3.5篩板精餾塔設計示例3.5.1化工原理課程設計任務書設計題目:分離苯-甲苯混合液的篩板精餾塔在一常壓操作的連續精餾塔內分離苯-甲苯混合液。已知原料液的處理量為4000kg/h,組成為0.41（苯的質量分率），要求塔頂餾出液的組成為0.96，塔底釜液的組成為0.01。設計條件如下：表3-18操作壓力進料熱狀態回流比單板壓降全塔效率建廠地址4kPa（塔頂常壓）自選自選W0.7kPaET=52%天津地區試根據上述工藝條件作出篩板塔的設計計算。3.5.2設計計算1設計方案的確定本設計任務為分離苯一甲苯混合物。對于二元混合物的分離,應采用連續精餾流程。設計中采用泡點進料,將原料液通過預熱器加熱至泡點后送人精餾塔內。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝,冷凝液在泡點下一部分回流至塔內,其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系,最小回流比較小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱,塔底產品經冷卻后送至儲罐。精餾塔的物料衡算（1） 原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率苯的摩爾質量M苯的摩爾質量Ma=78.1Rg/kmal甲苯的摩爾質量址心展曲口。仲常爲92.站阿（2）原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量=0.450x78.11+（l-0.450）x92.13=85.82^g/^oZMd=0.966x78.11+(l-0.966)x92.13=78.59^g/^^=0.012x73.11+(l-0.012)x92.13=91.96^g/^/3）物料衡算原料處理量總物料衡算46.61=D+W苯物料衡算46.61X0.45=0.966D+0.012W聯立解得D=21.40kmol/hW=25.21kmol／h塔板數的確定(1)理論板層數NT的求取苯一甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數。由手冊查得苯一甲苯物系的氣液平衡數據，繪出x~y圖，見圖3-22。求最小回流比及操作回流比。作垂線ef即為進料線(q線)，該采用作圖法求最小回流比。在圖作垂線ef即為進料線(q線)，該yq=0.667xq=0.4500.966-0.667嚴0.667-0.45-故最小回流比為取操作回流比為應=取操作回流比為應=2陰二2x1.38=2.76求精餾塔的氣、液相負荷Z=Ax￡)=2.76x21.40=59.06^oZ/Z?（7?+!）￡）=（2.76+1）x21.40=80.46^o//^Lt=L+qF=^M+A6.61=105.67W///2P=刃=20.4曲引4圖3-22圖解法求理論板層數求操作線方程兒+產名兀+島=0734耳+0.257精餾段操作線方程為心=L+J-W^~L+qF-W=r313^-0004提餾段操作線方程為圖解法求理論板層數采用圖解法求理論板層數，如圖3-22所示。求解結果為總理論板層數NT=12.5(包括再沸器)進料板位置NF=6(2)實際板層數的求取精餾段實際板層數 5/0.52=9.6^10,提餾段實際板層數 6.5/0.52=12.5^13精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算以精餾段為例進行計算。

操作壓力計算塔頂操作壓力PD=101.3+4=105.3kPa每層塔板壓降厶卩二。.？kPa進料板壓力PF=105.3+0.7X10=112.3kPa精餾段平均壓力Pm=(105.3+112.3)/2=108.8kPa操作溫度計算依據操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中苯、甲苯的飽和蒸氣壓由安托尼方程計算，計算過程略。計算結果如下：塔頂溫度tD=82.1°C進料板溫度tF=99.5°C精餾段平均溫度tm=(82.l+99.5)/2=90.8C平均摩爾質量計算塔頂平均摩爾質量計算由xD=y1=0.966,查平衡曲線(見圖3-22)，得x1=0.916=0.966x78.11+(1-0.966)x92.13=78.59^g/^ZM商=0.916x78.11+(1-0.916)x92.13=79.2Ug/^oZ進料板平均摩爾質量計算由圖解理論板(見圖3-22，得yF=0.604查平衡曲線(見圖3-22)，得xF=0.388=0.604x78.11+(l-0.604)x92.13=83.66^g/too/=0.388x73.11+(1-0.388)x92.13=86.6Ug/too/精餾段平均摩爾質量MVk=(73.59+83.66)/2= .\3kg!kmol=(79.29+86.69)/2=Z2.99kglkmal平均密度計算氣相平均密度計算由理想氣體狀態方程計算，即108.8x81.138.314x(90.8+273.15)=2.92^g/7ra3108.8x81.138.314x(90.8+273.15)=2.92^g/7ra3液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即塔頂液相平均密度的計算由tD=82.1C，查手冊得pA=812.7 pB=8O7.^g/m3=°g%12.7+°'%7.9 %=呂12返用

進料板液相平均密度的計算由tF=99.5°C，查手冊得pA=793.Rgi p&=790.8kgi進料板液相的質量分率0.388x78.110.388x78.11+(1-0.388)x92.130.350=°'3/0.388x78.110.388x78.11+(1-0.388)x92.130.350=°'3//793.1+°'6//790.S精餾段液相平均密度為pLm=(812.5+791.6)/2=802.1kg/m精餾段液相平均密度為pLm=(812.5+791.6)/2=802.1kg/m3液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算，即%=￡佔j-1塔頂液相平均表面張力的計算由tD=82.1°C，查手冊得UA=21.24mN/muB=21.42mN/mULDm=0.966X21.24+(l-0.966)X21.42=21.25mN/m進料板液相平均表面張力的計算由tF=99.5C，查手冊得UA=18.90mN/muB=20.0mN/mULFm=0.388X18.90+(l-0.388)X20.0=19.57mN/m精餾段液相平均表面張力為ULm=(21.25+19.57)/2=20.41mN/m液體平均粘度計算液相平均粘度依下式計算，即lg”Lm=^xilg”i塔頂液相平均粘度的計算由tD=82.1C，查手冊得”A=0.302mPa?s”B=0.306mPa?slg”LDm=0.966Xlg(0.302)+(l-0.966)Xlg(0.306)解出”LDm=0.302mPa?s進料板液相平均粘度的計算由tF=99.5C，查手冊得”A=0.256mPa?s”B=0.265mPa?slg”LFm=0.388Xlg(0.256)+(l-0.388)Xlg(0.265)解出”LFm=0.261mPa?s精餾段液相平均粘度為”Lm=(0.302+0.261)/2=0.282mPa?s5精餾塔的塔體工藝尺寸計算塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為精餾段的氣、液相體積流率為3600^_59.06x82.99-3600x802.1=0.00173600^_59.06x82.99-3600x802.1=0.0017由Umax=C式中C由式3-5計算，其中的C20由圖3-2查取，圖的橫坐標為卩.017卩.017乂北^0.621x3600>=0.0454取板間距HT=0.40m，板上液層高度hL=0.06m,則HT-hL=0.4-0.06=0.34m查圖3-2得C20=0.072C=0.072Umax=CC=0.072Umax=C(m/s)取安全系數為0.7，則空塔氣速為m/su=0.7Xumax=0.7X1.196=0.837m/s按標準塔徑圓整后為D=1.0m塔截面積為AT=0.785D2=0.785X1.02=0.785m2u=VS/AT=0.621/0.785=0.791m/s精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為Z精=(N精T)HT=(10T)X0.4=3.6m提餾段有效高度為Z提=(N提-1)HT=(15T)X0.4=5.6m在進料板上方開一人孔，其咼度為0.8m故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=3.6+5.6+0.8=10m6塔板主要工藝尺寸的計算(1)溢流裝置計算因塔徑D=1.0m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下:堰長lw/w=0.66￡?=0.66x1.0=0.66^3取溢流堰高度hw由hw=hl~選用平直堰，堰上液層高度hOW由式3-7計算，即_2.S4_1000r0.0017x3600>近似取E=l,則0.66=0.013m取板上清液層高度hL=60mmh=hL-h=0.06-0.013=0.047^故弓形降液管寬度Wd和截面積AfL/D=0.66由 ，查圖3-10，得=0.0722,^=0.124,ffl：斗=0.0722x0.785=0.0567m2=0.124x1.0=0.124m依式3-13驗算液體在降液管中停留時間，即門_ _3600x0.0567x0.45_13§仆Th 0.0017x3600 'S>5s故降液管設計合理。降液管底隙高度h0盤n=0.08陀取降液管底隙的流速 ，則3600Ju03600x0.66xO.08hw-ha=0.047-0.032=0.015m〉0.006m故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受液盤，深度 =50mm。塔板布置塔板的分塊因D±800mm，故塔板采用分塊式。查表3-7得，塔極分為3塊。邊緣區寬度確定琢:取Ws==0.065m,Wc=0.035m③開孔區面積計算開孔區面積③開孔區面積計算開孔區面積Aa按式3-16計算，即其中x=D/2-(Wd+Ws)=0.5-(0.124+0.065)=0.311mr=D/2-Wc=0.5-0.035=0.465mA=2(0.311x-^.4652-0.3112+HixO.4652^h_10-311/ ]=0.532m2故’l 他 旳也丿④篩孔計算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性，可選用6=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d0=5mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為t=3d0=3X5=15mm篩孔數目n為滬1.1R凡_1.1為述.血淚個0.015'開孔率為①=A0/Aa=0.907/(t/d0)2=10.1%氣體通過篩孔的氣速為篩孔氣速u0=VS/A0=0.621/(0.101X0.532)=11.56m/s7篩板的流體力學驗算(1)塔板壓降①干板阻力he計算干板阻力he由式3-26計算，即由d0/6=5/3=1.67，查圖3-14得，C0=0.772=0.051故2.92802.1fll.叭<0.772>=0.0416m液柱②氣體通過液層的阻力hl計算氣體通過液層的阻力hL由式3-31計算，即%=眇丄查圖3-15，得0=0.61。h.=jSh,= +h>=0.61x(10.047+0.013)=0.0366m液柱故液體表面張力的阻力ho計算液體表面張力所產生的阻力ho由式3-34計算，即=0.0021m液柱4tl_ 4x20.41xl0~5=0.0021m液柱~802.1x9.81x0.005氣體通過每層塔板的液柱高度hp可按下式計算，即如=也+肉+兔=0.0416+0.0366+0.0021=0.0S0用液柱氣體通過每層塔板的壓降為(設計允許值)氓=^^=0.03x302.1x9.Sl=629^(設計允許值)<0.7kPa(2)液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。液沫夾帶液沫夾帶量由式3-36計算，即5.7x10^20.41xlO-3=0.014kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣故在本設計中液沫夾帶量ev5.7x10^20.41xlO-3=0.014kg液/kg氣<0.1kg液/kg氣故在本設計中液沫夾帶量ev在允許范圍內。(4)漏液對篩板塔，漏液點氣速u0,max可由式3-38計算，%血=4.4Co/0.0056+0.13^-^^/^=4.4x0.772^0.0056+0.13x0.06-0.0021)x802.1/2.92=5.985mfs實際孔速u0=11.56m/s>uO,min穩定系數為K=uo/u0,min=11.56/5.985=1.93>1.5故在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Hd應服從式3-46的關系，即HdW?(HT+hw)苯一甲苯物系屬一般物系，取4=0.5,則串(HT+hw)=0.5(0.40+0.047)=0.224而Hd=hP+hL+hd板上不設進口堰，hd可由式3-44計算，即hd=0.153(u0/)2=0.153(0.08)2=0.001m液柱Hd=0.08+0.06+0.001=0.141m液柱HdW?(HT+hw),故在本設計中不會發生液泛現象。8塔板負荷性能圖(1)漏液線t 鬥亠.*丫+叫込=乓越從打(0口龐+0.13第+心)-如)住/環 *1000由 ，卩g=皿祖麗.喚+D丄3%+鴿x畤嚴卜虬)｝曲必=4.4x0.772x0.101x0.0532xl{0.0056+0.13[0.047+^|^xlx(；^^^)2,3]-0.0021}802.1/2.92整理得血'在操作范圍內表3-193.025^0.00961+0.114iy3任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表3-19。Ls/(m3/s)0.00060.00150.00300.0045Vs/(m3/s)0.3090.3190.3310.341由上表數據即可作出漏液線l。(2)液沫夾帶線以ev=0.1kg液/kg氣為限，求Vs-Ls關系如下:由容心hf= =2.仇 =2.5(J0.047+0.§81^hf= =2.仇 =2.5(J0.047+0.§81^3)=0.11S+2.2^/3Hr-hf==0.282-2.23整理得巴=1.29-10.07在操作范圍內，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結果列于表3-20。表3-20Ls/(m3/s)0.00060.00150.00300.0045Vs/(m3/s)1.2181.1581.0811.016由上表數據即可作出液沫夾帶線2。液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度hOW=0.006m作為最小液體負荷標準。由式3-21得據此可作出與氣體流量無關的垂直液相負荷下限線3。液相負荷上限線以0=4s作為液體在降液管中停留時間的下限0=^L=4故^jnin=0-0567x0.40/4=0.00567朋飛據此可作出與氣體流量元關的垂直液相負荷上限線4。液泛線令H =hc+hl+hiF+hL+hd由

%=妙丄嘰=鶴+陽便吐亠/曰洌”9一0一1)札=(0+1)曲陽+札+饑+劣聯立得0.051忽略h°,將hOW與Ls,hd與Ls,he與Vs的關系式代人上式，并整理得旳二擴一小￡-dEJ0.051込斗魚 051_(竺)廿血(45)2仇(0.101X0.532X0.772)2802.1if=^r+(<p-^-l)^=0.5x0.40+(0.5-0.61-1)x0.047=0.148cf=O.153/(/^o)2=0.153/(0.66x0.032)2=343.01df=2.84x10~3x5(1+ =2.84x10~3x1x(1+0.6=1.421.. 人 066式中：^2=1.37-3176Z^-13.16Zy3