板式塔的設(shè)計

1、化工過程設(shè)備設(shè)計化工過程設(shè)備設(shè)計（二）（二） 板式塔的設(shè)計板式塔的設(shè)計 化工學(xué)院化學(xué)工程系化工學(xué)院化學(xué)工程系2013年年12月月概述概述n1 1 塔設(shè)備的基本功能和性能評價指標(biāo)塔設(shè)備的基本功能和性能評價指標(biāo)n1)1)基本原則基本原則n充分接觸充分接觸, ,適當(dāng)湍動適當(dāng)湍動, ,提供大的傳質(zhì)面積和傳質(zhì)系數(shù)提供大的傳質(zhì)面積和傳質(zhì)系數(shù), ,并能及時并能及時分離分離n逆流逆流, ,提供最大傳質(zhì)推動力提供最大傳質(zhì)推動力n2)2)評價指標(biāo)評價指標(biāo)n空塔氣速高，生產(chǎn)能力大空塔氣速高，生產(chǎn)能力大n塔板效率高，板數(shù)少，投資少塔板效率高，板數(shù)少，投資少n操作彈性大操作彈性大n壓降小，釜溫低，能耗小壓降小，釜溫低，

2、能耗小n結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, ,金屬耗量少金屬耗量少, ,造價低造價低, ,維修安裝容易維修安裝容易概述概述n2 2 塔設(shè)備的類型塔設(shè)備的類型n1)1)類型類型n板式塔：液相為連續(xù)相，氣相為分散相板式塔：液相為連續(xù)相，氣相為分散相n填料塔：液相為分散相，氣相為連續(xù)相填料塔：液相為分散相，氣相為連續(xù)相n3)3)主要內(nèi)容主要內(nèi)容n結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能n流體力學(xué)性能流體力學(xué)性能n工藝設(shè)計方法工藝設(shè)計方法n選型選型n1 1、逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備、逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備n2 2）錯流塔板）錯流塔板n泡罩塔泡罩塔n篩板塔篩板塔n浮閥塔浮閥塔n3 3）逆流塔板）逆流塔板n篩板塔篩板塔n柵縫板柵縫板n波紋板波

3、紋板一、塔板的類型 一、塔板的類型 塔板 有降液管式塔板 無降液管式塔板 塔板的分類a.有降液管式塔板b.無降液管式塔板錯流式逆流式1. 塔板分類(1)泡罩塔板 泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，它由升氣管及泡罩構(gòu)成。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，以前者使用較廣。泡罩有80、100和150mm三種尺寸，可根據(jù)塔徑大小選擇。泡罩下部周邊開有很多齒縫，齒縫一般為三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上為正三角形排列。一、塔板的類型 2. 塔板的主要形式 泡罩實物 泡罩塔板a.操作示意圖；b.塔板平面圖；c.圓形泡罩泡罩塔板的優(yōu)缺點v 操作彈性大v 塔板不易堵塞v 生產(chǎn)能力及板效率較低v 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

4、、造價高一、塔板的類型 優(yōu)點 缺點 (2)篩孔塔板 篩孔塔板簡稱篩板，1830年問世，其結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有許多均勻小孔，孔徑一般為38mm。篩孔在塔板上為正三角形排列。塔板上設(shè)置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液層。一、塔板的類型 篩孔塔板a.操作示意圖；b.篩孔布置圖v 板上液面落差小，氣體壓降低v 生產(chǎn)能力大v 操作彈性小v 結(jié)構(gòu)簡單、造價低v塔板效率較高篩孔塔板的優(yōu)缺點優(yōu)點 缺點 v 篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、黏度大的物料一、塔板的類型 (3)浮閥塔板 浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可上下浮動的閥片，閥片本身連有幾個閥腿，插入閥孔后將閥腿底腳撥轉(zhuǎn)90，以

5、限制閥片升起的最大高度，并防止閥片被氣體吹走。閥片周邊沖出幾個略向下彎的定距片，當(dāng)氣速很低時，由于定距片的作用，閥片與塔板呈點接觸而坐落在閥孔上，可防止閥片與板面的粘結(jié)。 一、塔板的類型 浮閥實物 浮閥塔板a.F1 型浮閥；b. V-4 型浮閥；c. T 型浮閥新型浮閥塔板VV塔板梯形導(dǎo)向浮閥塔板v 操作彈性大v 生產(chǎn)能力大v 處理易結(jié)焦、高黏度物料閥片易與塔板粘結(jié)v 操作時閥片易脫落或卡死v 結(jié)構(gòu)簡單、造價低v 塔板效率較高一、塔板的類型 浮閥塔板的優(yōu)缺點優(yōu)點 缺點 (4)噴射型塔板 舌型塔板 舌型塔板的結(jié)構(gòu)特點是，在塔板上沖出許多舌孔，方向朝塔板液體流出口一側(cè)張開。舌片與板面成一定的角度，

6、有18、20、25三種（一般為20），舌片尺寸有5050mm和2525mm兩種。舌孔按正三角形排列，塔板的液體流出口一側(cè)不設(shè)溢流堰，只保留降液管。一、塔板的類型 舌形塔板示意圖 浮舌塔板 浮舌塔板的結(jié)構(gòu)特點是，其舌片可上下浮動。因此，浮舌塔板兼有浮閥塔板和固定舌型塔板的特點，處理能力大、壓降低、操作彈性大。浮舌塔板示意圖一、塔板的類型 n 斜孔塔板斜孔塔板塔板的性能評價指標(biāo) v 生產(chǎn)能力大v 塔板效率高v 塔板壓降低v 操作彈性大v 結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便，造價低二、塔板的性能評價三種塔板的比較: 1. 生產(chǎn)能力：生產(chǎn)能力： 篩板篩板 浮閥浮閥 泡罩；泡罩； 2. 壓降：壓降： 泡罩泡罩 浮閥

7、浮閥 篩板；篩板； 3. 操作彈性：操作彈性： 浮閥浮閥 泡罩泡罩 篩板；篩板； 4. 造價：造價： 泡罩泡罩 浮閥浮閥 篩板；篩板； 5. 板效率：板效率： 浮閥、篩板相當(dāng)浮閥、篩板相當(dāng) 泡罩。泡罩。 常見塔板的性能比較 塔板類型 相對生 相對塔 操作 壓力降 結(jié)構(gòu) 成本 產(chǎn)能力 板效率 彈性 泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 復(fù)雜 1.0 篩孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 簡單 0.4 0.5 浮閥塔板 1.2 1.3 1.1 1.2 大 中 一般 0.4 0.5 舌形塔板 1.3 1.5 1.1 小 低 簡單 0.4 0.5 斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 簡單 0.4

8、 0.5 二、塔板的性能評價 hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw溢流堰溢流堰降液管降液管受液盤受液盤三、塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)四、塔板的溢流裝置1. 降液管 降液管是塔板間液體流動的通道，也是使溢流液中所夾帶氣體得以分離的場所。降液管圓形降液管弓形降液管矩形降液管適用于小直徑塔適用于中等直徑塔適用于中大直徑塔，采用中間溢流四、塔板的溢流裝置塔板溢流類型 四、塔板的溢流裝置2. 受液盤 受液盤用于接受上層塔板下降的液體，通過進口堰形成液封，并使液體在塔板上分布均勻。受液盤平受液盤凹形受液盤適用于小直徑塔適用于大直徑塔受液盤示意圖a.平受液盤；b. 凹型受液盤五、板式塔

9、的流體力學(xué)性能 塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學(xué)及傳質(zhì)和傳熱規(guī)律的重要因素。當(dāng)液體流量一定時，隨著氣速的增加，可以出現(xiàn)四種不同的接觸狀態(tài)： v 鼓泡接觸狀態(tài) v 蜂窩接觸狀態(tài)v 泡沫接觸狀態(tài) v 噴射接觸狀態(tài) 1. 塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)（1）鼓泡接觸狀態(tài)鼓泡接觸狀態(tài) 氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，形成的氣液混合物基本上以液體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質(zhì)效率很低。 五、板式塔的流體力學(xué)性能（2）蜂窩狀接觸狀態(tài)蜂窩狀接觸狀態(tài) 隨著氣速增加，氣泡數(shù)量不斷增加。當(dāng)氣泡形成速度大于氣泡浮升速度時氣泡在液層中累積。氣泡間相互碰撞，形成各種多面體的大氣泡

10、。由于氣泡不易破裂，表面得不到更新，所以此種狀態(tài)不利于傳熱和傳質(zhì)。 五、板式塔的流體力學(xué)性能（3）泡沫接觸狀態(tài)泡沫接觸狀態(tài) 當(dāng)氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈動態(tài)泡沫，由于泡沫接觸狀態(tài)表面積大，并不斷更新，是一種較好的接觸狀態(tài)。 五、板式塔的流體力學(xué)性能（4）噴射接觸狀態(tài)噴射接觸狀態(tài) 當(dāng)氣速繼續(xù)增加，把板上液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用落回到塔板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。液滴回到塔板上又被分散，這種液滴反復(fù)形成和聚集，使傳質(zhì)面積增加，表面不斷更新，是一種較

11、好的接觸狀態(tài)。五、板式塔的流體力學(xué)性能氣體通過塔板需克服一定的阻力塔板壓降。塔板阻力板上各部件所造成的局部阻力。板上充氣液層的靜壓力形成的阻力。液體表面張力形成的阻力。塔板壓降=干板壓降+充氣液層壓降+表面張力壓降干板阻力充氣液層阻力表面張力阻力五、板式塔的流體力學(xué)性能2. 塔板壓降分析氣液接觸時間塔板效率塔釜溫度氣體阻力塔板壓降塔板壓降能量消耗對熱敏性物系的分離，應(yīng)采用較低的塔板壓降。五、板式塔的流體力學(xué)性能 當(dāng)液體橫向流過塔板時，為克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮閥等）的局部阻力，需要一定的液位差，則在板上形成由液體進入板面到離開板面的液面落差。塔板上的液面落差示意圖液面落差五、板

12、式塔的流體力學(xué)性能3. 液面落差分析氣液分布均勻程度塔板效率與塔板的結(jié)構(gòu)有關(guān)泡罩塔板大浮閥塔板中篩孔塔板小與塔徑、液體流量有關(guān)塔徑流量五、板式塔的流體力學(xué)性能（1）漏液 在正常操作塔板上，液體橫向流過塔板，然后經(jīng)降液管流下。當(dāng)氣體速度較小時，氣體通過升氣孔道的動壓不足以阻止板上液體經(jīng)孔道流下時，便會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。 為保證塔正常操作，漏液量應(yīng)不大于液體流量的10%。漏液量為10%的氣體速度稱為漏液速度，它是板式塔操作氣速的下限。 六、板式塔的操作特性 1.塔板上的異常操作現(xiàn)象 上升氣流穿過塔板上液層時，必然將部分液體分散成微小液滴，氣體夾帶著這些液滴在板間的空間上升，如液滴來不及沉降分離，則將隨

13、氣體進入上層塔板，這種現(xiàn)象稱為霧沫夾帶。 為維持正常操作，需將霧沫夾帶限制在一定范圍，一般為 eV 0.1kg(液)/ kg(氣)。 （2）霧沫夾帶 霧沫夾帶量六、板式塔的操作特性 （3）液泛 塔板正常操作時，在塔板上應(yīng)維持一定厚度的液層，以和氣體進行接觸傳質(zhì)。如果由于某種原因?qū)е乱后w充滿塔板之間的空間，使塔的正常操作受到破壞，這種現(xiàn)象稱為液泛。 液泛夾帶液泛降液管液泛由霧沫夾帶限制六、板式塔的操作特性 對一定分離物系，當(dāng)設(shè)計選定塔板類型后，其操作狀況和分離效果便只與氣液負荷有關(guān)。要維持塔板正常操作和塔板效率的基本穩(wěn)定，必須將塔內(nèi)的氣液負荷限制在一定的范圍內(nèi)，該范圍即為塔板的負荷性能。塔板的負

14、荷性能用負荷性能圖表示2.塔板負荷性能圖六、板式塔的操作特性 塔板的負荷性能圖LVq,VVq,液相負荷上限線漏液線霧沫夾帶線液相負荷下限線液泛線51234操作點操作線1,VVq1,LVq(1)漏液線漏液線氣相負荷下限線漏液量 10液流量漏液氣速 umin(2)霧沫夾帶線霧沫夾帶線氣相負荷上限線霧沫夾帶量 0.1kg液/kg氣夾帶氣速 umax六、板式塔的操作特性 (3) 液相負荷下限線 液流量過低，板上液層不均勻，氣體停留時間短，傳質(zhì)效率低。最小液流量 Lmin(4) 液相負荷上限線 液流量過高，液體通過降液管內(nèi)的停留時間較短，氣泡來不及與液體分離 氣泡夾帶。堰上液層高度 0.006 m最大液

15、流量 Lmax液體在降液管停留時間 5 s六、板式塔的操作特性 (5) 液泛線 為防止液泛，降液管內(nèi)的液層高度應(yīng)不超過某一數(shù)值。)(WTdhHH液泛氣速 uF降液管內(nèi)液層高度安全系數(shù)塔板間距溢流堰高度六、板式塔的操作特性 v 適宜操作區(qū)v 操作點v 操作線v 操作控制v 操作彈性v 操作線的調(diào)節(jié)3.板式塔的操作分析 六、板式塔的操作特性 七、塔有效高度的計算 1. 基本計算公式 TpHNZ) 1( 板式塔有效高度是指安裝塔板部分的高度，其計算方法是，先通過板效率將理論板層數(shù)換算為實際板層數(shù)，再選擇合適的板間距計算板式塔的有效高度。 實際塔板層數(shù)塔板間距 2. 塔板效率 塔板效率反映了實際塔板的

16、汽液兩相傳質(zhì)的完善程度。 (1)全塔效率 %100pTTNNE 全塔效率反映塔中各層塔板的平均效率，它是理論板層數(shù)的一個校正系數(shù)，其值恒小于100%。 總板效率七、塔有效高度的計算 (2)單板效率 單板效率又稱默弗里（Murphree）效率，它是以混合物經(jīng)過實際板的組成變化與經(jīng)過理論板的組成變化之比來表示的，單板效率即可用汽相組成表示，也可用液相組成表示，分別稱為汽相單板效率和液相單板效率。 七、塔有效高度的計算 氣相單板效率 1*1nnnnMVyyyyE液相單板效率 nnnnMLxxxxE*11單板效率分析1ntnt1nt1nyny1ny1nxnx1nx)(ny)(nx七、塔有效高度的計算

17、(3)點效率 點效率是指塔板上各點的局部效率。1*1nnOVyyyyE點效率分析1nynynx1nxxy)(y七、塔有效高度的計算 八、板式塔直徑的計算 1.基本計算公式uDsv4提示v 精餾段與提餾段分別計算，相差不大取較大者 作為塔徑，相差較大采用變徑塔。 v 計算塔徑后應(yīng)進行圓整。 精餾塔內(nèi)徑計算式v標(biāo)準(zhǔn)塔徑（標(biāo)準(zhǔn)塔徑（mm）：）：600，700，800，1000，1200，1400，1600，1800，2000，4200八、板式塔直徑的計算 2.空塔氣速的確定 空塔氣速是影響精餾操作的重要因素，空塔氣速的上限有嚴重的霧沫夾帶或液泛決定，下限由漏液決定，適宜的空塔氣速應(yīng)介于二者之間。根據(jù)

18、設(shè)計經(jīng)驗，通常取max)8.06.0(uu 最大空塔氣速3.氣相體積流量的計算 （1）精餾段體積流量的計算 VmVnMq3600,sviinimMyM1操作壓力較低時，氣相可視為理想氣體混合物 pTTpqQVnVV00,36004 .22八、板式塔直徑的計算 （2）提餾段體積流量的計算 VmVnSMqV3600,iinimMyM1pTpTqqVnVV00,36004 .22操作壓力較低時，氣相可視為理想氣體混合物 八、板式塔直徑的計算 九九. . 溢流裝置設(shè)計溢流裝置設(shè)計 hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw溢流堰溢流堰降液管降液管受液盤受液盤降液管類型與溢流

19、方式（a）圓形降液管（b）弓形降液管 它由部分壁面和一塊平板圍成的，由于能充分利用內(nèi)空間，提供較大降液面積及兩相分離空間，被普遍用。（c）傾斜式弓形降液管 它既增大了分離空間又不過多占用塔板面積，故適用于大直徑大負荷塔板降液管類型 U型流型流 小液體負小液體負荷，液體流荷，液體流程長，板面程長，板面利用好，板利用好，板效較高，但效較高，但液面落差大。液面落差大。 單流型單流型 液體流程液體流程較長，板面利較長，板面利用好，用好， 塔板塔板結(jié)構(gòu)簡單，直結(jié)構(gòu)簡單，直徑徑2.2米以下米以下的塔。的塔。溢流堰的類型溢流堰的類型 階梯溢流階梯溢流 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大塔徑適用于大塔徑負荷大的塔。

20、負荷大的塔。 雙溢流雙溢流 流程短可流程短可減少液面落減少液面落差，但板面差，但板面利用率低且利用率低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 用于液體負用于液體負荷大，直徑荷大，直徑2m以上塔。以上塔。 一般可根據(jù)初估塔徑和液體流量，一般可根據(jù)初估塔徑和液體流量，參考表參考表5-2選塔板的液流型式。選塔板的液流型式。 溢流堰裝置的設(shè)計計算)/(130100/3hmmlLWh堰長堰長 lw 單流型單流型 lw 為（為（0.6 0.8）D 雙溢流雙溢流 lw 為（為（0.5 0.7）D 也可由溢流強度計算篩板及浮閥塔的也可由溢流強度計算篩板及浮閥塔的 lw ：其中 D 塔徑 lw 溢流堰長 Lh 液體流量溢流堰O

21、WWLhhh式中式中 hL 板上液層高板上液層高度度(一般一般50100mm） how 堰上液層高堰上液層高度（可按圖度（可按圖5-6進行計算，進行計算，一般低于一般低于60mm）堰高堰高 hw堰上液層高度堰上液層高度how 也可按也可按 Francis 公式計算公式計算hwhowHdhLhoHTD32100084. 2WOWlLEhh堰上液層高度堰上液層高度 平直堰的平直堰的hOW按下式計算按下式計算 l W 堰長，m Lh 塔內(nèi)液體流量，m/h E 液流收縮系數(shù)，一般取1OWWOWhhh10. 005. 0Wh 常壓常壓 0.04 0.05m 減壓減壓 0.015 0.025m 高壓高壓

22、0.04 0.08m 一般均不宜超過一般均不宜超過 0.1m求得求得how后，即可按下式指出的范圍確定堰高后，即可按下式指出的范圍確定堰高h hw w 堰高堰高 若若how小于小于6mm6mm，應(yīng)采用齒形堰，應(yīng)采用齒形堰 降液管的寬度降液管的寬度 Wd 與截面積與截面積 Af 若知堰長與塔徑的比值，由右圖即可查取降液管的寬度與截面積。 降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)的停留時間一般等于或大于35s。求得降液管的截面積之后，應(yīng)按下式驗算液體在降液管內(nèi)的停留時間。 即 式中 液體在降液管中的停留時間，s A Af f降液管的截面積，m2sTfLHA 降液管底隙高度降液

23、管底隙高度 howHdhLhwHTh0hw h0 6 mm h0 應(yīng)低于 hw 降液管底隙高度 h0（1）一般取為：（2）也可按下式計算 式中 液體通過降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超過0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。mhhW)012. 0006. 0(000ulLhWs0u0hsmu/25.007.00受液盤及進口堰受液盤及進口堰 howHdhLhwHT平受液盤及出口堰 hwhowHdhLHTD凹形受液盤 F 但有時為使液體進入塔板時平穩(wěn)并防止塔板液流進口處頭幾排篩孔因沖擊而漏液，對直徑為800mm以上的塔板，推薦使用凹形受液盤。當(dāng)大塔采用平形受液盤時，為保證

24、降液管的液封并均布進入塔板的液流，可設(shè)進口堰。受液盤及進口堰受液盤及進口堰 F一般情況下多采用平受液盤一般情況下多采用平受液盤F有平受液盤和凹形受液盤之分有平受液盤和凹形受液盤之分 hwhowHdhLhohwHTD（1）塔板布置（2）篩板的篩孔與開孔率塔板的設(shè)計計算塔板的設(shè)計計算hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw塔板布置塔板布置 開孔區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū)開孔區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū) 和和 無效區(qū)無效區(qū)開孔區(qū)開孔區(qū) 也稱為鼓泡區(qū)。對垂直弓形降液管的單流型塔板按下式計算。 式中 Aa鼓泡面積，m2 RxRxRxAa/sin18021222mWcWdDx),()2/(

25、mWcDR,) 2/( 溢流區(qū)溢流區(qū) 溢流區(qū)面積Af和Af分別為降液管和受液盤所占面積。 安定區(qū)安定區(qū) 開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域為安定區(qū)（破沫區(qū)），其作用為使自降液管流出液體在塔板上均布并防止液體夾帶大量泡沫進入降液管。 無效區(qū)無效區(qū) 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區(qū)域供支撐塔板的邊梁。小塔為3050mm,大塔為5075mm。為防止液體經(jīng)邊緣區(qū)流過產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔壁設(shè)置旁流擋板。篩板的篩孔與開孔率nt0d 孔徑 篩板厚度 孔心距 開孔率 篩孔數(shù)td0篩孔的正三角形排列篩孔的正三角形排列 篩板厚度篩板厚度 一般碳鋼一般碳鋼 或或 不銹鋼不銹鋼 或或 mm430)8 . 04 . 0(dmm520)7 .05 .0(d 孔心距孔心距t t 篩孔在篩板上一般按正三角形排列，孔心距篩孔在篩板上一般按正三角形排列，孔心距 t=(2.55)d0，常取t=(34)d0 t/d t/d0 0過小易形成氣流相互擾動，過大則鼓泡不均勻，過小易形成氣流相互