精馏塔工艺工艺设计计算.doc
《精馏塔工艺工艺设计计算.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精馏塔工艺工艺设计计算.doc（16页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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
4.898
4.645
4.267
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θ=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/s
0.0006
0.003
0.005
0.01
0.015
0.020
0.025
0.03
0.038
，m3/s
5.10
4.951
4.849
4.595
4.313
3.981
3.576
3.068
1.811
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/sm3/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,℃
126.9
2
平均压力Pm,kPa
123.6
3
气相流量Vs，（m3/s）
2.4604
4
液相流量Ls，（m3/s）
0.0197
5
实际塔板数N
40
6
有效段高度Z，m
19.5
7
塔径D，m
2.0
8
板间距HT，m
0.5
9
溢流形式
单溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰长lw，m
1.4
12
堰高hw，m
0.041
13
板上液层高度hl，m
0.08
14
堰上液层高度how，m
0.039
15
降液管底隙高度h0，m
0.035
16
安定区宽度Ws，m
0.08
17
边缘区宽度Wc，m
0.05
18
开孔区面积Aa，m2
2.175
19
筛孔直径d0，m
0.005
20
筛孔数目n
11165
21
孔中心距t，m
0.015
22
开孔率，%
10.1
23
空塔气速u，m/s
0.784
24
筛孔气速u0，m/s
11.2
25
稳定系数K
1.83
26
每层塔板压降，Pa
695
27
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）
0.0094
30
气相负荷上限，m3/s
3.346
31
气相负荷下限，m3/s
1.225
32
操作弹性
2.731
3.4Aspen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。
升级会员 