筛板精馏塔设计示例

1、3.5筛板精储塔设计示例3.5.1化工原理课程设计任务书设计题目：分离苯-甲苯混合液的筛板精储塔在一常压操作的连续精储塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的处理量为4000kg/h,组成为0.41(苯的质量分率)，要求塔顶储出液的组成为0.96,塔底釜液的组成为0.01o设计条件如下：表3-18操作压力进料热状态回流比单板压降全塔效率建厂地址4kPa(塔顶常压)自选自选<0.7kPaET=52%天津地区试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计计算。3.5.2设计计算1设计方案的确定本设计任务为分离苯一甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精储流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热

2、至泡点后送人精储塔内。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，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2精储塔的物料衡算(1)原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率苯的摩尔质量匚；二甲苯的摩尔质量%=曲姻痴70.41/78.110.41/78.11+0.592.13二0.4500.96/78.110.96/78.11+0.042.13而黑喘(2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量=0.45。11+(l-0450)x9213=铝4叁回於ml“口二。966乂7&1

3、1+(1-0.966)父蚣13=7259馆琳尔/=0.012x7011+(1-0.012)x92.13=9L9fifcg/Jb«o?(3)物料衡算F=46.6A原料处理量，一二二总物料衡算46.61=D+W苯物料衡算46.61X0.45=0.966D+0.012W联立解得D=21.40kmol/hW=25.21kmol/h3塔板数的确定(1)理论板层数NT的求取苯一甲苯属理想物系，可采用图解法求理论板层数。由手册查得苯一甲苯物系的气液平衡数据，绘出xy图，见图3-22o求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图3-19中对角线上，自点e(0.45,0.45)作垂线ef即为

4、进料线(q线),该线与平衡线的交点坐标为yq=0.667xq=0.450c兀。一及0.966-0687.=L光故最小回流比为.-1-取操作回流比为7：'-':：''求精储塔的气、液相负荷L=RD=2.76x21.40=Z=(S+1)£)=(2.76+l)x21.40=30.46fc»wJ/AZ?=L+苗=59Q6+4S61=1D5.7成"方/=r=80.46/A图3-22图解法求理论板层数求操作线方程居*1=&+乏-=01纲4"257精储段操作线方程为./一.上十一'暨1,3134提储段操作线方程为上+F-

5、瓯图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如图3-22所示。求解结果为总理论板层数NT=12.5(包括再沸器)进料板位置NF=6(2)实际板层数的求取精储段实际板层数"摘=5/0.52=9.6-10,提储段实际板层数二6.5/0.52=12.5-134精储塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精微段为例进行计算。(1)操作压力计算塔顶操作压力PD=101.3+4=105.3kPa每层塔板压降p=0.7kPa进料板压力PF=105.3+0.7X10=112.3kPa精储段平均压力Pm=(105.3+112.3)/2=108.8kPa(2)操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算

6、出泡点温度，其中苯、甲苯的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：塔顶温度tD=82.1C进料板温度tF=99.5C精储段平均温度tm(82.1+99.5)/2=90.8(3)平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由xD=y1=0.966,查平衡曲线(见图3-22),得x1=0.916=0.S66x78.11+(1-0.966)x9213=7S=0.916x7811+(1-0.910x9213=79.进料板平均摩尔质量计算由图解理论板(见图3-22,得yF=0.604查平衡曲线(见图3-22),得xF=0.388=0.604x78ll+(l-0,6M)x9213=6&cgf

7、kmolMg=0.388x7811+(1-0338)x9213=必6领/加出精微段平均摩尔质量M厢=(78.59+2=8LM加-(79.23+86,69)/2-82,先加口辟H(4)平均密度计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即2比做10S8x8113f3外=2.92能/加RTk8311x(90S+27315)6液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即塔顶液相平均密度的计算由tD=82.1C,查手册得凡标网8。工9馆/加%曲=°一%27十"".=812.5除加进料板液相平均密度的计算由tF=99.5C,查手册得0.388x78.11=0.350进料板液相

8、的质量分率0332x73.11+(1-0.388)x32.131/_01.35/,065/P力为加高精微段液相平均密度为pLm=(812.5+791.6)/2=802.1kg/m(5)液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即JICT.=VJ.CT.IJ塔顶液相平均表面张力的计算由tD=82.1C,查手册得(tA=21.24mN/m(tB=21.42mN/mbLDm=0.966K21.24+(1-0.966)X21.42=21.25mN/m进料板液相平均表面张力的计算由tF=99.5C,查手册得A=18.90mN/m(rB=20.0mN/m(rLFm=0.388X18.90+(1-0.

9、388)X20.0=19.57mN/m精微段液相平均表面张力为(rLm=(21.25+19.57)/2=20.41mN/m(6)液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即lg心Lm=sxilg心i塔顶液相平均粘度的计算由tD=82.1C,查手册得AA=0.302mPa-s心B=0.306mPa-slg心LDm=0.966Klg(0.302)+(1-0.966)Xlg(0.306)解出aLDm=0.302mPas进料板液相平均粘度的计算由tF=99.5C,查手册得AA=0.256mPa-s心B=0.265mPa-slgaLFm=0.388Xlg(0.256)+(1-0.388)Xlg(0.265

10、)解出aLFm=0.261mPas精微段液相平均粘度为Lm=(0.302+0.261)/2=0.282mPa-s5精储塔的塔体工艺尺寸计算(1)塔径的计算精储段的气、液相体积流率为灯J一二1上"立e3600300x2.92工Mg由umax=C式中C由式3-5计算，其中的C20由图3-2查取，图的横坐标为0.W54IO.017x3600<0.621x36007取板间距HT=0.40m,板上液层高度hL=0.06m,则HT-hL=0.4-0.06=0.34m查图3-2得C20=0.072C=0.072Hr=0.07.1班umax=C-1"(m/s)取安全系数为0.7,则空

11、塔气速为u=0.7Xumax=0.7X1.196=0.837m/sPEL-0?72D=.:：.D=1m按标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为AT=0.785D2=0.785X1.02=0.785m2u=VS/AT=0.621/0.785=0.791m/s(2)精储塔有效高度的计算精储段有效高度为Z精=(N精-1)HT=(10-1)X0.4=3.6m提储段有效高度为Z提=(N提-1)HT=(15-1)X0.4=5.6m在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m故精储塔的有效高度为Z=Z精+Z提+0.8=3.6+5.6+0.8=10m6塔板主要工艺尺寸的计算(1)溢流装置计算因塔径D=1.0m,可选

12、用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下:堰长lwL=0(56D=O.t56x1.0=O.(5t5M取4溢流堰高度hw由，二选用平直堰，堰上液层高度hOW由式3-7计算，即hG?TY2.我近似取E=1,则乙2g4,0001"兆。口产-xlx1000、0.d&0013m取板上清液层高度hL=60mm故".一二1''''.一弓形降液管宽度Wd和截面积A由，-，',查图3-10,得0.124m土口622,些。加,则；4-0,0722X0,755-O.OSMl1-0,124xL.O斗口依式3-13验算液体在降液管中停留时间，即

13、=13.345>5s36加4为_3i500x0.05t57x0.4540?0017x3d00故降液管设计合理。降液管底隙高度h0取降液管底隙的流速入二0.0岫/占，则_=".口5'比死皿=Q©和3600/u03d00xO.(5dxUOSh%=0047-0.032=0015制“nnC11>0,006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘,深度"=50mm(2)塔板布置塔板的分块因D>800mm故塔板采用分块式。查表3-7得，塔极分为3块。边缘区宽度确定取WS=-=0.065m,VC=0.035m开孔区面积计算开孔区面积Aa按式3-16计

14、算，即4=21心+击"F，淅4;其中x=D/2-(W+W)=0.5-(0.124+0.065)=0.311mr=D/2-W=0.5-0.035=0.465mA=2o,3Hx<b5-0.3112-hHLxO.52M_10'31L故l'筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用6=3mm碳钢板，取筛孔直径d0=5mnr筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为t=3d0=3x5=15mm筛孔数目n为】一1行41153x0.532n=；2731TF0.01J5*开孔率为=A0/Aa=0.907/(t/d0)2=10.1%气体通过筛孔的气速为筛孔气速u0=VS/A0=0.

15、621/(0.101X0.532)=11.56m/s7筛板的流体力学验算(1)塔板压降干板阻力hc计算干板阻力hc由式3-26计算，即由d0/S=5/3=1.67,查图3-14得，8=0.772故11.56SOS.110,772=口U416用液柱气体通过液层的阻力hl计算气体通过液层的阻力hL由式3-31计算，即国阚0,210785-00567里0的疯既5kp/b犬)查图3-15,得0=0.61。故，一"一；柱液体表面张力的阻力ha计算液体表面张力所产生的阻力ha由式3-34计算，即=0021m液林4x20.41x10'?8O2.19,glxC.u05气体通过每层塔板的液柱高

16、度hp可按下式计算，即儿=入=0,0416+0,0366+0,0021=0.080向丽柱气体通过每层塔板的压降为g-OOSk802.1k9.81-629F_.、几4公方才由、p后<<0.7kPa(设计允许值)(2)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响(3)液沫夹带液沫夹带量由式3-36计算，即江£火产二w(。3产二1014&20.41x10-0.40-2JxO.Okg液何气<0.1kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。漏液对筛板塔，漏液点气速u0,max可由式3-38计算，%.=4.41/.加光

17、十0地-初以加AAx0,7720.006+0.13xO.06-0.QO25)x8»2.1/2.92-，舞5m实际孔速u0=11.56m/s>u0,min稳定系数为K=u。/u0,min=11.56/5.985=1.93>1.5故在本设计中无明显漏液。液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从式3-46的关系，即Hd<()(HT+hw)苯一甲苯物系属一般物系，取小=0.5,则4(HT+hw)=0.5(0.40+0.047)=0.224而Hd=hP+hL+hd板上不设进口堰，hd可由式3-44计算，即hd=0.153(u0/)2=0.153(0.08)2=0.00

18、1m液柱Hd=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱Hd<4(HT+hw),故在本设计中不会发生液泛现象。8塔板负荷性能图漏液线,2g4,向=由.=%3陷=4g网的EFEE,陶口%金-44岛同j口.00优十口.13%干藕其胤丰产一路八=4.4xa.772x0.101x0,0532xJ(0,0036+0.130,0473.S41000xlx36口。40例-0,0021SC2,1/2.M整理得<在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表3-19表3-19Ls/(m3/s)0.00060.00150.00300.0045Vs/(m3/s)0.3090.31

19、90.3310.341由上表数据即可作出漏液线lO(2)液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs-Ls关系如下:由.,%=2.5%=2.5(+力口Q=2.5QD47+0.831=0,11842.21=0.202-2.21=5.7x10"1373=,20,41xlO->%宓222守''整理得匕-1.29-10073-20在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表表3-20_s/(m3/s)0.00060.00150.00300.0045V/(m3/s)1.2181.1581.0811.016由上表数据即可作出液沫夹带线2。(3)液相

20、负荷下限线对于平直堰，取土R上液层高度hOW=0.006m作为最小液体负荷标准。由式3-21得丸厘010054据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3(4)液相负荷上限线以。=4s作为液体在降液管中停留时间的下限A故00567x040/4=Q.00567阴3帛据此可作出与气体流量元关的垂直液相负荷上限线4o液泛线由月d=及？+/+期=九+瓦+瓦+知k%"l=%十联立得,二一一一'L/-1''.I-；，.忽略ha,将hOVMLs,hd与Ls,hc与V,的关系式代人上式，并整理得心旦二与二吧一咨二OJ08(4。/pL(0.101x0532XQ772)38Q2.1=13,5x0.40+(0.5-0.61-1)x0.047=0,148e=。153/&%尸=0.153r(0,66x0,032?=343.01r=2.84xin-3xE(H-(：y)l/32.84xW-3xlx(l+0,6T)()31.121将有关的数据代入整理，得=137-317-13.16在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表3-22表3-22_s/(m3/s)0.00060.0