精馏塔工艺工艺设计计算.doc
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63.1.1 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 =（0.60.8）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/m3.1.2 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。 35 (3-8) (3-9) (3-10) 式中 u0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1.52。（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 u0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，=0.30.5。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/m3）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65-1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=2.0 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（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65-7 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D800mm，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=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/=5/3=1.67,查图65-10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65-11得，=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：Pa700Pa（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，=2.5 hL=2.5×0.08=0.2 m由式3-21得液沫夹带量为：=0.0094 kg液体/kg气体0.1 kg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=6.105 m/s由式3-23稳定系数为：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： m0.2705 m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/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s1.1031.1551.1871.2481.2971.3401.3771.4121.462 由上表数据即可作出漏液线1。2. 液沫夹带线=0.1 kg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/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s6.6976.3836.1895.7955.4655.1704.8984.6454.267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，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式3-7 取E=1，则 （m3/s）据此可以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，由式3-8可得故 （m3/s）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，由式3-6 式3-17 式3-15 式3-24 联立得：忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得： 式中 将有关的数据代入，得 ： 故 即 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出,计算结果列于表3-4。表3-4 液泛线关系表，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s5.104.9514.8494.5954.3133.9813.5763.0681.811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在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即为操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图3-1可知： m3/s m3/s故操作弹性为：3.3 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,126.92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堰高hw，m0.04113板上液层高度hl，m0.0814堰上液层高度how，m0.03915降液管底隙高度h0，m0.03516安定区宽度Ws，m0.0817边缘区宽度Wc，m0.0518开孔区面积Aa，m22.17519筛孔直径d0，m0.00520筛孔数目n1116521孔中心距t，m0.01522开孔率，%10.123空塔气速u，m/s0.78424筛孔气速u0，m/s11.225稳定系数K1.8326每层塔板压降，Pa69527负荷上限液泛线控制28负荷下限漏液线控制29液沫夹带ev,(kg液/kg气)0.009430气相负荷上限，m3/s3.34631气相负荷下限，m3/s1.22532操作弹性2.7313.4 Aspen模拟结果采用RadFrac模型对萃取剂回收塔进行严格蒸馏模拟，模拟结果如下：塔板数：N=40 回流比：R=3.8塔径：D=194.8cm 堰长：lw=141.6cm详细情况见附件。
