板式塔设计

化工单元过程及设备课程设计
第六节 板式塔
6-6-1 板式塔概述 板式塔是重要的气-液传质设备 汽、液两相接触方式： 全塔：逆流接触 塔板上：错流接触 两相流动的推动力： 液体：重力 气体：塔压（塔底> 塔顶） 设计意图： 使气、液两相充分接触传质 获得最大传质推动力
塔顶气相
回流液 进料
塔底液相
充分接触： 接触时间足够长 接触面积足够大，且不断更新 塔板结构： 1、气体通道 形式很多，如筛板、浮阀等。 对塔板性能影响很大。 2、降液管（液体通道） 多为弓形 3、受液盘： 塔板上接受液体的部分
0.78 AT KC F
Z——液体横过塔板流动的行程
K—物性系数，查表5-11，对正常系统 K=1 CF—泛点负荷因子，查图（设217页） Ab—板上液流面积， Ab=AT-2Ad
•取以上计算值的大者 做判断 •超过允许值，应调整 塔板间距或 塔径 2、塔板阻力的计算和校核 塔板阻力可用清液柱高度m(液柱)
C：气体负荷因子 C = f ( HT , 液体表面张力，两相接触状况） 两相流动参数 FLV：
ρ L − ρV uf = C ρV
FLV
Ls = Vs
WL ρl = ρv WV
ρV ρL
式中，Vs、Ls：气、液相体积流率 m3 /s WL、WV： 气、液相质量流率 kg /s
对于筛板塔(浮阀、泡罩塔) 可查图 ，C20=(HT 、FLV) 纵坐标：两相流动参数 FLV 横坐标：
ϕ=
n
π
4
d 02
π
4
D2
d 02 =n 2 D
•注意：分块式塔板（D≥1.0m分块,0.8---0.9m整块） 先排阀，最后确定u0、Ф。
常压、减压塔：Ф=10%～14%，加压塔Ф <10%
七、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 • 质量夹带率ev ：单位量气体所夹带的液体量
单流型弓形降液管塔板：
Aa = 2( x r − x + r sin
2 2 2
−1
双流型弓形降液管塔板： 2 2 2 2 2 2 −1 x −1 x1 Aa = 2( x r − x + r sin ) − 2( x1 r − x1 + r sin ) r r 五、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 ф：φ = A
4、溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层， 保证两相充分接触。
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 气液接触方式：鼓泡，泡沫和喷射接触状态 气液传质，达相平衡，分离后，继续流动 传质的非理想流动情况： 1、反向流动 液沫夹带、气泡夹带 即：返混现象 后果： 使已分离的两相又混合， 需重新分离，板效率降低，能耗增加。
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 0.2-0.3 0.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.8 ≥0.6 HT，m
二、塔径 原则： 防止过量液沫夹带液泛， 先确定液泛气速 uf (m/s) ， 然后选设计气速 u，计算塔径 D。 1、液泛气速：
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 堰长 lW ：影响液层高度
lW D = f ( Ad AT )
或： lW D = f (bd D ) 单流型： lW D = 0.6 − 0.75 溢流强度Lh/lW 100~130m3/mh 双流型: lW D = 0.5 − 0.7 查书 上图，求 lW
六、阀孔的尺寸及排列
• 排列：一般为三角形 • 型式：F1、V-4、 十字架型、A型、 V-O型--F1型： d0=39mm t=75、100、125mm 等腰三角形排列
n和Ф的初步确定：选取阀孔动能因子F0=8—12用 下式计算u0等参数：
F0 u0 = ( ρV ) 0.5 n=
π
4
VS d 02u0
19
R2
R1 6
0
8
20°
6 7
浮舌塔板的舌片
37 31
5、多降液管塔板 提高允许液体流量
6、林德筛板 用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台：抵消液面落差 导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差
7、无溢流塔板 有溢流塔板：有降液管的塔板 无溢流塔板：无降液管的塔板 形式：无溢流栅板和无溢流筛板 特点：生产能力大，塔板阻力小； 但操作弹性小，塔板效率低。
4、喷射型塔板 气流方向：垂直 → 小角度倾斜 改善液沫夹带、液面落差 形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等 气液接触状态：喷射状态 连续相：气相，分散相：液相 促进两相传质
Ⅰ
Ⅱ α= 20° 50
R25
Ⅲ
Ⅰ三面切口舌片; Ⅱ拱形舌片; Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角 图6-55 舌形塔板
6-6-4 板式塔的化工设计计算
• 塔板设计前要做的其它工作 （1）物料衡算和热量衡算 任务书给定条件： 板型、进料板的位置、进料量、进料组成、进料状 态、两端产品组成、回流比、总板效率。 要确定的量： L、V、L’、V’（质量单位、体积单位） 再沸器热负荷、冷凝器负荷 （2）板数计算：N、Nf、NP、NPf （3）物性参数确定： α、σ、μ、ρ
•浮阀塔： 验证泛点率F1
ρV
D < 0.9m： F1< 0.65~0.75 一般的大塔： F1< 0.8~0.82 负 压 塔： F1< 0.75~0.77
VS F1 =
ρ L − ρV
+ 1.36 LS Z 或 F1 =
VS
ρ L − ρV
ρV
Ab KC F
单流型: Z=D-2bd 双流型:Z=(D-2bd-bd’)/2
x ) r
o
Aa
1 π 2 2 ⋅ d0 d0 2 4 = 0.907 ϕ= 1 2 t t sin 60o 2
选择孔径 d0，确定开孔率ф d0 : 3 -- 8 mm(以5mm较适宜） 12 -- 25 mm (大筛孔) t : (2.5~5) d0——取整 ф: 5% -- 15%（通常取8%—12%，t=2.5—3.5d0 ） 板厚：碳钢、不锈钢3-4mm ϕAa A0 = n= 筛孔气速： 筛孔数： VS π 2 0.785d 02 d0 u0 = 4 A0
原因： 1、 过量液沫夹带液泛 气速过高——液泛气速 根源：再沸器、冷凝器热负荷过大或设计不合理 2、 降液管液泛 降液管阻力过大引起 特点： 塔板阻力剧增 二、严重漏液 原因： 1、气速过小 2、液层厚度不均
漏液点气速
6-6-3 常用塔板类型 塔板是气液两相接触传质的场所， 为提高塔板性能，采用各种形式塔板。 塔板性能评价： 生产能力大， 塔板效率高， 塔板阻力小， 操作弹性大， 结构简单，维修方便，成本低。
hf = − ∆p f
ρL g
塔板阻力 hf :
（1）干板阻力 h0—气体通过板上孔的阻力（设无液体时） （2） 液层阻力 hl —气体通过液层阻力 （3） 克服液体表面张力阻力 hσ—孔口处表面张力
（1）干板阻力 ， m(液柱) 筛板： − ∆p
f ,o
1 ρV u 0 h0 = = ρL g 2 g ρ L C0
七、校核 • 筛板塔： 方法一，查Fair图(教材72页)，可求Ψ 方法二，用Hunt公式：
5.7 ×10 u ev = H −H σ f T
−3 3.2
式中Hf 为板上泡沫层高度：Hf = 2.5 (hW+hoW) • 要求： ev ≤ 0.1 kg 液体 / kg气体
阶梯流型
110-200 200-300 110-230 230-350 110-250 250-400 110-250 250-450
三、溢流装置 包括降液管、溢流堰、底隙 1. 降液管和底隙 降液管：弓形、圆形 底隙 hb ：30 -- 40 mm 2. 溢流堰 维持塔板上一定液层 使液体均匀横向流过
6-6-4 板式塔的化工设计计算 一、塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 NP 选取塔板间距 HT Z = HT ⋅ N p 有效塔高： 塔体高度：有效高+顶部+底部+ 其它 安装高度 ：再沸器的高度，釜液泵的安装 高度。 选取塔板间距 HT ： 考虑经济性 HT ↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓ HT ↑，则塔内气速↑，塔径可↓，但塔高↑
（2）液层阻力 ，
m(液柱)
hl = β (hW + hOW )
筛板：查图求β（教材73页） 浮阀： β=0.5 （3）克服液体表面张力阻力：一般可不计， m(液柱)
4 ×10 −3 σ hσ = ρ L g ⋅ d0
•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)
C20 = u f
ρV ρ L − ρV
C20 ： σ=20mN/m 时的 气 体负荷因子
σ C = C20 20
0.2
选定HT ，计算出 FLV 及 C，可计算液泛气速 uf
uf = C
ρ L − ρV ρV
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 设计气速 u
堰上方液头高度 hOW ： Lh −3 how = 2.84 × 10 E l W
其中， E：液流收缩系数 一般，取 E =1

2/3
要求：
hOW ≥ 6mm