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，()121m s kg ? a u –––––通过有效传质区的气速，m/s ； T A –––––塔截面积，m 2。
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 +≤? （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
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
由式3-4得：
32.1685
.3685.3427.8320878.0max =-?=-=V V L C
u ρρρ（m/s ） 取安全系数[6]为0.7，由式3-3得空塔气速为： u=0.7u max =0.7×1.32=0.924（ m/s ） 由式3-2得塔径为：
84.1924
.014.34604
.244=??==
u
V D S
π（m ）
按标准塔径圆整后为： D=2.000m 塔截面积为： 14.344
14
.34
2=?=
=
D A T π
（m 2） 实际空塔气速为： 784.014
.34604
.2===T S A V u （m/s ） 2. 精馏塔有效高度的计算
Aspen 模拟结果N T =20，由式3-1得有效塔高为：
5.195.015.020)1(
=???
?
??-=-=T T T H E N Z （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W l
4.10.27.07.0=?==D l W （m ）
（2） 溢流堰高度W h
由式3-7得堰上液层高度OW h 为：
039.04.136000197.0110004.2810004.283
23
2=??
? ?????=???
?
??=W
h OW
l L E h （m ）
由式3-6得溢流堰高度为：
041.0039.008.0=-=-=OW L W h h h （m ）
（3） 弓形降液管宽度W d 和截面积f A
由
D l w
=0.7，查图[6]5-7 弓形降液管的参数图得： 088.0=T
f A A 15.0=D W d
2763.014.3088.0088.0=?=?=T f A A （m 2）
30.0215.015.0=?=?=D W d （m ）
依式3-8验算液体在降液管中的停留时间，即
01.73600
0197.05
.02763.036003600=???=
=
h
T
f L H A θ（s ）＞5（s ）
故降液管设计合理。
（4） 降液管底隙高度0h
由式3-10得降液管底隙高度0h 为：
035.04
.04.136000197
.03600'360000=???==
u l L h W h （m ）
由式3-9得：
006.0035.0041.00=-=-h h W （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W s =W s ′=0.08m ，W c =0.05m 。 （3） 开孔区面积计算
由式3-11可算得开孔区面积如下：
()()62.008.03.020.22=+-=+-=
s d W W D x （m ） 95.005.020.22=-=-=c W D r （m ）
()
2
12221
222175.295.062.0sin 18095.014.362.095.062.02sin
1802m r x r x r x A a =???? ?
??+-??=???
? ?
?+-=--π （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=4 mm 碳钢板，取筛孔直径d 0=5 mm 。筛孔按三角形排列，取孔中心距t 为[6]：
155330=?==d t （mm ）
由式3-12得筛孔数目n 为：
11165015
.0175
.2155.1155.12
2=?==
t A n a 个 由式3-13得开孔率为：
%1.10101.0015.0005.0907.0907.02
200==??? ???=??? ??==t d A A a φ
气体通过阀孔的气速为：
2.11175
.2101.04604
.200=?==
A V u S （m/s ） 3.2.3 筛板的流体力学验算
1. 塔板压降
（1） 干板阻力c h 的计算
由式3-16得干板阻力c h 为：
d 0/δ=5/3=1.67,查图[6]5-10得，C 0=0.76，由式3-16得干板阻力c h 为：
415.0427.832685.3772.02.11051.0051.02
2
=???? ???=?
??
? ?????
? ??=L V c c
u h ρρ m 液柱 （2） 气体通过液层的阻力l h 计算
由式3-18得：
8592.02763
.014.34604
.2=-=-=
f T s a A A V u （m/s ）
由式3-19得：
7.1685.38592.00=?==V a u F ρ ()2121m s kg ? 查图[6]5-11得，β=0.53 由式3-17得l h 为：
()042.008.053.0=?=+==OW W L l h h h h ββ m 液柱
（3） 液体表面张力的阻力计σh 算
由式3-20得σh 为：
0017.0005.081.9427.83210675.17443
0=????==-gd h L L ρσσ m 液柱
由式3-15得气体通过每层塔板的总阻力h p 为：
0852.00017.0042.00415.0=++=++=σh h h h l c P m 液柱
由式3-14得气体通过每层塔板的压降为：
8.69581.9427.8320852.0=??==?g h P L P P ρPa ＜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，f h =2.5 h L =2.5×0.08=0.2 m
由式3-21得液沫夹带量为：
0094
.02.05.08592.010675.17107.5107.52
.3362
.36=??
? ??-??=???
?
??-?=
---f T
a L V h H u e σ
V e =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V e 在允许范围内。 4. 漏液
由式3-22得漏液点气速m in ,0u 为：
()())
/(105.6685
.3427.8320017.008.013.00056.0175.2101.0772.04.413.00056.04.40
min ,0s m h h C u V
L
L =?-?+????=-+=ρρσ
2.110=u m/s ＞m in ,0u =6.105 m/s
由式3-23稳定系数为：
83.1105
.62
.11min
,00==
=
u u K ＞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d H 应服从式3-26的关系，即
()W T d h H H +≤?
碳酸二甲酯––邻二甲苯物系取5.0=?，则
()()2705.0041.05.05.0=+?=+W T h H ? m 板上不设进口堰，d h 可由式3-25计算，即
()0245.04.0153.0'153.0153.02203
=?==???
? ??=u h
l L h W s
d m 由式3-24得d H 为：
1512.00245.00415.00852.0=++=++=d L P d h h h H m ＜0.2705 m 即： ()W T d h H H +≤?
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 ()V
L L h h C u ρρσ-+=13.00056.04.40
min ,0
式3-6 W OW L h h h += 式3-7 210004.28???
?
??=W
h OW
l L E h
式 0
min ,min ,0A V u S =
得： V
L
W h W s h l L E h A C V ρρσ??????????-???????????? ??++=3
20
0min ,100084.213.00056.04.4 685.3427.8320017.04.136********.2041.013.00056.07462.032
min
,?
??
????????-????????????? ??++?=s
s L V 整理得：3
2min ,693.00092.02.11s
s L V +?=
在操作范围内，任取几个值s L ，依上式计算出s V ,计算结果列于表3-2。
表3-2 漏液线s L ––s V 关系表
由上表数据即可作出漏液线1。 2. 液沫夹带线
V e =0.1 kg 液/kg 气为限，求s L ––s V 关系如下：
由式3-21 2
.36107.5????
??-?=
-f T
a L V h H u e σ