifier,then get packed distillation
column of separating methanol and water.
Key words：packed tower；number of theoretical plate；structure size；reflux ratio
引 言
精馏塔分为筛板塔和填料塔两大类，填料塔又分为散堆填料和规整填料两
种。筛板塔虽然结构较简单，适应性强，易于放大，在空气分离设备中被广泛应
用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率
高、压强小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内逐步替代了筛板塔。
近年来，国内外对填料塔的研究开发进展很迅速，新型高效填料塔的不断出
现使填料塔的应用更加广泛。直径达几米的大型填料塔在工业上已非罕见。由于
填料塔结构的改进，新型的高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效
能又保持了压降小的性能。对于设计分离甲醇—水的混合液的填料精馏塔，采用
了常压精馏泡点进料的方式。设计此填料精馏塔主要从回流比的确定，提留段和
精馏段，塔底、塔顶进料状况、塔径、填料层高度的大量计算来确定塔结构，并
通过主要附属设备及附件的选型来确定甲醇—水混合液的分离装置——填料塔。
填料塔是化学工业和石油工业各部门应用广泛的主要塔器设备，是一种应用
极为广泛的气液传质设备，它具有结构简单、制作方便、流体阻力较小、压降低，
填料易用材料耐腐蚀材料制造等优点。本论文主要讲的是填料精馏塔的计算及设
计，包括各组成部分的选择类型、尺寸大小。进而完成全塔的设计。
目 录
第1章 概 述..................................................................................................................................................... 1
1.1 与物性有关的因素 ....................................................................................................................... 1
1.2 与操作条件有关的因素............................................................................................................. 1
1.3 本章小结............................................................................................................................................. 2
第2章 流程确定和说明 ............................................................................................................................ 3
2.1 加料方式............................................................................................................................................. 3
2.2 进料状况............................................................................................................................................. 3
2.3 塔顶冷凝方式 .................................................................................................................................. 3
2.4 回流方式............................................................................................................................................. 3
2.5 加热方式............................................................................................................................................. 4
2.6 加热器 .................................................................................................................................................. 4
2.7 本章小结............................................................................................................................................. 4
第3章 精馏塔的设计计算 ....................................................................................................................... 5
3.1 操作条件与基础数据 .................................................................................................................. 5
3.2 精馏塔工艺计算............................................................................................................................. 7
3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算 ................................................................................................12
3.4 填料的选择 .....................................................................................................................................17
3.5 塔径的设计计算...........................................................................................................................18
3.6 填料层高度的计算 .....................................................................................................................19
3.7 本章小结...........................................................................................................................................20
第4章 附属设备及主要附件的选型计算 .....................................................................................21
4.1 冷凝器 ................................................................................................................................................21
4.2 加热器 ................................................................................................................................................21
4.3 塔内管径的计算及选择...........................................................................................................21
4.4 液体分布器 .....................................................................................................................................23
4.5 填料及支撑板的选择 ................................................................................................................24
4.6 塔釜设计...........................................................................................................................................24
4.7 除沫器 ................................................................................................................................................25
4.8 本章小结...........................................................................................................................................25
结 论 .....................................................................................................................................................................26
参考文献 .............................................................................................................................................................28
致谢 ........................................................................................................................................................................29
第1章 概 述
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用
量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传
热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。 塔
设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，
当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改
进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压
降小以性能稳定等特点。因此填料塔已被推广到大型汽液操作中。在某些场合还
代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕
见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
板式塔为逐级接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、操作弹性大、
持液量小等优点。同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。 本设计目的是
分离甲醇-水混合液，处理量不大，故选用填料塔。 塔型的选择因素很多。主要
因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。
1.1 与物性有关的因素
①易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料
塔为宜。因为填料不易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。
②对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介
质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属
填料
1.2 与操作条件有关的因素
①传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状
流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。
②难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。
③若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能 耗，故本设计选用填料塔。
④要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料
1.3 本章小结
本章主要叙述了板式塔与填料塔的比较，对塔型的吧选择因素的介绍，从物料性质、操作条件两方面来选择塔的类型。以此确定选用填料塔来分离甲醇—水的混合物。
第2章 流程确定和说明
2.1 加料方式
加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用高位槽进料。
2.2 进料状况
进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。
2.3 塔顶冷凝方式
塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应。且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。
2.4 回流方式
回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采用重力回流。
2.5 加热方式
加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，但理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次实验采用间接蒸汽加热。
2.6 加热器
采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。
2.7 本章小结
本章主要分析了操作流程如何确定，并说明此流程采用高位槽泡点进料、塔顶全凝器、塔底再沸器的重力回流的间接蒸汽加热方式，明确说明了各流程的优缺点。
第3章 精馏塔的设计计算
3.1 操作条件与基础数据
3.1.1 操作压力
精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。
3.1.2 气液平衡关系及平衡数据
表3-1 甲醇-水平衡时的t、x、y数据[1]
根据以上数据绘出x-y平衡图[2]
图3-1 甲醇-水平衡图
3.1.3 物料平衡计算
① 物料衡算
'=2%(质量百分比)，M已知：F”=600t,x'F =70%,x'D =98%,xW
CH3OH
=32.04kg/kmol，MHO=18.02 kg/kmol
2
摩尔分率：
进料平均相对分子质量
②根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料温度tF
a.塔顶温度tLD，tVD
b.塔釜温度tW
c.进料温度tF
③回流比确定
由图（图3-1）可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，为减小误差，用作图
法求最小回流比Rmin 。由点a(xD, xD)向平衡线作切线，交轴于b(0,31.8)，
即精馏段操作线截距
流比的1.1—2.0倍，所以取
，所以。 操作回流比可取为最小回
。所以回流比确定为
④相对挥发度
t = 92.9℃时，
t = 66.9℃时，
[2]
3.2 精馏塔工艺计算
3.2.1 物料衡算
①物流示意图
图3-2 精馏塔的物料衡算
②物料衡算 [2]
a.已知：F”=0.6⨯104t，年开工300天，
0.6⨯10⨯10
4
3
进料摩尔流量：F=
300⨯24⨯26.06
=31.98kmol/h
总物料 F = D + W
易挥发组分 F⨯xF=D⨯xD+W⨯xW 解得：D = 18.68kmol/h W = 13.3kmol/h
b.塔顶产品的平均相对分子质量
塔顶产品流量：D=18.68⨯31.549=589.335kg/h
c.塔釜产品的平均相对分子质量
塔釜产品流量： W=13.3⨯18.178=241.767 kg/h
F=D+W=831.102 kg/h
表3-2物料衡算结果表
3.2.2 热量衡算
①热量衡算
a.加热介质和冷却剂的选择 (a) 加热介质的选择
常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本
设计选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 (b)冷却剂的选择
常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。 本设计建厂地区为哈尔滨。哈尔滨市夏季最热月份日平均气温为24℃。故选用24℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为34℃。 b.冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷
其中
—塔顶上升蒸汽的焓；
—塔顶馏出液的焓。
其中
—甲醇的蒸发潜热；
—水的蒸发潜热。 蒸发潜热与温度的关系：∆H2
⎛1-Tγ2
=∆HV1
1-T
γ1⎝
⎫⎪⎪⎭
0..38
其中
—对比温度。
表3-3 沸点下蒸发潜热列表
由沃森公式计算塔顶温度下的潜热
∆H2
⎛1-Tγ2
=∆HV1
1-T
γ1⎝
⎫⎪⎪⎭
0..38
65.66℃时，对甲醇：
蒸发潜热
对水，同理得：
，
蒸发潜热
对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）
选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相接近，所以
代入数据得：
Qc=(3.05+1) ⨯18.68⨯8472.888=641007.869kcal/h c.冷却介质消耗量 Wc=
Qc
Cpc(t2-t1)
=
641007.8691⨯(34-24)
=64100.787 kg/h
d.加热器的热负荷及全塔热量衡算
选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气为加热介质
列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容[单位：kcal/(kg·℃)]
3-4 甲醇、水比热容表
甲醇：Cpl*(tLD-tF)=0.731⨯(65.31-71.86)=-4.86
水：
根据表3-2 D=589.335 kg/h,W=241.767 kg/h QD=D⎰
65.3171.86
Cpdt=D⋅ Cp∆t=589.335⨯(-4.82)=-2840.60 kcal/h
98.52
QW=W⎰
71.86
Cpdt=W⋅ Cp∆t=241.767⨯26.547=6418.19kcal/h
对全塔进行热量衡算：
为了简化计算，以进料焓，即78.43℃时的焓值为基准做热量衡算
=-2840.60+6418.19+641007.869-0 =644585.549=6.45⨯105kcal/h
塔釜热损失为10%，则
，则QS’=
QS
=
6.45⨯10
0.9
5
η
5
=7.17⨯10kcal/h
式中
—加热器理想热负荷；
—加热器实际热负荷；
—塔顶馏出液带出热量；
—塔底带出热量。 加热蒸汽消耗量
（333K，300kPa）
Wh=kg/h
表3-5热量衡算数据结果列表
3.2.3 理论板数计算
[2]
由于本次设计的相对挥发度是变化的，所以不能用简捷法求得，应用图解法。
精馏段操作线方程为
截距
连接精馏段2块。
，与q线交于d点，连接与d点，得提馏段
操作线。然后，由平衡线与操作线可得到精馏塔理论板数为5块，提馏段3块，
图3-3理论板层数的图解法
3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算
精馏塔设计的主要依据和条件
表3-6 不同温度下甲醇和水的密度
表3-7 查图整理得甲醇-水特殊点粘度
3.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数
xD=0.965,αD=0.98,D=18.68kmol/h
气相平均相对分子质量
液相平均相对分子质量
气相密度
液相密度
℃查表3-7，内插法
所以
液相粘度 查表3-7得：
，
塔顶出料口质量流量
D=18.68⨯31.55=589.354kg/h
表3-8 塔中顶部数据结果表
3.3.2 塔底条件下的流量及物性参数
，
，
①液相相对分子质量：由于很小，所以液相可视为纯水
②气相密度：
③液相密度：视同纯水，查表3-6，④液相粘度 查表3-7得：
，
⑤塔底流量
W=13.3⨯18=239.4kg/h 表3-9 塔底数据结果表
3.3.3 进料条件下的流量及物性参数
F=31.98kmol/h,xF=56.8%,αF=0.70
查表3-1得：
① 气相平均相对分子质量：
② 液相平均相对分子质量
③气相密度
④液相密度
由表3-6数据，同上用内插法，求出
所以
⑤液相粘度 查表3-7得：
，
⑥进料流量
F=
600⨯10
4
300⨯24
=833.33
表3-10进料数据结果表
3.3.4 精馏段的流量及物性参数
①气相平均相对分子质量：
②液相平均相对分子质量：
③气相密度：
④液相密度：
⑤液相粘度：
⑥气相流量：V’=(R+1)D=(3.05+1)⨯18.68=75.654kmol/h
V’=75.654 ⨯30.68=2321.06
⑦液相流量：L=RD=3.05⨯18.68=56.974kmol/h L’=56.974⨯28.79=1640.28
3.3.5 提馏段的流量及物性参数
①气相平均相对分子质量：
②液相平均相对分子质量：
③气相密度：
④液相密度：
⑤液相粘度：
⑥气相流量：V= V-(q-1)F=75.654kmol/h V'=75.654⨯23.69=1792.24 kmol/h
⑦液相流量：L’=L+qF=L+F=56.974+31.98=88.954 kmol/h
L’=88.954⨯21.99=1956.10kg/h
表3-11 精馏段、提馏段数据结果表
3.4 填料的选择
[3]
填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。 规整填料是一种在塔内按均匀图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。 与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。 250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点：
第一、比表面积与通用散装填料相比，可提高近1倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。
第二、与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。
第三、工业生产中气液质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 鉴于以上250Y型的特点，本设计采用Mellapok-250Y型填料，因本设计塔中压力很低。
3.5 塔径的设计计算
3.5.1 精馏段塔径计算
由气速关联式
式中：
—干填料因子；
—液体粘度，mPa·s；
A—250Y型为0.291；
L、G—液体、气体质量流速；
—液体、气体密度；
g—重力加速度。 精馏段：
μ
L
=0.341mPa⋅s,L=1640.28kg/h,G=1640.28kg/h,A=0.291
代入式中求解得：uf =3.25m/s
空塔气速：u=0.5uf
=0.5*3.25=1.625m/s
体积流量：Vs =
4VS
75.654⨯8.314⨯(68.6+273.15)⨯10
1.093⨯10⨯3600
3
3
=0.546m/s
3
D=
πu
=
4⨯0.5463.14⨯1.75
=0.654m
圆整后：D=700mm，空塔气速u=1.42m/s
3.5.2 提留段塔径计算 ρ
V
=0.82kg/m,ρL=873.60kg/m,L=1956.10kg/h,V=1792.24kg/h
33
⎡uf2⎤2500.82⎛1956.10⎫4⎛0.82⎫80.2㏒⎢⨯⨯⨯0.30=0.291-1.75⎥ ⎪ ⎪ 2
9.81(0.97)873.60⎝1792.24⎭⎝873.60⎭⎢⎥⎣⎦
11
所以u'f=4.13m/s
空塔气速：u=0.5u'f=0.5⨯
4.13=2.065m/s
体积流量：VS' =
4VS'
75.654⨯8.314⨯(85.19+273.15)⨯10
0.82⨯10⨯3600
5
3
=0.764m/s
3
D=
πu
=
4⨯0.7643.14⨯2.09
=0.687m
圆整后：D=700mm，空塔气速u=1.99m/s
3.6 填料层高度的计算
3.6.1 精馏段填料层高度 uV=1.42m/s,ρ
所以FJ=uV查得
V
=1.093kg/m
3
=1.485(kg/m
3
ρV=1.42⨯
.093
)
12
精馏段填料高度
式中
精馏段总压降
—精馏段理论板数据根据图1-2（图略）得7；
—2.8（查得）
3.6.2 提留段填料层高度
uG=1.99m/s,ρV=0.82kg/m3
所以FG=uGρV=1.99⨯0.82=1.802 查得
提馏段填料高度
式中
—提馏段理论板数据根据图（图略）得知3级；
—2.81级（查得）
提馏段总压降
3.6.3 填料层高度和压降计算汇总表 全塔填料层压降
填料总高度
表3-12 填料层高度和压降计算汇总表
3.7 本章小结
本章以设计精馏塔为主，根据精馏塔的设计原理进行计算确定基本参数。对已知进行物流衡算、热料衡算，确定进料、塔顶、塔底的产品流量，从而确定理论板数。根据精馏段、提留段的进料、出料状况以及塔径、填料层高度的计算来设计精馏塔
第4章 附属设备及主要附件的选型计算
4.1 冷凝器
本设计冷凝器重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸馏塔的冷凝器，
一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排出冷凝液。 冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费，取冷凝器传热系数
K=1000kcal/(m⋅h⋅C)
2
[3]
。哈尔滨地区夏季最高平均水温24℃，温升10℃
34℃
逆流：T 65.31℃65.16℃ t 24℃
传热面积：A=
QCK⋅∆tm
=
641007.8691000⨯35.99
=17.81m
2
查取有关数据如下
4.2 加热器
选用
U型管加热器，经处理后，放在塔釜内。蒸汽选择133.3℃饱和水蒸
，
5
气，传热系数由表5得
A=
'QSK⋅∆t
'=7.17⨯10kcal/hQS
2
=
7.17⨯10
5
1000⨯33.3
=21.53m
4.3 塔内管径的计算及选择
(1) 进料管
d
f
=
4F3600πWFρLF
=
4⨯833.33
3600⨯3.14⨯0.6⨯789.204
=0.0250m
圆整后df=25mm
(2) 回流管
对于直立回流一般0.2~0.5m/s，取
dR=
4L3600πWRρLJ
=
4⨯1640.28
3600⨯3.14⨯0.4⨯764.29
=0.044m
圆整后dR=
50mm （3）塔顶蒸汽接管
操作压力常压，蒸汽速度 Wv=40m/s
dV=
4V3600πWVρV
=
4⨯2321.063600⨯3.14⨯40⨯1.093
=0.137m
圆整后d
V=137mm (4) 塔釜出料
塔釜流出液体速度
dW=
4W3600πWWρL
=
取0.6m/s
4⨯241.767
3600⨯3.14⨯0.6⨯873.60
=0.013m
圆整后dW=13
4.4 液体分布器
采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好地润湿。结构简单，制造和维修方便，喷洒比较方便，安装简便。 (1) 回流液分布器
—流速系数取0.82~0.5，H取0 06
小孔输液能力计算Q=
-4
L
ρL⨯3600
=
1640.28764.29⨯3600
=5.96⨯10
-4
(m
2
/s
)
f=
Q
ϕ⋅W
f
=
5.96⨯10
0.82⨯0.89
8.16⨯103.144
=8.16⨯10
-4
(m
2
/s
)
-4
n=
π
4
=
2
=115.50≈116(孔) )
2
d⨯(3⨯10
-3
式中 W—小孔流速,m/s； —孔系数取0.82；
F—小孔点面积； n—小孔数； H—推动力液柱高度H=60mm；
D—小孔直径取3mm； Q—小孔输液能力。 喷洒球面中心到填料表面距离计算
h=rcotα+
gr
2
22
2ϕsinα
式中 r —喷射圆周半径； α—喷射角。
h=0.75⨯cot40︒+
9.81⨯0.75
2
2
2
2(0.82)⨯(sin40︒)
=76mm
(2) 进料液分布器
由前知W=0.89m/s
Q=
L
ρL⨯3600Q
=
=
831.102764.29⨯3600
-4
=3.0⨯10
-4
(m
2
/s
)，取
f=
3.0⨯10
ϕ⋅W
f
0.82⨯0.89
4.11⨯103.144
=4.11⨯10
-4
(m
2
/s
)
-4
n=
π
4
=
2
=57.3≈58(孔) )
2
d⨯(3⨯10
-3
取
莲蓬头直径40mm，喷射角约为40°，莲蓬头高度为72mm。
4.5 填料及支撑板的选择
本设计采用波纹板网支承板，板网支撑的结构简单，重量轻，自由截面大，但强度较低。本设计填料高度较低，所以选用支撑板。
主要设计参数
主图尺寸（采用不锈钢）
4.6 塔釜设计
料液在釜内停留15min，装填系数取0.5，塔釜高h / 塔径d = 2：1 塔釜液量LW=L'⨯塔釜体积VW
15
60764.294L0.6403=W==1.28m 0.505
=
1956.10
⨯1
=0.640m
3
VW=
12
πd,d=
3
2VW
π
=
2⨯1.283.14
=0.93m
h=2d=2⨯0.93=1.86m
精馏塔各部分高度列表（mm）
4.7 除沫器
为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。 常用除沫装置有折流板式除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计塔径小，且气液分离，故采用小型丝网除沫器，装入设备上盖。
4.8 本章小结
本章以冷凝器、加热器、塔内管径、液体分布器、塔釜、填料支撑板及除沫器的改造进行了计算，通过计算结果确定了附件的类型。
结 论
精馏塔主要设计参数
不同设计条件下设计结果比较
参考文献
[1] 时钧等主编.化学工程手册.北京:化学工业出版社，1996 [2] 姚玉英等.化工原理（下册）.天津：天津大学出版社，1999
[3] 姚玉英等.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，1999
致 谢
为期两个多月的毕业设计结束了，在这个令人紧张而又充实的阶段，在老师的悉心指导下，通过自己的努力，终于完成了毕业设计任务。通过此次设计我得到了很大的锻炼。首先，提高了有关填料塔的专业知识，对表面活性剂的驱油机精馏塔的设计原理有了更深刻的认识和了解，还提高了我独立分析问题和解决问题的能力和团体协作能力，并且学会了更多的学习方法，加强了我的自学能力。同时也暴露了自己知识的匮乏、综合能力不强的缺点，使我认识到，今后还要在工作实践中继续加强学习。这是对我四年来所学知识的一种综合检验，这为将来参加工作，踏入社会打下坚实的基础。
在两个多月的毕业设计中，从分析课题、资料的调研、方案的拟定、疑难问题的解决到论文的定稿都得到了得到了刘先军老师的悉心指导和帮助。另外还得到了同学的帮助，在此我要对他们表示我诚挚的谢意!
由于本人能力有限，设计中一定存在很多错误，敬请老师批评指正。 最后再次向在这次毕业设计中付出很大心血，给我很大帮助的刘老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时感谢同学对我的关心和帮助及感谢学院为我们提供了这次锻炼的机会。
设计人： 杨春宇 2010.06.04
摘 要
填料塔为连续接触式的气液传质设备，与板式塔相比，不仅结构简单，而且
具有生产能力大，分离填料材质的选择，可处理腐蚀性的材料，尤其对于压强降
较低的真空精馏操作，填料塔更显示出优越性。本文以甲醇-水的混合液为研究
对象，因甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，所以此设计采
用常压精馏。根据物料性质、操作条件等因素选择填料塔，此设计采用高位槽泡
点进料、塔底再沸器和塔顶全凝器的重力回流的方式，将甲醇—水进行分离的填
料精馏塔。通过甲醇—水的相关数据，对全塔进行了物料衡算和热料衡算，得出
精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系，以及再沸器和冷凝器的类
型和尺寸，进而得到精馏塔的理论板数。分析了进料、塔顶、塔底、提馏段、精
馏段的流量及其物性参数。对精馏段和提留段的塔径及填料层高度进行了计算，
以确定塔的结构尺寸。对冷凝器、加热器、塔内管径、液体分布器、填料支撑板、
塔釜及除沫器进行了选型计算，从而得到分离甲醇—水混合物液的填料精馏塔。
关键词：填料塔；理论板数；结构尺寸；流量；回流比
Abstract
The packed tower is continuous contact gas-liquid mass transfer equipment.
Compared with tray column, the packed tower not only has a simple structure, but
also has higher capacity to product. The packed tower can choose the separation of
packing materials and handle corrosive materials. Especially for operation of low
pressure drop vacuum distillation , the packed column shows superiority. This article
make methanol-water mixture as the object of study .Because methanol-water system
has a wide relative volatility at atmospheric, so this design adopt atmospheric
distillation. According to the material properities, operating conditons and other
factors,we select packed tower. This design adpot high groove bubble point to
charge-in, the way of tower bottom reboiller and the gravity reflux of supertower
condenser and this design is the pached distillation of separae methanol from water.
By mthanol-water related data, this paper make material and heat material balance
calculation, conclude the relationship between the flow, composition of distillation
products and the flow, composition of charge-in, as well as reboiler and condensers’
type and size, and then get the count of theoretical plate. This thesis analysis the flow
and physical paraameters of charge-in, supertower, tower bottom, stripping section,
rectifying section. This paper calculate the diameter of stripping section and rectifying
section and the height of packing layer, then determine the structural size of tower.
This thesis makes section and calculation on condenser, heater, inside diameter of
tower, liquid distributor, packing support panel, recifier,then get packed distillation
column of separating methanol and water.
Key words：packed tower；number of theoretical plate；structure size；reflux ratio
引 言
精馏塔分为筛板塔和填料塔两大类，填料塔又分为散堆填料和规整填料两
种。筛板塔虽然结构较简单，适应性强，易于放大，在空气分离设备中被广泛应
用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率
高、压强小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内逐步替代了筛板塔。
近年来，国内外对填料塔的研究开发进展很迅速，新型高效填料塔的不断出
现使填料塔的应用更加广泛。直径达几米的大型填料塔在工业上已非罕见。由于
填料塔结构的改进，新型的高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效
能又保持了压降小的性能。对于设计分离甲醇—水的混合液的填料精馏塔，采用
了常压精馏泡点进料的方式。设计此填料精馏塔主要从回流比的确定，提留段和
精馏段，塔底、塔顶进料状况、塔径、填料层高度的大量计算来确定塔结构，并
通过主要附属设备及附件的选型来确定甲醇—水混合液的分离装置——填料塔。
填料塔是化学工业和石油工业各部门应用广泛的主要塔器设备，是一种应用
极为广泛的气液传质设备，它具有结构简单、制作方便、流体阻力较小、压降低，
填料易用材料耐腐蚀材料制造等优点。本论文主要讲的是填料精馏塔的计算及设
计，包括各组成部分的选择类型、尺寸大小。进而完成全塔的设计。
目 录
第1章 概 述..................................................................................................................................................... 1
1.1 与物性有关的因素 ....................................................................................................................... 1
1.2 与操作条件有关的因素............................................................................................................. 1
1.3 本章小结............................................................................................................................................. 2
第2章 流程确定和说明 ............................................................................................................................ 3
2.1 加料方式............................................................................................................................................. 3
2.2 进料状况............................................................................................................................................. 3
2.3 塔顶冷凝方式 .................................................................................................................................. 3
2.4 回流方式............................................................................................................................................. 3
2.5 加热方式............................................................................................................................................. 4
2.6 加热器 .................................................................................................................................................. 4
2.7 本章小结............................................................................................................................................. 4
第3章 精馏塔的设计计算 ....................................................................................................................... 5
3.1 操作条件与基础数据 .................................................................................................................. 5
3.2 精馏塔工艺计算............................................................................................................................. 7
3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算 ................................................................................................12
3.4 填料的选择 .....................................................................................................................................17
3.5 塔径的设计计算...........................................................................................................................18
3.6 填料层高度的计算 .....................................................................................................................19
3.7 本章小结...........................................................................................................................................20
第4章 附属设备及主要附件的选型计算 .....................................................................................21
4.1 冷凝器 ................................................................................................................................................21
4.2 加热器 ................................................................................................................................................21
4.3 塔内管径的计算及选择...........................................................................................................21
4.4 液体分布器 .....................................................................................................................................23
4.5 填料及支撑板的选择 ................................................................................................................24
4.6 塔釜设计...........................................................................................................................................24
4.7 除沫器 ................................................................................................................................................25
4.8 本章小结...........................................................................................................................................25
结 论 .....................................................................................................................................................................26
参考文献 .............................................................................................................................................................28
致谢 ........................................................................................................................................................................29
第1章 概 述
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用
量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传
热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。 塔
设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，
当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改
进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压
降小以性能稳定等特点。因此填料塔已被推广到大型汽液操作中。在某些场合还
代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕
见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
板式塔为逐级接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、操作弹性大、
持液量小等优点。同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。 本设计目的是
分离甲醇-水混合液，处理量不大，故选用填料塔。 塔型的选择因素很多。主要
因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。
1.1 与物性有关的因素
①易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料
塔为宜。因为填料不易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。
②对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介
质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属
填料
1.2 与操作条件有关的因素
①传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状
流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。
②难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。
③若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能 耗，故本设计选用填料塔。
④要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料
1.3 本章小结
本章主要叙述了板式塔与填料塔的比较，对塔型的吧选择因素的介绍，从物料性质、操作条件两方面来选择塔的类型。以此确定选用填料塔来分离甲醇—水的混合物。
第2章 流程确定和说明
2.1 加料方式
加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用高位槽进料。
2.2 进料状况
进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。
2.3 塔顶冷凝方式
塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应。且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。
2.4 回流方式
回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采用重力回流。
2.5 加热方式
加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，但理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次实验采用间接蒸汽加热。
2.6 加热器
采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。
2.7 本章小结
本章主要分析了操作流程如何确定，并说明此流程采用高位槽泡点进料、塔顶全凝器、塔底再沸器的重力回流的间接蒸汽加热方式，明确说明了各流程的优缺点。
第3章 精馏塔的设计计算
3.1 操作条件与基础数据
3.1.1 操作压力
精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。
3.1.2 气液平衡关系及平衡数据
表3-1 甲醇-水平衡时的t、x、y数据[1]
根据以上数据绘出x-y平衡图[2]
图3-1 甲醇-水平衡图
3.1.3 物料平衡计算
① 物料衡算
'=2%(质量百分比)，M已知：F”=600t,x'F =70%,x'D =98%,xW
CH3OH
=32.04kg/kmol，MHO=18.02 kg/kmol
2
摩尔分率：
进料平均相对分子质量
②根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料温度tF
a.塔顶温度tLD，tVD
b.塔釜温度tW
c.进料温度tF
③回流比确定
由图（图3-1）可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，为减小误差，用作图
法求最小回流比Rmin 。由点a(xD, xD)向平衡线作切线，交轴于b(0,31.8)，
即精馏段操作线截距
流比的1.1—2.0倍，所以取
，所以。 操作回流比可取为最小回
。所以回流比确定为
④相对挥发度
t = 92.9℃时，
t = 66.9℃时，
[2]
3.2 精馏塔工艺计算
3.2.1 物料衡算
①物流示意图
图3-2 精馏塔的物料衡算
②物料衡算 [2]
a.已知：F”=0.6⨯104t，年开工300天，
0.6⨯10⨯10
4
3
进料摩尔流量：F=
300⨯24⨯26.06
=31.98kmol/h
总物料 F = D + W
易挥发组分 F⨯xF=D⨯xD+W⨯xW 解得：D = 18.68kmol/h W = 13.3kmol/h
b.塔顶产品的平均相对分子质量
塔顶产品流量：D=18.68⨯31.549=589.335kg/h
c.塔釜产品的平均相对分子质量
塔釜产品流量： W=13.3⨯18.178=241.767 kg/h
F=D+W=831.102 kg/h
表3-2物料衡算结果表
3.2.2 热量衡算
①热量衡算
a.加热介质和冷却剂的选择 (a) 加热介质的选择
常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本
设计选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 (b)冷却剂的选择
常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。 本设计建厂地区为哈尔滨。哈尔滨市夏季最热月份日平均气温为24℃。故选用24℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为34℃。 b.冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷
其中
—塔顶上升蒸汽的焓；
—塔顶馏出液的焓。
其中
—甲醇的蒸发潜热；
—水的蒸发潜热。 蒸发潜热与温度的关系：∆H2
⎛1-Tγ2
=∆HV1
1-T
γ1⎝
⎫⎪⎪⎭
0..38
其中
—对比温度。
表3-3 沸点下蒸发潜热列表
由沃森公式计算塔顶温度下的潜热
∆H2
⎛1-Tγ2
=∆HV1
1-T
γ1⎝
⎫⎪⎪⎭
0..38
65.66℃时，对甲醇：
蒸发潜热
对水，同理得：
，
蒸发潜热
对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）
选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相接近，所以
代入数据得：
Qc=(3.05+1) ⨯18.68⨯8472.888=641007.869kcal/h c.冷却介质消耗量 Wc=
Qc
Cpc(t2-t1)
=
641007.8691⨯(34-24)
=64100.787 kg/h
d.加热器的热负荷及全塔热量衡算
选用300kPa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气为加热介质
列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容[单位：kcal/(kg·℃)]
3-4 甲醇、水比热容表
甲醇：Cpl*(tLD-tF)=0.731⨯(65.31-71.86)=-4.86
水：
根据表3-2 D=589.335 kg/h,W=241.767 kg/h QD=D⎰
65.3171.86
Cpdt=D⋅ Cp∆t=589.335⨯(-4.82)=-2840.60 kcal/h
98.52
QW=W⎰
71.86
Cpdt=W⋅ Cp∆t=241.767⨯26.547=6418.19kcal/h
对全塔进行热量衡算：
为了简化计算，以进料焓，即78.43℃时的焓值为基准做热量衡算
=-2840.60+6418.19+641007.869-0 =644585.549=6.45⨯105kcal/h
塔釜热损失为10%，则
，则QS’=
QS
=
6.45⨯10
0.9
5
η
5
=7.17⨯10kcal/h
式中
—加热器理想热负荷；
—加热器实际热负荷；
—塔顶馏出液带出热量；
—塔底带出热量。 加热蒸汽消耗量
（333K，300kPa）
Wh=kg/h
表3-5热量衡算数据结果列表
3.2.3 理论板数计算
[2]
由于本次设计的相对挥发度是变化的，所以不能用简捷法求得，应用图解法。
精馏段操作线方程为
截距
连接精馏段2块。
，与q线交于d点，连接与d点，得提馏段
操作线。然后，由平衡线与操作线可得到精馏塔理论板数为5块，提馏段3块，
图3-3理论板层数的图解法
3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算
精馏塔设计的主要依据和条件
表3-6 不同温度下甲醇和水的密度
表3-7 查图整理得甲醇-水特殊点粘度
3.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数
xD=0.965,αD=0.98,D=18.68kmol/h
气相平均相对分子质量
液相平均相对分子质量
气相密度
液相密度
℃查表3-7，内插法
所以
液相粘度 查表3-7得：
，
塔顶出料口质量流量
D=18.68⨯31.55=589.354kg/h
表3-8 塔中顶部数据结果表
3.3.2 塔底条件下的流量及物性参数
，
，
①液相相对分子质量：由于很小，所以液相可视为纯水
②气相密度：
③液相密度：视同纯水，查表3-6，④液相粘度 查表3-7得：
，
⑤塔底流量
W=13.3⨯18=239.4kg/h 表3-9 塔底数据结果表
3.3.3 进料条件下的流量及物性参数
F=31.98kmol/h,xF=56.8%,αF=0.70
查表3-1得：
① 气相平均相对分子质量：
② 液相平均相对分子质量
③气相密度
④液相密度
由表3-6数据，同上用内插法，求出
所以
⑤液相粘度 查表3-7得：
，
⑥进料流量
F=
600⨯10
4
300⨯24
=833.33
表3-10进料数据结果表
3.3.4 精馏段的流量及物性参数
①气相平均相对分子质量：
②液相平均相对分子质量：
③气相密度：
④液相密度：
⑤液相粘度：
⑥气相流量：V’=(R+1)D=(3.05+1)⨯18.68=75.654kmol/h
V’=75.654 ⨯30.68=2321.06
⑦液相流量：L=RD=3.05⨯18.68=56.974kmol/h L’=56.974⨯28.79=1640.28
3.3.5 提馏段的流量及物性参数
①气相平均相对分子质量：
②液相平均相对分子质量：
③气相密度：
④液相密度：
⑤液相粘度：
⑥气相流量：V= V-(q-1)F=75.654kmol/h V'=75.654⨯23.69=1792.24 kmol/h
⑦液相流量：L’=L+qF=L+F=56.974+31.98=88.954 kmol/h
L’=88.954⨯21.99=1956.10kg/h
表3-11 精馏段、提馏段数据结果表
3.4 填料的选择
[3]
填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。 规整填料是一种在塔内按均匀图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。 与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。 250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点：
第一、比表面积与通用散装填料相比，可提高近1倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。
第二、与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。
第三、工业生产中气液质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 鉴于以上250Y型的特点，本设计采用Mellapok-250Y型填料，因本设计塔中压力很低。
3.5 塔径的设计计算
3.5.1 精馏段塔径计算
由气速关联式
式中：
—干填料因子；
—液体粘度，mPa·s；
A—250Y型为0.291；
L、G—液体、气体质量流速；
—液体、气体密度；
g—重力加速度。 精馏段：
μ
L
=0.341mPa⋅s,L=1640.28kg/h,G=1640.28kg/h,A=0.291
代入式中求解得：uf =3.25m/s
空塔气速：u=0.5uf
=0.5*3.25=1.625m/s
体积流量：Vs =
4VS
75.654⨯8.314⨯(68.6+273.15)⨯10
1.093⨯10⨯3600
3
3
=0.546m/s
3
D=
πu
=
4⨯0.5463.14⨯1.75
=0.654m
圆整后：D=700mm，空塔气速u=1.42m/s
3.5.2 提留段塔径计算 ρ
V
=0.82kg/m,ρL=873.60kg/m,L=1956.10kg/h,V=1792.24kg/h
33
⎡uf2⎤2500.82⎛1956.10⎫4⎛0.82⎫80.2㏒⎢⨯⨯⨯0.30=0.291-1.75⎥ ⎪ ⎪ 2
9.81(0.97)873.60⎝1792.24⎭⎝873.60⎭⎢⎥⎣⎦
11
所以u'f=4.13m/s
空塔气速：u=0.5u'f=0.5⨯
4.13=2.065m/s
体积流量：VS' =
4VS'
75.654⨯8.314⨯(85.19+273.15)⨯10
0.82⨯10⨯3600
5
3
=0.764m/s
3
D=
πu
=
4⨯0.7643.14⨯2.09
=0.687m
圆整后：D=700mm，空塔气速u=1.99m/s
3.6 填料层高度的计算
3.6.1 精馏段填料层高度 uV=1.42m/s,ρ
所以FJ=uV查得
V
=1.093kg/m
3
=1.485(kg/m
3
ρV=1.42⨯
.093
)
12
精馏段填料高度
式中
精馏段总压降
—精馏段理论板数据根据图1-2（图略）得7；
—2.8（查得）
3.6.2 提留段填料层高度
uG=1.99m/s,ρV=0.82kg/m3
所以FG=uGρV=1.99⨯0.82=1.802 查得
提馏段填料高度
式中
—提馏段理论板数据根据图（图略）得知3级；
—2.81级（查得）
提馏段总压降
3.6.3 填料层高度和压降计算汇总表 全塔填料层压降
填料总高度
表3-12 填料层高度和压降计算汇总表
3.7 本章小结
本章以设计精馏塔为主，根据精馏塔的设计原理进行计算确定基本参数。对已知进行物流衡算、热料衡算，确定进料、塔顶、塔底的产品流量，从而确定理论板数。根据精馏段、提留段的进料、出料状况以及塔径、填料层高度的计算来设计精馏塔
第4章 附属设备及主要附件的选型计算
4.1 冷凝器
本设计冷凝器重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸馏塔的冷凝器，
一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排出冷凝液。 冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费，取冷凝器传热系数
K=1000kcal/(m⋅h⋅C)
2
[3]
。哈尔滨地区夏季最高平均水温24℃，温升10℃
34℃
逆流：T 65.31℃65.16℃ t 24℃
传热面积：A=
QCK⋅∆tm
=
641007.8691000⨯35.99
=17.81m
2
查取有关数据如下
4.2 加热器
选用
U型管加热器，经处理后，放在塔釜内。蒸汽选择133.3℃饱和水蒸
，
5
气，传热系数由表5得
A=
'QSK⋅∆t
'=7.17⨯10kcal/hQS
2
=
7.17⨯10
5
1000⨯33.3
=21.53m
4.3 塔内管径的计算及选择
(1) 进料管
d
f
=
4F3600πWFρLF
=
4⨯833.33
3600⨯3.14⨯0.6⨯789.204
=0.0250m
圆整后df=25mm
(2) 回流管
对于直立回流一般0.2~0.5m/s，取
dR=
4L3600πWRρLJ
=
4⨯1640.28
3600⨯3.14⨯0.4⨯764.29
=0.044m
圆整后dR=
50mm （3）塔顶蒸汽接管
操作压力常压，蒸汽速度 Wv=40m/s
dV=
4V3600πWVρV
=
4⨯2321.063600⨯3.14⨯40⨯1.093
=0.137m
圆整后d
V=137mm (4) 塔釜出料
塔釜流出液体速度
dW=
4W3600πWWρL
=
取0.6m/s
4⨯241.767
3600⨯3.14⨯0.6⨯873.60
=0.013m
圆整后dW=13
4.4 液体分布器
采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好地润湿。结构简单，制造和维修方便，喷洒比较方便，安装简便。 (1) 回流液分布器
—流速系数取0.82~0.5，H取0 06
小孔输液能力计算Q=
-4
L
ρL⨯3600
=
1640.28764.29⨯3600
=5.96⨯10
-4
(m
2
/s
)
f=
Q
ϕ⋅W
f
=
5.96⨯10
0.82⨯0.89
8.16⨯103.144
=8.16⨯10
-4
(m
2
/s
)
-4
n=
π
4
=
2
=115.50≈116(孔) )
2
d⨯(3⨯10
-3
式中 W—小孔流速,m/s； —孔系数取0.82；
F—小孔点面积； n—小孔数； H—推动力液柱高度H=60mm；
D—小孔直径取3mm； Q—小孔输液能力。 喷洒球面中心到填料表面距离计算
h=rcotα+
gr
2
22
2ϕsinα
式中 r —喷射圆周半径； α—喷射角。
h=0.75⨯cot40︒+
9.81⨯0.75
2
2
2
2(0.82)⨯(sin40︒)
=76mm
(2) 进料液分布器
由前知W=0.89m/s
Q=
L
ρL⨯3600Q
=
=
831.102764.29⨯3600
-4
=3.0⨯10
-4
(m
2
/s
)，取
f=
3.0⨯10
ϕ⋅W
f
0.82⨯0.89
4.11⨯103.144
=4.11⨯10
-4
(m
2
/s
)
-4
n=
π
4
=
2
=57.3≈58(孔) )
2
d⨯(3⨯10
-3
取
莲蓬头直径40mm，喷射角约为40°，莲蓬头高度为72mm。
4.5 填料及支撑板的选择
本设计采用波纹板网支承板，板网支撑的结构简单，重量轻，自由截面大，但强度较低。本设计填料高度较低，所以选用支撑板。
主要设计参数
主图尺寸（采用不锈钢）
4.6 塔釜设计
料液在釜内停留15min，装填系数取0.5，塔釜高h / 塔径d = 2：1 塔釜液量LW=L'⨯塔釜体积VW
15
60764.294L0.6403=W==1.28m 0.505
=
1956.10
⨯1
=0.640m
3
VW=
12
πd,d=
3
2VW
π
=
2⨯1.283.14
=0.93m
h=2d=2⨯0.93=1.86m
精馏塔各部分高度列表（mm）
4.7 除沫器
为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。 常用除沫装置有折流板式除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计塔径小，且气液分离，故采用小型丝网除沫器，装入设备上盖。
4.8 本章小结
本章以冷凝器、加热器、塔内管径、液体分布器、塔釜、填料支撑板及除沫器的改造进行了计算，通过计算结果确定了附件的类型。
结 论
精馏塔主要设计参数
不同设计条件下设计结果比较
参考文献
[1] 时钧等主编.化学工程手册.北京:化学工业出版社，1996 [2] 姚玉英等.化工原理（下册）.天津：天津大学出版社，1999
[3] 姚玉英等.化工原理（上册）.天津：天津大学出版社，1999
致 谢
为期两个多月的毕业设计结束了，在这个令人紧张而又充实的阶段，在老师的悉心指导下，通过自己的努力，终于完成了毕业设计任务。通过此次设计我得到了很大的锻炼。首先，提高了有关填料塔的专业知识，对表面活性剂的驱油机精馏塔的设计原理有了更深刻的认识和了解，还提高了我独立分析问题和解决问题的能力和团体协作能力，并且学会了更多的学习方法，加强了我的自学能力。同时也暴露了自己知识的匮乏、综合能力不强的缺点，使我认识到，今后还要在工作实践中继续加强学习。这是对我四年来所学知识的一种综合检验，这为将来参加工作，踏入社会打下坚实的基础。
在两个多月的毕业设计中，从分析课题、资料的调研、方案的拟定、疑难问题的解决到论文的定稿都得到了得到了刘先军老师的悉心指导和帮助。另外还得到了同学的帮助，在此我要对他们表示我诚挚的谢意!
由于本人能力有限，设计中一定存在很多错误，敬请老师批评指正。 最后再次向在这次毕业设计中付出很大心血，给我很大帮助的刘老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时感谢同学对我的关心和帮助及感谢学院为我们提供了这次锻炼的机会。
设计人： 杨春宇 2010.06.04