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1、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：%=25%塔顶产物中苯的质量百分数：%99.8%塔底中苯的质量百分数：%0
2、.5%泡点进料，即q=1年处理量：4000吨/年常压蒸馏：P=101.325KPa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
3、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25250.8。相关物性参数如下：表1 金属拉西环25mm25mm0.8mm参数项目参数项目参数公称直径D25比表面积220m m 外径d25空隙率95高度h25堆积个数n55000个m 壁厚0.8堆积密度640m 干填料因子a 257m等板高度H0.46m湿填料因子 390m平均压降p0.5kPam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。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进料液体的摩尔质量塔底液
4、体的摩尔质量进料的摩尔质量进料中苯的摩尔分数塔顶液体中苯的摩尔分数塔顶液体中苯的摩尔分数因为 即 解之得： 表1 苯（A）-甲苯（B）在各温度下的蒸汽压t/80.184889296100104108110.6/kPa101.3114.4128.4144.1161.3180.0200.3222.4237.7/kPa39.044.550.857.865.674.283.694.0101.3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表2 苯-甲苯的平衡数据t/80.184889296100104108110.610.8130.6510.5040.3730.2560.15
5、20.0570109180.8250.7170.5940.4550.3000.1250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可以得到下表表3 苯-甲苯各温度下的相对挥发度t/80.184889296100104108110.62.602.572.532.492.462.432.402.372.35按照几何平均值可以求出平均相对挥发度最小回流比泡点进料时 因为 取理论板数的确定从第一块塔板上升的蒸汽组成与塔顶的组成相等，即由相平衡方程 变形得精馏段操作方程 进行理论塔板的逐板计算，得到表格4气相组成液相组成因为 有因为所以在第八块塔板和第九
6、块塔板之间进料。提留段的计算因为 又因为泡点进料，即由相平衡方程得 由提留段操作方程得又因为可得到提留段各个塔板的组成气相组成液相组成因为 所以在第十九块塔板进料填料高度的计算因为采用25mm钢制拉西环，所以压力降取，等板高度HEPT=0.46m。填料塔总板数 N=19所以，填料总高度为精馏段填料高度为提留段填料高度为压力降计算精馏塔的总压降精馏段的压降提留段的压降因为采用常压操作，所以顶部压强为常压，即进料口处压强为塔底的压强为精馏塔塔径的计算物料的液体密度 塔顶 由图1得：查化工物性算图手册1得进料处查化工物性算图手册得塔底查化工物性算图手册得物料气体密度计算塔顶，因为所以，塔顶气体摩尔质
7、量塔顶气体密度进料时，, 所以，塔顶气体摩尔质量进料中气体的密度塔底 , 查图1得所以，塔底气体摩尔质量塔底气体密度塔顶和塔底气液体积流速的计算在泡点回流条件下，精馏段每层塔板下降的液体量等于回流量。精馏段每层塔板上升的量为提留段塔顶气体体积流速塔顶液体体积流速塔底气体体积流速塔底液体体积流速泛点气速的计算 泛点气速在精馏段的第一块塔板上的速度最大，在提留段的最后一块塔板的速度最大。查苯和甲苯的黏度12得40时 80.2时 110.5时 精馏段： 查填料塔泛点气速及气体压力降计算用关联图3得因为因为实际泛点气速是最大泛点气速的60%-80%，计算中取60%精馏段塔径为提留段因为圆整：根据压力容
8、器公称直径标准（GBT9019-2001）,选取D=450mm填料塔高度计算 采用的25mm钢质拉西环，HEPT取0.5米。精馏段高度提留段高度根据设计规则，塔底预留3min液体塔底预留液体体积塔底预留高度在塔顶和塔底还要按要求预留一定高度，取0.85m塔的裙座取1.2m所以塔的总高度液体分布器的计算由于圆整后的精馏塔公称直径DN为450mm，根据设计规则45 选用莲蓬头式液体分布器。液体分布器直径取 球面半径 喷洒孔直径 安装高度 取同心圆数取 m=8第一圈圆周上的孔的个数Z取6因为解之得n=216个输液能力 液体流速系数f 喷洒孔总面积，w 喷洒孔流体流速，m/sH 莲蓬头内压力 设计的液
9、体分布器合适全凝器的计算对全凝器做热量衡算，忽略热量损失全凝器热负荷，Kg/s顶部上升蒸汽和馏出液的焓，KJ/Kmol -冷却介质消耗量，Kg/s -冷却介质比热容，查化工物性算图手册可得下表 苯-甲苯物性数据项目沸点/汽化热/ KJ/mol苯80.131甲苯110.832假设用水做冷却剂，水的进口温度设为20，出口温度设为60，查表得水的比热容水的用量再沸器的计算再沸器提供全塔消耗的能量查物性手册得水的相变热为:所需的水蒸气的量为管径尺寸计算流体在管道内流动时，液体流速一般为，气体流速一般为塔顶蒸汽输出管道因为 取蒸汽流速 管径 根据普通无缝钢管（GB 8163-87）中的热轧无缝钢管标准，
10、选取的无缝钢管回流输液管道因为 取蒸汽流速管径根据普通无缝钢管（GB 8163-87）中的热轧无缝钢管标准，选取的无缝钢管塔顶馏分（D）输出管道因为 取蒸汽流速管径根据低压流体输送用焊接钢管规格（GB3091-93,GB3092-93）选取的无缝钢管回流输液管道因为 取蒸汽流速管径根据普通无缝钢管（GB 8163-87）中的热轧无缝钢管标准，选取的无缝钢管再沸器回流管道因为 取蒸汽流速 管径 根据普通无缝钢管（GB 8163-87）中的热轧无缝钢管标准，选取的无缝钢管塔底组分W输出管道因为 取蒸汽流速管径根据低压流体输送用焊接钢管规格（GB3091-93,GB3092-93）选取的无缝钢管进料
11、管道因为 取蒸汽流速 管径 根据普通无缝钢管（GB 8163-87）中的热轧无缝钢管标准，选取的无缝钢管其他设备的计算选择1 泵因为 扬程 功率 查化工原理附录二十二可选用IS50-32-200型号，在1450r/min 下，效率为33%，轴功率为0.41KW，配带功率为0.75KW换热器查物性手册得到表10，表11计算所用数据表10 苯-甲苯在各温度下的比热容温度 401.7831.74080.21.9181.910110.52.023表11 水的物性数据温度 密度 黏度 热导率 20998.21.0040.59940992.20.65330.63560983.20.46990.659塔顶产
12、品换热器因为塔顶馏出液中甲苯含量极少，且在相同温度下苯、甲苯的比热容相差不大，所以在40到80.2区间内，塔顶馏出产品的比热容取塔顶产品降到40时，放出的热量设水的进口温度,出口温度所以因为查温度校正系数算图得 所以根据总传热系数K值的大致范围表，得估算换热面积 苯走管程，水走壳程，选换热管为的钢管，估算单程长度取管长3000mm,总管数 若用四管程，则每根管的长度选用3000mm，由换热器系列标准初选釜头式换热器，总管数N=48根，每管程管数为12根，管中心距t=32mm,正方形错列，壳体内径D=600mm折流板距h=200mm,故折流板数为7块，管内苯的流速苯的对流系数因为流体被加热，所以
13、水的质量流量壳程最大流通面积水的流速正方形错列的当量直径为水的对流系数流体被加热，n=0.4污垢热阻系数,碳钢热导率总传热系数实际传热面积与原值估计相差不大，且换热面积小于换热器的换热面积，所以适合。塔底产品换热器因为塔底馏出液中苯含量极少，且在相同温度下苯、甲苯的比热容相差不大，所以在40到110.5区间内，塔顶馏出产品的比热容取塔顶产品降到40时，放出的热量设水的进口温度,出口温度所以因为查温度校正系数算图得 所以根据总传热系数K值的大致范围表，得估算换热面积 苯走管程，水走壳程，选换热管为的钢管，估算单程长度取管长6000mm,总管数 若用四管程，则每根管的长度选用6000mm，由换热器
14、系列标准初选釜头式换热器，总管数N=72根，每管程管数为12根，管中心距t=32mm,正方形错列，壳体内径D=600mm折流板距h=200mm,故折流板数为7块，管内苯的流速甲苯的对流系数因为流体被加热，所以水的质量流量壳程最大流通面积水的流速正方形错列的当量直径为水的对流系数流体被加热，n=0.4污垢热阻系数,碳钢热导率总传热系数实际传热面积与原值估计相差较大，但是换热面积小于换热器的换热面积，所以适合。加热器物料进塔前需要加热到泡点，若采用间接蒸汽加热，混合物比热容取 1.900设物料初始温度为25，物料升到泡点所需的热量为所需水蒸气的量为参考文献1 刘光启，马连湘，邢志有. 化工物性算图手册M.化学工业出版社，20022 James G. Speight . 化学工程师实用数据手册M.化学工业出版社，20063王志奎，刘英丽，刘伟. 化工原理M. 化学工业出版社，20104余国琮.化工机械工程手册（中卷）M.化学工业出版社，20035朱有庭，曲文海，于浦义. 化工设备设计手册（下卷）M. 化学工业出版社，
