精馏塔工艺工艺设计方案计算
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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 1222sin 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。 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。