《化工原理》电子教案——板式塔及其工艺设计计算

lWD fA d A T
或： lWD fbd D
单流型：lW D0.60.75
双流型: lWD0.50.7
说明：通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于100~130 m3/（mh）。
堰上方液头高度 hOW ：
how2.84103EqlV WL h 2/3
其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。
塔板上的非理想流动情况： ① 气相或液相返混 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象 后果：板效率降低。 ② 不均匀流动 液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布不均匀； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布不均匀。
后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。
6.10.2 塔内气、液两相异常流动
（1）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液
（1）泡罩塔板
组成：升气管和泡罩
优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。 缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大。
泡罩塔
圆形泡罩 条形泡罩
（2）筛板塔板 塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。
优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前，广泛应用的一种塔型。
单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e：
kg 液体 / h 或 kmol液体 / h
液沫夹带分率ψ：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。
故有：
e eV
qmL e
qmL qmV
eV
所以
ev1 q qm m V L 1 q qV VssL V L v
ev的计算方法： 方法1：利用Fair关联图求Ψ，进而求出ev。 方法2：用Hunt经验公式计算ev。
① 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）
规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。
q V hV 8 .8 1 1 3 A 01 3 .2 H T 2 .5 h W 7 .1 1 3 0 (q lV W h) L 2 3
② 液相下限线 规定： how2.84103EqlV WhL2/30.006 整理出： qVL h3.07lW
FLV
qVLs qVVs
l v
筛板塔泛点关联图
0.2 0.3 0.4
0.7 1.0
② 选取设计气速 u 选取泛点率： u / uf 一般液体， 0.6 ~0.8 易起泡液体，0.5 ~ 0.6
A
D
Ad
设计气速 u = 泛点率 ×uf
③ 计算塔径 D
所需气体流通截面积 A V s u
A = AT - Ad
要求： hOW6mm
bc
(4) 塔板及其布置 ① 受液区和降液区 一般两区面积相等。
bs
r
lW
x
② 入口安定区和出口安定区
bsbs50 10m0m
bd
③ 边缘区：bc 50mm
④ 有效传质区：
bc
单流型弓形降液管塔板：
A a2(xr2x2r2si 1 nr x)
bs
r
x
lW
双流型弓形降液管塔板：
bd
易起泡物系， 0.3~0.4
要求： Hd' HThW
说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或 增大塔板间距。
④ 液体在降液管中停留时间校核 目的：避免严重的气泡夹带。
停留时间：
Ad H T
qVL s
要求： 35s
说明：停留时间过小，可增加降液管面积 或 增大塔板间距。
⑤ 严重漏液校核
漏液点气速 u0 ´ ：发生严重漏液时筛孔气速。
说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率或 降低堰高。
③ 降液管液泛校核
降液管中清液柱高度 (m)
HdhWhOW p2 Lgp1hd
h Wh OW hf hd
（a） 液面落差Δ一般较小，可不计。当不可忽略时，
0.047 (b( 6 b4H H f )f3)(2 LLZ v)Ls
一般要求： Δ<0.5h0 （b） 液体通过降液管阻力 hd
ev
5.7103
HT
u Hf
3.2
式中Hf 为板上泡沫层高度： Hf 2.5(hWhOW )
要求： ev ≤ 0.1 kg 液体 / kg气体。 说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。
② 塔板阻力的计算和校核
塔板阻力：
清液柱高度表示：
hf
pf
Lg
m液柱
塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 h0—气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； （b）液层阻力 hl —气体通过液层阻力； （c）克服液体表面张力阻力 hσ—孔口处表面张力。
塔截面积：
AT
A 1 Ad
AT
塔径 D 4 AT
说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。
（3）溢流装置设计 ① 溢流型式的选择 依据：塔径 、流量； 型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。
② 降液管形式和底隙 降液管：弓形、圆形。 降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 ~ 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 ~ 40 mm。
塔板的操作弹性： q VV h ,max q VV h ,min
或 q VL h , max
q VL h , min
工艺设计计算示例
孔中心距 t : (2.5~5) d0 取整。
开孔率φ: 通常为 0.08 ~ 0.12。
板厚：碳钢（3 ~ 4mm）、不锈钢。
筛孔气速：
u0
qVV S A0
筛孔数：
n
A0
4
d02
Aa
0.785d02
d0 t
(6) 塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。
① 液沫夹带量校核
单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体
A a 2 (xr 2 x 2 r 2 s 1 ir x ) n 2 (x 1r 2 x 1 2 r 2 s 1 ix r 1 n )
（5）筛孔的尺寸和排列
筛孔：
有效传质区内，常按正三角形排列。
筛板开孔率 ：
Ao Aa
124d02
1t2sin60o
0.907d0 t
2
2
d0 t
筛孔直径 d0 : 3 ~ 8 mm (一般)。 12 ~ 25 mm (大筛孔)
包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。
hdhd1hd2
h d 12 u g d 20 .1 5 lW L h s 3 b 2 1 .1 8 1 8 0 lW L h sb 2
无进口堰时： hd2 0
泡沫层高度
Hd'
Hd
L' l
Hd
泡沫层相对密度：对不易起泡物系，0.5~0.6
稳定系数：
k u0 u 0
（a）计算严重漏液时干板阻力 h0 ´
h 0 0 . 0 0 0 . 1 h 5 W 3 h O 6 W h
（b）计算漏液点气速 u0 ´
u0 C0
2g
L V
h0
要求： k1.5~2
说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。
（6）塔板的负荷性能图——确定塔板的操作弹性
层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现 象为液泛。
液泛现象
1) 过量雾沫夹带液泛 原因： ① 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； ② 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。
液泛气速： 开始发生液泛时的气速。
2）降液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻力及降液管内阻
两相流动参数 FLV：
FLVq qV VsV sL
l v
qmL qmV
V L
对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV)
0.2
C20 uf
0.1 0.09 0.07 0.06
V 0.05 L V 0.04
0.03
0.02
HT=0.6 0.45 0.3
0.15
0.01 0.01
0.02 0.03 0.04 0.07 0.1
③ 溢流堰（出口堰） 作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。
堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，相际传质面积过小； 过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 ~ 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。
堰长 lW ：影响液层高度。
③ 严重漏液线（气相下限线）
h 0 0 . 0 0 0 . 1 h 5 W 3 h O 6 W h
h0
1 (u0 2g c0
)2
v L
代入相关公式，如hOW、σ、u0’，整理出。
④ 液相上限线
规定： Ad HT 5s
Ls
Vh72H 0TAd
⑤ 降液管液泛线
Hd HThW
3 .4 1 1 80 V L n V h 0 2 2 d 4 .2 1 6 3 l L 0 W h 2 3 1 .1 1 8 8 l 0 W L h h b 2 H T ( 1 .5 ) h W
（1）塔的有效高度 Z
已知：实际塔板数 NP ； 塔板间距 HT；
理论塔板数计算软件
有效塔高： ZHT Np
塔体高度：有效高+顶部+底部+ 其它
选取塔板间距 HT ：
塔板间距和塔径的经验关系
塔径 D，m 0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 >2.4
塔板间距 HT，m 0.2-0.3
《化工原理》电子教案
—— 板式塔及其工艺设计计算
大连理工大学化工原理教研室
王瑶 韩志忠
浮阀塔板结构
（2） 塔板上的气—液两相流动
全塔：逆流接触 汽、液两相接触方式
塔板上：错流接触
两相流动的推动力
液体：重力 气体：压力差
塔板上理想流动情况： 液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。 气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。
力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板， 破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液 泛。
说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。
（2） 严重漏液 漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无
法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速 。
6.10.3 常用塔板的类型
（3）浮阀塔板 浮阀塔盘
方形浮阀
圆形浮阀
条形浮阀
方形浮阀
F1型wk.baidu.com阀
优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹 性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广 泛的应用。
缺点：浮阀易脱落或损坏。
（4）多降液管（MD）塔板 优点：提高允许液体流量
6.10.5 筛板塔化工设计计算
（a）干板阻力h0
h0
pf,o
Lg
1 V 2gL
C u002
C0— 孔流系数
C0
塔板孔流系数
d0/δ
（b）液层阻力 hl hl hWhOW
查图求充气系数β
Fa
ua1V/2m s m k3g1/2
（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）
h
4103 Lg d0
故塔板阻力： hf h0hLh
0.3-0.35
0.35-0.45 0.45-0.6
0.5-0.8
≥0.6
（2）塔径 确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。
① 液泛气速
uf C
L V V
C
C20
20
0.2
C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。