板式塔的設(shè)計

《化工過程設(shè)備設(shè)計Ⅰ（二）》

板式塔的設(shè)計

化工學(xué)院化學(xué)工程系2013年12月概述1塔設(shè)備的基本功能和性能評價指標(biāo)1)基本原則充分接觸,適當(dāng)湍動,提供大的傳質(zhì)面積和傳質(zhì)系數(shù),并能及時分離逆流,提供最大傳質(zhì)推動力2)評價指標(biāo)空塔氣速高，生產(chǎn)能力大塔板效率高，板數(shù)少，投資少操作彈性大壓降小，釜溫低，能耗小結(jié)構(gòu)簡單,金屬耗量少,造價低,維修安裝容易概述2塔設(shè)備的類型1)類型板式塔：液相為連續(xù)相，氣相為分散相填料塔：液相為分散相，氣相為連續(xù)相3)主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)與性能流體力學(xué)性能工藝設(shè)計方法選型1、逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備2）錯流塔板泡罩塔篩板塔浮閥塔3）逆流塔板篩板塔柵縫板波紋板一、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)缺點操作彈性大

塔板不易堵塞生產(chǎn)能力及板效率較低結(jié)構(gòu)復(fù)雜、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3～8mm。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.篩孔布置圖板上液面落差小，氣體壓降低生產(chǎn)能力大操作彈性小結(jié)構(gòu)簡單、造價低塔板效率較高篩孔塔板的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點篩孔易堵塞，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V－V塔板梯形導(dǎo)向浮閥塔板操作彈性大生產(chǎn)能力大處理易結(jié)焦、高黏度物料閥片易與塔板粘結(jié)操作時閥片易脫落或卡死結(jié)構(gòu)簡單、造價低塔板效率較高一、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

①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，有18°、20°、25°三種（一般為20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm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②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

斜孔塔板塔板的性能評價指標(biāo)

生產(chǎn)能力大

塔板效率高

塔板壓降低

操作彈性大

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：篩板>浮閥>泡罩；2.壓降：泡罩>浮閥>篩板；3.操作彈性：浮閥>泡罩>篩板；4.造價：泡罩>浮閥>篩板；5.板效率：浮閥、篩板相當(dāng)>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1.01.0中高復(fù)雜1.0篩孔塔板1.2～1.41.1低低簡單0.4～0.5浮閥塔板1.2～1.31.1～1.2大中一般0.4～0.5舌形塔板1.3～1.51.1小低簡單0.4～0.5斜孔塔板1.5～1.81.1中低簡單0.4～0.5——————————————————————————

二、塔板的性能評價

hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw溢流堰降液管受液盤三、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(jìn)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)：

鼓泡接觸狀態(tài)

蜂窩接觸狀態(tài)

泡沫接觸狀態(tài)

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。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(jìn)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，則將隨氣體進(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)荷限制在一定的范圍內(nèi)，該范圍即為塔板的負(fù)荷性能。塔板的負(fù)荷性能用負(fù)荷性能圖表示2.塔板負(fù)荷性能圖六、板式塔的操作特性

塔板的負(fù)荷性能圖液相負(fù)荷上限線漏液線霧沫夾帶線液相負(fù)荷下限線液泛線操作點操作線(1)漏液線漏液線氣相負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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≥0.006m最大液流量Lmax液體在降液管停留時間≥5s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。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

適宜操作區(qū)操作點操作線操作控制操作彈性操作線的調(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

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汽液兩相傳質(zhì)的完善程度。(1)全塔效率

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%?？偘逍势摺⑺行Ц叨鹊挠嬎?/p>

(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

液相單板效率

單板效率分析七、塔有效高度的計算

(3)點效率

點效率是指塔板上各點的局部效率。點效率分析七、塔有效高度的計算

八、板式塔直徑的計算

1.基本計算公式提示

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。

計算塔徑后應(yīng)進(jìn)行圓整。

精餾塔內(nèi)徑計算式標(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(yán)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)設(shè)計經(jīng)驗，通常取～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

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

（2）提餾段體積流量的計算

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.溢流裝置設(shè)計

hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw溢流堰降液管受液盤降液管類型與溢流方式（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(fù)荷塔板降液管類型

U型流小液體負(fù)荷，液體流程長，板面利用好，板效較高，但液面落差大。

單流型液體流程較長，板面利用好，塔板結(jié)構(gòu)簡單，直徑2.2米以下的塔。溢流堰的類型

階梯溢流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大塔徑負(fù)荷大的塔。

雙溢流流程短可減少液面落差，但板面利用率低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用于液體負(fù)荷大，直徑2m以上塔。一般可根據(jù)初估塔徑和液體流量，參考表5-2選塔板的液流型式。溢流堰裝置的設(shè)計計算堰長lw

單流型lw

為（0.6～

0.8）D

雙溢流lw

為（0.5～0.7）D

也可由溢流強(qiáng)度計算篩板及浮閥塔的lw

：其中D－塔徑

lw

－溢流堰長

Lh

－液體流量溢流堰式中hL

－板上液層高度(一般50～100mm）

how

－堰上液層高度（可按圖5-6進(jìn)行計算，一般低于60mm）堰高h(yuǎn)w堰上液層高度how也可按Francis公式計算hwhowHdhLhoHTD堰上液層高度

平直堰的hOW按下式計算

lW－堰長，m

Lh

－塔內(nèi)液體流量，m3/h

E－液流收縮系數(shù)，一般取1

常壓0.04~0.05m

減壓0.015~0.025m

高壓0.04~0.08m

一般均不宜超過0.1m求得how后，即可按下式指出的范圍確定堰高h(yuǎn)w

堰高若how小于6mm，應(yīng)采用齒形堰

降液管的寬度Wd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3～5s。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

Af—降液管的截面積，m2降液管底隙高度howHdhLhwHTh0hw－h(huán)0

≥

6mm

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0.02~0.025m，以免引起堵塞。受液盤及進(jìn)口堰

howHdhLhwHT平受液盤及出口堰h(yuǎn)whowHdhLHTD凹形受液盤

但有時為使液體進(jìn)入塔板時平穩(wěn)并防止塔板液流進(jìn)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，為保證降液管的液封并均布進(jìn)入塔板的液流，可設(shè)進(jìn)口堰。受液盤及進(jìn)口堰

一般情況下多采用平受液盤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hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw塔板布置

開孔區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū)和無效區(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

②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。③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(jìn)入降液管。④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30~50mm,大塔為50~75mm。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①孔徑②篩板厚度③孔心距④開孔率⑤篩孔數(shù)td0篩孔