板式塔(筛板塔)设计

4.3 筛孔塔板的设计程序
塔板设计的基本程序是：
（1）选择板间距和初步确定塔径；
（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；
（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必 要，需对某些结构参数加以调整。
4.3.1板间距的选择和塔径的初步确定
一、板间距的选择 HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系 理论上，存在一个经济上最佳的HT； 实际上， HT 的选择常取决于制造和维修的方便，可 参考下表选择。
Nm
NR 1 ET
式中 Nm —— 实际加料板位置 NR —— 精馏段理论板数 由于在计算中引用了诸多简化假定， Nm 与实 际情况有一定偏差。所以在设计时可在 Nm 的上下 各多设一个加料口，待开车调试时再确定最佳实 际加料板位置。
3.4.2塔板效率的估计
塔板效率与物系性质、塔板结构及操作条件 等众多因素有关，尚无精确的计算方法。 常用的估计方法有： （1）参考生产现场同类型的塔板、物系性质 相同（或相近）的塔板效率数据。 （2） O’connell关联图

根据塔设备系列化规格，将 D 圆整后作 为初选塔径。
4.3.2 塔板结构设计
一、溢流堰的型式和高度的选择 （1）溢流堰一般为平顶的，当堰上液高how≤6mm时应 采用齿形堰。 （2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫层亦低，相际接触 表面小；hw太高，液层阻力大，板压降高。 堰高hw可参考下表选定。
表 3 各种操作情况的堰高参考表
钢塔板取3~4mm;合
金钢板取2~2.5 mm do —— 孔径
开孔截面积 塔截面积 降液区面积
图 5 干板孔流系数
(2) 液层阻力
hl hw how
2/3
式中堰上液高 how 2.84 103 E Lh l w
β为液层充气系数，可由 图 7 求取
∴QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF)
塔顶冷凝器带走的热量 塔顶产品带走的热量 冷凝器热量衡算 塔顶冷凝器冷却负荷
QC QD = DID QV = QC+QD+QL QC = QV-QD-QL
若为恒摩尔流，塔顶全凝，泡点回流且热损失很 小，则可化简计算： QB V r QC = Vrc
b
式中rc — 组成为 x D 的混合液的平均气化热 rb — 组成为 x W 的混合液的平均气化热。
（3）朱汝瑾公式
（4）Van Winkle 关联
（5）A· I· Ch· E法
3.5 热量衡算
目的：确定再沸器的热负荷和冷凝器的冷却负荷。
塔顶蒸汽带出热量Qv=VIv (I— 焓，kJ/kg)
塔底产品带出热量Qw=WIw 进料带入热量 QF=FIF 回流带入热量 QL=LIL 塔釜加热量 QB 设备热损失 总热量衡算 Qn≈0.1QB Qv+Qw+Qn=QL+QF+QB
精馏可在常压、加压或减压下进 行。 沸点低、常压下为气态的物料必 须选用加压精馏；热敏性、高沸点 物料常用减压精馏。
1.2 进料状态
一般将料液预热到泡点或接近泡点后 送入塔内。这样可使： (1)塔的操作比较容易控制； (2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近， 塔径相似，设计制造比较方便。
1.3 加热方式
4. 塔和塔板主要尺寸的设计
4.1 塔和塔板设计的主要依据
进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是： 汽相 流量 VS ( m³ /s ), 密度 ρV ( kg/m³) 液相 流量 LS ( m³ /s ), 密度 ρL ( kg/m³) 表面张力 σ （ mN/m ） 注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板 上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下： (1) 若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为 代表进行设计. (2) 若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值 进行设计。
β
若算出的板压降hf 超过 允许值，可增大开孔率 或降低堰高hw使hf下降。
Fa / m s
1
kg m

1 3 2

图 7 充气系数β和动能因子Fa间的关系
二、液沫夹带的校核 为使筛板具有较高的板效率，应控制液沫夹带量 ev <0.1kg液体/kg 干气。 由 图 8 可查出液沫夹带分率Ψ 液沫夹带量
f
u
0.2
u f C f 20 20
式中
f
L V V

0.5
—— 气体负荷因子， m/s；可由 u
查取 图3
C f 20—— 液相表面张力，mN/m
V 、 L 是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降 注意： uAfT –Af ）为依据计算的。 液管面积（
3.3理论板数的确定
（1）若物系符合恒摩尔流假定，可用逐 板计算法或图解法求取理论板数NT及理论加 料板位置。 （2）对于非恒摩尔流物系，应在焓—浓 度图上图解求取理论板数。
3.4实际塔板数的确定
3.4.1 实际塔板数及实际加料板位置的确定
塔釜为一块理论板
NT 1 N ET
式中 N — 塔内实际板数 NT — 理论板数 ET — 全塔总效率
1、 2、 3
—— 分别为塔顶、加料、塔底组成的相 对挥发度。
汽液相平衡关系：

pA pB
2.2 相对挥发度 对于理想物系
1 2 3 3
x y 1 1x
3. 工艺计算
3.1 物料衡算
物料衡算的任务 （1）由设计任务所给定的F、 x
、x D、xW F
提馏段：
L W yn1 xn xW V V
3.2 回流比的选定
选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，
同时应考虑到操作时的调节弹性。
选择方法：
（1） 参考生产现场所提供的回流比数据； （2） 回流比取最小回流比Rmin的1.2～2倍； （3） 先求最少理论板数 Nmin , 以理论板数为Nmin 的两倍求取回流比R； （4） 作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线 图上确定合适的回流比R。
Ls L eV 1 Vs V
若算出的ev > 0.1kg液体/kg干气，可增大塔径或 板间距使ev下降。
三、溢流液泛条件的校核 为避免发生溢流液泛，必须满足
H fd
Hd

H T hw
式中相对泡沫密度 与物系的发泡性有关： 对一般物系， 可取为0.5；对不易发泡物 系 可取为0.6～0.7; 对于容易发泡物系， 可取为0.3～0.4。
堰高hW/mm 最小值 最大值
真空 10 20
常压 20 50
加压 40 80
二、降液管和受液盘的结构和有关尺寸的选择
(1) 降液管分为圆形降液管和弓形降液管两种，
一般多采用弓形降液管。
(2) 受液盘有平型和凹型两种型式，对直径大
于800mm的塔板推荐使用凹形受液盘。
(3) 为保证液封, ho应小于hw , 但不应小于20 ~
式中
Wd ,Wd —— 分别为弓形降液管和受液盘的宽 度，m。可由图 4查出。
'
D x Wd Ws 2 D ' ' ' x Wd Ws 2 D r Wc 2


四、孔径和开孔率的选择 (1) 孔径do的选择 do小，加工麻烦，易堵塞；但不易漏液，操作弹性大。 do大，加工容易，不易堵塞；但漏液点高，操作弹性小。 推荐取3 ~ 8mm (2) 开孔率 的选择 小，相际接触表面小，且板压降大。 大，干板压降小且漏液点高，操作弹性下降。 一般情况下，可取孔间距 t = (2.5~5 ) do
（1）间接蒸汽加热
（2）直接蒸汽加热 适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混合
物。
优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的蒸
汽进行加热。操作费用和设备费用均可
降低。
2. 相平衡关系
2.1 y x 图
查取操作压力下的气相摩尔分率 y 和 x 相应的液相摩尔分率 ，标绘 y x 图。
饱和蒸汽压可直接由手册查取，或由Antoine方程计算。 1 全塔平均相对挥发度
求D 、W
F D W Fx F Dx D Wx W
（2） 在q和R选定后，计算 V、L、V 、L
V R 1D L RD V R 1D 1 q F L RD qF
（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程
精馏段：
L D yn 1 xn x D V V
板式塔（筛板塔）设计
精馏方案选定 相平衡关系
工艺计算
塔和塔板主要尺寸的设计 塔体总高及辅助装置
1. 精馏方案选定
方案选定是指确定整个精馏设备的流程、 主要设备的结构型式和主要操作条件。
所选方案必须： （1）满足工艺要求； （2）操作平稳、易于调节； （3）经济合理； （4）生产安全。
1.1 操作压力
2
2
四、液体在降液管内停留时间的校核 为避免严重的气泡夹带现象，通常规定 液体在降液管的停留时间不小于3～5s,即

Af H d Ls
3~5
对易起泡物系，可取其中较高数值。
五、 漏液点的校核 为使塔板具有足够的操作弹性，通常要求设计 孔速uo与漏液点孔速uow之比不小于1.5～2.0，即
k称为筛板的稳定系数
表 1 不同塔径的板间距参考表
塔径D/mm 800～1200 300、350、400、 450、500 1400～2400 400、450、500、550、 600、650、700 2600～6600 450、500、550、600、 650、700、750、800
板间距TH/mm
二、塔径计算
HT选定之后，可根据夹带液泛条件初步确定D。具体方法是： (1)计算液泛速度
—— 气、液相密度，kg / m³
(2) 确定泛点百分率
设计气速un 泛点百分率 液泛气速u f
泛点百分率可取为0.8 ~ 0.85；对易起泡物系可 取为0.75。泛点百分率确定后，便可计算出 u n 。
( 3) 确定液流型式和 lW / D 液流型式可由 表 2确定
lW / D 的选取与液体流量L及系统发泡情况有关。
25mm以免堵塞。
三、安定区和边缘区宽度的选择 Ws’可取为50 ~ 100mm Ws 一般等于Ws’ Wc与塔径有关，一般可取25 ~ 50 mm Ws、Ws’、Wc取定以后，单流型塔板的有
效传质面积Aa可以确定。
' 2 ' 2 2 1 x ' 2 2 2 1 x Aa x r x r sin x r x r sin r r
4.2塔板的设计参数
筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅 图 2 ）： （1）塔板直径D； （2）板间距HT； （3）溢流堰的型式，长度 lW 和高度 hw； （4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho； （5）液体进、出口安定区的宽度Ws’、Ws ,边缘 区宽度Wc； （6）筛孔直径do,孔间距t。
单流型： 双流型：
lW / D = 0.6 ~ 0.8 lW / D = 0.5 ~ 0.7
对易发泡的物质： lW / D 可取得高一些 当液流型式和 lW / D 确定后，降液管面积Af 和塔 板总面积AT之比可由 图 4 求得。
(4) 计算塔径 Vs 塔内气体流通面积 An AT A f Af u n 且 已求出，所以AT可确定。 AT 4 AT 塔径 D
降液管内清液高度 H d hw how h f h f 其中hw已选定，hf , how前已算出，其余二项分别 计算如下： (a) 液面落差△ 对筛板塔，液面落差通常可忽略不计。 (b) 降液管阻力 hf h f 主要集中于降液管出口，可由下式计算
Biblioteka Ls 1 Ls 0 . 153 h f 2 gC 2 l h l h w 0 0 w 0
4.3.3塔板的校核
一、板压降的校核 板压降等于干板压降与液层阻力之和，即 (1) 干板压降
h f hd hl
2
1 V u 0 hd 2g L C 0
Vs 式中u0 — 孔速 ,m/ s A0 C 0 — 孔流系数，可由图5求取
图中δ —— 塔板厚度，一般碳