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 TTH 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uV D Sπ4=（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） VVL Cu ρρρ-=m a x （3-4） 式中 L ρ–––––液相密度，3V ρ–––––气相密度，3C –––––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 。

32100084.2⎪⎪⎭⎫⎝⎛=Wh OWl 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。

hTf 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 1222s i n 1802π （3-11）式中 ()s d W W Dx +-=2 c W Dr -=2开孔数n ：2155.1t 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 。

200907.0⎪⎭⎫⎝⎛==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 cu h ρρ2051.0 (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) fT sa 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。

04gd h L Lρσσ=(3-20) （2） 液沫夹带2.36107.5⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⨯=-f Ta 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()VL 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 hl L h W sd =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= （3-25） 式中 u 0ˊ–––––液体通过底隙时的流速，。

()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：1203.0685.3427.8324604.236000197.036002121=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛V L L L Vh 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 Cu 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=⨯⨯==uV D Sπ（m ）按标准塔径圆整后为： 2.000m 塔截面积为： 14.34414.342=⨯==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 l4.10.27.07.0=⨯==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：039.04.136000197.0110004.2810004.283232=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=WhOWl 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=Tf A A 15.0=D W d2763.014.3088.0088.0=⨯=⨯=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01.736000197.05.02763.036003600=⨯⨯⨯==hTf 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 ）()212221222175.295.062.0sin 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：11165015.0175.2155.1155.122=⨯==t A n a 个 由式3-13得开孔率为：%1.10101.0015.0005.0907.0907.02200==⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛==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：415.0427.832685.3772.02.11051.0051.022=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=L V c cu 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：0017.0005.081.9427.83210675.174430=⨯⨯⨯⨯==-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 Ta L V h H u e σV 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。