化工原理课程设计(乙醇精馏塔)

乙醇分离水的精馏塔课程设计,很有用的。大家可以参考!

化工原理课程设计

设计题目：乙醇精馏塔

姓名：唐刚

班级：化学与化工学院

学号：

08级3班 080703021

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前言

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据

操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。

化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。

要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程。

本设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，辅助设备的选型，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，调试出塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。

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目录

第一章 绪论 .............................................................................. 6

§1.1 设计内容 ........................................................................... 6 §1.2 设计方案 ........................................................................... 6 §1.3 设计依据 ........................................................................... 7

第二章 塔板的工艺设计 ................................................................... 8

§2.1 精馏塔全塔物料衡算 .................................................................. 8 §2.2理论及实际塔板数的确定 .............................................................. 8 §2.3常压下乙醇-水气液平衡组成与温度 .................................................... 10

2.3.1．温度和压力 .................................................................. 10 2.3.2．平均摩尔计算 ................................................................ 11 2.3.3．平均密度 .................................................................... 12 2.3.4．混合液体表面张力 ............................................................ 13 2.3.5．混合物的黏度 ................................................................ 13 §2.4 塔径的初步设计 ..................................................................... 14

2.4.1．汽液相体积流率 .............................................................. 14 2.4.2．塔径的计算 .................................................................. 14 §2.5溢流装置 ........................................................................... 15

2.5.1．堰长lw ...................................................................... 16 2.5.2．堰高hw ...................................................................... 16 2.5.3．弓降液管的宽度和横截面积..................................................... 16 2.5.4．降液管底隙高度 .............................................................. 17 §2.6塔板的分布、浮阀数目及排列 ......................................................... 17

2.6.1． 塔板的分块 ................................................................. 17 2.6.2．区宽度的确定 ................................................................ 17 2.6.3．区面积计算 .................................................................. 17 2.6.4．塔计算及其排列 .............................................................. 18

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第三章 塔板的流体力学验算 .............................................................. 19

§3.1 气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降） .............................................. 19 §3.2液泛验算 ........................................................................... 20 §3.3 雾沫夹带验算 ....................................................................... 20 §3.4 操作性能负荷图 ..................................................................... 21

3.4.1．气相负荷下限图（漏液线）..................................................... 21 3.4.2．过量液沫夹带线 .............................................................. 21 3.4.3．液相负荷下限线 .............................................................. 21 3.4.4．液相负荷上限线 .............................................................. 22 3.4.5．液泛线 ...................................................................... 22

第四章 附属设备设计 ..................................................................... 24

§4.1 冷凝器的选择 ....................................................................... 24 §4.2再沸器的选择 ....................................................................... 24

第五章 精馏塔设备设计 .................................................................. 25

§5.1接管 ............................................................................... 25

5.1.1．进料管 ...................................................................... 25 5.1.2．釜残液出料管 ................................................................ 26 5.1.3．回流管 ...................................................................... 26 5.1.4． 塔顶上升蒸汽管 ............................................................. 26 5.1.5．进气管 ...................................................................... 26 §5.2精馏塔塔体 ......................................................................... 27

5.2.1．馏塔塔体材料的选择 .......................................................... 27 5.2.2．壁厚的计算 .................................................................. 27 5.2.3．校核 ........................................................................ 28 §5.3 封头 ............................................................................... 28

5.3.1．封头的选型：标准的椭圆封头................................................... 28 5.3.2．材料：16MnR ............................................................... 28 5.3.3．封头的高 .................................................................... 28

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5.3.4．封头的壁厚 .................................................................. 29 §5.4精馏塔的塔板类型选择 ............................................................... 29 §5.5塔板结构及与塔体的连接形式 ......................................................... 29 §5.6降液管的形式 ....................................................................... 30 §5.7受液盘的设计 ....................................................................... 30 §5.8塔节的设计 ......................................................................... 30 §5.9塔体高度设计 ....................................................................... 30 §5.10塔体手孔及人孔的设计 .............................................................. 31 §5.11 除沫器的设计 ...................................................................... 31

第六章 塔体各开孔补强设计 .............................................................. 31

§6.1 开孔补强设计方法 ................................................................... 31 §6.2开孔补强结构设计 ................................................................... 32

第七章 支座设计 ......................................................................... 32

§7.1 精馏塔塔体质量 ..................................................................... 32 §7.2封头质量 ........................................................................... 33 §7.3 塔内物料质量估算 ................................................................... 33 §7.4 附件质量 ........................................................................... 33 §7.5设备总质量 ......................................................................... 33

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第一章 绪论

§1.1 设计内容

1、设计题目：乙醇精馏塔 2、设计任务及条件

（1）、进料含乙醇38.2﹪，其余为水（均为质量分数，下同） （2）、生产乙醇含量不低于93.1﹪； （3）、釜残液中乙醇含量不高于0.01﹪；

（4）、生产能力50000T/Y乙醇产品，年开工7200小时 （5）、操作条件：

a、间接蒸汽加热；b、塔顶压力：1.03atm（绝对压强）c、进料热状态：泡点进料；d、回流比：R=5 e、单板压降:75mm液注 3、设计内容

（1）、流程的设计与说明； （2）、塔板和塔径的计算； （3）、塔盘结构的设计：

a、浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图； b、流体力学验算； c、塔板负荷性能图。 （4）、其它：a、加热蒸汽消耗量； b、冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量

4、设计成果 （1）、设计说明书一份

（2）、A4设计图纸包括：流程图、精馏塔工艺条件图。

§1.2 设计方案

本设计任务为分离乙醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

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图2-1 流程图

§1.3 设计依据

课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力、进料状况、加热方式及其热能的利用。

（1） 操作压力

精馏常在常压，加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。一般来说，常压精馏最为简单经济，若无聊无特殊要求，应尽量在常压下操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相同的塔径下，适当提操作压力还可以提高塔德处理能力。所以我们采用塔顶压力为1.03atm进行操作。 （2） 进料状况

进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度不受季节，气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作也比较好控制。此外，泡点进料时，精馏段和提馏的塔径相同，设计制造比较方便。 （3）加热方式

精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。 （4）热能的利用

精馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的。但其位能较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后在用于加热釜液。

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第二章 塔板的工艺设计

§2.1 精馏塔全塔物料衡算

WF 38.2WD 93.10 WW 0. M乙醇 46gmol M水 18gmo l

XF XDXW

0.382/46

0.1948

0.382/46 0.618/18

0.931/46

0.8084 0.931/46 0.069/18

0.0001/46

0.0000396 0.0001/46 0.9999/18

5000 103 0.9315000 103 0.069D 16.717 ①

7200 467200 18F D W ②

FXF DXD WXW ③

由①②③式可知

F 72.1804h W 55.4634h

§2.2理论及实际塔板数的确定

（1）由相平衡方程式y=

axy(x 1)

，可得a=

1 (a 1)xx(y 1)

根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得：

Y1=XD=0.8408 X1=0.805 aD=1.2793 YF=0.515 XF=0.1948 aF=4.3891

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YW=0.00035 XW=0.0000396 aw=8.8411 平均相对挥发度的求取：

a aDaFaW 4.3891 1.2793 8.8411 3.675

精馏段的平均相对挥发度的求取：a1 aDaF .2793 4.3891 2.370 泡点进料：Rmin

1 xDa(1 xD)

1.3419 a 1 xF1 xF

R Rmin5 Rmin 0.6097R 16

N Nmin

查得： 0.2

N 2 x1 xW 1

Nmin lg (D)() 1 8.067

lga 1 xDxW X N 10.68

所以理论塔板数为N=11块 确定适宜的进料板位置：

Nmin,1

x1 xF 1

lg (D)() 1 2.68lga1 1 xDxF 0.2

N1 Nmin,1N1 2

由上式知 N1=3.84

即第4层理论数为进料板

（2）根据乙醇-水体系的相平衡衡数据可以查得：

塔顶：xD 0.8408 tD=78.27℃ 塔底：xW 0.0000396 tw 99.9℃ 塔顶和塔釜的算术平均温度：t 查手册得： 在89.085℃下，

tD tW78.27 99.9

89.085℃ 22

乙醇 0.40mpa.s 水 0.30mpa.s

根据公式lg Lm

xlg 得

i

i

Lm 10 0.1948 lg0.4 (1 0.19480) lg0.3 0.317mpa.s

由奥康奈尔关联式：

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ET 0.49(3.522 0.317) 0.245 0.477

球的实际塔板数N

NT 111 1

20.96 取N=21 ET0.477

§2.3常压下乙醇-水气液平衡组成与温度

2.3.1．温度和压力

lg(PS/kpa) A

乙醇:

得：p

A

10

1625.05

7.33827 t 231.48

B1652.46

7.33827 t Ct 231.48

lg(ps/kpa) A

水：得：

B1657.46

7.07406 t Ct 227.03

p

0B

10

1657.46

7.07406 t 227.03

0000

将pA,pB代入pAxA pBxB P

进行试差，求的塔顶、进料板、及塔釜的压力和温度：

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（1）塔顶：P.339kPa ，xA x1 0.83试差得：t1 81.63℃ 1 1.03atm 104（2）进料板位置：NF=4

精馏段实际板层数：N精 .477 6.289 7 每层塔板压降： 75mmH2O

101.3

0.075kPa 0.7355kPa 10.33

进料板压力：PF 104.339 7 0.7355 109.4875kPa

进料板：PF 109.4875kPa，xA xF 0.1948试差得tF 96.14℃

（7-1（3）提馏段实际板层数：N提

.477

12.5786 13

塔釜压力：P.4875 0.7355 13 119.049kPa W 109

塔釜：xA xW 0.0000396，P.049kPa试差得tW 104.55℃ W 119求得精馏段和提馏段的平均压力和温度：

81.63 96.14

88.8850C

2

精馏段：

104.339 109.4875Pm 106.913kPa

2

tm

96.14 104.55

100.345℃

2

109.4875 119.049

114.268kPa Pm

2

提馏段：tm

2.3.2．平均摩尔计算

塔顶：

MVDm 0.8408 46 (1 0.8408) 18 41.5424MLDm 0.83 46 (1 0.83) 18 41.24MVFm 0.525 46 (1 0.525) 18 32.7

进料板：

MLFm 0.1948 46 (1 0.1948) 18 23.4544

塔釜：

MVWm 0.00035 46 (1 0.00035) 18 18.0098

MLWm 0.0000396 46 (1 0.0000396) 18 18.0011

精馏段平均摩尔质量：

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MVm

MLm

MVDm MVFm41.5424 32.7

37.1212kg/kmol

22

M MLFm41.24 23.4544 LDm 32.3472kg/kmol

22

提馏段的平均摩尔质量：

MVm MLm

MVFm MVWm32.7 18.0098

25.3549kg/kmol

22

M MLWm23.4544 18.0011 LFm 20.7278kg/kmol

22

2.3.3．平均密度

1）气相平均密度的计算：

Vm

M

RT

精馏段平均密度计算：

Vm

m MVm106.913 37.1212

1.32kg/m3

RT8.314 (273.15 88.885)

提馏段平均密度计算：

Vm

114.268 25.3549

0.933kg/m3

8.314 (273.15 100.345)

2）液相平均密度计算：

1

wi

L i

A 739.87kg/kmol, B 970.74kg/kmol

塔顶：

wA

xAMA0.8408 46

0.931

xAMA (1 xA)MB0.8408 46 (1 0.8408) 18

1wA

wB

1

0.9310.069

739.87970.74

752.21kg/m3

得： LDm

A

B

A 719.87kg/m3, B 961.06kg/m3

进料板：

0.1948 46

0.382

0.1948 46 (1 0.1948) 18

1

得： LFm 852.52kg/m3

0.380.62

719.87961.06wA

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A 714.87kg/m3, B 955.033kg/m3

0.0000396 46

0.0001

0.0000396 46 (1 0.0000396） 18

1

得： LWm 955.0kg/m3

0.00010.9999

714.87955.033

752.21 852.52

802.365kg/m3 精馏段液相平均密度： Lm

2

852.52 955

903.76kg/m3 提馏段液相平均密度： Lm

2

塔釜：wA

2.3.4．混合液体表面张力

液体平均表面张力按下式计算： Lm

x

ii

塔顶：t1 81.63C,查手册得： A 17.3mN/m, B 62.285mN/m

LDm x1 A (1 x1) B 0.83 17.3 (1 0.83) 62.285 24.95mN/m

进料板：tF 96.140C

A 16mN/m, B 59.578mN/m

LFm xF A (1 xF) B 0.1948 16 (1 0.1948) 59.578 51.1mN/m

塔釜：tw 104.55℃,查附录： A 16mN/m, B 59.578mN/m 得： LWm 0.0000396 15 (1 0.0000396) 57.97 57.97mN/m 精馏段液体表面平均张力： Lm 提馏段液体表面平均张力： Lm

LDm LFm

2 LFm LWm

2

24.95 51.1

38.025mN/m

2

51.1 57.97 54.535mN/m

2

2.3.5．混合物的黏度

液体平均黏度的计算按下式计算：lg Lm

xlg

i

i

塔顶：t1 81.63℃,查手册得： A 0.41mpa.s， B 0.35mpa.s

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得： LDm 10

xilg i

10

0.83lg0.49 (1 0.83)lg0.3518

0.463mpa.s

进料板：tFM 104.55℃，查附录： A 0.31mpa.s， B 0.25mpa.s 得： LFm 10

xilg i

10

0.1948lg0.31 (1 0.1948)lg0.25

0.261mpa.s

精馏段液体平均黏度： Lm 提馏段液体平均黏度： Lm

'

0.463 0.261

0.362mpa.s

20.23 0.261 0.246mpa.s

2

§2.4 塔径的初步设计

2.4.1．汽液相体积流率

精馏段

气相体积流率：V (R 1)D 6 16.717 100.302kmol/h 液相体积流率：提馏段

L RD 5 16.717 83.585

V' L' W 155.7654 55.4634 100.302

气相体积流率：

'

V'Mvm100.302 25.35493

V 0.757m/s'

3600 vm3600 0.933's

L' L qF 83.585 1 72.1804 155.7654kmol/h

液相体积流率：

''

LM155.7654 20.7278 43Lm

L 9.92 10m/s'

3600 Lm3600 903.76's

2.4.2．塔径的计算

由umax 0.2

C由下式计算：C C20(1),C20由smith图查取。

20

取板间距HT 0.45m，板上液层高度h1 0.05m，则HT h1 0.45 0.05 0.40m

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LS L0.59.36 10 4802.3650.5

（1）精馏段塔径的确定：图的横坐标为() () 0.029

Vs V0.7841.32

38.025

查smith图得：C20=0.08 C 0.08

20 umax 0.091

806.325 1.32

2.247

1.32

0.2

0.091

取安全系数为0.7，则空塔气数为：u 0.7 2.247 1.57 则精馏塔塔径D

4V4 0.784

0.797m

3.14 u3.14 1.57

（2）提馏段塔径的确定：

LS L0.5

横的坐标为：()

Vs V查smith图得：C20=0.082

0.0408

54.535

C 0.082

20 umax 0.1002

0.2

0.1002

903.76 0.933

3.117

0.933

取安全系数为0.7，则空塔气速为u 0.7 3.117 2.182 则精馏塔塔径D

'

4 0.757

0.665m

3.14 2.182

（3）按标准塔径圆整后，D 0.8m

3.14 0.82

0.5024m2 塔截面积： AT

4

精馏段实际空塔气速为：u

Vs0.784 1.561ms AT0.5024

Vs0.757 1.507ms AT0.5024

提馏段实际空塔气速为：u

§2.5溢流装置

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2.5.1．堰长lw

0.67 0.8 0.54m 单溢流：lw 0.6~0.8 D，取lw 0.6

2.5.2．堰高hw

2.84 Lh

E因为h1 hw how，选用平直堰，堰上液层高度how可用Francis计算，即how 1000 l w

（1）精馏段：

lw

0.54Lh3.4

0.67 ， 15.9Lh 9.36 10 4 3600 3.4m3/h，2.5

2.5

D0.9lw0.54

1.038 查得E 1.038，则how 0.54

高度hl 0.05m，故hw 0.05 0.01005 0.03995m

0.01005m，取板上清夜层

（2）提馏段：

L'h 9.92 104 3600 3.57m3/s，查得E 1.040，则

how

1.040

0.0104m，取板上清液层高度hl 0.05m，故

'

hw 0.05 1.040 0.0396m

2.5.3．弓降液管的宽度和横截面积

因为

lw

.67，查（弓形降液管参数图）得： 00.6

AfAT

0.055，

Wd

0.115w，所以D

，依下式验算液体在降液管中Af 0.055 0.6359 0.0350m2W,d 0.1150.115 0.8 0.9 0.0920.1035m

3600AfHT

停留的时间：

Lh

3~5s

乙醇分离水的精馏塔课程设计,很有用的。大家可以参考!

3600 0.035 0.35

12.97s 5s

3.4

3600 0.035 0.35

12.35s 5s 提馏段：

3.57

精馏段： 故降液管设计合理

2.5.4．降液管底隙高度

降液管底隙高度依下式计算：h0 精馏段：h0

Lh'

，取u0 0.07m/s则 '

3600lwu0

3.4

0.025m，即h0 20mm

3600 0.54 0.07

3.57''

0.0262m，即h0提馏段：h0 20mm

3600 0.54 0.07

故降液管底隙高度设计合理。

§2.6塔板的分布、浮阀数目及排列

2.6.1． 塔板的分块

因为D 800mm，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为3块。

2.6.2．区宽度的确定

溢流堰前的安定区宽度：WS 0.07m，边缘区宽度：Wc 0.035m

2.6.3．区面积计算

r2 1x 开孔区面积按下式计算：Aa 2 sin ，其中

180r

x

D0.9D0.9

Wd Ws 0.4-0.1035-0.07=0.2265m 0.1 03 5 0r 0 Wc0 0.4-0.035=0.365m.2 0.035765 0.415，. m2222

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0.4152 10.2765 2

故Aa 2 0.2765 sin 0.422m

1800.415 2.6.4．塔计算及其排列

g，孔径为39mm 采用F1型重阀，重量为33

A. 浮阀数目

浮阀数目按下式计算：N

4Vs,

气体通过阀孔的速度：，取动能因数F

11u 0

d02u0则精馏段：u0

4 0.784 68.6 69个

9.57m/s，N 2

0.039 9.574 0.757 55.66 56个 11.39m/s，N' 2

0.039 11.39提馏段：u0

'

B. 排列

C. 由于采用分块式塔板，故采用等边三角形叉排。设相近的阀孔中心距t 75mm，画出

阀孔排列图（如下图）：通道板上可排阀孔26个。弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为N 26 2 24 74个。

C.校核

1）精馏段：

气体通过阀空的实际速度：u0 实际动能因素：F0 u2）提馏段

4VS4 0.784

9.38m/s

d02N 0.0392 70

9.38 10.78m/s

4Vs'4 0.757

气体通过阀孔的实际速度：u 9.06m/s

2

d0N 0.0392 70

'0

实际动能因素：F0 u 9.06 8.75m/s 3）开孔率

22

N d070 0.039 100 13.14，开孔率在10~14之间，且实际

4AT4 0.6359

''动能因素F0在8~11之间，满足要求。

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第三章 塔板的流体力学验算

§3.1 气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）

单板压降：hp hc hL h0 阀片全开前：hc 19.9

0.175u0

L

9.380.175

19.9 0.0367m

802.365

9.060.175

h 19.9 0.0324m,

903.76

'c

阀片全开后：

2u0 v9.382 1.32

hc 5.53 5.54 0.0394m

2g l2 9.81 802.365

，

2'

u0 v9.062 0.933

h 5.53 5.54 0.0231m，取两者中较大者，则'

2g L2 9.81 903.76'

c

hc 0.0394m,hc' 0.0324m取板上液层充气因数 0 0.5，那么

hL 0 hw how 0hL 0.5 0.05 0.025m

气体克服液体表面张力所造成的阻力可由下式计算：h

2

h Lg

但由于气体克服液体表面张力所造成的阻力通常很小，可忽略不计。 （1）精馏段：hp hc hl h0 0.0394 0.025 0.0644m （2）提馏段：hp 0.0324 0.025 0.0574m

'

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