精餾塔工藝工藝設計方案計算

1、第三章精餾塔工藝設計計算塔設備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產過程中廣泛采用的氣液傳質設 備。根據塔內氣液接觸構件的結構形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內設置一定數量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形勢穿過板上的液層， 進行傳 質與傳熱，在正常操作下，氣象為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬 逐級接觸逆流操作過程。本次設計的萃取劑回收塔為精餾塔，綜合考慮生產能力、分離效率、塔壓降、操 作彈性、結構造價等因素將該精餾塔設計為篩板塔。3.1設計依據3.1.1 板式塔的塔體工藝尺寸計算公式(1)塔的有效高度NtZ ( 1)Ht( 3-1)Et式中 Z板式塔的有效高度，m；Nt 塔內所

2、需要的理論板層數；Et總板效率；Ht -塔板間距，m。(2)塔徑的計算(3-2)D嚴u式中D塔徑，m；Vs體體積流量，m3/su空塔氣速，m/sU = (0.60.8) UmaxUmaxC(3-3)(3-4)式中-液相密度，kg/m3v氣相密度，kg/m3C負荷因子，m/s0.2(3-5)C C20 盤式中 C操作物系的負荷因子，m/s3.1.2L操作物系的液體表面張力,mN/m板式塔的塔板工藝尺寸計算公式(1)溢流裝置設計h lhow hw式中hL板上清液層高度,m；how-：堰上液層高度,m。how2-32.84 E Lh10001w式中Lh塔內液體流量,m；E -液流收縮系數，取E=13

3、600Af H thhLh3600lW u 00.006(3-10)(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)式中u。/-液體通過底隙時的流速，m/s (2)踏板設計開孔區(qū)面積Aa :2(3-11)r . 1 x sin 180 r式中 x D Wd Ws2rWc2開孔數n :1.155Aa(3-12)式中 Aa鼓泡區(qū)面積，m2;t篩孔的中心距離，m3.1.AoAa。.9。7 牛(3-13)篩板流體力學驗算(1)塔板壓降(3-14)(3-15)Pp hp l ghPhc hlh式中 hc與氣體通過篩板的干板壓降相當的液柱高度， m液柱;hl與氣體通過板上液層的壓降相當的液柱高度，m液柱;h -與

4、克服液體表面張力的壓降相當的液柱咼度，m液柱2hc 0.051 也(3-16)C0L式中 h0氣體通過篩孔的速率，m/s；c0流量系數。hlhLhWhOWUaVsAtAfF 0U a V式中F。-氣相動能因子,(3-17)(3-18)(3-19)I1212kg . s m液沫夾帶式中Ua通過有效傳質區(qū)的氣速，m/s；At塔截面積,4 LLgd0m2。(3-20)5.7 10 6 Ua eVl Ht hf3.2(3-21)ev液沫夾帶量，kg液體/kg氣體;hf-塔板上鼓泡層咼度，m。漏液U0,min4.4C0、0.0056 0.13hL h(3-22)(3-23)式中K -穩(wěn)定系數，無因次。K

5、值的適宜范圍是1.52。UoU0,min(3-24)液泛H d hp hL hd式中Hd降液管中清液層高度,m液柱;hd 與液體流過降液管的壓降相當的液柱高度。hd0.153 -L-lW h030.153 u0 2(3-25)式中U0/-液體通過底隙時的流速,m/s。(3-26)H d H thw式中安全系數，對易發(fā)泡物系,=0.30.5。3.2設計計算3.2.1 精餾塔的塔體工藝尺寸計算由Aspen模擬結果知全塔的氣相、液相平均物性參數如表3-1表3-1物性參數表項目流量（m3/s）密度（kg/m3）粘度mN/m氣體2.46043.685液體0.0197832.42717.6751. 塔徑的

6、計算查5-1史密斯關聯圖，圖的橫坐標為:12LhLLvV123600 0.0197 832.4270.12033600 2.46043.685取塔板間距HT=0.50m，板上液層咼度hL =0.08m,則H T hL =0.50-0.006=0.42m查圖5-1的C20=0.09,由式3-5得：0.2 0.2CC20 L 0.9 176750.087820 20由式3-4 得:,=832.427 3.685/、Umax C0.0878 1.32 ( m/s)v.3.685取安全系數為0.7，由式3-3得空塔氣速為：u=0.7umax=0.7X 1.32=0.924 ( m/s)4 2.4604

7、 3.14 0.924由式3-2得塔徑為：1.84 (m)按標準塔徑圓整后為：D=2.000m塔截面積為：At4D2314 443.14 (m2)實際空塔氣速為：UVS2.46040.784 (m/s)At3.142. 精餾塔有效高度的計算Aspen模擬結果Nt=20，由式3-1得有效塔高為:Z(Nt 1)Ht 空 10.5 19.5 (m)Et0.53.2.2 塔板主要工藝尺寸的計算1. 溢流裝置的計算。各項計算如下:(1)堰長lwlw 0.7D0.7 2.01.4( m)(2)溢流堰高度hw由式3-7得堰上液層高度how為:2-3u 28.4 l Lh 28.4howE1000lw1000

8、1o.。197 36001.40.039 (m)由式3-6得溢流堰高度為:hwh how 0.08 0.0390.041 ( m)(3)弓形降液管寬度 Wd和截面積Af由也=0.7，查圖5-7弓形降液管的參數圖得:DAfAt0.088w 0.15DAf0.088 At0.088 3.14 0.2763( m2)Wd0.15 D 0.15 20.30 ( m)依式3-8驗算液體在降液管中的停留時間，即3600AfHT3600 2763 5 7.01 (s) 50.0197 3600Lh故降液管設計合理。(4)降液管底隙高度h0因塔徑D=2.0 m,可選用單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤由式3-1

9、0得降液管底隙高度h。為:hLh36001 wu03600 .01970.035 (m)3600 1.4 0.4由式3-9得:hwho 0.041 0.035 0.006 (m) 故降液管底隙高度設計合理。2. 塔板布置(1)塔板的分塊因D 800mm,故塔板采用分塊式。查表5-3得，塔板分為5塊。(2)邊緣區(qū)寬度確定取 Ws=Ws =0.08m, Wc=0.05m。(3)開孔區(qū)面積計算由式3-11可算得開孔區(qū)面積如下:x2WdWsDWc2.0r22Aa2x.r22 x200.30.0820.050.95 (m)2rsin1800.62.0.9520.6220.62 (m)23.14 0.95

10、sin1801 0.620.952.175 m2(4)篩孔計算及其排列本次設計所處理的物系無腐蝕性，可選用S =4mm碳鋼板，取篩孔直徑d0=5mm。篩孔按三角形排列，取孔中心距t為：t 3d03 515 (mm)由式3-12得篩孔數目n為：1.155 Aa1.155 2.1750.015211165 個由式3-13得開孔率為:2A 0.907 蟲 0.907Aat20.0050.0150.101 10.1%氣體通過閥孔的氣速為:U0Vs2.460411.2A00.101 2.175(m/s)323篩板的流體力學驗算1. 塔板壓降(1)干板阻力hc的計算由式3-16得干板阻力he為:(2)do

11、/ S =5/3=1.67查圖 5-10 得,2U0vhc0.051C00.051L氣體通過液層的阻力hl計算Co=O.76,11.20.772由式3-16得干板阻力he為:型丄 0.415 m液柱832.427由式3-18得:UaAtAf2.46043.14 0.27630.8592(m/s)由式3-19得:F 0Ua/ V0.85923.6851.7kg12/ s m12查圖5-11得，B =0.53由式3-17得九為:hlhLhW how0.530.080.042 m液柱(3)液體表面張力的阻力計h算由式3-20得h為:4 LLgd。0.0017 m 液柱4 17.675 10 3832

12、.427 9.81 0.005由式3-15得氣體通過每層塔板的總阻力hp為:hp hc hl h 0.0415 0.042 0.0017 0.0852 m 液柱 由式3-14得氣體通過每層塔板的壓降為:Pphp Lg 0.0852 832.427 9.81 695.8 Pav 700Pa (設計允許值)2. 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，因此可以忽略液面落差的影響3. 液沫夾帶根據設計經驗，hf =2.5 hL=2.5 008=0.2 m由式3-21得液沫夾帶量為:5.7 1063.2UaLHthf5.7 10 617.675 10 33.20.85920.00940.5 0.2eV =0

13、.0094 kg液體/kg氣體v 0.1 kg液體/kg氣體故在本設計中液沫夾帶量 為在允許范圍內4. 漏液由式3-22得漏液點氣速U0,m為:U0, min4.4C。0.0056 0.13hL h L V4.40772 .101 2175 .0056 13 .8 .0017 83囂76.105(m/s)u011.2 m/s u0,min =6.105 m/s由式3-23穩(wěn)定系數為:U0U0,min11.26.1051.83 1.5在適宜范圍1.52內，故本設計中無明顯漏液。5. 液泛為防止塔內發(fā)生液泛，降液管內液層高Hd應服從式3-26的關系，即H d H thW碳酸二甲酯-鄰二甲苯物系取0

14、.5，則HthW0.5 0.5 0.0410.2705 m板上不設進口堰,hd可由式3-25計算，即3hd0.153 丄 0.153 u0 2 0.153 0.420.0245mlW ho由式3-24得Hd為：Hd hP hLhd 0.0852 0.0415 0.0245 0.1512 mV 0.2705 m 即:故在本設計中不會發(fā)生液泛現象3.2.4塔板負荷性能圖1.漏液線由式 3-22U0,min4.4C。0.0056一0.13hlv式 3-6 h lhowhw23式3-7hOW28.4 E _Lh1000 Iw得:U0,minVs,minVS,min4.4C0 A00.00560.13

15、hW2 32.84 E Lh1000 Iw整理得：:2 3Vs,min11.2 J0.0092 0.693LJs, min0.74620.0056 0.13 0.04136Ls 0.0017832.427i10001.43.685在操作范圍內，任取幾個值Ls，依上式計算出Vs,計算結果列于表3-2表3-2漏液線Ls - Vs關系表Ls, m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038Vs, m3/s1.1031.1551.1871.2481.2971.3401.3771.4121.462由上表數據即可作出漏液線12.液沫夾帶線ev =0.1 k

16、g液/kg氣為限，求Ls-S關系如下:由式3-215.7 10 63.2UaHt hf式 3-180.3492Vs式3-7hf2.5hL25 hWhOWhw0.0412 32.84Lh2.84600 LhowE11000lW10001.4hf0.10252 30.533Ls 2Ht0.3982 31.333Ls 5.7 10 60.3492VseV17.675310 0.3982 31.333 Ls7Vs6.8502 322.942Ls3.14 0.27633.2整理得:Ua2 3s2 3s0.533LsVsAtAf0.1在操作范圍內，任取幾個值Ls，依上式計算出Vs,計算結果列于表3-3表3

17、-3液沫夾帶線Ls - Vs關系表Ls，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038Vs， m3/s6.6976.3836.1895.7955.4655.1704.8984.6454.267由上表數據即可作出液沫夾帶線 2。3. 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度hW 0.006作為最小液體負荷標準。23由式3-7 hOW 誥E 號 O.006取E=1,則s,min0.006 1000 32 1.428436000.0012(m3/s)據此可以作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。4. 液相負荷上限線以0 =4作為液體在降液管中停留

18、時間的下限，由式3-8可得3600Af Ht故 Ls,minA40.2763 0.5 0.0345 (m3/s)44據此可以作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線45. 液泛線HdHthw，由式3-6hLhow hw式 3-17hihLhWhOW式 3-15hphehih式 3-24hdhPhLhd聯立得Ht1hw1 how hehdh令忽略h，將how與Ls, hd與Ls,he與Vs的關系式代入上式，并整理得:2b eLsdLs式中a0.051AqCob Ht1 hwe 0.153 Iwgd2.84E 110002 33600lW將有關的數據代入，得a0.0513.6852.175 0.10

19、120.772832.427b0.5 0.50.50.53 10.041c0.15363.7230.007851.4 0.0350.2102-3d Z84 11 0.53 36000.815610001.42223故0.00785Vs0.210 63.723Ls0.8156Ls即2 2Vs . 26.752 8117.58Ls103.9Ls在操作范圍內，任取幾個值Ls，依上式計算出Vs,計算結果列于表3-4表3-4液泛線Ls - Vs關系表Ls，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038Vs， m3/s5.104.9514.8494.595

20、4.3133.9813.5763.0681.811由上表數據即可作出液泛線 5根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖3-1所示圖3-1精餾塔篩板負荷性能圖8在負荷性能圖上，作出操作點A，連接0A，即為操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖3-1可知：Vs,max3.346 m3/sVs,min1.225故操作彈性為：Vs,max 3.346Vs,min 1.2252.7313.3設計結果篩板塔設計結果如表3-5所示表3-5篩板塔設計計算結果序號項目數值1平均溫度tmC126.92平均壓力Pm,kPa123.63氣相流量Vs，(m3/s)2.46044液相流量Ls，(m /s)0.01975實際塔板數N406有效段高度Z, m19.57塔徑D, m2.08板間距Ht, m0.59溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長lw, m1.412堰咼hw, m0.04113板上液層咼度hi, m0.0814堰上液層咼度how, m0.039