《课程设计指导：塔器设计》课件

课程设计指导塔器设计本课程设计是化工原理课程的核心内容，专门针对塔器设计提供全面的理论指导和实践训练课程内容涵盖了从基础理论到工程应用的完整知识体系，适用于化工工程专业的本科生和研究生通过系统学习塔器设计方法，学生将掌握精馏塔、吸收塔等关键设备的设计计算技能，培养解决实际工程问题的能力课程强调理论与实践相结合，通过典型案例分析和计算机辅助设计，提高学生的工程设计水平和创新思维能力课程设计目标掌握塔器设计基本理论深入理解传质过程原理，熟练掌握塔器设计的基本计算方法和工程设计流程培养工程计算能力通过实际设计项目训练，提高学生进行复杂工程计算和设备选型的专业技能提高问题解决能力培养学生分析和解决化工生产中实际工程问题的综合能力和创新思维了解工业应用深入了解塔器在石油化工、环保等领域的重要应用，建立工程实践意识内容概述基础理论模块设计计算模块塔器设计基本原理、分类方法、填料塔与板式塔的详细设计方设计要求和工艺流程，为后续深法，包括工艺计算、结构设计和入学习奠定坚实基础强度校核的完整流程实践应用模块典型案例分析、计算机辅助设计应用和设计报告编写，提升实际工程设计能力第一部分塔器设计基础理论基础传质理论与相平衡设备分类塔器类型与应用设计要求技术经济指标设计流程系统设计方法塔器在化工生产中的应用气液传质核心广泛工业应用分离过程核心质量效率关键塔器是实现气液两相间在石油炼制、化工生精馏、吸收、解吸、萃塔器设计直接影响产品物质传递的关键设备，产、环境保护、食品工取等主要分离过程都依质量、生产效率和经济在分离纯化过程中发挥业等众多领域都有重要赖塔器实现高效分离效益，是工艺系统的核不可替代的作用应用心环节塔器分类按传质方式分类按操作压力分类按功能用途分类•填料塔连续接触传质•常压塔

0.1-

0.2MPa•精馏塔组分分离•板式塔级间接触传质•减压塔小于

0.1MPa•吸收塔气体净化•膜塔膜分离传质•加压塔大于

0.2MPa•解吸塔溶质回收•萃取塔液液分离塔器设计基本要求工艺性能要求满足产品质量和处理能力安全稳定要求保证操作安全和运行稳定经济技术要求降低投资成本和运行费用维护检修要求便于日常维护和定期检修环保法规要求符合环保标准和安全法规塔器设计流程任务分析明确设计要求，收集基础数据，确定工艺条件和技术指标数据准备收集物性数据、相平衡数据和传递性质参数工艺计算进行传质计算，确定塔板数、塔径等基本尺寸结构设计设计内部构件，进行强度校核和结构优化文件编制编制设计文件，绘制工程图纸，完成技术审核物性数据收集物理化学性质相平衡数据分子量、密度、黏度、表面张力等基本气液平衡、液液平衡常数，活度系数等物性参数的准确获取热力学平衡数据传递性质热力学参数扩散系数、传热系数、传质系数等传递比热容、蒸发热、反应热等能量平衡计过程关键参数算所需参数第二部分填料塔设计填料塔概述结构原理与应用填料选择类型特性与选择结构设计组成与布置方案工艺计算尺寸与效率计算填料塔概述工作原理结构特点应用范围填料塔通过填料提供气液接触面积，实结构简单，制造成本低，压降小，操作广泛应用于气体吸收、解吸、精馏等过现连续接触传质气体自下而上流动，弹性大适用于腐蚀性物料、真空操作程特别适合处理腐蚀性介质、热敏性液体自上而下流动，在填料表面形成液和大直径塔器填料更换方便，维护简物料和要求低压降的场合在环保工程膜，气液间进行传质传热单中应用广泛填料类型与选择规整填料散堆填料选择依据金属波纹填料具有高效传质性能，压降鞍形填料、拉西环、鲍尔环等散堆填料制根据处理能力、传质效率、压降要求、腐低，处理能力大塑料格栅填料耐腐蚀性造简单，价格便宜，装填方便但填料分蚀性、操作弹性和经济性等因素综合考好，成本低，适用于一般工况规整填料布不均匀，传质效率相对较低，压降较虑高效率要求选规整填料，经济性优先排列有序，流体分布均匀大选散堆填料填料塔结构组成塔体结构填料支承系统包括筒体、塔顶、塔底等主体结构，提支承板和支承环承受填料重量，保证填供填料容纳空间和气液流动通道料稳定，同时允许气液自由通过气液分离系统液体分布系统除雾器分离气体中夹带液滴，液封防止分布器确保液体均匀分布，再分布器改气体短路，保证分离效果善液体分布质量，提高传质效率填料塔工艺计算步骤物料能量衡算建立物料平衡和能量平衡方程，确定各组分的流量分布和温度分布，为后续计算提供基础数据考虑塔内温度和组成变化对物性的影响传质单元数计算根据分离要求和操作条件，计算传质单元数NTU或理论塔板数N采用图解法或数值积分法求解，考虑浓度分布的影响填料层高度确定通过HETP或HTU的确定，计算所需填料层高度考虑填料特性、操作条件和物系性质对传质效率的影响，选择合适的安全系数塔径与压降计算根据处理量和操作条件，采用负荷因子法或压降法计算塔径校核液泛条件，确保操作稳定性和经济性的平衡填料层高度计算HTU NTU传质单元高度传质单元数基于传质系数和流动特性的基本参数反映分离难度和浓度变化的关键指标HETP

1.2等板高度安全系数填料塔与板式塔效率比较的重要参数考虑设计余量和操作波动的修正系数填料层高度计算是填料塔设计的核心环节通过传质单元法计算HTU和NTU，或通过理论塔板数和HETP确定高度必须考虑填料特性、操作条件、物系性质等因素的影响，并选择适当的安全系数确保设计可靠性填料塔直径计算填料塔液体分布初始分布器塔顶液体分布器类型选择再分布器改善液体分布均匀性分布质量评价均匀度指标量化评估结构优化分布器结构改进设计填料塔效率影响因素填料特性操作条件液体分布填料类型、比表面积、气液流速、负荷比和操分布均匀性决定填料利空隙率和装填质量直接作压力影响传质推动力用率，是影响塔效率的影响传质面积和流动阻和接触时间关键因素之一力物系性质物料粘度、表面张力、扩散系数等性质影响传质阻力和润湿性能填料精馏塔设计特点精馏过程特点设计特殊考虑典型应用案例精馏是利用组分挥发度差异实现分离的回流比选择需平衡分离效果和能耗进石油炼制中的原油分馏、化工生产中的过程需要回流操作，塔内存在温度和料位置影响塔的传质效率需要设置冷溶剂回收、制药工业中的产品纯化等组成梯度填料精馏塔适用于分离组分凝器和再沸器系统温度分布影响填料填料精馏塔在处理热敏性物料方面具有相对挥发度较大的体系润湿性能独特优势填料吸收塔设计吸收效率要求满足环保排放标准吸收剂选择溶解度大、粘度低、稳定性好操作线设计平衡线与操作线分析优化传质计算推动力计算与填料层高度确定系统集成吸收剂循环与再生系统设计第三部分板式塔设计板式塔概述结构原理与特点分析塔板类型各种塔板结构比较尺寸计算塔径、板数、间距确定流体力学压降与液泛计算板式塔概述工作原理结构特点板式塔通过塔板实现气液分级接塔板提供明确的传质级数，效率触气体穿过塔板开孔，在板上计算简单操作弹性大，适用范液层中鼓泡接触，实现传质传围广制造技术成熟，运行经验热液体通过降液管流至下层塔丰富易于放大和标准化设计板，形成逐级分离过程应用优势特别适用于大型精馏装置、要求高分离精度的场合和操作条件变化较大的工况在石油化工、煤化工等领域应用广泛塔板类型介绍筛板结构最简单的塔板类型，制造成本低，开孔直径一般3-12mm压降小，效率中等，但操作弹性相对较小，适用于负荷变化不大的场合浮阀板浮阀可随气流量变化自动调节开度，操作弹性大，效率高适应性强，能够适应较大的负荷变化，是目前应用最广泛的塔板类型泡罩板泡罩结构复杂但效率最高，操作稳定性好，防漏流能力强制造成本高，压降大，主要用于要求高效率的精密分离场合板式塔主要尺寸计算理论塔板数计算采用McCabe-Thiele图解法或逐板计算法确定理论塔板数，考虑相平衡关系和操作线方程板效率确定根据物系性质、塔板结构和操作条件确定板效率，计算实际塔板数塔径计算基于气相负荷和液泛速度确定塔径，保证操作稳定性和经济性塔高确定根据塔板数、板间距和塔顶塔底空间确定全塔高度板式塔流体力学计算板式精馏塔设计精馏原理回流操作利用组分挥发度差异，通过多次部分汽回流比影响分离效果和能耗，需要优化化和冷凝实现分离选择换热系统进料设计冷凝器和再沸器系统设计影响操作稳定进料位置和进料状态对塔效率有重要影性响精馏塔操作参数优化

1.2最小回流比倍数实际回流比通常为最小回流比的

1.2-

2.0倍65%能耗占比再沸器能耗占精馏装置总能耗的比例

0.7最佳进料热状态进料液体分率对分离效果的影响系数15%节能潜力通过操作优化可实现的节能幅度塔板结构设计筛孔设计浮阀设计溢流装置筛孔直径一般为3-12mm，孔距为

2.5-4浮阀直径一般为38-63mm，升程3-溢流堰高度决定板上液位，一般为25-倍孔径开孔率8-15%，保证足够的气体8mm阀重和弹簧力平衡设计确保在低75mm降液管设计保证液体顺畅流通过面积孔的排列采用正三角形或正负荷时阀不关闭导向槽设计防止阀片动弓形降液管适用于大直径塔，圆形方形布置，边缘区域适当加密旋转和卡死降液管用于小直径塔复杂精馏计算方法多组分精馏采用严格计算方法，考虑所有组分的相互作用使用计算机程序进行逐板计算，优化关键组分分离需要准确的热力学模型和相平衡数据支持恒沸精馏对于形成恒沸物的体系，需要添加第三组分破坏恒沸点采用特殊的流程设计，如双塔流程或萃取精馏流程溶剂选择和回收是关键技术问题萃取精馏加入选择性溶剂改变组分相对挥发度萃取精馏塔和溶剂回收塔组成联合操作系统溶剂用量、进料位置和操作条件需要综合优化计算工具Aspen Plus、HYSYS、Pro/II等专业软件提供严格的多组分精馏计算功能可以进行敏感性分析和经济优化，支持复杂工艺流程的设计和优化第四部分塔器结构与强度计算结构设计强度计算材料选择塔体、封头、支撑等主压力容器强度计算和安根据工艺条件选择合适要结构设计原则和方法全系数确定的材料和防腐措施附件设计人孔、接管、仪表等附件的设计要求塔器结构设计原则安全可靠性满足压力容器安全要求工艺适应性2满足工艺操作和维护要求制造可行性3便于加工制造和现场安装经济合理性在满足功能前提下降低成本标准化规范符合相关标准和规范要求塔体结构设计筒体设计封头设计支撑结构筒体是塔器的主体结构，承受内压、外塔顶采用椭圆封头或球形封头，具有良塔器支撑包括裙座支撑、支耳支撑等形压和各种载荷材质选择需考虑耐腐蚀好的受力特性塔底可采用椭圆封头或式裙座支撑适用于高塔，支耳支撑用性、强度和经济性制造方法包括卷制锥形封头，便于物料排出封头与筒体于卧式或矮塔支撑设计需考虑风载、和锻造，焊缝质量要求高连接采用对接焊缝地震载等动态载荷塔器强度计算筒体厚度计算封头强度校核根据内压、材料许用应力和焊接椭圆封头按内压容器标准计算厚系数计算筒体壁厚考虑腐蚀余度球形封头受力均匀，厚度相量、负偏差等因素对于高塔还对较薄需要校核封头与筒体连需考虑风载和地震载荷的影响接处的应力集中开孔补强设计人孔、接管等开孔处需要进行补强设计补强方法包括等面积补强、整体锻造等大开孔需要进行详细的应力分析塔器附件设计塔器附件包括人孔、接管、仪表接口、安全装置等人孔便于检修，尺寸按标准确定接管设计考虑工艺要求和应力分析仪表接口满足测量精度要求安全阀和爆破片保证操作安全第五部分塔器安装与运行维护设备安装基础、吊装、就位2内件安装塔板、填料装填开车运行试运行、参数调整维护检修定期检查、更换塔器安装要点基础设计施工基础承载力计算考虑塔器自重、操作重量、风载和地震载荷混凝土强度等级不低于C30，地脚螺栓预埋精度要求高基础顶面水平度偏差不超过5mm吊装就位方法大型塔器采用整体吊装或分段吊装吊装前检查吊具承载能力和安全系数就位过程中控制吊装速度，防止塔器摆动垂直度调整精度要求在1/1000以内填料装填技术填料装填前检查支承板水平度和开孔率散堆填料采用人工装填，分层进行，每层高度

0.5-

1.0m规整填料按设计方向安装，接缝处理良好质量检验验收安装完成后进行几何尺寸检查、密封性试验和振动测试内件安装质量直接影响塔器性能，需要严格按照技术要求验收建立安装记录档案塔器运行操作参数监控异常处理实时监控温度、压力、流量、识别常见异常现象如液泛、漏液位等关键参数建立操作数流、效率下降等制定应急处启动准备据记录和趋势分析理预案和操作规程安全操作开车前系统检查，确认设备完严格执行安全操作规程，定期好性检查仪表校准、安全系进行安全培训建立完善的安统正常、公用工程准备就绪全管理制度和应急预案塔器维护与检修日常维护管理建立设备台账和维护计划，定期检查设备运行状态监控关键参数变化趋势，及时发现潜在问题做好设备润滑、清洁和防腐工作，延长设备使用寿命定期检验检修按照压力容器检验规程进行定期检验内部检查重点关注腐蚀、磨损、裂纹等缺陷填料塔检查填料状况和分布器性能，板式塔检查塔板变形和堵塞情况故障诊断维修建立故障诊断体系，快速定位问题原因常见故障包括效率下降、压降异常、腐蚀泄漏等制定相应的维修方案和备件管理计划，确保设备可靠运行技术改造升级根据生产需要和技术发展，适时进行设备改造升级改造内容包括内件更新、控制系统升级、节能改造等改造后需要重新进行性能测试和验收第六部分设计案例详解450典型案例设计参数涵盖不同工艺和操作条件的设计实例每个案例包含的主要设计参数个数100%10计算完整性关键要点从基础数据到最终结果的完整计算过程每个案例总结的重要设计经验和注意事项案例苯甲苯精馏塔设计1-设计任务基础数据设计结果处理量100kmol/h苯甲苯混合物，进苯-甲苯体系相对挥发度α=

2.5，进料为理论塔板数12块（含再沸器），进料料组成苯50mol%，甲苯50mol%分饱和液体物性数据苯分子量78，沸板位置第7块板，回流比

2.0，塔离要求塔顶产品苯含量≥

99.5mol%，点

80.1℃；甲苯分子量92，沸点径

1.2m，塔高18m采用筛板塔，塔底产品甲苯含量≥

99.0mol%操作压

110.6℃Antoine方程参数已知板间距

0.6m，板效率85%力常压案例酒精水溶液精馏塔2案例废气处理吸收塔3设计要求工艺计算设备设计处理含SO₂废气10000m³/h，入口浓传质推动力计算采用双膜理论，考虑塔径

2.5m，填料层高度

4.0m，总塔度2000mg/m³，出口要求≤100化学吸收增强因子填料采用拉西高12m材质选用玻璃钢以抗腐蚀mg/m³吸收剂采用石灰石浆液，环，传质单元高度HTU=

0.8m，传质配套浆液制备、循环和脱水系统脱pH值控制在

5.5-

6.5操作温度单元数NTU=

4.5液气比L/G=15硫效率达到95%，满足环保要求50℃，常压操作案例高压精馏塔设计4高压操作特点操作压力

2.5MPa，需要考虑厚壁容器设计材质选用16MnR钢，壁厚25mm高压操作改变了气液密度比，影响塔板流体力学性能安全设计要求设置完善的安全保护系统，包括安全阀、爆破片、紧急放空系统压力检测采用双重化配置建立完整的安全操作规程和应急预案经济技术分析高压操作设备投资增加30%，但可提高相对挥发度，减少理论塔板数综合考虑投资和操作费用，高压操作在该工况下具有经济优势投资回收期

3.2年第七部分计算机辅助设计设计软件数据库应用优化方法专业化工模拟物性、平衡、多目标优化和软件在塔器设设备性能等数敏感性分析技计中的应用和据库的使用方术的工程应用优势法集成设计CAD/CAE软件在塔器结构设计中的作用常用设计软件介绍Aspen Plus提供严格的热力学计算和单元操作模拟，HYSYS适用于石油天然气工业的动态模拟ProII在炼油工业应用广泛CAD软件用于工程制图，ANSYS等CAE软件进行应力分析Excel在工程计算中简单实用。