填料式精馏塔的设计

填料式精馏塔设计

前言

填料塔和精馏塔一样，同属于化工单元操作中精馏的过程设备。物料在填料塔中的传质、分离主要是分散在填料表面进行的。故分离效率的高低主要取决于填料的结构和性能。

由于高校填料塔比板式塔的压力将小，所以它比板式塔的操作能耗小。由于在一般情况下，高效填料塔的单位容积生产能力高，因而可以利用已有的板式塔改为高效填料塔，提高生产能力。高效填料塔唯一的缺点是高效填料造价高，一次性投资高。但从板式塔的压力降小，能耗小，分离效率高，单位容积生产能力高考虑，高效填料塔的综合性费用还是比板式塔低。

设计条件

进料中苯的质量百分数：w F%=25%

塔顶产物中苯的质量百分数：w D%≥99.8%

塔底中苯的质量百分数：w W%≤0.5%

泡点进料，即q=1

年处理量：4000吨/年

常压蒸馏：P=101.325KP a

采用拉西环式填料

三填料选择

拉西环是最古一种老、最典型的一种填料，由于它结构简单，制造容易，价格低廉，性能指数较齐全以及机械强度高，因此长久以来，尽管它存在严重缺点，但仍受厂家欢迎，沿用至今。拉西环的缺点是结构不敞开，有效空隙率比实际空隙率小得多，故压力降大得多。拉西环

在塔内有两种填料方式：乱堆和整砌。乱堆装卸较方便，但压力降较大你，一般直径在50㎜以下的拉西环用乱堆填料，直径在50㎜以上的拉西环用整砌填料，整砌填料压力降小。

当填料的名义尺寸小于20㎜时各填料本身的分离效率随尺寸的变化不大，而当填料的名义尺寸大于20㎜时各填料本身的分离效率都明显下降。因此25㎜的填料可以认为是工业填料中选用的合理填料，故本次设计选用金属拉西环25㎜×25㎜×0.8㎜。

相关物性参数如下：

表1 金属拉西环25mm×25mm×0.8mm参数

项目参数项目参数

公称直径D＝25㎜比表面积ζ＝220m ／m

外径d＝25㎜空隙率ε＝95％

高度h＝25㎜堆积个数n＝55000个／m

壁厚δ＝0.8㎜堆积密度ρ＝640㎏／m

干填料因子 a ／ε＝257／m 等板高度H＝0.46m

湿填料因子φ＝390／m 平均压降Δp＝0.5kPa／m

物料衡算

每小时处理量：

每年按300天计算（剩余时间为检修等其他时间），每天按24小时计算。

m F=4000×103

300×24

≈556Kg/ℎ

苯的相对分子量：78.108 甲苯的相对分子量：92.134 塔顶液体的摩尔质量

M LD=

1

99.8%

78.108

+0.2%

92.134

=78.132g/mol

进料液体的摩尔质量

M LF=

1

75%

78.108

+25%

92.134

=88.175g/mol

塔底液体的摩尔质量

M LW=

1

0.5%

780.108

+99.8%

92.134

=92.051g/mol

进料的摩尔质量

F=m F

F

=

556

≈6.3Kmol/h

进料中苯的摩尔分数

x F=

25%

78.108

×M F×100%=28.22%

塔顶液体中苯的摩尔分数

x D=99.8%

78.108

×M D=99.83%

塔顶液体中苯的摩尔分数

x W=

0.5%

78.108

×M W=0.589%

因为

F= D + W F×x F=D×x D+W×x W

即

6.3= D + W

6.3×28.22%=D×99.83%+W×0.589

解之得：

W≈4.546 Kmol/h

D≈1.754 Kmol/h

表1 苯（A）-甲苯（B）在各温度下的蒸汽压

t/℃80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6 P A∗/kPa101.3 114.4 128.4 144.1 161.3 180.0 200.3 222.4 237.7 P A∗/kPa 39.0 44.5 50.8 57.8 65.6 74.2 83.6 94.0 101.3 因为溶液服从拉乌尔定律，所以可以用下列两式求出相应温度下的平衡组成x,y

x A=p−p A∗p A∗−p B∗

y A=p A∗×x A

p

表2 苯-甲苯的平衡数据

t/℃80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6 x A 1 0.813 0.651 0.504 0.373 0.256 0.152 0.057 0

x B 1 0918 0.825 0.717 0.594 0.455 0.300 0.125 0 图1 苯-甲苯的温度-组成相图

因为苯-甲苯的溶液可以近似看成理想溶液，相对挥发度可用下式来计算

α=p A∗p B∗

可以得到下表

表3 苯-甲苯各温度下的相对挥发度

t/℃80.1 84 88 92 96 100 104 108 110.6

α 2.60 2.57 2.53 2.49 2.46 2.43 2.40 2.37 2.35

按照几何平均值可以求出平均相对挥发度

α= 2.60×2.57×2.53×2.49×2.46×2.43×2.40×2.37×2.35

9≈2.47最小回流比R min

泡点进料时x q=x F

R min=

1

α−1

x D

x F

−

α(1−x D)

1−x F

=

1

2.47−1

99.83%

28.22%

−

2.47×(1−99.83%)

1−28.22%