板式塔设计

板式塔设计

概述

本章符号说明

英文字母

A a——塔板开孔区面积，m2；

A f——降液管截面积，m2；

A0——筛孔总面积，m2；

A T——塔截面积，m2；

c0——流量系数，无因次；

C——计算u max时的负荷系数，m/s；

C s——气相负荷因子，m/s；

d0——筛孔直径，m；

D——塔径，m；

ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)；

E——液流收缩系数，无因次;

E T——总板效率，无因次；

F——气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)；

F0——筛孔气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)；

h1——进口堰与降液管间的水平距离，m；

h c——与干板压降相当的液柱高度，m液柱；

h d——与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m：h f——塔板上鼓泡层高度，m；

h l——与板上液层阻力相当的液柱高度，m；

h L——板上清液层高度，m；

h0——降液管的底隙高度，m；

h ow——堰上液层高度，m；

h w——出口堰高度，m；

h′w——进口堰高度，m；

hσ——与克服σ的压降相当的液柱高度，m；H——板式塔高度;

H B——塔底空间高度，m；

H d——降液管内清液层高度，m；

H D——塔顶空间高度，m；

H F——进料板处塔板间距，m ；

H P——人孔处塔板间距，m；

H T——塔板间距，m；

H1——封头高度，m；

H2——裙座高度，m；

K——稳定系数，无因次；

l W——堰长，m；

L h——液体体积流量，m3/h；

L S——液体体积流量，m3/s；

n——筛孔数目；

N T——理论板层数；

P——操作压力，Pa；

△P——压力降，Pa；

△P p——气体通过每层筛板的压降，Pa；r——鼓泡区半径，m；

t——筛孔的中心距，m；

u——空塔气速，m/s；

u F——泛点气速，m/s

u0——气体通过筛孔的速度，m/s；

u0.min——漏液点气速，m/s；

u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s；V h——气体体积流量，m3/h；

V S——气体体积流量，kg/s；

W L——液体质量流量，kg/s；

W V——气体质量流量，kg/s；

W c——边缘无效区宽度，m；

W d——弓形降液管宽度，m；

W s——破沫区宽度，m；

Z——板式塔的有效高度，m；

希腊字母

β——充气系数，无因次；

δ——筛板厚度，m

θ——液体在降液管内停留时间，s；μ——粘度，Pa·s；

ρ——密度，kg/m3；

σ——表面张力，N/m；

φ——开孔率或孔流系数，无因次；

ψ——液体密度校正系数，无因次。

下标

max——最大的；min——最小的；

L——液相的；

V——气相的。

3.1 概述

3.1.1

塔设备的类型

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式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，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。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上(有时也采用并流向下)流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。

3.1.2

板式塔与填料塔的比较及选型

3.1.2.1 板式塔与填料塔的比较

工业上，评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：①生产能力；②分离效率；

③塔压降；④操作弹性；⑤结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下。

(1) 生产能力

板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现，塔板的开孔率一般占塔截面积的7%~10%；而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液流接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上，而填料层的空隙率则超过90%，一般液泛点较高，故单位塔截

面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。

(2) 分离效率

一般情况下，填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为2~8级。而常用的板式塔，每米理论板最多不超过2级。研究表明，在减压、常压和低压(压力小于0.3 MPa)操作下，填料塔的分离效率明显优于板式塔，在高压操作下，板式塔的分离效率略优于填料塔。

(3) 压降

填料塔由于空隙率高，故其压降远小于板式塔。一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1kPa，填料塔约为0.01~0.27 kPa，通常，板式塔压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗，对于精馏过程，可使塔釜温度降低，有利于热敏性物系的分离。

(4) 操作弹性

一般来说，填料本身对气液负荷变化的适应性很大；故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。

(5) 结构、制造及造价等

一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造、维修也较为方便，但填料塔的造价通常高于板式塔。

应予指出，填料塔的持液量小于板式塔，持液量大，可使塔的操作平稳，不易引起产品的迅速变化，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现测线进料和出料，而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大的高性能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。

3.1.2.2 塔设备的选型

工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。近年来，随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现，上述传统已逐渐打破。在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例，尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍。

对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如，对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔；对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用