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 ； –––––塔内所需要的理论板层数； –––––总板效率； –––––塔板间距，m 。
（2） 塔径的计算
u
V D S
π4=
（3-2） 式中 D –––––塔径，m ； –––––气体体积流量，m 3 u –––––空塔气速，
u =（0.6~0.8） （3-3） V
V
L C
u ρρρ-=m a x （3-4） 式中 L ρ–––––液相密度，3
V ρ–––––气相密度，3
C –––––负荷因子，
2
.02020??
?
??=L C C σ （3-5）
式中 C –––––操作物系的负荷因子，
L σ–––––操作物系的液体表面张力， 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，。
(2) 踏板设计
开孔区面积a A ：
???
?
?
?+-=-r x r x r x A a 1
222s i n 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，； 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，； 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，液体气体； 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，。
()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（） 取安全系数[6]为0.7，由式3-3得空塔气速为： 0.70.7×1.32=0.924（ ） 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： 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 （） 2. 精馏塔有效高度的计算
模拟结果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≥800，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′=0.08m ，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 碳钢板，取筛孔直径d 0=5 。筛孔按三角形排列，取孔中心距t 为[6]：
155330=?==d t （）
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 （） 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 （）
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 ρ＜700（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 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 液体气体＜0.1 液体气体
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 in ,0u =6.105
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
m i n
,m i n ,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 液气为限，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 式3-18 s s
f T s a V V A A V u 3492.02763
.014.3=-=-=
式 ()OW W L f h h h h +==5.25.2 041.0=W h 式3-7 3
23
23
2533.04.136001100084.2100084.2s
s W
h
OW
L L l L E h =??
?
???????
?
??=
故 3
2533.01025.0s f L h +=
3
2333.1398.0s T L H -=
1.0333.1398.0349
2.010675.1710
7.52
.3323
6
=?
??
? ??-??=
--s s V L V e
整理得： 3
2942.22850.6s
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3-3。
表3-3 液沫夹带线s L ––s V 关系表
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006.0=OW h 作为最小液体负荷标准。 由式3-7 006.03600100084.22=???
? ??=
W s OW l L E h
取1，则
0012.03600
4
.184.21000006.02
3min
,=?
?
? ???=s L （m 3） 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
43600==
h
T
f L H A θ
故 0345.045.02763.04
m i n ,=?=???
? ?
?=T
f s H A L （m 3） 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()W T d h H H +=?，由 式3-6 W OW L h h h +=
式3-17 ()OW W L l h h h h +==ββ 式3-15 σh h h h l c P ++=
式3-24 d L P d h h h H ++= 联立得：
()()σββ??h h h h h H d c OW W T ++++=--+11
忽略σh ，将OW h 与s L ，d h 与s L ，c h 与s V 的关系式代入上式，并整理得：
3
222''''s
s s L d L c b V a --=
式中 ()???
?
??=
L V
c A a ρρ200051.0' ()W T h H b 1'--+=β?? ()2
0153.0'h l c W =
()236001100084
.2'???
? ??+=W l E d β
将有关的数据代入，得 ： ()00785.0427.832685.3772.0101.0175.2051
.0'2
=??
? ????=
a ()210.0041.0153.05.05.05.0'=?--+?=
b ()
723.63035.04.1153
.0'2
=?=
c
()8156.04.1360053.011100084.2'3
2=?
?
?
??+??=d
故 3
22
2
8156.0723.63210.000785.0s s s L L V --= 即
3
22
9.10358.8117752.26s
s s L 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3-4。
表3-4 液泛线s L ––s V 关系表
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，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：
346.3max ,=s V m 3 225.1m i n ,=s V m 3
故操作弹性为：
731.2225
.1346
.3min ,max ,=s s V V
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,℃ 126.9 2 平均压力 123.6 3 气相流量，（m 3） 2.4604 4
液相流量，（m 3）
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，m 0.5
9 溢流形式单溢流
10 降液管形式弓形
11 堰长，m 1.4
12 堰高，m 0.041
13 板上液层高度，m 0.08
14 堰上液层高度，m 0.039
15 降液管底隙高度h0，m 0.035
16 安定区宽度，m 0.08
17 边缘区宽度，m 0.05
18 开孔区面积，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，0.784
24 筛孔气速u0，11.2
25 稳定系数K 1.83
26 每层塔板压降，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,(液气) 0.0094
30 气相负荷上限，m3 3.346
31 气相负荷下限，m3 1.225
32 操作弹性 2.731
3.4模拟结果
采用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：40 回流比：3.8
塔径：194.8 堰长：141.6
详细情况见附件。