第三章 精餾塔工藝設計計算塔設備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產過程中廣泛采用的氣液傳質設備。根據塔內氣液接觸構件的結構形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內設置一定數量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形勢穿過板上的液層，進行傳質與傳熱，在正常操作下，氣象為分散相，液相為連續相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。本次設計的萃取劑回收塔為精餾塔，綜合考慮生產能力、分離效率、塔壓降、操作彈性、結構造價等因素將該精餾塔設計為篩板塔。3.1 設計依據63.1.1 板式塔的塔體工藝尺寸計算公式（1） 塔的有效高度 （3-1）式中 Z 板式塔的有效高度，m； NT 塔內所需要的理論板層數； ET 總板效率； HT 塔板間距，m。（2） 塔徑的計算 （3-2）式中 D 塔徑，m； VS 氣體體積流量，m3/s 空塔氣速，m/s =（0.60.8）umax （3-3） （3-4）式中 液相密度，kg/m3 氣相密度，kg/m3 C 負荷因子，m/s （3-5）式中 C 操作物系的負荷因子，m/s 操作物系的液體表面張力，mN/m3.1.2 板式塔的塔板工藝尺寸計算公式(1) 溢流裝置設計 (3-6) 式中 板上清液層高度，m； 堰上液層高度，m。 （3-7） 式中 塔內液體流量，m； E 液流收縮系數，取E=1。 35 (3-8) (3-9) (3-10) 式中 u0液體通過底隙時的流速，m/s。(2) 踏板設計開孔區面積： （3-11） 式中 開孔數： (3-12) 式中 鼓泡區面積，m2； t篩孔的中心距離，m。 (3-13)3.1.3 篩板流體力學驗算（1） 塔板壓降 (3-14) (3-15)式中 與氣體通過篩板的干板壓降相當的液柱高度，m液柱； 與氣體通過板上液層的壓降相當的液柱高度，m液柱； 與克服液體表面張力的壓降相當的液柱高度，m液柱。 (3-16)式中 氣體通過篩孔的速率，m/s； 流量系數。 (3-17) (3-18) (3-19)式中 氣相動能因子， 通過有效傳質區的氣速，m/s； 塔截面積，m2。 (3-20)（2） 液沫夾帶 (3-21) 式中 液沫夾帶量，kg液體/kg氣體； 塔板上鼓泡層高度，m。（3） 漏液 (3-22) (3-23) 式中 K穩定系數，無因次。K值的適宜范圍是1.52。（4） 液泛 （3-24） 式中 降液管中清液層高度，m液柱； 與液體流過降液管的壓降相當的液柱高度。 （3-25）式中 u0液體通過底隙時的流速，m/s。 （3-26） 式中 安全系數，對易發泡物系，=0.30.5。3.2 設計計算3.2.1 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 由Aspen模擬結果知全塔的氣相、液相平均物性參數如表3-1。表3-1 物性參數表項目流量（m3/s） 密度（kg/m3）粘度mN/m氣體2.46043.685液體0.0197832.42717.6751. 塔徑的計算查5-1史密斯關聯圖6，圖的橫坐標為：取塔板間距HT=0.50m，板上液層高度=0.08m，則 =0.50-0.006=0.42m查圖65-1的C20=0.09，由式3-5得： 由式3-4得：（m/s）取安全系數6為0.7，由式3-3得空塔氣速為：u=0.7umax=0.71.32=0.924（ m/s）由式3-2得塔徑為：（m）按標準塔徑圓整后為： D=2.000m塔截面積為： （m2）實際空塔氣速為： （m/s）2. 精餾塔有效高度的計算Aspen模擬結果NT=20，由式3-1得有效塔高為： （m）3.2.2 塔板主要工藝尺寸的計算1. 溢流裝置的計算因塔徑D=2.0 m,可選用單溢流弓形降液管,采用凹形受液盤6。各項計算如下：（1） 堰長（m）（2） 溢流堰高度由式3-7得堰上液層高度為：（m）由式3-6得溢流堰高度為：（m）（3） 弓形降液管寬度Wd和截面積由=0.7，查圖65-7 弓形降液管的參數圖得： （m2）（m）依式3-8驗算液體在降液管中的停留時間，即（s）5（s）故降液管設計合理。（4） 降液管底隙高度由式3-10得降液管底隙高度為：（m）由式3-9得：（m）故降液管底隙高度設計合理。2. 塔板布置（1） 塔板的分塊因D800mm，故塔板采用分塊式。查6表5-3得，塔板分為5塊。（2） 邊緣區寬度確定取Ws=Ws=0.08m，Wc=0.05m。（3） 開孔區面積計算由式3-11可算得開孔區面積如下：（m）（m）（4） 篩孔計算及其排列本次設計所處理的物系無腐蝕性，可選用=4 mm碳鋼板，取篩孔直徑d0=5 mm。篩孔按三角形排列，取孔中心距t為6：（mm）由式3-12得篩孔數目n為：個由式3-13得開孔率為：氣體通過閥孔的氣速為：（m/s）3.2.3 篩板的流體力學驗算1. 塔板壓降（1） 干板阻力的計算由式3-16得干板阻力為：d0/=5/3=1.67,查圖65-10得，C0=0.76，由式3-16得干板阻力為： m液柱（2） 氣體通過液層的阻力計算由式3-18得：（m/s）由式3-19得： 查圖65-11得，=0.53由式3-17得為： m液柱（3） 液體表面張力的阻力計算由式3-20得為： m液柱由式3-15得氣體通過每層塔板的總阻力hp為： m液柱由式3-14得氣體通過每層塔板的壓降為：Pa700Pa（設計允許值）2. 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，因此可以忽略液面落差的影響。3. 液沫夾帶根據設計經驗，=2.5 hL=2.50.08=0.2 m由式3-21得液沫夾帶量為：=0.0094 kg液體/kg氣體0.1 kg液體/kg氣體故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內。4. 漏液由式3-22得漏液點氣速為： m/s=6.105 m/s由式3-23穩定系數為：1.5在適宜范圍1.52內，故本設計中無明顯漏液。5. 液泛為防止塔內發生液泛，降液管內液層高應服從式3-26的關系，即碳酸二甲酯鄰二甲苯物系取，則 m板上不設進口堰，可由式3-25計算，即m由式3-24得為： m0.2705 m即：故在本設計中不會發生液泛現象。3.2.4 塔板負荷性能圖1. 漏液線由式3-22 式3-6 式3-7 式 得： 整理得：在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出,計算結果列于表3-2。表3-2 漏液線關系表，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s1.1031.1551.1871.2481.2971.3401.3771.4121.462 由上表數據即可作出漏液線1。2. 液沫夾帶線=0.1 kg液/kg氣為限，求關系如下：由式3-21 式3-18 式 式3-7 故 整理得： 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出,計算結果列于表3-3。表3-3 液沫夾帶線關系表，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s6.6976.3836.1895.7955.4655.1704.8984.6454.267由上表數據即可作出液沫夾帶線2。3. 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。由式3-7 取E=1，則 （m3/s）據此可以作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。4. 液相負荷上限線以=4s作為液體在降液管中停留時間的下限，由式3-8可得故 （m3/s）據此可以作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線4。5. 液泛線令，由式3-6 式3-17 式3-15 式3-24 聯立得：忽略，將與，與，與的關系式代入上式，并整理得： 式中 將有關的數據代入，得 ： 故 即 在操作范圍內，任取幾個值，依上式計算出,計算結果列于表3-4。表3-4 液泛線關系表，m3/s0.00060.0030.0050.010.0150.0200.0250.030.038，m3/s5.104.9514.8494.5954.3133.9813.5763.0681.811由上表數據即可作出液泛線5。根據以上各線方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖3-1所示。圖3-1 精餾塔篩板負荷性能圖在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA，即為操作線。由圖可看出，該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制。由圖3-1可知： m3/s m3/s故操作彈性為：3.3 設計結果篩板塔設計結果如表3-5所示。表3-5 篩板塔設計計算結果序號項目數值1平均溫度tm,126.92平均壓力Pm,kPa123.63氣相流量Vs，（m3/s）2.46044液相流量Ls，（m3/s）0.01975實際塔板數N406有效段高度Z，m19.57塔徑D，m2.08板間距HT，m0.59溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長lw，m1.412堰高hw，m0.04113板上液層高度hl，m0.0814堰上液層高度how，m0.03915降液管底隙高度h0，m0.03516安定區寬度Ws，m0.0817邊緣區寬度Wc，m0.0518開孔區面積Aa，m22.17519篩孔直徑d0，m0.00520篩孔數目n1116521孔中心距t，m0.01522開孔率，%10.123空塔氣速u，m/s0.78424篩孔氣速u0，m/s11.225穩定系數K1.8326每層塔