板式塔(筛板塔)设计

∴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
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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。
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
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



Ls 1 Ls 0 . 153 h f 2 gC 2 l h l h w 0 0 w 0
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
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
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。
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
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。
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
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 ~
—— 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。
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
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（
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
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
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
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
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
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。
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。
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
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
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
（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
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。
（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

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