精馏塔工艺工艺设计计算

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

T T

T

H E N Z )1(

-= （3-1） 式中 Z –––––板式塔的有效高度，m ； N T –––––塔内所需要的理论板层数； E T –––––总板效率； H T –––––塔板间距，m 。

（2） 塔径的计算

u

V D S

π4=

（3-2） 式中 D –––––塔径，m ；

V S –––––气体体积流量，m 3/s

u –––––空塔气速，m/s

u =（0.6~0.8）u max （3-3） V

V

L C

u ρρρ-=max （3-4） 式中 L ρ–––––液相密度，kg/m 3 V ρ–––––气相密度，kg/m 3

C –––––负荷因子，m/s

2

.02020⎪⎭

⎫

⎝⎛=L C C σ （3-5）

式中 C –––––操作物系的负荷因子，m/s

L σ–––––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

W OW L h h h += (3-6) 式中 L h –––––板上清液层高度，m ； OW h –––––堰上液层高度，m 。

3

2100084.2⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=

W

h

OW l L E h （3-7）

式中 h L –––––塔内液体流量，m ； E –––––液流收缩系数，取E=1。

h

T

f L H A 3600=

θ≥3~5 (3-8)

006.00-=W h h (3-9)

'

360000u l L h W h

=

(3-10)

式中 u 0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s 。

(2) 踏板设计

开孔区面积a A ：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛+-=-r x r x r x A a 1

222sin

1802π （3-11） 式中 ()s d W W D

x +-=

2 c W D

r -=2

开孔数n ：

2

155.1t A n a

=

(3-12) 式中 a A –––––鼓泡区面积，m 2； t –––––筛孔的中心距离，m 。

2

00907.0⎪⎭⎫

⎝⎛==t d A A a φ (3-13)

3.1.3

筛板流体力学验算

（1） 塔板压降

g h P L P P ρ=∆ (3-14) σh h h h l c P ++= (3-15) 式中 c h –––––与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，m 液柱；

l h –––––与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度，m 液柱； σh –––––与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度，m 液柱。

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=L V c c

u h ρρ2

051.0 (3-16)

式中 0h –––––气体通过筛孔的速率，m/s ； 0c –––––流量系数。

()OW W L l h h h h +==ββ (3-17) f

T s

a A A V u -=

(3-18)

V a u F ρ=0 (3-19) 式中 0F –––––气相动能因子，()211m s kg ⋅ a u –––––通过有效传质区的气速，m/s ； T A –––––塔截面积，m 2。 0

4gd h L L

ρσσ=

(3-20) （2） 液沫夹带

2

.36107.5⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-⨯=

-f T

a L V h H u e σ (3-21) 式中 V e –––––液沫夹带量，kg 液体/kg 气体； f h –––––塔板上鼓泡层高度，m 。 （3） 漏液

()V

L L h h C u ρρσ-+=13.00056.04.40min ,0 (3-22)

min

,00u u K =

(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

d L P d h h h H ++= （3-24） 式中 d H –––––降液管中清液层高度，m 液柱；

d h –––––与液体流过降液管的压降相当的液柱高度。

()203

'153.0153.0u h

l L h W s

d =⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛= （3-25） 式中 u 0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，m/s 。

()W T d h H H +≤ϕ （3-26）

式中 ϕ–––––安全系数，对易发泡物系，ϕ=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

1. 塔径的计算

查5-1史密斯关联图[6]，图的横坐标为：

1203.0685.3427.8324604.236000197.036002

12

1=⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛V L L L V

h ρρ

取塔板间距H T =0.50m ，板上液层高度L h =0.08m ，则

L T h H - =0.50-0.006=0.42m

查图[6]5-1的C 20=0.09，由式3-5得：

0878.020675.179.0202

.02

.020=⎪

⎭

⎫ ⎝⎛=⎪

⎭

⎫

⎝⎛=L C C σ