精餾塔工藝工藝設計計算

1、精懈塔工藝工藝設計計算 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(chǎn)過程中廣泛采用的氣液傳質(zhì) 設備。根據(jù)塔內(nèi)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(nèi)設置一定數(shù)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(zhì)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(chǎn)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(jù) 3.1.1 板式塔的塔體工藝尺寸計算公式 （1）塔的有效高度 Z =（-NL-1）HT （ 3-1）

2、 ET 式中 Z - 板式塔的有效高度，m； NT -塔內(nèi)所需要的理論板層數(shù)； ET - 總板效率； HT - 塔板 間距，m。 (3-2) 式中 D - 塔徑，m； VS 體體積流量，m3/s u - 空塔氣速，m/s (3-3) (3-4) 式中 L - 液相密度，kg/m3u = (0.60.8) Umax Umax 汎氣相密度，kg/m3 C - 負荷因子，m/s C (3-5) 式中 C - 操作物系的負荷因子，m/s ；L - 操作物系的液體表面張力， mN/m 3.1.2 板式塔的塔板工藝尺寸計算公式 (1)溢流裝置設計 h L = hOW hW 式中 hL - -板上清液層高度

3、，m； how -堰-上液層高度，m。 2 3 how _1000 E lw 式中 Lh - 塔內(nèi)液體流量，m； E - -液流收縮系數(shù)，取E=1 3600Af H T h0 = hW -0.006 ho 3600 lW u 0 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 : 二r2 =2 xr2 -x2 十s i n 180 r (3-6) (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) t - 篩孑-的中心距離，m。 3.1.3 篩板流體力學驗算 (1)塔板壓降 耳= hP-g h he hl h.- hi -與氣體通過板上液層的壓降相當?shù)囊?/p>

4、柱高度, h.- - 與克服液體表面張力的壓降相當?shù)囊褐叨? 式中 h0 - 氣體通過篩孔的速率，m/s； Co - 流量系數(shù)。 h| = -h_ = - hw hOW (3-19) 1.155Aa t2 式中 開孔數(shù) 式中 x 二號 一 Wd Ws r Wc 2 (3-12) Aa - 鼓泡區(qū)面積, do (3-13) 式中 Fo 氣相動能因子，kg12/(s m12 (3-14) (3-15) 式中 he - 與氣體通過篩板的干板壓降相當?shù)囊褐叨? m液柱; m液柱; m液柱。 hc 二 0.051 C C幾 (3-16) (3-17) Ua AT _ Af (3-18) Ua - 通

5、過有效傳質(zhì)區(qū)的氣速， m/s； AT _ -塔截面積，m?。 hf -塔板上鼓泡層咼度，m。 比時=4.4。0(0.0056 + 0.13九hb)PJPV K -穩(wěn)定系數(shù)，無因次。K值的適宜范圍是1.52。 hd與液體流過降液管的壓降相當?shù)囊褐叨?hd=0.153l0.153u02 式中 uo/-液體通過底隙時的流速，m/s HdHT - hw (3-26) 式中 全系數(shù)，對易發(fā)泡物系， =0.30.5o 3.2 設計計算 3.2.1 精餾塔的塔體工藝尺寸計算(2) (3-20) 液沫夾帶 5.7 1Q-6 3.2 eV 二 Ua HT -hf (3-21) 式中 eV 液沫夾帶量，kg液體

6、/kg氣體; (3) 漏液 Uo Uo,min (3-23) 液泛 Hd 二 hp hL hd (3-24) 式中 Hd - 降液管中清液層高度，m液柱; (3-22) 式中 (3-25) 由Aspen模擬結果知全塔的氣相、液相平均物性參數(shù)如表 3-1 表3-1物性參數(shù)表 項目 流量（m3/s） 密度（kg/m3） 粘度mN/m 氣體 2.4604 3.685 液體 0.0197 832.427 17.675 1. 塔徑的計算 查5-1史密斯關聯(lián)圖，圖的橫坐標為: 3600832427 10.1203 3600 x2.4604 i 3.685 丿 取塔板間距HT=0.50m，板上液層高度hL

7、=0.08m，則 HThL =0.50-0.006=0.42m 查圖5-1的C20=0.09，由式3-5得: 由式3-4 得: 取安全系數(shù)為0.7，由式3-3得空塔氣速為: u=0.7umax=0.7X 1.32=0.924 ( m/s) 由式3-2得塔徑為： = 1.84 (m) 按標準塔徑圓整后為： D=2.000m C = C20 、0.2 20 = 0.9 800mm,故塔板采用分塊式。查表5-3得，塔板分為5塊。 取 Ws=Ws =0.08m, Wc=0.05mo 由式3-11可算得開孔區(qū)面積如下: x 聖 - Wd Ws A 20 - 0.3 0.08 ；= 0.62 (m) 2

8、2 r = D WZ - -0 - 0.05 = 0.95 (m) 2 2 “ 2 、 丄町 .Ax xb x + - sin 180 r 丿 廣 2 c -cc 丄 3.14 漢 0.952 4 0.62 =2 匯 0.62 匯 Y0.952 0.622 + -sin - 0.95 -2.175 m2 篩孔計算及其排列 t =3d0 =3 5=15 ( mm) 由式3-12得篩孔數(shù)目n為: n 二哼155 2；175 =11165 個 t2 由式3-13得開孔率為: Lh (1) 塔板的分塊 (2) 邊緣區(qū)寬度確定 (3) 開孔區(qū)面積計算 Aa =2 180 本次設計所處理的物系無腐蝕性，可

9、選用 do=5 mm。篩孔按三角形排列，取孔中心距 S =4mm碳鋼板，取篩孔直徑 t為： 0.0152 =t=0-907 * It丿 d。 牆GOTO.1% 氣體通過閥孔的氣速為: 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hc為: do/ S =5/3=1.61查圖5-10得，Co=O.76，由式3-16得干板阻力 h為: I 2 2 Pv (11.2 3.685 hc =0.051 =0.051 漢 - I x - = 0.415 (c0 丿 PL / 1.772 丿 832.427 柱 (2) 氣體通過液層的阻力hl計算 由式3-18得:

10、 由式3-19得: F0 =u7v =0.8592 3.685 = 1.7 kg12. s m12 查圖5-11得，B =0.53 由式3-仃得h為： hl =巾LhW hW 二 0.53 0.08 二 0.042 m 液柱 (3) 液體表面張力的阻力計h.-算 由式3-20得h；為： 4% 47.675心0 、亠丄、 h - 0.0017 m 液柱 PLgd0 832.427 匯9.8仆 0.005 由式3-15得氣體通過每層塔板的總阻力 hp為： Uo 2.4604 0.101 2.175 = 11.2 (m/s) 2.4604 3.14-0.2763 = 0.8592 (m/s) Ao

11、AT - Af hp p hh.； -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: ：PP 二 hpg = 0.0852 832.427 9.8仁 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(jù)設計經(jīng)驗，hf =2.5 hL=2.5 008=0.2 m 由式3-21得液沫夾帶量為: eV =0.0094 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eV在允許范圍內(nèi) 4.漏液 由式3-22得漏液點氣速U0,min為

12、： u,min =4.4CJ(0.0056+ 0.13% 832 427 = 4.4 0.772 0.101 2.175 0.0056 0.13 0.08-0.0017 V 3.685 二 6.105( m/s) Uo =11.2 m/s u,min =6.105 m/s 由式3-23穩(wěn)定系數(shù)為： 在適宜范圍1.52內(nèi)，故本設計中無明顯漏液。 5.液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 Hd應服從式3-26的關系，即5.7 10-6 ev : 5.7 10-6 17.675 10 0.8592 丫 Q5 - 0.2 .丿 -0.0094 u。 U0,min 11.2 6.105 = 1.83

13、 1.5 H T - hf Ua 碳酸二甲酯-鄰二甲苯物系取 =0.5，則 :HT hw =0.5 0.5 0.040.2705 m 板上不設進口堰，hd可由式3-25計算，即 I =0.153(u0 f =0.153 x 0.42 =0.0245 m 由式3-24得Hd為: Hd =hp hL hd =0.0852 0.0415 0.0245 =0.1512 mV 0.2705 m 即: HdHT hw 故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。 3.2.4 塔板負荷性能圖 1.漏液線 u,min =4.4C 芒0.0056+ 0.13hL hpL/PV 28.4 = - E 1000 lw . VS,

14、m i n U0,m i n_ - A0 Vsmin =0.7462 沃 | 0.0056+ 0.13 0.041 +84f3600Ls 丫 1. , 1000 整理得：Vs,min =11.2 匯(0.0092 +0.693Ls23 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值Ls，依上式計算出Vs,計算結果列于表3-2o hd =0.153 由式3-22 式3-6 hL - hOW hw 得: Vs,m i n J 2 84 O.。05”13卜 + 融 Eg 式3-7 how 2 832 427 -0.001 832.427 3.685 1.4 3 表3-2漏液線Ls - Vs關系表 Ls, m3/s 0.0

15、006 0.003 0.005 0.01 0.015 0.020 0.025 0.03 0.038 3, Vs, m /s 1.103 1.155 1.187 1.248 1.297 1.340 1.377 1.412 1.462 2.液沫夾帶線 = 0.041 hf =0.1025 0.533Ls23 HT =0.398-1.333LS2 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值Ls，依上式計算出Vs,計算結果列于表3-3。 表3-3液沫夾帶線Ls -咗關系表 Ls, m3/s 0.0006 0.003 0.005 0.01 0.015 0.020 0.025 0.03 0.038 由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線

16、 1。 e =0.1 kg液/kg氣為限，求Ls 關系如下: 由式3-21 5.7 10-6 Ua 3.2 -L HT - hf , 式 3-18 Ua Vs AT Vs s 0.3 4 9V? -Af 3.14-0.2 7 63 hf = 2.5hL = 2.5 hw how 式3-7 hOW 2.84 _ E 1000 lw 3 2.84 , 1 1000 z 、23 (3600LsY 23 - I = 0.533 Ls I 1.4 丿 s 整理得: 5.7 0厘 創(chuàng)-17.675 10 0.3492Vs 2 3 0.398-1.333Ls , 2 3 Vs = 6.850-22.942L

17、s 3 = 0.1 Vs, m3/s 6.697 6.383 6.189 5.795 5.465 5.170 4.898 4.645 4.267 由上表數(shù)據(jù)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how =0.006作為最小液體負荷標準 取E=1，則 據(jù)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 =4J作為液體在降液管中停留時間的下限，由式 3-8可得 據(jù)此可以作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線 4 5.液泛線 令匕二 HT hW，由 式3-6 hL - hoW hW 式 3-17 h| = -h_ = - IW hOW

18、式 3-15 hP - hc hl h 式 3-24 Hd二hp hL hd 聯(lián)立得 HT -1 hW = : 1 hOW hc hd h匚 由式3-7 how 2.84 3600LsY - E - s 1000 I lw = 0.006 s, min 9.006 x 1000 2 1.4 、284 3600 = 0.0012 (m3/s) 3600Af HT 0 = - -4 0.2 7 6 30.5 4 =0.0 3 4 5 m3/s) Ls,m i n= .4 忽略h；，將hOW與Ls， hd與Ls，hc與Vs的關系式代入上 式，并整理得： 2 2 2 3 aVs =b-cLs -dLs

19、 c = 0.153 Iwh。2 式中 0.051 a = - 2 (A0C0 )PL 將有關的數(shù)據(jù)代入，得 0.051 a = 2 , (2.175 7.1017.772 ) 832.427 J 3.6850.00785 b=0.5 0.5 0.5 -0.53 -1 0.041 =0.210 0.153 2 1.4 0.035 -63.723 d = 284 1 1 0.53 1000 2 2 2 3 故 0.00785Vs =0.210-63.723Ls -0.8156Ls 即 /2 2 3 .26.752 8117.58Ls -103.9Ls 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值Ls ,依上式計算出

20、Vs,計算結果列于表3-4 表3-4液泛線Ls -關系表 Ls，m3/s 0.0006 0.003 0.005 0.01 0.015 0.020 0.025 0.03 0.038 3 Vs， m /s 5.10 4.951 4.849 4.595 4.313 3.981 3.576 3.068 1.811 由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線 5。 根據(jù)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 d 284 E 1 1000 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：

21、3 3 Vs,max 二 3.346 m /S Vs,m in22 5 m /S 故操作彈性為： 3.3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(shù)值 1 平均溫度tm, C 126.9 2 平均壓力Pm,kPa 123.6 3 氣相流量Vs，(m3/s) 2.4604 4 液相流量Ls，( m /s) 0.0197 5 實際塔板數(shù)N 40 6 有效段高度Z, m 19.5 7 塔徑D, m 2.0 8 板間距HT, m 0.5 9 溢流形式 單溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰長lw, m 1.4 12 堰咼hw，m 0.041 13 板上液層咼度hi, m 0.08 14 堰上液層咼度 how, m 0.039 15 降液管底隙高度ho, m 0.035 16 安定區(qū)寬度Ws, m 0.08 17 邊緣區(qū)寬度Wc, m 0.05 18 開孔區(qū)面積Aa, m 2.175