1、化工原理电子教案 板式塔及其设计计算,3.1概述,高径比很大的设备称为塔 1.塔设备的基本功能和性能评价指标 使汽液两相充分接触，适当湍动，提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离 在塔内使汽、液两相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的传质推动力,塔设备性能的评价指标,通量单位塔截面的生产能力，表征塔设备的处理能力和允许空塔气速 分离效率单位压降塔的分离效果，对板式塔以板效率表示，对填料塔以等板高度表示 适应能力操作弹性，表现为对物料的适应性及对负荷波动的适应性,2.塔设备的类型 根据塔内气、液接触构件的结构形式，分为板式塔和填料塔 按塔内汽液接触方式，分为逐级接触式（连续
2、）和微分（连续）接触式之分 板式塔：塔内设置一定数量的塔板，处理物 料量大时采用 填料塔：塔内装有一定高度的填料，塔径较小时采用,3.2板式塔,按照塔内汽液流动的方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板,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
3、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。,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：,3.3 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，将液体分散并
4、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 。,3.4 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
5、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。,筛 板,（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,（4）多降液管（MD）塔板优点：提高允许液体流量,3.5筛板塔化工设计计
6、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 ：,理论塔板数计算,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,两相流动参数 FLV：,（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；最后计算塔径 D。, 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
7、= AT - Ad,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。,（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 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。
8、,说明：通常应使溢流强度qVLh/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：, 边缘区：,（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：, 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
9、）、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,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
10、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。,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：,降液管中清液柱高度 (m),（a） 液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时，,一般要求： 0.5h0,（b） 液体通过降液管阻力 hd,包括底隙
11、阻力 hd1和进口堰阻力hd2。,无进口堰时：,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：, 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）
12、 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,化工原理课程设计任务书1 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理甲醇水混合液8万吨（开工率300天/年） 原 料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于95%塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书2 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产
13、能力：年处理甲醇水混合液10万吨（开工率300天/年） 原 料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于95%塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书3 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理苯甲苯混合液2万吨（开工率330天/年） 原 料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）的65液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98%塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书4 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理苯甲苯混合液1.8万吨（开工率330天/年） 原
14、 料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）的40液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98%塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书5 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产2.5万吨苯(纯),（开工率7920小时） 原 料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98%塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书6 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产2.0万吨苯(纯),（开工率7000小时） 原 料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和液体 分离要求：塔顶苯含
15、量不低于98%塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书7,设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产甲醇(纯)4万吨（开工率7200小时） 原 料： 甲醇含量为40%（质量分率，下同）的 饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于98%塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书8 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产甲醇(纯)3万吨（开工率7200小时） 原 料： 甲醇含量为40%（质量分率，下同）的 饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于96%塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,参考资
16、料 1.夏清、陈常贵主编化工原理（上、下册），天津大学出版社，2005 2.化学工程手册 第13篇汽液传质设备，化学工业出版社，1979 3.贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计，天津，天津大学出版社，2002 4.陈英南、刘玉兰主编常用化工单元设备的设计，上海，华东理工大学出版社，2005 5.板式塔研究进展化学工程，Vo131. No.3 .2003 6.国内新型浮阀塔板评述化工设计，2002，（5） 7.负荷性能图法计算板式塔工艺尺寸化工学报，1997,板式塔的类型很多，设计原则基本相同 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型 确定塔径、塔高等工艺尺寸 进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置 进行流体力学验算 绘制塔板的负荷性能图 根据负荷性能图，对设计进行分析,设计内容 1.设计方案的确定 2.精馏塔的物料衡算 3.塔板数的确定 4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算 6.塔板主要工艺尺寸的计算 7.塔板的流体力学验算 8.塔板负荷性能图,9.汽液相进出口管径选择，辅助设备选型 10.浮阀塔投资费用的估算,设计说明书内容 1.目录 2.设计方案简介 3.设计结果汇总 4.工艺计算的主要设备设计 5.讨论 6.符号说明 7.参考资料 8.图纸,
