1、化工原理电子教案 板式塔及其设计计算,新乡学院化工原理教研室 研制,8、板 式 塔,8.1 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。,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
2、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：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。,气量 夹带量 板间距HT 夹带量,要求液沫夹带量 eG0.1kg液沫/kg干气,液沫夹带影响因素,气泡夹带,原因：液体在降液管中停留时间过短，气泡来 不及解脱，而被液体卷入下层塔板。,气体和液体的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。,漏液,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
3、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。,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。, 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 。,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
4、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 。,气量过小 ； 塔板开孔率大。,6.10.3 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,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。,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
5、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,筛板塔化工设计计算,一、板式塔的工艺计算 （1）选定塔顶、塔底产品浓度（有时由设计任务书给出），进行全塔物料衡算，列出物料衡算总表。 （2）确定冷凝器、塔顶、塔底的操作压力。 （3）确定塔顶、塔底温度。 （4）选定进料状态，定出进料温度。 （5）在已定的操作压力下，作出x-y相平衡曲线。 （6）求出最小回流比。 （7）确定适宜的操作回流比。 （8）计算所需的理论板数及进料位置。 （9）确定全塔效率，算出精馏段、提馏段实际塔板数
6、。 （11）计算塔顶冷凝器及塔底再沸器的热负荷，求出塔顶、塔底所需冷却剂量及加热蒸汽用量，列出全塔热量衡算总表。,（1）塔的有效高度 Z已知：实际塔板数 N=NT /； 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,二、筛板塔设备设计计算,板式塔的高度为气液接触有效高度与塔顶、塔底空间高度三部分之和。其中有效段高度： Z=（N-NF-NP-1）HT + NFHF + NPHP + HD + HB 式中N为实际塔板数， NF进料板数，HT为板间距， HF进料板处板间距， NP人孔数，一般每隔68层塔板设一人孔，需经常清洗时每隔34块塔板处设
7、一人孔。人孔直径一般为450500mm。 HP设人孔处的板间距，一般取等于或大于600mm。 HD塔顶空间（不包括头盖部分），通常取1.21.5m HB塔底空间。指最后一块塔板到塔底部的距离。液体自离开最后一块塔板至流出塔外，需要有10-15min停留时间，据此再由釜液流量和塔径即可求出此此段高度 。,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 umax (m/s)；然后选设计气速 u；最后计算塔径 D。,8-7,取板上清液层高度hl=50-100mm之间,对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C
8、20=(HT 、FLV), 选取设计气速 u 选取泛点率： u / umax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 umax,Af, 计算塔径 D,An= AT - Af,An,总面积 AT,按下表1选择塔板流型，并取堰长,通常单流型可取k=0.60.8，双流型取k=0.50.7。对容易发泡的物系k可取得高一些，以保证液体在降液管内有更长的停留时间。,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。,由教材图8-17查得溢流管面积,和塔板总面积,之比，即,，然后求得塔板总面积,按塔设备系列化规格，将D进行圆整。当塔径小于1m时
9、，按100mm递增，当塔径大于1m时，按200mm递增。,为气体的体积流量m3/s，需要按精馏段和提馏段分开计算，最后根据塔径的大小确定均能满足要求的塔径。,3、塔板的分块 塔板按结构特点，大致可分为整块式和分块式两类塔板。塔径为300900mm时，一般用整块式；塔径超过800900mm时，由于刚度、安装、检修等要求，多将塔板分成数块通过人孔送入塔内。对塔径为8002400mm的单流型塔板，分块数如下表：,（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。降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 0.12
10、 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 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：通常应使液流强度VL/lW 不大于60 m3/（mh）。,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。 入口安定区和出口安定区,其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。,堰上方液头高度 hOW ：,要求：, 无效区（边缘
11、区） ：,（5）筛孔的尺寸和排列筛孔：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：, 鼓泡区（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 0.05 0.15。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d0,t,(6) 塔板的校核（参看教材）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 单位时间夹带到上
12、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。,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（参看有关设计书）,说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率或 降低堰高。, 降液管液泛校核,说明：若高度过大，可 减小塔板阻力或 增大塔板间距。, 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。,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,要求：,液面落差,/h00.5, 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：,
