精馏塔工艺工艺设计计算

1、第三章精馏塔工艺设计计算塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设 备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。进行传板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形势穿过板上的液层, 质与传热，在正常操作下，气象为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化, 逐级接触逆流操作过程。本次设计的萃取剂回收塔为精馏塔，综合考虑生产能力、分离效率、塔压降、 作弹性、结构造价等因素将该精馏塔设计为筛板塔。3.1设计依据3.1.1 板式塔的塔体工艺尺寸计算公式(1)塔的有效高度(3-1)式中板式塔的有效高度，；Nt塔内所需要的理论板层数;Et总板效率;Ht塔板

2、间距m。(2)塔径的计算4Vsu(3-2)式中塔径;Vs气体体积流量n,3/sZ (严 1)Htetu = (0.60.8 ) U max(3-3 )Umax(3-4 )式中液相密度g/m 3气相密度g/m 3负荷因子m,0.2(3-5 )C F式中操作物系的负荷因子m/s操作物系的液体表面张力，N/m板式塔的塔板工艺尺寸计算公式(1)溢流装置设计h lhow hw式中 hL板上清液层高度m ；h°W堰上液层高度m,。2 3h 2.84 厂 Lh hoWE10001w式中Lh塔内液体流量，E液流收缩系数，取1(3-6)(3-7 )3600Af H t(3-8)hohohw 0.006

3、3600lw uo(3-9)(3-10)式中 U0X液体通过底隙时的流速，(2)踏板设计开孔区面积Aa :3.1.3筛板流体力学验算Aa 2 x、r222r . 1 xxsin -(3-11 )180r式中xD2wdWsrD2Wc开孔数n :1.155Aa(3-12)t2式中Aa-鼓泡区面积，2 ；t -筛孔的中心距离m。n2比 0.907 d°(3-13)Aat(1) 塔板压降Pp hP Lg(3-14)hp hc hi h(3-15)式中hc与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度,m液柱;hi与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度,m液柱；与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度,

4、m液柱式中h。(2)(3)(4)2hc0.051C0LCohlUa(3-16)式中 F。UaAT液沫夹带式中漏液式中液泛气体通过筛孔的速率m/s ；流量系数。hLhW hOWVsAtAf(3-19)(3-17)(3-18)气相动能因子W s m12通过有效传质区的气速，S ；塔截面积2。4 LLgd。(3-20)3.25.7 10 6 uaeVlHt hf液沫夹带量g液体/kg气体;(3-21)hf塔板上鼓泡层高度m。U0,min4.4C0 0.0056 0.13hL h L V(3-22)U。U0,min(3-23)稳定系数，无因次。值的适宜范围是1.52 oH d hP hL hd(3-2

5、4)式中 Hd降液管中清液层高度m液柱；hd与液体流过降液管的压降相当的液柱高度3Ls2hd 0.1530.153 u'0（ 3-25 ）式中 uo /液体通过底隙时的流速/s。H d H t hw（3-26 ）式中 安全系数，对易发泡物系，=0.30.5 。3.2设计计算3.2.1 精馏塔的塔体工艺尺寸计算由Aspen模拟结果知全塔的气相、液相平均物性参数如表3-1表3-1物性参数表项目流量（m3/s）密度(kg/m 3)粘度mN/m气体2.46043.685液体0.0197832.42717.6751. 塔径的计算查5-1史密斯关联图，图的横坐标为：LhL36000.0197832

6、.427门-0.1203LVV36002.46043.685取塔板间距HT=0.50m，板上液层高度hL=0.08m，则H T hL =0.50-0.006=0.42m查图5-1的C20=0.09，由式3-5得：0.2C20200.9176!5200.20.0878由式3-4得：g /Ln no-70>832.427 3.685 彳( /、Umax C 0.0878 1.32 (m/s )Y v3.685取安全系数为0.7，由式3-3得空塔气速为:u=0.7u max =0.7 X1.32=0.924 ( m/s )D4 2.46043.14 0.924由式3-2得塔径为:1.84 (

7、m )按标准塔径圆整后为：D=2.000m塔截面积为：AtD2314 43.14 (m2)44实际空塔气速为：VsUAt2.46040.784 (m/s )3.142. 精馏塔有效高度的计算Aspen模拟结果Nt=20，由式3-1得有效塔高为:Z(出 1)Ht 四 10.5 19.5 (m)Et0.53.2.2 塔板主要工艺尺寸的计算1. 溢流装置的计算因塔径D=2.0 m,可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘6。各项计算如下:(1) 堰长lw1w 0.7D0.7 2.01.4 (m)(2) 溢流堰高度hW由式3-7得堰上液层高度how为:2 3h28.4e LhhOWE10001w空 1O

8、.。197 360010001.42 30.039 (m)由式3-6得溢流堰高度为:hWh hoW0.08 0.0390.041 (m)(3)弓形降液管宽度 Wd和截面积Afr lw -由 D =0.7 ,AfAt0.088Af0.088Wd0.15依式查图65-7弓形降液管的参数图得:Wd0.15DAt0.088 3.14 0.2763(m2)D 0.15 20.30 (m)3-8验算液体在降液管中的停留时间，即3600AfHT3600 °.2763 °5 7.01 (s)0.0197 3600Lh> 5 (s)故降液管设计合理。(4)降液管底隙高度h。由式3-10

9、得降液管底隙高度h°为:Lhh03600IwU。'3600 O.01970.035(m)3600 1.4 0.4由式3-9得:hW h000410.0350.006 (m )故降液管底隙高度设计合理。2. 塔板布置(1)塔板的分块因D >800mm，故塔板采用分块式。查表5-3得，塔板分为5块(2) 边缘区宽度确定取 Ws=Ws'=0.08m , Wc=0.05m 。(3) 开孔区面积计算由式3-11可算得开孔区面积如下:xDWdWs200.30.080.62 （ m）2 2rDWc200.050.95 （m）2 22Aax r2 x2rsin1800.620.

10、9520.6223.14 0.952 sin1 0.621800.9522.175 m(4) 筛孔计算及其排列本次设计所处理的物系无腐蚀性，可选用S =4 mm碳钢板，取筛孔直径d0=5 mm。筛孔按三角形排列，取孔中心距t为：t 3d03 515 (mm )由式3-12得筛孔数目n为：1.155Aa1.155 2.1750.015211165 个由式3-13得开孔率为:AAa0.907 牛0.9070.0050.0150.101 10.1%气体通过阀孔的气速为:U0Vsa。2.460411.2 （m/s ）0.101 2.1753.2.3 筛板的流体力学验算1.塔板压降(1)干板阻力he的计

11、算由式3-16得干板阻力he为:do/ 8=5/3=1.67,查图5-10得，Co=O.76，由式3-16得干板阻力he为:(2)2U 0vhc0.051 0.051c0L气体通过液层的阻力hi计算11.20.77236850.415 m 液柱832.427由式3-18得:UaAt Af2.46043.14 0.27630.8592(m/s )由式3-19得:F0ua v 0.85923.6851.7kg12/ s m12查图5-11得，B=0.53由式3-17得hi为:hlhLhW how0.530.080.042 m液柱(3)液体表面张力的阻力计h算由式3-20得h为:4 17.675 1

12、0 3Lgd。832.427 9.81 0.0050.0017 m 液柱由式3-15得气体通过每层塔板的总阻力 hp为:hp hc hl h 0.0415 0.042 0.0017 0.0852 m 液柱由式3-14得气体通过每层塔板的压降为:Pp hP Lg 0.0852 832.427 9.81695.8Pav700Pa (设计允许值)2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，因此可以忽略液面落差的影响3. 液沫夹带根据设计经验，hf =2.5 h l=2.5 X0.08=0.2 m5.7 10 6 eL5.7 10 617.675 10 33.2UaHt hf3.20.85920.00940

13、.5 0.2e =0.0094 kg液体/kg气体v 0.1 kg液体/kg气体由式3-21得液沫夹带量为:故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内4. 漏液由式3-22得漏液点气速Uo,m为：u0,min 4.4C0 0.0056 0.13hL h J v/832.4274.4 0.772 0.101 2.1750.0056 0.13 0.08 0.0017 3.6856.105(m/s)u011.2 m/s > ug,min =6.105 m/s由式3-23稳定系数为：Ugu0,min11.26.1051.83 > 1.5在适宜范围1.52内，故本设计中无明显漏液。5. 液泛为防

14、止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从式3-26的关系，即H dH T IW碳酸二甲酯-邻二甲苯物系取0.5，则Ht hW0.5 0.5 0.0410.2705 m板上不设进口堰，hd可由式3-25计算，即3 Ls22hd0.153-0.153 u'00.153 0.42 0.0245 mlW h0由式3-24得Hd为：Hd hp hLhd 0.0852 0.0415 0.0245 0.1512 m V0.2705 m 即:H dH TIW故在本设计中不会发生液泛现象3.2.4 塔板负荷性能图由式3-221.漏液线u°,min4.4C°p 0.0056 0.13h

15、l h l ! v式3-6hL式3-7hOW28.4 匚100023LhlW得:Vs,minU0,minVs,min0.7462整理得：Vs,minVS,min4.4C0A02 32.84 Lh0.00560.13 hw E h10001w2.840.0056 0.13 0.04110003600Ls1.423832.4270.00 仃3.68511.2. 0.00922 30.693Ls在操作范围内，任取几个值Ls，依上式计算出Vs,计算结果列于表3-2表3-2 漏液线Ls - Vs关系表Ls, m3/s0.0000.000.000.010.010.020.020.030.036355058

16、Vs, m 3/s1.1031.151.181.241.291.341.371.411.4657870722由上表数据即可作出漏液线12.液沫夹带线ev =0.1 kg液/kg气为限，求L$ -关系如下:由式3-215.7 10 6UaHt hf3.2式 3-18UaVsATAf3.14 0.27630.3492Vshf 2.5九 2.5 hWhOW0.041式3-7how2.84 E100023Lh2.84 ,11w10003600 Ls1.423230.533Ls'hf0.10252 30.533LsHt0.3981.333Ls235.7 10 60.3492Vs32 317.67

17、5 100.398 1.333Ls3.20.1整理得:Vs6.850 22.942Ls23在操作范围内，任取几个值Ls，依上式计算出Vs,计算结果列于表3-3表3-3液沫夹带线Ls - Vs关系表Ls, m3/s0.0000.000.000.010.010.020.020.030.036355058Vs，m 3/s6.6976.386.185.795.465.174.894.644.2639550857由上表数据即可作出液沫夹带线 2。3.液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how 0.006作为最小液体负荷标准。由式3-7 how232.843600 LsE-0.0061000 lw4.

18、取E=1，则I0.006Ls,min2.843210001.4/ 3/、0.0012（ m3/s）3600据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。液相负荷上限线以9=4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由式3-8可得3600Af H tLhLs,minAfHT°27沁 0.0345（ m3/s）4据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线4。5.液泛线令 H d H thw，由式3-6hLhow hw式 3-17hLhOW式 3-15hphchl h式 3-24HdhphLhd联立得:Ht1 hOWhchdh忽略h将hOW与Ls,hd 与 Ls,hc与V的关系式代入上

19、式，并整理得:式中2a'Vsb'c'Ls2d'Ls23a' °.°51 vA 2AqColb'Ht1 hwc' 0.153 Iwbd'e 110002 33600lW将有关的数据代入，得a22.175 0.101 0.772832.427b'0.5 0.50.50.53 10.0410.153c'263.7231.4 0.0350.0510.2102 33.6850.00785d'型 1 1 0.53 360010001.40.81562故0.00785Vs0.210 63.723L3s

20、0.8156Ls22 3Vs .26.752 8117.58Ls103.9Ls在操作范围内，任取几个值Ls，依上式计算出Vs,计算结果列于表3-4 o表3-4液泛线Ls - Vs关系表Ls，m3/s0.0000.000.000.010.010.020.020.030.036355058Vs，m 3/s5.104.954.844.594.313.983.573.061.8119531681由上表数据即可作出液泛线 5根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图3-1所示图3-1 精馏塔筛板负荷性能图8在负荷性能图上，作出操作点 A，连接0A，即为操作线。由图可看出，该筛板 的操作上限为液泛控

21、制，下限为漏液控制。由图3-1可知：Vs,max 3.346 m3/sVs,min225 m3/s故操作弹性为:Vs,max 3.346Vs,min 1.2252.7313.3设计结果筛板塔设计结果如表3-5所示表3-5筛板塔设计计算结果序号项目数值1平均温度tm, C126.92平均压力Pm,kPa123.63气相流量Vs, (m3/s )2.46044液相流量Ls, (m3/s)0.01975实际塔板数N406有效段高度Z, m19.57塔径D, m2.08板间距Ht, m0.59溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长lw, m1.412堰咼hw, m0.04113板上液层咼度hl, m0.0814堰上液层咼度how , m0.03915降液管底隙高度h