1、化工原理课程设计电子教案 板式塔及其设计计算,化工原理课程设计的目的,化工原理课程设计是培养学生综合运用化工原理 及先修课程的基本知识进行化工工艺设计的能力，使学生掌握化工设计的基本程序和方法，得到一次化工设计的基本训练，并应着重培养学生以下几方面的能力： 查阅技术资料 选用公式和搜集数据的能力。 树立既考虑技术上的先进性与可靠性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思路，在这种设计思想的指导下去分析和解决工程实际问题的能力 迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力。 用简洁的文字 清晰的图表示表达自己设计结果的能力。,设计的实践性,1.经济性：应符合能量充分合理
2、利用和节能原则，符合经常生产费和设备投资费的综合核算最经济的原则；符合有用物质高回收率、低损耗率原则。 2.先进性：应对目前工厂生产过程和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽量采用国内外最新技术成果。 3.可靠性和稳定性：保证运行的安全可靠和操作的稳定易控是现代化生产应优先考虑的原则，不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。 4.可行性：流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力，整个设计方案应考虑符合国情和因地制宜的原则。,设计说明书的编写要求,目录（根据说明书的内容编写） 设计任务书（由生产任务给定） 方案的说明与论证（流
3、程方案） 设计结果概要（主要设备的特性数据，设计规定的主要操作参数，各种物料的量及状态，能耗指标以及附属设备的规格型号及数量） 设计计算与论述（工艺与结构） 对设计的评述及有关问题的分析讨论 参考文献,工程图纸的要求,2#图纸的要求 主视图（设备的主要结构形状及主要零部件间的装配连接关系） 尺寸（表示设备的总体大小 规格 装配 安装等尺寸） 主要零部件编号及明细栏 管口符号及管口表 技术特性表 技术要求 标题栏 3#图纸（2张）的要求 带控制点的工艺流程图：注明主、副物料的流动路线，设备的位号及名称主要设备的工艺参数、标题栏 塔板结构图：,板式塔的设计内容,工艺流程的设计 板式塔的工艺计算 塔
4、的辅助设备设计与选型,工艺流程的设计,板式塔的设计从两方面考虑: 1.经济方面:应该充分考虑整个系统热能的利用,以便降低操作费用。 例如:从塔顶出来的蒸气和从塔底排出的液体带出的热量可用于预热原料液或它处。 2.全塔操作的稳定性:若操作不稳定,就不能保证产品质量的均匀。有时也把冷凝器分割为两部分,一部分预热原料液,另一部分用冷却水使蒸气冷凝。这样可以用控制冷却水量来控制冷凝器的操作,同时保证进料温度一定。为此 ，控制再沸器中加热蒸气压力的恒定是保证操作稳定的条件之一，但原料液或回流液的流量和温度发生变化时，稳定情况也会受到一定的影响,为了使进料保持稳定，一般入塔的原料液由高位槽供给，以免受泵的
5、流量波动的影响。 为了保持回流液的稳定，冷凝器常采用冷却水,而不用塔顶蒸气预热原料液.因为塔顶蒸气量如有波动，将影响回流液量及进料温度。从而影响整个塔的操作稳定性。有时也把冷凝器分割为两部分，一部分预热原料液，另一部分用冷却水使蒸气冷凝。这样可以用控制冷却水量来控制冷凝器的操作,同时保证进料温度一定。 塔釜液体虽然温度很高，但用它来预热原料液,对液-液传热过程其传热系数很小，则所需传热面积必然很大。,精馏方案的选定,1.操作压力(常压、加压、减压)-设计压力一般指塔顶压力 沸点低,常压下为气态的物料-加压操作； 加压可提高操作的平均温度，有利于塔顶蒸气冷凝热的利用或可使用较便宜的冷却剂,减少冷
6、凝，冷却的费用。在相同的塔径下，适当提高操作压力，还可提高塔的处理能力，但P提高，再沸器的T提高，相对挥发度下降。 热敏性和高沸点的物料-减压操作；P降低，相对挥发度提高，有利于分离。操作的平均温度降低，加热剂温度降低，但可导致D增加，塔顶蒸气冷凝温度降低，必须使用真空设备。相应的操作费用和设备费用增加. 由于塔板压降，从塔顶到塔底压力逐渐增加，温度也相应的增加(物料组成和压力同时作用的结果)。因而沿塔物性和气液负荷也随之变化。 常压和减压塔-如塔板压降不是很大，工艺计算时假定全塔各处压力相等-误差不大。 减压塔-压力分布与塔板的结构形式，气液负荷，气液物性等多种因素有关，很难计算，一般先假设
7、再较核。多次试差。,精馏方案的选定,2.进料状态 原则讲,要使回流在全塔发挥作用,全部冷量应该加在塔顶,全部热量加在塔底.但实际设计时应该考虑设备费和操作费问题及操作平稳等多种因素. 进料-预热到泡点或接近泡点(进料温度不受季节气温变化和前一道工序波动限制,塔的操作比较容易控制.而且精馏段和提馏段的上升蒸气量相近). 有时为了减小再沸器的热负荷(如再沸器所需加热剂温度较高,或物料容易在再沸器内结焦等)可在料液预热时加入更多的热量,甚至采用饱和蒸气进料. 注意:实际设计还应该考虑整个车间的流程安排.,精馏方案的选定,3.多股进料 原料来源不同，浓度差别很大，从分离角度，应该从不同的位置加入。但所
8、处理的物料量不多时(或其中的一种物料不多时)，从设备加工和操作方便考虑，也往往多股混合以后作一股物料加入。,精馏方案的选定,4.加热方式 大塔-塔外，形式-夹套式.蛇管式,列管式(立式再沸器,卧式再沸器) 立式热虹吸再沸器的主要特点:传热系数较高,结构紧凑,占地面积小,液体在管内停留时间短,不容易结垢,且容易清洗;但壳程不能清洗,因此用于较脏的加热介质;其本身造价较低,但要求较高的塔体裙座. 卧式热虹吸再沸器的主要特点:可用低裙座,但占地面积大,出塔产品缓冲容积较大,故流动稳定,在加热段停留时间短,不容易结垢,可以使用较脏的加热介质. 立式和卧式强制循环再沸器的共同特点:适应于高粘度液体和热敏
9、性物料,因为强制循环流速高,停留时间短,有利于工艺流体循环流量的控制和调节.,精馏方案的选定,5.冷却方式 1)冷却剂-通常是水,水温随气候而定.入口一般为15-20,出口50，目的防止溶解于水中的无机盐析出. 冷却剂 还可以是冷冻盐水.液氨等，一般用于较低温度。 2)冷凝设备的结构形式 小塔-蛇管换热器 大塔-列管式换热器,工艺流程设计的要求,根据规定的操作条件进行工艺流程的设计时，所选的参数、设备的型式必须进行简要的论证，对合理利用热能的可能性要做简要分析。 绘制精馏装置的工艺流程图。 设计开始时通常只能对方案、流程作初步安排，待整个设计计算完成后再对方案流程进行修正并作较全面的论证讨论。
10、,塔板的主要部件：,筛孔（阀孔、升气管）提供气体上升的通道；,2. 溢流堰维持塔板上一定高度的液层，以保证在 塔板上气液两相有足够的接触面积；,3. 降液管作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。,汽、液两相接触方式,两相流动的推动力,全塔：逆流接触 塔板上：错流接触,液体：重力 气体：压力差,塔板结构, 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。, 降液管（液体通道）液体流通通道，多为弓形。, 受液盘塔板上接受液体的部分。, 溢流堰使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。,浮阀塔内部结构,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
11、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：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。,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。,液 泛现象：,6.10.2 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。, 过量雾沫夹带液泛,原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散
12、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 。, 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，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速 。,常用塔板的类型,（1）泡罩塔,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
13、但生产能力不大。,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。,组成：升气管和泡罩,圆形泡罩,条形泡罩,泡罩塔,（2）筛板塔板,塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。,（3）浮阀塔板,圆形浮阀,条形浮阀,浮阀塔盘,方形浮阀,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。,方形浮阀,F1型浮阀,浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔板效率高的优点，但是在处理粘稠度较大的物料方面不及泡罩塔，在结构、生产能力、塔板效率、压力降等方面不及筛板塔。,浮阀
14、塔具有下列特点： 1 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增大2040%，接近于筛板塔 2 操作弹性大，一般约为59，比筛板塔的操作弹性要大得多 3 塔板效率高，比泡罩塔高15%左右，与筛板塔接近 4 压降小，在常压塔中每块板的压降一般为400660Pa 5 液面落差小 6 使用周期长。粘度稍大一些的液体也能正常操作 7 结构简单，安装容易，制造费用为泡罩塔板的6080%，为筛板塔的120130%,精馏塔的设计步骤,1 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备形式及其材质的选取进行论述。 2 精馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 3 塔板设计；计算塔板各主要工艺尺寸，进行
15、流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 4 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 5 抄写说明书。 6 绘制静流装置工艺流程图和精馏塔的设备图。,精馏塔的工艺设计,一、分析待分离物系，确定分离方案 1、确定系统的气液平衡关系 相平衡参数一般以查取工程手册为主。 2、分析系统，确定分离方案,二、确定工艺参数 1、用全塔物料衡算式确定产品流量 2、用图解法确定最小回流比Rmin,然后确定适宜回流比R 3、图解法确定塔板数及加料板的位置 先求出理论塔板数，然后查取工程手册或借助奥康奈尔关联式确定塔板效率，从而确定所需的实际塔板数及加料位置,奥康内尔（Oconnell）关联
16、方法 精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L 的乘积为参数来表示全塔效率 ET：, 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算,4、查取系统的t-x-y关系，确定出塔顶、加料版及塔釜处得操作温度 因为精馏设备的尺寸随气、液两相的体积流量变化，而体积流量又是随温度而变化，因此，为确定精馏塔中气、液两相的体积流量，必须先确定操作温度。 5、借助精馏段、提馏段和加料板的物料衡算，确定上述位置的气、液相体积流量。,三、选择设计板面，确定物性参数 在精馏塔中气液两相的流量、组成均随位置变化，为了简化设计过程，通常先选择具有典型意义的塔板，以该板上的
17、流量、组成、温度等物性参数为依据，设计出成套的塔板结构参数，然后推广至全塔。塔顶第一块板，塔底最下一块板和加料版都是比较典型的塔板。,塔板的结构参数设计,塔板间距 塔径估算 溢流装置 塔板布置 浮阀装置 塔板流体力学验算,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；,选取塔板间距 HT ：,塔板间距和塔径的经验关系,塔体高度：有效高+顶部+底部+ 其它,有效塔高：,C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。, 液泛气速,（2）塔径确定原则： 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
18、算塔径 D。,C20液体表面张力为20 mN/m时的气体负荷系数，由史密斯关联图查得,史密斯（Smith, R. B）关系曲线, 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,所需气体流通截面积,设计气速 u = 泛点率 uf, 计算塔径 D,塔截面积：,A = AT - Af,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。,或,（3）溢流装置设计 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。, 降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。 溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。单流型：lw/D =0.6
19、0.75降液管截面积：由Af/AT = 0.06 0.12 确定；底隙 hb ：通常在 30 40 mm。, 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。,堰长： 堰高：,E液流收缩系数 对水溶液E可取1,堰长 lW ：影响液层高度。,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。,说明：通常应使溢流强度Lh /lW 不大于100130 m3/（mh）。,或：,双流型:,单流型：,(4) 塔板及其布置 受液区和降液区一般两区面积相等。 入
20、口安定区和出口安定区, 边缘区：,（5）筛孔的尺寸和排列筛孔面积：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率 ：,单流型弓形降液管塔板：, 有效传质区：,双流型弓形降液管塔板：,筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。12 25 mm (大筛孔)孔中心距 t : (2.55) d0 取整。开孔率: 通常为 0.08 0.12。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d0,t,(6) 塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。, 液沫夹带量校核 单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ：kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体 单位时间夹
21、带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e：kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：,所以,质量流量,说明：超过允许值，可调整 塔板间距 或 塔径。,ev的计算方法：,方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。 方法2：用Hunt经验公式计算ev。,式中Hf 为板上泡沫层高度：,要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。, 塔板阻力的计算和校核塔板阻力：,塔板阻力 hf包括 以下几部分:（a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；（b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。
22、,清液柱高度表示：,（a）干板阻力h0,C0 孔流系数,（b）液层阻力 hl,查图求充气系数,说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率或 降低堰高。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）, 降液管液泛校核,故塔板阻力：,为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度,hd降液管为克服底隙阻力所需要消耗的液位差,泡沫层高度,要求：,说明：若泡沫高度过大，可 减小塔板阻力或 增大塔板间距。,泡沫层相对密度：对不易起泡物系，,易起泡物系，, 液体在降液管中停留时间校核目的：避免严重的气泡夹带。,停留时间：,要求：,说明：停留时间过小，可 增加降液管面积 或 增大塔板间距。,（a）计算严重漏液时干板阻
23、力 h0 ,（b）计算漏液点气速 u0 ,说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。, 严重漏液校核漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：,要求：,液体表面张力阻力,孔流系数, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。,（6）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性, 液相下限线,整理出：,规定, 严重漏液线（气相下限线）,代入相关公式，如hOW、u0，整理出。, 液相上限线保证液体在降液管中有一定的停留时间。, 降液管液泛线,塔板的操作弹性： 或,二、浮阀塔的工艺设计,板式塔的工艺设计主要包括两大方面： (1)
24、 塔高、塔径以及塔板结构尺寸的计算； (2) 塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能图的确定。,可根据实验数据或用经验公式估算,塔高主要取决于实际塔板数和板间距。 给定任务所需实际塔板数可通过平衡级(理论板)假设求得所需的理论板数 N，然后由全塔效率(总板效率)修正,1、实际塔板数,实际板数和板间距，塔高,式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，m；Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，m。,HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。 HT，允许的操作气速，塔径，但塔高。 HT ，塔高 ，但允许的操作气速 ，塔径。 对D0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。 人孔处的板间距一般不应
25、小于 0.6m。,1）全塔效率的关联式,塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况、以及板间返混(液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致)的综合结果。 板效率是设计重要数据。 工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。 全塔效率实测数据的关联式可用于塔板效率的估算。奥康内尔（Oconnell）关联方法 精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L 的乘积为参数来表示全塔效率 ET：, 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算,2）全塔效率的关联式,横坐标 HP/L中： H 塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，kmol/(m3kPa)； P
26、操作压强，kPa； L 塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPas 。,板式塔,吸收塔,2、塔径,溢流式塔板的塔截面分为两个部分： 气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。,求 A 得与 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔径,AT -塔板总截面积， A-气体流道截面积， Af -降液管截面积,设适宜气速为 u，当体积流量为 Vs 时， A =Vs / u。求 A 的关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u 。 塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。一般取,1）A 的计算,液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。 当 uut 时，液
27、滴将被气流带出。, 索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式,L 、 V 气、液相的密度，kg/m3； 阻力系数；C 气体负荷因子，m/s。,C 取决于dp和。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故 C 需由实验确定。 实验研究表明，C 值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。,对直径为 dp 的液滴,2）史密斯（Smith, R. B）关系曲线,HThL：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，hL 为板上清液层高度，若忽略板上液面落差,常压塔 hL=50100 mm； 减压塔 hL=2530 mm。,注意：液相表面张力 = 210-2 N/m,
28、若实际液相表面张力不同，按下式校正,u，A,3）Af / AT 的确定,Af /AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。,求取方法： (1)按D和液体流量选取溢流形式，由溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。单流型：lw/D =0.60.8双流型：lw/D =0.50.7易起泡物系 lw/D 可高一些，以保证液体在降液管中的停留时间。 (2)由选定的 lw/D 值查图得 Af /AT 。 (3)由确定的 A 与 Af /AT 求得塔板面积 AT 和塔径 D ，并进行圆整。,3、塔板结构设计,鼓泡区：取决于所需浮阀数与排列； 溢流区：与所选溢流装置类型有关。 上两区均需根据塔板上的流
29、体力学状况进行专门计算。 进口安定区(分布区)：保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。Ws = 50100 mm。 出口安定区(脱气区)：避免降液管大量气泡夹带。Ws = 70100 mm。,1）塔板布置,D900mm 分块式塔板。,边缘区：塔板支撑件塔板连接。 D 2.5 m WC 60 mm。,2）溢流装置,溢流装置：由降液管、溢流堰和受液盘组成。 降液管：连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、圆形和矩形降液管 弓形降液管：有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于800mm的大塔均采用弓形。 降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的
30、溢流形式。液体在塔板上的流径越长，气液接触时间就越长，有利于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。 溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。 D 2.0 m 双溢流式或阶梯流式,液体在降液管中的停留时间 为,3、单溢流弓形降液管结构尺寸的计算,1）降液管的宽度 Wd 和截面积 Af,计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值 lw/D。 由 lw/D 查图可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已确定，故降液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。,为降低气泡夹带， 一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些
31、。 若计算出的 过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。,2）出口溢流堰与进口溢流堰,出口堰：维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。 出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。 单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流 lw=(0.50.7)D。 出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 决定了板上液层的高度 hL。,对于平堰：,弗朗西斯（Francis）公式,液流收缩系数 E,进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。 进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以保证液体由降液管流出时
32、不致受到大的阻力。,2）降液管底隙高度及受液盘,降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也应防止气体进入降液管(不可太大)。 对于弓形降液管可按下式计算,式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。 根据经验一般取 uoL = 0.070.25 m/s。 D 800 mm，h0 = 40 mm。最大时可达 150 mm。,降液管底隙高度及受液盘,受液盘：承接来自降液管的液体。 凹形受液盘：用于大塔（D800mm）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在 50mm
33、以上。,4、浮阀的数目与排列,阀孔直径：由浮阀的型号决定。 浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算,阀孔气速 u0 可根据由实验结果综合的阀孔动能因子 F0 确定,式中：Vs 气体流量，m3/s；u0 阀孔气速，m/s；d0 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0 = 39 mm。,根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔板上的浮阀刚全开时，F0 在 812 之间。设计时可在此范围内选择适宜的 F0 后计算 u0 。,浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。,液流方向,顺排,t,t,叉排,等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。 通常将同一横排的阀孔中心距定为 75
34、 mm，而相邻两排间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。,若鼓泡区面积为 Aa，则一个阀孔的鼓泡面积 Aa / N 约为 t t，故有,由 t=75mm 及上式计算的 Aa 值可得 t ，据此可确定 t 的实际取值（65、80、100mm）； 根据已确定的孔距（t 与 t），按等腰三角形叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置的浮阀总数； 若作图排列与计算所得浮阀数相等或相近，则按作图所得浮阀数重算阀孔气速，然后校核 F0 (812) 。若 F0 不在该范围内，应重新调整 t 值，再作图、校核，直到满足要求为止。,对单溢流塔板 Aa 可按下式计算：,常压塔或减压塔： = 1014
35、% 加压塔： 10%,塔板开孔率 ：塔板上阀孔总面积占塔板总面积的百分数,三、浮阀塔板的流体力学校核,目的：判断在设计工作点(任务给定的气、液负荷量)下初步设计出的塔板能否正常操作，塔板压降是否超过允许值等，从而确认塔的工艺尺寸设计结果的可靠性。 原因：在计算确定浮阀塔的塔高 Z、塔径 D 及塔板结构尺寸时，有部分设计参数来源于一定范围内的经验数据，如 HT、lw /D、hL 等。,1、塔板压降的校核,气体通过塔板的压强降对塔板的操作性能有着重要影响，通常也是设计任务规定的指标之一。 塔板的压降等于干板压降与液层压降之和，即,国内通用的 F1 型浮阀塔板的 hd 可按如下经验公式计算：,阀全开
36、前,阀全开后,式中：u0 阀孔气速，m/s；uoc 阀恰好全开时的阀孔气速(临界气速)，m/s；V、 L 分别为塔内气体和液体的密度，kg/m3。,由上两式可得临界孔速 uoc 的计算式,以上三式是由阀重 34g 和阀孔直径 39mm 的重型浮阀测定的数据关联所得。用于其它重量的浮阀时需进行修正。,液层阻力 hl 为：,如果算出的板压降 hf 值超过规定的允许值，应对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率 或降低堰高 hw，以使 hf 值下降。,2、液沫夹带的校核,正常操作时的液沫夹带量为： ev 0.1kg液体/kg气体。 尚无 ev 较准确的直接计算式，通常是间接地用泛点率(泛点百分数) F
37、l 作为估算 ev 大小的依据。 泛点率 Fl ：操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比 D0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；减压塔：Fl 75%,经验公式：,Ls , Vs 分别为塔内液、气相流量，m3/s； L , V 分别为塔内液、气相密度，kg/m3；ZL 板上液相流程长度，m。单溢流：ZL=D - 2Wd；Ab 板上液流面积，m2。单溢流：Ab=AT - 2Af；K 物性系数； CF 泛点负荷因子。,液沫夹带的校核,液沫夹带的校核,若计算所得泛点率 Fl 不在上述范围内，则可认为 ev 超过了最大允许值，必须调整有关参数，如增大板间距HT、或增大塔径 D（降低气
38、速）等，再重新进行校核。,3、溢流液泛的校核,为避免发生溢流液泛，则应保证降液管中泡沫液层的高度不能超过上层塔板的出口堰，即必须满足, 泡沫层相对密度。,与降液管中泡沫液层高度相当的清液层 Hd 可由下式计算,上式中 hw、how 及 hf 可由前面介绍的公式进行计算。 液面落差在 Hd 计算式中相对较小，一般可忽略不计（也可根据一些经验式进行计算）。,易起泡物系： = 0.30.4； 一般物系： = 0.5； 不易起泡物系： = 0.60.7。,溢流液泛的校核,液体经过降液管的阻力损失 h，主要由降液管底隙处的局部阻力所造成，可按下面的经验公式计算：,塔板上不设进口堰时,塔板上设有进口堰时,
39、式中：Ls 液体体积流量，m3/s；lw 堰长，亦即降液管底隙长度，m；h0 降液管底隙高度，m；uoL 液体通过降液管底隙时的流速，m/s。,4、负荷性能图及操作弹性,1）负荷性能图,为一定任务设计的塔板，在一定气、液相负荷范围内才能实现良好的气、液流动与接触状态，有高的板效率。 当气、液相负荷超出此范围，不仅塔板的分离效率大大降低，甚至塔的稳定操作也将难以维持。 有必要对已设计的塔确定出其气、液相操作范围。,0,1,2,3,4,5,正常操作范围,Ls (m3/h),Vs (m3/h),1. 漏液线(气相负荷下限线),2. 过量液沫夹带线(气相负荷上限线),3. 液相负荷下限线,4. 液相负
40、荷上限线,5. 溢流液泛线,（1）漏液线（气相负荷下限线）,操作时防止塔板发生严重漏液现象所允许的最小气体负荷。塔板漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。,式中， d0、N、V 均为已知数，故由此式求出的气体负荷Vs 的下限在负荷性能图（Vs-Ls图）中为一水平线。,0,Ls (m3/h),Vs (m3/h),对 F1 型重阀取阀孔动能因子 F0=5 时的气体负荷为操作的下限值：,1,（2）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,控制液沫夹带量 ev 不大于最大允许值的气体负荷上限。将与 ev=0.1（kg液体/kg气体）相对应的泛点率Fl（如D0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下
41、式后所得的 Vs-Ls 关系式作图而得。,此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷 Ls 也有一定关系，但主要取决于气体负荷。,0,Ls (m3/h),Vs (m3/h),1,2,（3）液相负荷下限线,此线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。 对平顶直堰，取 how = 6 mm 作为液相负荷下限的标准。,也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定,E, lw 已知，为一垂直线。,（4）液相负荷上限线,不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。为一垂直线。,3,4,由上述 5 条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区。在此区域内，气、液
42、两相流率的变化对塔板效率的影响不大。,（5）溢流液泛线,降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系,塔板的设计点及操作点都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。 对于一定气液比的操作过程，Vs/Ls 为一定值，故塔板的操作线在图上为以 Vs/Ls 为斜率过原点 o 的直线。,5,OP,0,1,2,3,4,5,Ls (m3/h),Vs (m3/h),（6）操作弹性,塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。 对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。,塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳
43、定操作。,OP 线（高气液比）： 上限 a（过量液沫夹带） 下限 a（低液层）,OP,OP,OP,a,a,b,b,c,c,OP 线（较高气液比）： 上限 b（溢流液泛） 下限 b（漏液）,OP 线（低气液比）： 上限 c（气泡夹带） 下限 c（漏液）,操作弹性,右图表明，因降液管流通面积偏小，使液体负荷成为塔板操作的主要控制因素。,液沫夹带线 2 和溢流液泛线 5 将上移，甚至使线 5 落到正常操作范围之外。,物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。,减小降液管面积，液相上限流量 Ls 下降(线 4 将左移)；,塔板的负荷性能图可清楚地表示塔板的允许的气、液相负荷范围及塔板操作弹性的大小，对塔板的改造和设计以及塔的操作均有一定的指导意义。,OP,a,a,4,2,5,计算示例,
