甲醇-水筛板精馏塔设计

设计题目名称：甲醇---水溶液连续筛板精馏塔设计

设计条件：1．处理量：50000t/年；

2．料液组成（质量分数）：40%；

3．塔顶产品组成（质量分数）：93.0%；

4．塔顶易挥发组成回收率：99.5%；

5．年工作生产时间：330天；

6．全塔总效率：60%。

设计内容：

１．设计方案的确定：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热方式：塔底间接加热，塔顶全凝；（4）热能的利用。

２．工艺计算：（1）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确定；（4）理论塔板数的确定。

３．塔板及其塔的主要尺寸的设计：（1）塔板间距的确定；（2）塔径的确定；（3）塔板的布置及其板上流流程的确定。

４．流体力学的计算及其有关水力性质的校核。

５．板式精馏塔辅助设备的选型。

６．绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。

编写设计说明书

设计任务

完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统带控制点的工艺流程图及其精馏塔设备的工艺条件图，编写设计说明书。

附：汽液平衡数据

符号说明：

英文字母Aa---- 塔板的开孔区面积，m2 Af---- 降液管的截面积, m2

Ao---- 筛孔区面积, m 2

A T ----塔的截面积 m 2

△P P ----气体通过每层筛板的压降 C----负荷因子 无因次

t----筛孔的中心距 C 20----表面张力为20mN/m 的负荷因子 do----筛孔直径

u ’o ----液体通过降液管底隙的速度 D----塔径 m

Wc----边缘无效区宽度 e v ----液沫夹带量 kg 液/kg 气 Wd----弓形降液管的宽度 E T ----总板效率 Ws----破沫区宽度 R----回流比

Rmin----最小回流比 M----平均摩尔质量 kg/kmol t m ----平均温度 ℃

g----重力加速度 9.81m/s 2

Z----板式塔的有效高度 Fo----筛孔气相动能因子 kg 1/2/(s.m 1/2) hl----进口堰与降液管间的水平距离 m θ----液体在降液管内停留时间 h c ----与干板压降相当的液柱高度 m

υ----粘度 hd----与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m

ρ----密度

hf----塔板上鼓层高度 m

σ----表面张力 h L ----板上清液层高度 m

Ψ----液体密度校正系数 h 1----与板上液层阻力相当的液注高度 m 下标 ho----降液管的义底隙高度 m max----最大的 h ow ----堰上液层高度 m min----最小的 h W ----出口堰高度 m L----液相的 h ’W ----进口堰高度 m

V ----气相的 h σ----与克服表面张力的压降相当的液注高度 m

H----板式塔高度 m H B ----塔底空间高度 m

Hd----降液管内清液层高度 m H D ----塔顶空间高度 m H F ----进料板处塔板间距 m H P ----人孔处塔板间距 m H T ----塔板间距 m H 1----封头高度 m H 2----裙座高度 m K----稳定系数

l W ----堰长 m

Lh----液体体积流量 m 3/h Ls----液体体积流量 m 3/s n----筛孔数目 P----操作压力 KPa

△P---压力降 KPa

△Pp---气体通过每层筛的压降 KPa T----理论板层数 u----空塔气速 m/s u 0,min ----漏夜点气速 m/s u o ’ ----液体通过降液管底隙的速度 m/s V h ----气体体积流量 m 3/h V s ----气体体积流量 m 3

/s W c ----边缘无效区宽度 m W d ----弓形降液管宽度 m W s ----破沫区宽度 m Z ---- 板式塔的有效高度 m

希腊字母

δ----筛板的厚度 m

θ----液体在降液管内停留的时间 s υ----粘度 mPa.s ρ----密度 kg/m 3

σ----表面张力N/m φ----开孔率 无因次 α----质量分率 无因次

下标

Max---- 最大的 Min ---- 最小的 L---- 液相的 V ---- 气相的

目 录

一、概述 (4)

1．精馏操作对塔设备的要求 (4)

2．板式塔类型 (4)

3．精馏塔的设计步骤 (5)

二、精馏塔的物料衡算 (5)

三、塔板数的确定 (6)

四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 (6)

五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 (9)

六、塔板主要工艺尺寸的计算 (11)

七、筛板的流体力学验算 (14)

八、塔板负荷性能图 (17)

九、筛板塔设计计算结果 (20)

十、辅助设备的计算及选型 (21)

⒈原料贮罐 (21)

2．产品贮罐 (22)

３．原料预热器 (22)

4．塔顶全凝器 (23)

5．塔底再沸器 (23)

6．产品冷凝器 (24)

7．精馏塔 (24)

8．管径的设计 (25)

9．泵的计算及选型 (26)

十一、参文献考 (26)

一、概述

1．精馏操作对塔设备的要求和类型

㈠对塔设备的要求

精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

⑴气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。

⑵操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。

⑶流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。

⑷结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

⑸耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

⑹塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

㈡板式塔类型

气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。

筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：

⑴结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。

⑵处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。

⑶塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

⑷压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

筛板塔的缺点是：

⑴塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。

⑵操作弹性较小(约2～3)。

⑶小孔筛板容易堵塞。

2．精馏塔的设计步骤

本设计按以下几个阶段进行：

⑴设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。

⑵蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。

⑶塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。

⑷管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。

⑸抄写说明书。

⑹绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。

本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至贮罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。

二、精馏塔的物料衡算

⑴原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol

水的摩尔质量为：18.01kg/kmol

x f=(0.40/32.04)/(0.40/32.04+0.60/18.01)=0.273

x d=(0.93/32.04)/(0.93/32.04+0.07/18.01)=0.882

⑵原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量

M f=32.04×0.273+18.01×(1-0.273)=21.84kg/mol

M d=32.04×0.882+18.01×(1-0.882)=30.38kg/mol

则可知：

原料的处理量：F=50000/(330×24×21.84)=289.06kmol/h

根据回收率：η= x d×D/(x f×F)=99.5%

则有：D=89.02kmol/h

由总物料衡算：F= D+W

以及: x f×F= x d×D+W×x w

容易得出：W=200.04kmol/h

x w=0.00199

三、塔板数的确定

⑴理论板层数N T的求取

因为甲醇与水属于理想物系，可采用图解法求解（见相平衡图1---1）

最小回流比及其操作回流比的求解：y

δ=0.647，xδ=0.273

Rmin=(x D-yδ)/(yδ-xδ)

=(0.882-0.647)/(0.647-0.273)

=0.628

取操作回流比为：R=1.8Rmin=1.8×0.628=1.130

a．精馏塔的气、液相负荷

L=R×D=1.13×89.02=100.59kmol/h

V=(R+1)×D=2.13×89.02=189.61kmol/h

L’=L+F=100.59+289.06=389.65kmol/h

V’=V=189.61kmol/h

b．精馏段、提馏段操作线方程

精馏段操作线：y=L/V×x+D/V×x d=0.5305x+0.414

提馏段操作线：y’=L’/V’×x’－W/V’×x w=2.055x’-0.002

c．图解法求理论塔板层数

根据图一所示，可求得结果为

总理论塔板数N T为8块(包括再沸器)

进料板位置N F为自塔顶数起第4块

⑵理论板层数N T的求取

=3/60%=5块

精馏段实际塔板数N

精

提馏段实际塔板数N

=5/60%=9块

提

四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算

⑴操作压力的计算

设每层塔压降：△P=0.9KPa（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在

0.4~1.1kPa）

进料板压力：P F=101.3+5×0.9=105.8(KPa)

精馏段平均压力：Pm=(101.3+105.8)/2=103.5(KPa)

塔釜板压力：P W=101.3+14×0.9=113.9(KPa)

提馏段平均压力：Pm’=(105.8+113.9)/2=109.85(KPa)

⑵操作温度的计算

查表⑴可得

H2O的安托尼方程：lgP A O=7.07406-1657.46/(t A+227.02) CH3OH的安托尼方程：lgP B O=7.19736-1574.99/(t B+238.86) 甲醇的t B

lg101.3=7.19736-1574.99/(t B+238.86)

t B=64.5(℃)

由泡点方程试差可得当t D=67.0℃时∑Kixi≈1

同理可求出t F=85.2℃时∑Kixi≈1

t W=103.2℃时∑Kixi≈1 所以塔顶温度t D=67.0℃

进料板温度t F=85.2℃

塔釜温度t W=103.2℃

精馏段平均温度t m=(67.0+85.2)/2=76.1(℃)

提馏段平均温度t’m=(103.2+85.2)=94.2(℃)

⑶平均摩尔质量的计算

a. 塔顶平均摩尔质量计算

由x D=y1=0.882 查平衡曲线(图一)得x1=0.727

M VD m=0.882×32.04+(1-0.882)×18.01=30.38kg/mol

M LDm=0.727×32.04+(1-0.727)×18.01=28.21kg/mol

b. 进料板平均摩尔质量计算

由y F=0.600 查平衡曲线(图一)得x1=0.220

M VFm=0.600×32.04+(1-0.600)×18.01=26.43kg/mol

M LFm=0.220×32.04+(1-0.220)×18.01=21.10kg/mol

c. 塔釜平均摩尔质量计算

由y1’=0.006 查平衡曲线(图一)得x1’=0.001

M’VW m=0.006×32.04+(1-0.006)×18.01=18.09kg/mol

M’LWm=0.001×32.04+(1-0.001)×18.01=18.02kg/mol

d. 精馏段平均摩尔质量

M Vm=(30.38+26.43)/2=28.41kg/mol

M Lm=(28.21+21.10)/2=24.66kg/mol

e. 提馏段平均摩尔质量

M’Vm=(26.43+18.09)/2=22.26kg/mol

M’Lm=(21.10+18.02)/2=19.56kg/mol

⑷平均密度的计算

a. 精馏段平均密度的计算

Ⅰ气相由理想气体状态方程得

ρVm=P m M vw/RT m=(103.5×28.41)/[8.314×(273.15+76.1)]=1.01kg/m3Ⅱ液相查⑵可得t D=67.0℃时ρA＝979.4kg/m3ρB=750.0kg/m3

t F=85.2℃时ρA＝968.5kg/m3ρB=735.0kg/m3ρLDm=1/(0.93/750.0+0.07/979.4)=762.5kg/m3

进料板液相的质量分率

αA=(0.220×32.04)/(0.220×32.04+0.780×18.01)=0.334

ρLFm=1/(0.334/735.0+0.666/968.5)=875.6kg/m3

精馏段液相平均密度为

ρLm=(762.5+875.6)/2=819.1 kg/m3

b. 提馏段平均密度的计算

Ⅰ气相由理想气体状态方程得

ρ’Vm=P m M vw/RT m=(109.35×22.27)/[8.314×(273.15+94.2)]=0.80kg/m3Ⅱ液相查⑵可得t w=103.2℃时ρA＝956.1kg/m3ρB=720.0kg/m3αA=(0.001×32.04)/(0.001×32.04+0.999×18.01)=0.0018

ρ’Lwm=1/(0.0018/720.0+0.9982/956.18)=955.62kg/m3

提馏段平均密度

ρ’Lm=(955.62+875.6)/2=915.6 kg/m3

⑸平均粘度的计算

液相平均粘度依下式计算即

lgμL m=∑xilgμi

a．塔顶液相平均粘度的计算由t D=67.0℃查⑵得

μA=0.4233mPa.s μB=0.3110mPa.s

lgμLD m=0.882lg(0.3110)+0.118lg(0.4233)

=-0.49

μLDm=0.323mPa.s

b．进料板平均粘度的计算由t F=85.2℃查⑵得

μA=0.3320mPa.s μB=0.2550mPa.s

lgμLFm=0.220lg(0.2550)+0.780lg(0.3320)

=-0.50

μLFm=0.313mPa.s

精馏段平均粘度

μLm=(0.323+0.313)/2=0.318mPa.s

c．塔底液相平均粘度的计算由t W=103.2℃查⑵得

μA=0.275mPa.s μB=0.220mPa.s

lgμLW m=0.00199lg(0.220)+0.99801lg(0.275)

=-0.56

μLWm=0.275mPa.s

提馏段平均粘度

μL ’m =(0.275+0.313)/2=0.294mPa.s

⑹ 平均表面张力的计算

液相平均表面张力依下式计算 即

σ

Lm =∑xi σ

i

a. 塔顶液相平均表面张力的计算 由t D =67.0℃查⑵得

σA =64.91mN/m σB =18.30mN/m

σ

LDm =0.882×18.30+0.118×64.91=23.80 mN/m

b. 进料板液相平均表面张力的计算 由t F =85.2℃查⑵得

σA =62.22mN/m σB =16.40N/m

σ

LFM =0.220×16.4+0.780×62.22=52.14 mN/m

c. 塔底液相平均表面张力的计算 由t W =103.2℃查⑵得

σA =58.20mN/m σB =14.40N/m

σLWm =0.00199×14.40+0.99801×58.2=58.11 mN/m

精馏段液相平均表面张力

σ

Lm =(52.14+23.80)/2=37.97 mN/m

提馏段液相平均表面张力 σ’Lm =(52.14+58.11)/2=55.13 mN/m

五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算

⑴ 由上面可知精馏段 L=100.59kmol/h

V=189.61kmol/h

a ． 塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为

V S =VM Vm /3600ρ

Vm =(189.61×28.405)/(3600×1.01)=1.481m

3

/s

L S =LM L m /3600ρ

L m =(100.59×24.655)/(3600×819.1)=0.00084m 3

/s

max u =2

.020)

02

.0(

σ

C C =由史密斯关联图⑶查得C 20再求

图的横坐标为 F lv =L/V×(ρl /ρv )0.5=0.0162

取板间距，H T =0.40m,板上清液层高度取h L =0.05m ，则H T -h L =0.35 m

史密斯关联图如下

由上面史密斯关联图，得知 C 20=0.075 气体负荷因子 C= C 20×(σ/20)0.2

=0.08526 U max =2.43

取安全系数为0.8，则空塔气速为 U=0.8U max =0.8×2.43=1.94m/s u

V D 785.0/

=

=0.986m

按标准塔径圆整后为D=1.0m 塔截面积为At=3.14×1×1=0.785 m 2

实际空塔气速为U 实际=1.481/0.785=1.887 m/s

U 实际/ U max =1.887/2.43=0.78(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)

⑵ 由上面可知提馏段 L=389.65kmol/h

V=189.61kmol/h

a ．提馏段塔径的计算 提馏段的气、液相体积流率为

V ’S =V ’M Vm /3600ρ’Vm =(189.61×22.26)/(3600×0.80)=1.4660m 3/s

L ’S =L ’M Lm /3600ρ’L m =(389.65×19.56)/(3600×915.6)=0.2200m 3/s

max u C

=2

.020)

02

.0(

σ

C C =由史密斯关联图⑶查得C 20再求

图的横坐标为 F lv =L/V×(ρl /ρv )0.5=0.051

取板间距，H T =0.40m ，板上清液层高度取h L =0.06m ，则H T -h L =0.34 m 由史密斯关联图，得知 C 20=0.076

气体负荷因子 C= C 20×(σ/20)0.2=0.093 U max =3.14m/s

取安全系数为0.7，则空塔气速为 U=0.7U max =0.7×3.14=2.20m/s u

V D 785.0/

=0.921m

按标准塔径圆整后为D=1.0m 塔截面积为At=3.14×1×1=0.785 m 2

实际空塔气速为U 实际=1.466/0.785=1.868 m/s

U 实际/ U max =1.868/3.14=0.59(安全系数在充许的范围内，符全设计要求) ⑶ 精馏塔有效高度的计算

精馏段有效高度为 Z 精=（N 精-1）H T =（5-1）×0.40=1.6 m 提馏段有效高度为 Z 提=（N 提-1）H T =（9-1）×0.40=3.2 m 在进料板上方开一个人孔，其高度为0.8 m

故精馏塔有效高度为Z=Z 精+Z 提+0.5=1.6+3.2+0.8=5.6m

六、塔板主要工艺尺寸的计算

⑴ 精馏段 a ．溢流装置计算 因塔径 D=1.0m ，

所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。( 此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m 的塔中被广泛使用。)各项计算如下： 1) 堰长lw

可取lw=0.60D=0.60m 2) 溢流堰高度hw 由hw=h L －how

选用平直堰，( 溢流堰板的形状有平直形与齿形两种，设计中一般采用平直形溢流堰板。) 堰上层液高度how 由下列公式⑷计算，即有 how=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

并由图液流收缩系数计算图⑷，则可取用E= 1.0 ，则

how=0.0083m

取板上清液层高度h L =0.05 m 故 hw=0.0417m

3) 弓形降液管的宽度Wd 和截面积Af 由Wd/D=0.6 m 查⑷可求得 Af/A T =0.057 Wd/D=0.125

Af=0.057×0.785=0.0448 m2

Wd=0.125×1.0=0.125 m

并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即

θ=3600 Af×H T/L h= 3600 ×0.0448×0.40/ (3600×0.0084)=21.31s＞5s

其中H T即为板间距0.40m，L h即为每小时的体积流量

验证结果为降液管设计符合要求。

4）降液管底隙高度h o

h o= L h/（3600×lw×uo'）

取u o'=0.07m/s

则h o=0.0084×3600/(3600×0.6×0.07)

=0.020024 m＞0.02m

H w-h o=0.0417-0.020024=0.02167191＞0.006 m

故降液管底隙高度设计合理

选用凹形受液盘，深度h’w=55mm。

b．塔板布置

1) 塔板的分块

因为D≥800mm，所以选择采用分块式，查⑷可得，塔板可分为3块。

2) 边缘区宽度确定

取Ws=W’s= 65mm , Wc=35mm

c．开孔区面积计算

开孔区面积Aa按下面式子计算，则有

Aa=2【x（r2－x2）0.5+∏r2/180×sin-1（x/r）】

其中x=D/2－(Wd＋Ws)

r= D/2－Wc

并由Wd/D=0.125，推出Wd=0.125

由上面推出Aa=0.530m2

d 筛孔计算与排列

本实验研究的物系基本上没有腐蚀性，可选用δ= 3mm碳钢板，取筛孔直径do=5mm⑷

筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为

t=3 do=15mm

筛孔的数目n为

n=1.155Ao/t2=2721个

开孔率为φ=0.907（do/t）2=10.1%

气体通过阀孔的气速为

u o=Vs/Ao=1.481/（Aa×φ）=27.67m/s

⑵提馏段(计算公式和原理同精馏段)

a．溢流装置计算

因塔径D=1.0m，

所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘（同精馏段）。各项计算如下：1) 堰长lw

可取lw=0.60D=0.60m

2) 溢流堰高度hw

由hw=h L－h ow可选取平直堰，堰上层液高度h ow由下列公式计算，即有

h ow=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

并由图液流收缩系数计算图⑷，则可取用E= 1.0 ，则

h ow=0.0159m

取板上清液层高度h L=0.06 m

故hw=0.06-0.0159=0.0441 m

3) 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af

由Wd/D=0.6 m 查图⑷可求得

Af/A T=0.057 Wd/D=0.125

Af=0.057×0.785=0.044745 m

Wd=0.125×1.0=0.125 m

并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即

θ=3600 Af×H T/L h= 3600 ×0.044745×0.40/ (3600×0.0022)=8.14s＞5s

其中H T即为板间距0.40m，L h即为每小时的体积流量

验证结果为降液管设计符合要求。

4）降液管底隙高度h o

h o= L h/（3600×lw×u o'）

取u o'=0.17m

则h o=0.0022×3600/(3600×0.6×0.17)

=0.022 m＞0.02m

H w-h O=0.0417-0.022=0.0197m＞0.006 m

故降液管底隙高度设计合理

选用凹形受液盘，深度h’w=55mm。

b 塔板布置

1) 塔板的分块

因为D≥800mm，所以选择采用分块式，查表⑷可得，塔板可分为3块。

2) 边缘区宽度确定

取Ws=W’s= 65mm , Wc=35mm

c 开孔区面积计算

开孔区面积Aa按式子5-12计算，则有

Aa=2【x（r2－x2）0.5+∏r2/180×sin-1（x/r）】

其中x=D/2－(Wd＋Ws)

r= D/2－Wc

并由Wd/D=0.125，推出Wd=0.125

由上面推出Aa=0.530m2

d 筛孔计算与排列

本实验研究的物系基本上没有腐蚀性，可选用δ= 3mm碳钢板，取筛孔直径

do=5mm 筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为

t=3 do=15mm

筛孔的数目n为

n=1.155Ao/t2=2721个

开孔率为φ=0.907（do/t）2=10.1%

气体通过阀孔的气速为

u o=V’s/Ao=1.466/（0.101×0.530）=27.38m/s

七、筛板的流体力学验算

⑴精馏段

1) 塔板的压降

a干板的阻力hc计算

干板的阻力hc计算由公式

hc=0.051(u o/c o)2×（ρv/ρl）

并取do/δ= 5/3=1.67 ,可查史密斯关联图得，c o=0.772

所以hc=0.051(27.67/0.772) 2×(1.01/819.1)=0.0786m液柱

b 气体通过液层的阻力hl的计算

气体通过液层的阻力hl由公式

hl=βh L

u a=Vs/（A T－Af）=1.481/(0.785-0.0047)=1.897m/s

Fo=1.897(1.01)1/2=1.90kg1/2/(s m1/2)

可查⑸得，得β=0.54

所以hl=βh L=0.54×(0.0417+0.0083)=0.027 m液柱

c 液体表面张力的阻力hσ计算

液体表面张力的阻力h

σ由公式hσ=4σL/（ρl×g×do）计算,则有

hσ=(4×37.97×10-3)/(819.1×9.81×0.005)=0.0038 m液柱

气体通过每层塔板的液柱高度h P，可按下面公式计算

h P=hc+hl+hσ=0.0786+0.027+0.0038=0.1094m液柱

气体通过每层塔板的压降为

△Pp= h P×ρl×g =0.1094×819.1×9.81=879.07Pa＜0.9KPa（设计允许值）

2) 液面落差

对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影

响。

3) 液沫夹带

液沫夹带量，采用公式

e v=5.7×106/σL×【u a/(H T－h f)】3.2

由h f=2.5h L=2.5×0.05=0.125m 所以：

e v=(5.7×10-6/37.97×10-3) 【1.897/(0.4-0.125)】

=0.068kg液/kg气＜0.1kg液/kg气

可知液沫夹带量在设计范围之内。

4) 漏液

对于筛板塔，漏液点气速u o,min可由公式

Uo,min=4.4Co【(0.0056+0.13 h L-hσ)/ρL /ρV】1/2=8.81m/s 实际孔速为Ｕo27.67m/s＞Uo,min

稳定系数为Ｋ=Uo/Uo,min=27.67/8.81=3.14＞1.5

故在本设计中无明显漏液。

5) 液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液高度Hd应服从式子

Hd≤ψ(H T＋h w)

甲醇与水属于一般物系，取ψ= 0.5，则

ψ(H T＋h w)=0.5（0.40+0.0417）=0.221m

而Hd=hp+h L+hd

板上不设进口堰，则有

hd=0.153(u o’)2=0.153×(0.07)2=0.0007m液柱

Hd=hp+h L+hd=0.1094+0.05+0.0007=0.160m液柱

则有：Hd≤ψ(H T＋h w)

于是可知本设计不会发生液泛

⑵提馏段

1) 塔板的压降

a干板的阻力hc计算

干板的阻力hc计算由公式

hc=0.051(u o/c o)2×（ρv/ρl）

并取do/δ= 5/3=1.67 ,可查图得，c o=0.772

所以h’c= 0.0561m液柱

b 气体通过液层的阻力hl计算

气体通过液层的阻力hl由公式

hl=βh L

u a=Vs/（A T－Af）=1.879m/s

Fo=1.897×0.80.5=1.68kg1/2/s m1/2

可查图得β=0.58

所以hl=βh L=0.0344m液柱

c 液体表面张力的阻力hσ计算

液体表面张力的阻力h

σ

由公式hσ=σL/（ρl×g×do）计算,则有

hσ=0.0052m液柱

气体通过每层塔板的液柱高度h P，可按公式

h P=hc+hl+hσ=0.0947m液柱

气体通过每层塔板的压降为

△Pp= h P×ρl×g = 850.59Pa＜0.9kPa 计算结果在设计充值内

2) 液面落差

对于筛板塔，液面落差很小，因塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。

3) 液沫夹带

液沫夹带量，采用公式

e v=5.7×10-6/σL×【u a/(H T－h f)】3.2 由

h f=2.5h L=0.125m

所以e v=5.7×10-6/55.13×10-3【 1.879/(0.40-0.125)】3.2

=0.048 kg液/kg气＜0.1 kg液/kg气

可知液沫夹带量在设计范围之内。

4) 漏液

对于筛板塔，漏液点气速u o,min可由公式

Uo,min=4.4Co【(0.0056+0.13 h L-hσ)/ρL /ρV】1/2=9.55m/s

Uo=27.38m/s＞Uo,min

稳定系数为K= Uo / Uo,min =27.38/9.55=2.87＞1.5

故在本设计中无明显漏液。

5) 液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液高度Hd应服从式子

Hd≤ψ(H T＋h w)

甲醇与水属于一般物系，取ψ= 0.5 则

ψ(H T＋h w)=0.5（0.40+0.417）=0.221m

而Hd=hp+h L+hd

板上不设进口堰，则有

hd=0.153(u o’)2=0.004m液柱

Hd=hp+h L+hd=0.095+0.05+0.004=0.149 m液柱

则有：

Hd≤ψ(H T＋h w)

于是可知本设计不会发生液泛。

八、塔板负荷性能图

⑴精馏段

a漏液线

U o,min=4.4Co【(0.0056+0.13 h L-hσ)/ρL /ρV】1/2

U o,min=V s, min/Ao

h L= h w +h OW

h OW =2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

V s, min =4.4Co Ao{【0.0056+0.13( h W+2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3))- hσ】ρL /ρV }1/2 =5.178 (0.007151+0.1219Ls2/3) 1/2

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表

b 液沫夹带线

e v =0.1kg液/kg气为限，求Vs—Ls关系如下：

e v=5.7×10-6/σL×【u a/(H T－h f)】3.2

u a=Vs/(A T-Af)=1.351 Vs

h f=2.5h L=2.5(h w+ h ow)

h w=0.0417

h ow=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

h f=2.5(0.0417+ 0.93 Ls2/3)=0.10+2.3 Ls2/3

H T－h f=0.40-0.10-2.30Ls2/3=0.3-2.30 Ls2/3

e v=5.7×10-6/37.97×10-3【 1.351Vs/(0.3-2.30 Ls2/3)】3.2 =0.1

整理得Vs=1.70-13.00 Ls2/3

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表

c 液相负荷下限线

对于平流堰，取堰上液层高度h ow=0.005m作为最小液体负荷标准，由式

h ow=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3) =0.005

Ls,min=0.00024m/s

据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线

d 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，由下式

θ=（Af×H T）/L s=4

故Ls,max=（Af×H T）/4=（0.0447×0.40）/4=0.00447 m3/s

据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限

e 液泛线

令Hd=ψ(H T＋h w)

Hd=hp+h L+hd

h P=hc+hl+hσ

hl=βh L

h L= h w +h OW

联立得ψH T＋(ψ-β-1)h w=(β+1) h OW+ hc + hd + hσ

忽略h

σ，将h OW与Ls、hd和Ls、hc与Vs的关系代入上式，得

a’ V2s=b’-c’ Ls2-d’ Ls2/3式中

a’=[0.051/(A o c o)2]×（ρv/ρl）

b’=ψH T＋(ψ-β-1)h w

c’=0.153/(lwh O)2

d’=2.84×10-3×E×( 1+β)(3600/lw)(2/3)

将有关数据代入,得

a’=[0.051/(0.101×0.530×0.772)2]×（1.01/819.1）=0.037

b’=0.5×0.4＋(0.5-0.54-1)×0.0417=0.157

c’=0.153/(0.6×0.02)2=1062.500

d’=2.84×10-3×1×( 1+0.54)(3600/0.6)(2/3)=1.444 故

V2s=4.24-28716.22 Ls2-39.03 L2/3s

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs的值，计算结果如下表

在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图二可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得

V s,max= 3.433m3/s V s,min=0.400 m3/s

故操作弹性为

V s,max/ V s,min=3.433/0.400=8.583

⑵提馏段

a漏液线

Uo,min=4.4Co【(0.0056+0.13 h L-hσ)/ρL /ρV】1/2

Uo,min=V s, min/Ao

h L= h w +h OW

h OW =2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

V s, min =4.4Co Ao{【0.0056+0.13( h W+2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3))- hσ】ρL /ρV }1/2 =6.151 (0.005821+0.1219Ls2/3) 1/2

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表

b 液沫夹带线

e v =0.1kg液/kg气为限，求Vs—Ls关系如下：

e v=5.7×10-6/σL×【u a/(H T－h f)】3.2

u a=Vs/(A T-Af)=1.351 Vs

h f=2.5h L=2.5(h w+ h ow)

h w=0.0417

h ow=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3)

h f=2.5(0.0417+ 0.93 Ls2/3)=0.10+2.3 Ls2/3

H T－h f=0.40-0.10-2.30Ls2/3=0.3-2.30 Ls2/3

e v=5.7×10-6/37.97×10-3【 1.351Vs/(0.3-2.30 Ls2/3)】3.2 =0.1

整理得

Vs=1.70-13.00 Ls2/3

在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值计算结果列于下表

c 液相负荷下限线

对于平流堰，取堰上液层高度h ow=0.005m作为最小液体负荷标准，由式

h ow=2.84/1000×E×(Lh/lw)(2/3) =0.005

Ls,min=0.00024m/s

据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线

d 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，由下式

θ=（Af×H T）/L s=4

故Ls,max=（Af×H T）/4=（0.0447×0.40）/4=0.00447 m3/s

据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限

e 液泛线

令Hd=ψ(H T＋h w)

Hd=hp+h L+hd

h P=hc+hl+hσ

hl=βh L

h L= h w +h OW

联立得

ψH T＋(ψ-β-1)h w=(β+1) h OW+ hc + hd + hσ

忽略h

σ，将h OW与Ls、hd和Ls、hc与Vs的关系代入上式，得

a’ V2s=b’-c’ Ls2-d’ Ls2/3

式中

a’=[0.051/(A o c o)2]×（ρv/ρl）

b’=ψH T＋(ψ-β-1)h w

c’=0.153/(lwh O)2

d’=2.84×10-3×E×( 1+β)(3600/lw)(2/3)

将有关数据代入,得

a’=[0.051/(0.101×0.530×0.772)2]×（0.80/915.6）=0.026

b’=0.5×0.4＋(0.5-0.58-1)×0.0417=0.155

c’=0.153/(0.6×0.022)2=878.100

d’=2.84×10-3×1×( 1+0.58)(3600/0.6)(2/3)=1.482故

V2s=5.96-33773.08 Ls2-57.00 Ls

在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线。由图(1---3)可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得

V s,max= 3.233m3/s V s,min=0.433 m3/s

故操作弹性为

V s,max/ V s,min=3.233/0.433=7.467

九、筛板塔设计计算结果

序号项目精馏段提馏段

1 平均温度t m℃76.1 94.2

3 平均压力P m kPa 103.5 109.85

5 气相流量Vs m3/s 1.481 1.466

7 液相流量Ls m3/s 0.00084 0.051

9 实际塔板数14

10 有效段高度Z m 5.6

11 精馏塔塔径m 1.0

12 板间距m 0.4

13 溢流形式单溢流

14 降液管形式弓形