板式塔设计(2013-6-24)

2
2
x ) r
bd
（5）筛孔的尺寸和排列
x x Aa 2( x r 2 x 2 r 2 sin1 ) 2( x1 r 2 x12 r 2 sin1 1 ) r r
筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率 ：

Ao d 0.907 0 Aa 1 t 2 sin60o t 2 1 π 2 d0 2 4
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 = 泛点率 ×uf 所需气体流通截面积
Vs A u
塔截面积 AT = 气体流通截面积 A +降液管面积 Ad
即： A = AT - Ad 塔截面积： AT
A A 1 d AT
平流堰
溢流辅堰
三角形齿堰
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。
l W D f Ad AT
单流型： lW D 0.6 0.75 双流型:
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。 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，板效率降低，能耗增加。 ②不均匀流动 液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中间 > 近壁； 后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。
优点：提高允许液体流量
（6）林德筛板（导向筛板）
应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台：抵消液面落差的影响。 导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。
液流
(a)斜台装置
林德筛板
(b)导向孔
（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；
化工单元过程及设备课程设计
一、 精馏过程工艺设计
1. 概述
1.1 精馏过程工艺设计的基本内容 （1）确定精馏过程工艺流程方案 精馏过程、操作条件、辅助设备 （2）精馏塔工艺设计
塔形式、塔高、塔径、塔盘设计 —— 核心
（3）辅助设备设计 再沸器、冷凝器、贮罐、预热器、冷却器 （4）管路设计及泵的选择 管路阻力计算、选泵的类型
bc
① 受液区和降液区
一般两区面积相等。 ② 入口安定区和出口安定区
bs
r x lW
50 100mm bs bs
③ 边缘区： bc 50mm
bd
④ 有效传质区： 单流型弓形降液管塔板：
bc
bs
1
r x lW
Aa 2( x r x r sin
双流型弓形降液管塔板：
2
2
d0
t
塔径确定
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
L V uf C V
C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。 两相流动参数 FLV：
FLV
qVLs qVVs
qmL L V qmV
A D Ad
选取 Ad / AT ，计算塔径 D
D
4 AT π
说明：计算塔径需圆整。 系列化标准： 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0m 等
选取 Ad / AT原则
单流型弓形降液管： 0.06 ~ 0.12
多流型：可适当增大； U 形流型：可适当减小。 注意： 1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、
（3）加热剂及加热方法
加热剂——饱和水蒸气、热水、热工艺物流、热油等 加热方法——间接加热、直接加热 （4）冷却剂 冷却水—— 5~10℃温升，出口小于50 ℃。
高品位冷剂 —— 液氨
（5）回流比
1.3 精馏过程的模拟计算
（1）塔分离计算
注意：相对挥发度的确定 （2）物料及热量衡算 =KA/KB
回流液 进料
塔底液相
全塔：逆流接触 汽、液两相接触方式 塔板上：错流接触 液体：重力
两相流动的推动力
气体：压力差
塔板结构
①
气体通道
形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。 ② 降液管（液体通道） 浮阀塔内部结构
液体流通通道，多为弓形。 ③ 受液盘
塔板上接受液体的部分。 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。
② 降液管液泛
当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增
大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维 持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一 层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内 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
HT=0.6 0.45
0.3 0.15
C20 uf
V L V
0.01 0.01
0.02 0.03 0.04
0.07 0.1
0.2
0.3 0.4
0.7 1.0
FLV
qVLs qVVs
l v
筛板塔泛点关联图
C C20 20
所以：
0.2
L V uf C V
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 0.2-0.3 0.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.8 ≥0.6 距 HT，m
说明：工业塔中，板间距范围200 ~ 900 mm
（2）板式塔性能要求 ① 生产能力大； ② 塔板效率高； ③ 具有适当的操作弹性；
④ 塔板阻力小；
⑤ 塔结构简单，易于加工制造，维修保养。 （3）设计的基本任务 设计分为两个阶段：基础设计（初步设计）；
详细设计（施工设计）。
基础设计阶段的设计任务： ① 根据精馏过程严格的分离计算获得塔设计的基础数据；
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。
筛
板
（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型浮阀
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）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 缺点：气泡夹带现象比较严重。 舌形塔板：
l W D 0.5 0.7
或：
l W D f bd D
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 ：
how qVL h 3 2.8410 E l W
2/3
其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。 要求： hOW 6mm (4) 塔板及其布置
② 根据体系性质、气液流量以及操作条件选择适宜的塔型；
③ 根据基础数据确定塔径、塔盘间距、液流形式及塔盘设计；
④ 塔盘水力学性能校核。
详细设计阶段的设计任务： 按基础设计提供的工艺尺寸进行具体布置和安排，即对塔体、 塔板用材的选择，机械强度和结构的设计，精馏塔进料、回流、 采出等物流管线的配管设计，以及人孔、扶梯平台等辅助配件 的设计。
实际气速及泛点率。
2）校核HT与D的范围。 （3）溢流装置设计
① 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。
② 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。
Ⅰ
促进两相传质。
Ⅱ
α=
50
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
斜孔塔板：
10
4.7 5.7
8 11 15
15
受 液 区
液 体 分 30 布 区
液流方向
20
安定区
塔 板 连 接 区
导向孔
降 液 管
20
3
溢流堰
(a) 斜孔结构之一
(b)塔板布置
斜 孔 塔 板
（5）多降液管（MD）塔板
操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速 。
2.3 塔板上气、液两相接触状态
从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态，即：
鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态及乳化状态。
①
泡沫状态
各种尺寸的气泡连串迅速上
升，将液相拉成液膜展开在 气相内，因泡沫剧烈运动， 使泡沫不断破裂和生成，以 及产生液滴群，泡沫为传质
创造了良好条件。是工业上
重要的接触状态之一。
② 喷射状态 速气流将液相分散成高度湍 动的液滴群，液相由连续相 转变为分散相，两相间传质 面为液滴群表面。由于液体 横向流经塔板时将多次分散 和凝聚Baidu Nhomakorabea表面不断更新，为 传质创造了良好的条件，是
工业塔板上另一重要的气、
液接触状态。
2.4 常用塔板的类型
2.2 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。 说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。
（5）控制方案
主要控制点的控制方案 （6）设计结果 设计说明书、带控制点的工艺流程图、主体设备工艺条件图 1.2 设计方案 （1）工艺流程确定
分离序列、能量利用、辅助设备、控制方案
（2）操作条件的选择 操作压力 —— 加压、常压、减压 进料状态 —— 过冷液体、饱和液体、汽液混合、饱和蒸 汽、过热蒸汽
V L
式中，qVVs、qVLs：气、液相体积流率 m3 /s； qmL、qmV ： 气、液相质量流率 kg /s。
C20 ： σ=20mN/m 时的气 体负荷因子
对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV)
0.2 0.1 0.09 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02
（2）塔径
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。
液流型式选取参考表
塔径 m 1.0 1.4 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 液 体 流 量 m3/h U 型流型 单流型 双流型 阶梯流型 <7 <9 <11 <11 <11 <11 <11 <45 <70 <90 <110 <110 <110 <110 90-160 110-200 200-300 110-230 230-350 110-250 250-400 110-250 250-450
1.4 实际塔板数及塔高
（1）实际塔板数
NT NP ET
注意：NT不包括塔釜 （2）塔高 塔高=有效高度+塔顶空间高度+塔底空间高度+塔底裙座高度
2. 板 式 塔 2.1 板式塔结构及性能
（1） 板式塔结构
功能：为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触与及 时、完全分离的条件。
塔顶气相
特点：生产能力大，结构简单，塔板阻力小； 但操作弹性小，塔板效率低。
冲制栅板
由金属条组成 的栅板
无溢流筛板
2.5 筛板塔化工设计计算
（1）塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 NP ；
选取塔板间距 HT；
有效塔高： Z H T N p 塔体高度：有效高+顶部+底部+ 裙座 安装高度 ：裙座 选取塔板间距 HT ： HT ↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓ HT ↑，则塔内气速↑，塔径↓，但塔高↑ 考虑经济性，经验选取。
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。 （1）泡罩塔 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，塔板阻力大但生产能力不大。
圆形泡罩
泡罩塔
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。