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1、化工过程设备设计化工过程设备设计（二）（二） 板式精馏塔的设计板式精馏塔的设计 青海大学青海大学 化工学院化学工程系化工学院化学工程系2014年年11月月18日日概述概述n1 1 塔设备的基本功能和性能评价指标塔设备的基本功能和性能评价指标n1)1)基本原则基本原则n充分接触充分接触, ,适当湍动适当湍动, ,提供大的传质面积和传质系数提供大的传质面积和传质系数, ,并能及时分离并能及时分离n逆流逆流, ,提供最大传质推动力提供最大传质推动力n2)2)评价指标评价指标n空塔气速高，生产能力大空塔气速高，生产能力大n塔板效率高，板数少，投资少塔板效率高，板数少，投资少n操作弹性大操作弹性大n压降
2、小，釜温低，能耗小压降小，釜温低，能耗小n结构简单结构简单, ,金属耗量少金属耗量少, ,造价低造价低, ,维修安装容易维修安装容易概述概述n3)3)主要内容主要内容n结构与性能结构与性能n流体力学性能流体力学性能n工艺设计方法工艺设计方法n选型选型2 塔设备的类型塔设备的类型板式塔：液相为连续相，气相为分散相板式塔：液相为连续相，气相为分散相填料塔：液相为分散相，气相为连续相填料塔：液相为分散相，气相为连续相n逐级接触式气液传质设备逐级接触式气液传质设备n1 1）错流塔板）错流塔板n泡罩塔泡罩塔n筛板塔筛板塔n浮阀塔浮阀塔n2 2）逆流塔板）逆流塔板n筛板塔筛板塔n栅缝板栅缝板n波纹板波纹板
3、一、塔板的类型 一、塔板的类型 塔板 有降液管式塔板 无降液管式塔板 塔板的分类a.有降液管式塔板b.无降液管式塔板错流式逆流式1. 塔板分类(1)泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100和150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择。泡罩下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。一、塔板的类型 2. 塔板的主要形式 泡罩实物 泡罩塔板a.操作示意图；b.塔板平面图；c.圆形泡罩泡罩塔板的优缺点v 操作弹性大v 塔板不易堵塞v 生产能力及板效率较低v 结构复杂、造
4、价高一、塔板的类型 优点 缺点 (2)筛孔塔板 筛孔塔板简称筛板，1830年问世，其结构特点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。一、塔板的类型 筛孔塔板a.操作示意图；b.筛孔布置图v 板上液面落差小，气体压降低v 生产能力大v 操作弹性小v 结构简单、造价低v塔板效率较高筛孔塔板的优缺点优点 缺点 v 筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料一、塔板的类型 (3)浮阀塔板 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制
5、阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，可防止阀片与板面的粘结。 一、塔板的类型 浮阀实物 浮阀塔板a.F1 型浮阀；b. V-4 型浮阀；c. T 型浮阀新型浮阀塔板VV塔板梯形导向浮阀塔板v 操作弹性大v 生产能力大v 处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板粘结v 操作时阀片易脱落或卡死v 结构简单、造价低v 塔板效率较高一、塔板的类型 浮阀塔板的优缺点优点 缺点 (4)喷射型塔板 舌型塔板 舌型塔板的结构特点是，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有1
6、8、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有5050mm和2525mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管。一、塔板的类型 舌形塔板示意图 浮舌塔板 浮舌塔板的结构特点是，其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，处理能力大、压降低、操作弹性大。浮舌塔板示意图一、塔板的类型 n 斜孔塔板斜孔塔板塔板的性能评价指标 v 生产能力大v 塔板效率高v 塔板压降低v 操作弹性大v 结构简单，制造维修方便，造价低二、塔板的性能评价三种塔板的比较: 1. 生产能力：生产能力： 筛板筛板 浮阀浮阀 泡罩；泡罩； 2. 压降：压降： 泡罩泡罩 浮阀浮阀
7、 筛板；筛板； 3. 操作弹性：操作弹性： 浮阀浮阀 泡罩泡罩 筛板；筛板； 4. 造价：造价： 泡罩泡罩 浮阀浮阀 筛板；筛板； 5. 板效率：板效率： 浮阀、筛板相当浮阀、筛板相当 泡罩。泡罩。 常见塔板的性能比较 塔板类型 相对生 相对塔 操作 压力降 结构 成本 产能力 板效率 弹性 泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 复杂 1.0 筛孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 简单 0.4 0.5 浮阀塔板 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 简单 0.4 0.5 斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 简单 0.4 0
8、.5 二、塔板的性能评价 hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw溢流堰溢流堰降液管降液管受液盘受液盘三、塔板的结构参数四、塔板的溢流装置1. 降液管 降液管是塔板间液体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管圆形降液管弓形降液管矩形降液管适用于小直径塔适用于中等直径塔适用于中大直径塔，采用中间溢流四、塔板的溢流装置塔板溢流类型 四、塔板的溢流装置2. 受液盘 受液盘用于接受上层塔板下降的液体，通过进口堰形成液封，并使液体在塔板上分布均匀。受液盘平受液盘凹形受液盘适用于小直径塔适用于大直径塔受液盘示意图a.平受液盘；b. 凹型受液盘五、板式塔的流
9、体力学性能 塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态： v 鼓泡接触状态 v 蜂窝接触状态v 泡沫接触状态 v 喷射接触状态 1. 塔板上气液两相的接触状态（1）鼓泡接触状态鼓泡接触状态 气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。 五、板式塔的流体力学性能（2）蜂窝状接触状态蜂窝状接触状态 随着气速增加，气泡数量不断增加。当气泡形成速度大于气泡浮升速度时气泡在液层中累积。气泡间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡。由
10、于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。 五、板式塔的流体力学性能（3）泡沫接触状态泡沫接触状态 当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈动态泡沫，由于泡沫接触状态表面积大，并不断更新，是一种较好的接触状态。 五、板式塔的流体力学性能（4）喷射接触状态喷射接触状态 当气速继续增加，把板上液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用落回到塔板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。液滴回到塔板上又被分散，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，是一种较好的
11、接触状态。五、板式塔的流体力学性能气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。塔板阻力板上各部件所造成的局部阻力。板上充气液层的静压力形成的阻力。液体表面张力形成的阻力。塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降干板阻力充气液层阻力表面张力阻力五、板式塔的流体力学性能2. 塔板压降分析气液接触时间塔板效率塔釜温度气体阻力塔板压降塔板压降能量消耗对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。五、板式塔的流体力学性能 当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。塔板上的液面落差示意图液面落差五、板式塔
12、的流体力学性能3. 液面落差分析气液分布均匀程度塔板效率与塔板的结构有关泡罩塔板大浮阀塔板中筛孔塔板小与塔径、液体流量有关塔径流量五、板式塔的流体力学性能（1）漏液 在正常操作塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。 为保证塔正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量为10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。 六、板式塔的操作特性 1.塔板上的异常操作现象 上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体分散成微小液滴，气体夹带着这些液滴在板间的空间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体
13、进入上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。 为维持正常操作，需将雾沫夹带限制在一定范围，一般为 eV 0.1kg(液)/ kg(气)。 （2）雾沫夹带 雾沫夹带量六、板式塔的操作特性 （3）液泛 塔板正常操作时，在塔板上应维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。 液泛夹带液泛降液管液泛由雾沫夹带限制六、板式塔的操作特性 对一定分离物系，当设计选定塔板类型后，其操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内的气液负荷限制在一定的范围内，该范围即为塔板的负荷性能。塔板的负荷性
14、能用负荷性能图表示2.塔板负荷性能图六、板式塔的操作特性 塔板的负荷性能图SLSV液相负荷上限线漏液线雾沫夹带线液相负荷下限线液泛线51234操作点操作线SVSL(1)漏液线漏液线气相负荷下限线漏液量 10液流量漏液气速 umin(2)雾沫夹带线雾沫夹带线气相负荷上限线雾沫夹带量 0.1kg液/kg气夹带气速 umax六、板式塔的操作特性 (3) 液相负荷下限线 液流量过低，板上液层不均匀，气体停留时间短，传质效率低。最小液流量 Lmin(4) 液相负荷上限线 液流量过高，液体通过降液管内的停留时间较短，气泡来不及与液体分离 气泡夹带。堰上液层高度 0.006 m最大液流量 Lmax液体在降液
15、管停留时间 5 s六、板式塔的操作特性 (5) 液泛线 为防止液泛，降液管内的液层高度应不超过某一数值。)(WTdhHH液泛气速 uF降液管内液层高度安全系数塔板间距溢流堰高度六、板式塔的操作特性 v 适宜操作区v 操作点v 操作线v 操作控制v 操作弹性v 操作线的调节3.板式塔的操作分析 六、板式塔的操作特性 七、塔有效高度的计算 1. 基本计算公式 TpHNZ) 1( 板式塔有效高度是指安装塔板部分的高度，其计算方法是，先通过板效率将理论板层数换算为实际板层数，再选择合适的板间距计算板式塔的有效高度。 实际塔板层数塔板间距 2. 塔板效率 塔板效率反映了实际塔板的汽液两相传质的完善程度。
16、 (1)全塔效率 %100pTTNNE 全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率，它是理论板层数的一个校正系数，其值恒小于100%。 总板效率七、塔有效高度的计算 (2)单板效率 单板效率又称默弗里（Murphree）效率，它是以混合物经过实际板的组成变化与经过理论板的组成变化之比来表示的，单板效率即可用汽相组成表示，也可用液相组成表示，分别称为汽相单板效率和液相单板效率。 七、塔有效高度的计算 气相单板效率 1*1nnnnMVyyyyE液相单板效率 nnnnMLxxxxE*11单板效率分析1ntnt1nt1nyny1ny1nxnx1nx)(ny)(nx七、塔有效高度的计算 (3)点效率 点效率是指
17、塔板上各点的局部效率。1*1nnOVyyyyE点效率分析1nynynx1nxxy)(y七、塔有效高度的计算 八、板式塔直径的计算 1.基本计算公式uDsv4提示v 精馏段与提馏段分别计算，相差不大取较大者 作为塔径，相差较大采用变径塔。 v 计算塔径后应进行圆整。 精馏塔内径计算式v标准塔径（标准塔径（mm）：）：600，700，800，1000，1200，1400，1600，1800，2000，4200八、板式塔直径的计算 2.空塔气速的确定 空塔气速是影响精馏操作的重要因素，空塔气速的上限有严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏液决定，适宜的空塔气速应介于二者之间。根据设计经验，通常取max)
18、8.06.0(uu 最大空塔气速3.气相体积流量的计算 （1）精馏段体积流量的计算 VmVnMq3600,sviinimMyM1操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 pTTpqQVnVV00,36004 .22八、板式塔直径的计算 （2）提馏段体积流量的计算 VmVnSMqV3600,iinimMyM1pTpTqqVnVV00,36004 .22操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 八、板式塔直径的计算 九九. . 溢流装置设计溢流装置设计 hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw溢流堰溢流堰降液管降液管受液盘受液盘开孔区开孔区溢流区溢流区安定区安定区 无
19、效区无效区 U型流型流 小液体负小液体负荷，液体流荷，液体流程长，板面程长，板面利用好，板利用好，板效较高，但效较高，但液面落差大。液面落差大。 单流型单流型 液体流程液体流程较长，板面利较长，板面利用好，用好， 塔板塔板结构简单，直结构简单，直径径2.2米以下米以下的塔。的塔。溢流堰的类型溢流堰的类型 阶梯溢流阶梯溢流 结构复杂，结构复杂，适用于大塔径适用于大塔径负荷大的塔。负荷大的塔。 双溢流双溢流 流程短可流程短可减少液面落减少液面落差，但板面差，但板面利用率低且利用率低且结构复杂，结构复杂， 用于液体负用于液体负荷大，直径荷大，直径2m以上塔。以上塔。 一般可根据初估塔径和液体流量，一
20、般可根据初估塔径和液体流量，参考表参考表3-3选塔板的液流型式。选塔板的液流型式。降液管类型与溢流方式（a）圆形降液管（b）弓形降液管 它由部分壁面和一块平板围成的，由于能充分利用内空间，提供较大降液面积及两相分离空间，被普遍应用。（c）倾斜式弓形降液管 它既增大了分离空间又不过多占用塔板面积，故适用于大直径大负荷塔板降液管类型溢流堰装置的设计计算)/(130100/3hmmlLWh堰长堰长 lw 单流型单流型 lw 为（为（0.6 0.8）D 双溢流双溢流 lw 为（为（0.5 0.7）D 也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的 lw ：其中 D 塔径 lw 溢流堰
21、长 Lh 液体流量溢流堰OWWLhhh式中式中 hL 板上液层高板上液层高度度(一般一般50100mm） how 堰上液层高堰上液层高度（可按图度（可按图5-6进行计算，进行计算，一般低于一般低于60mm）堰高堰高 hw堰上液层高度堰上液层高度how 也可按也可按 Francis 公式计算公式计算hwhowHdhLhoHTD堰上液层高度堰上液层高度 平直堰的平直堰的hOW按下式计算按下式计算 l W 堰长，m Lh 塔内液体流量，m/h E 液流收缩系数，一般取132100084. 2WOWlLEhhOWWOWhhh10. 005. 0Wh 常压常压 0.04 0.05m 减压减压 0.015
22、 0.025m 高压高压 0.04 0.08m 一般均不宜超过一般均不宜超过 0.1m求得求得how后，即可按下式指出的范围确定堰高后，即可按下式指出的范围确定堰高h hw w 堰高堰高 若若how小于小于6mm6mm，应采用齿形堰，应采用齿形堰 降液管的宽度降液管的宽度 Wd 与截面积与截面积 Af 若知堰长与塔径的比值，由右图即可查取降液管的宽度与截面积。 降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内的停留时间一般等于或大于35s。求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间。 即 式中 液体在降液管中的停留时间，s A Af f降液管的截面积，m2sTf
23、LHA 降液管底隙高度降液管底隙高度 howHdhLhwHTh0hw h0 6 mm h0 应低于 hw 降液管底隙高度 h0（1）一般取为：（2）也可按下式计算 式中 液体通过降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超过0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。mhhW)012. 0006. 0(000ulLhWs0u0hsmu/25.007.00受液盘及进口堰受液盘及进口堰 howHdhLhwHT平受液盘及出口堰 hwhowHdhLHTD凹形受液盘 F 但有时为使液体进入塔板时平稳并防止塔板液流进口处头几排筛孔因冲击而漏液，对直径为800mm以上的塔板，推荐使用凹形受液盘。当大
24、塔采用平形受液盘时，为保证降液管的液封并均布进入塔板的液流，可设进口堰。受液盘及进口堰受液盘及进口堰 F一般情况下多采用平受液盘一般情况下多采用平受液盘F有平受液盘和凹形受液盘之分有平受液盘和凹形受液盘之分 hwhowHdhLhohwHTD（1）塔板布置（2）筛板的筛孔与开孔率塔板的设计计算塔板的设计计算hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaWsAfL Lw塔板布置塔板布置 开孔区、溢流区、安定区开孔区、溢流区、安定区 和和 无效区无效区开孔区开孔区 也称为鼓泡区。对垂直弓形降液管的单流型塔板按下式计算。 式中 Aa鼓泡面积，m2 RxRxRxAa/sin18021222m
25、WcWdDx),()2/(mWcDR,) 2/( 溢流区溢流区 溢流区面积 Af和Af分别为降液管和受液盘所占面积。 安定区安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区（破沫区），其作用为使自降液管流出液体在塔板上均分布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。 无效区无效区 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的边梁。小塔为3050mm,大塔为5075mm。为防止液体经边缘区流过产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。nt0d 孔径 筛板厚度 孔心距 开孔率 筛孔数筛板的筛孔与开孔率td0筛孔的正三角形排列筛孔的正三角形排列 筛板厚度筛板厚度 一般碳钢一般碳钢 或或 不锈钢不锈钢
26、或或 mm430)8 . 04 . 0(dmm520)7 .05 .0(d筛孔在筛板上一般按正三角形排列，孔心距筛孔在筛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过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板的传质效率。不均匀，影响塔板的传质效率。 孔心距孔心距t筛板上筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。筛板上筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。 筛孔按正三角形排列的计算公式：筛孔按正三角形排列的计算公式： 一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量小，一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量小，但操作弹性小
27、，漏液量大，板效率低。通常开孔率但操作弹性小，漏液量大，板效率低。通常开孔率为为 5%15%。200)/(907. 0dtAAa开孔率开孔率 筛孔数目筛孔数目 aAtn23101158n设计步骤设计步骤n（1 1）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，确定设计方案n（2 2）根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型）根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型n（3 3）确定塔径、塔高等工艺尺寸）确定塔径、塔高等工艺尺寸n（4 4）塔板结构设计）塔板结构设计n（5 5）流体力学验算）流体力学验算n（6 6）绘制塔板负荷性能图）绘制塔板负荷性能图n（7 7）对设计进行分析与修正）对设
28、计进行分析与修正板式塔的工艺设计板式塔的工艺设计设计说明书内容一、概述一、概述 塔型介绍，如何选型，选塔型的理由。介绍板式塔在化工生产中的地位。二、设计方案确定及流程说明二、设计方案确定及流程说明 1、装置流程确定 2、操作压强的选择（任务指定） 3、进料热状况的选择（任务指定） 4、加热方式的选择（电、气） 5、回流比的选择三、塔的工艺计算三、塔的工艺计算 1、物料衡算及操作线方程 2、理论板数的计算 3、塔的工艺条件及物性数据的计算 4、塔板效率估算设计说明书内容四、塔和塔板主要尺寸计算四、塔和塔板主要尺寸计算 1、塔高（有效高度） 2、塔径 3、溢流装置 4、塔板主要工艺尺寸计算 5、流
29、体力学验算 6、塔板负荷性能图五、工艺设计计算结果一览表五、工艺设计计算结果一览表六、设计体会与讨论六、设计体会与讨论参考文献参考文献设计说明书内容1、封面2、设计任务书3、目录4、设计内容5、封底说明书装订顺序设计要求1、独立完成课程设计，不准抄袭，如有发现，后果自负。（抄袭者和被抄袭的一并作不及格处理）2、A4纸手写，不要打印，抽杆夹装订3、封面统一4、任务书必须装订到说明书中（复印），根据任务分配表正确填写设计参数5、目录：列出三级标题。 一级标题：第一章、第二章 二级标题：1.1、 1.2、2.1、 2.2、 三级标题：1.1.1. 1.1.2. 举一例如下：第一章 工艺计算 页码 1
30、.1 物料衡算 页码 1.1.1. 全塔物料衡算 页码 1.1.2. 精馏段物料衡算 页码目录格式 成绩n设计说明书n1.设计概述（文献综述）n2.工艺计算（精馏段和提馏段分段计算）n3.设计结果n4.图纸质量（共6张）nx-y图（图解法求解理论板层数），t-x-y图，工艺流程图，塔板布置图，塔板负荷性能图（2张）n5.设计说明书编写格式注意n图号.图名n表号.表名n页码标注n目录页码n参考文献格式将你所参考的文献、资料、书籍的出将你所参考的文献、资料、书籍的出处都在参考文献中列出。处都在参考文献中列出。参考文献标准格式参考文献标准格式注意：所用的几个不同的标点符号注意：所用的几个不同的标点符号。
