精馏塔工艺工艺设计计算_精品文档.doc
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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。
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，进行传质与传热，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，属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、操作弹性、结构造价等因素将该精馏塔设计为筛板塔。
3.1设计依据[6]
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Z–––––板式塔的有效高度，m；
NT–––––塔内所需要的理论板层数；
ET–––––总板效率；
HT–––––塔板间距，m。
（2）塔径的计算
（3-2）
式中D–––––塔径，m；
VS–––––气体体积流量，m3/s
–––––空塔气速，m/s
=（0.6~0.8）umax（3-3）
（3-4）
式中–––––液相密度，kg/m3
–––––气相密度，kg/m3
C–––––负荷因子，m/s
（3-5）
式中C–––––操作物系的负荷因子，m/s
–––––操作物系的液体表面张力，mN/m
3.1.2板式塔的塔板工艺尺寸计算公式
（1）溢流装置设计
（3-6）
式中–––––板上清液层高度，m；
–––––堰上液层高度，m。
（3-7）
式中–––––塔内液体流量，m；
E–––––液流收缩系数，取E=1。
≥3~5（3-8）
（3-9）
（3-10）
式中u0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s。
（2）踏板设计
开孔区面积：
（3-11）
式中
开孔数：
（3-12）
式中–––––鼓泡区面积，m2；
t–––––筛孔的中心距离，m。
（3-13）
3.1.3筛板流体力学验算
（1）塔板压降
（3-14）
（3-15）
式中–––––与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，m液柱；
–––––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，m液柱。
（3-16）
式中–––––气体通过筛孔的速率，m/s；
–––––流量系数。
（3-17）
（3-18）
（3-19）
式中–––––气相动能因子，
–––––通过有效传质区的气速，m/s；
–––––塔截面积，m2。
（3-20）
（2）液沫夹带
（3-21）
式中–––––液沫夹带量，kg液体/kg气体；
–––––塔板上鼓泡层高度，m。
（3）漏液
（3-22）
（3-23）
式中K–––––稳定系数，无因次。
K值的适宜范围是1.5~2。
（4）液泛
（3-24）
式中–––––降液管中清液层高度，m液柱；
–––––与液体流过降液管的压降相当的液柱高度。
（3-25）
式中u0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s。
（3-26）
式中–––––安全系数，对易发泡物系，=0.3~0.5。
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/m3）
粘度mN/m
气体
2.4604
3.685
液体
0.0197
832.427
17.675
1.塔径的计算
查5-1史密斯关联图[6]，图的横坐标为：
取塔板间距HT=0.50m，板上液层高度=0.08m，则
=0.50-0.006=0.42m
查图[6]5-1的C20=0.09，由式3-5得：
由式3-4得：
（m/s）
取安全系数[6]为0.7，由式3-3得空塔气速为：
u=0.7umax=0.7×1.32=0.924（m/s）
由式3-2得塔径为：
（m）
按标准塔径圆整后为：
D=2.000m
塔截面积为：
（m2）
实际空塔气速为：
（m/s）
2.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：
（m）
3.2.2塔板主要工艺尺寸的计算
1.溢流装置的计算
因塔径D=2.0m,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
（m）
（2）溢流堰高度
由式3-7得堰上液层高度为：
（m）
由式3-6得溢流堰高度为：
（m）
（3）弓形降液管宽度Wd和截面积
由=0.7，查图[6]5-7弓形降液管的参数图得：
（m2）
（m）
依式3-8验算液体在降液管中的停留时间，即
（s）＞5（s）
故降液管设计合理。
（4）降液管底隙高度
由式3-10得降液管底隙高度为：
（m）
由式3-9得：
（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[6]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：
（m）
（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δ=4mm碳钢板，取筛孔直径d0=5mm。
筛孔按三角形排列，取孔中心距t为[6]：
（mm）
由式3-12得筛孔数目n为：
个
由式3-13得开孔率为：
气体通过阀孔的气速为：
（m/s）
3.2.3筛板的流体力学验算
1.塔板压降
（1）干板阻力的计算
由式3-16得干板阻力为：
d0/δ=5/3=1.67,查图[6]5-10得，C0=0.76，由式3-16得干板阻力为：
m液柱
（2）气体通过液层的阻力计算
由式3-18得：
（m/s）
由式3-19得：
查图[6]5-11得，β=0.53
由式3-17得为：
m液柱
（3）液体表面张力的阻力计算
由式3-20得为：
m液柱
由式3-15得气体通过每层塔板的总阻力hp为：
m液柱
由式3-14得气体通过每层塔板的压降为：
Pa＜700Pa（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，=2.5hL=2.5×0.08=0.2m
由式3-21得液沫夹带量为：
=0.0094kg液体/kg气体＜0.1kg液体/kg气体
故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。
4.漏液
由式3-22得漏液点气速为：
m/s＞=6.105m/s
由式3-23稳定系数为：
＞1.5
在适宜范围1.5~2内，故本设计中无明显漏液。
5.液泛
为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从式3-26的关系，即
碳酸二甲酯––邻二甲苯物系取，则
m
板上不设进口堰，可由式3-25计算，即
m
由式3-24得为：
m＜0.2705m即：
故在本设计中不会发生液泛现象。
3.2.4塔板负荷性能图
1.漏液线
由式3-22
式3-6
式3-7
式
得：
整理得：
在操作范围内，任取几个值，依上式计算出,计算结果列于表3-2。
表3-2漏液线––关系表
，m3/s
0.0006
0.003
0.005
0.01
0.015
0.020
0.025
0.03
0.038
，m3/s
1.103
1.155
1.187
1.248
1.297
1.340
1.377
1.412
1.462
由上表数据即可作出漏液线1。
2.液沫夹带线
=0.1kg液/kg气为限，求––关系如下：
由式3-21
式3-18
式
式3-7
故
整理得：
在操作范围内，任取几个值，依上式计算出,计算结果列于表3-3。
表3-3液沫夹带线––关系表
，m3/s
0.0006
0.003
0.005
0.01
0.015
0.020
0.025
0.03
0.038
，m3/s
6.697
6.383
6.189
5.795
5.465
5.170
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