第九節(jié)板式塔

第九節(jié)板式塔第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3板式塔結(jié)構(gòu)吊柱除沫器進(jìn)料管人孔殼體氣體進(jìn)口裙座氣體出口回流管塔板出料管第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3一、塔板的類型1、塔板的功能為混合物的氣、液兩相提供多級、充分、有效的接觸與及時(shí)、完全分離的條件。

9.9.1塔板的類型及性能評價(jià)第九節(jié)板式塔2、塔板的類型按汽液兩相在塔板上的接觸方式分錯(cuò)流式逆流式（穿流式）

按塔板的結(jié)構(gòu)形式分泡罩塔板篩孔塔板浮閥塔板噴射塔板第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3液相降液管堰氣相錯(cuò)流式液相氣相逆流式第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3錯(cuò)流式塔板全塔：逆流接觸塔板上：錯(cuò)流接觸

錯(cuò)流式塔板按具體結(jié)構(gòu)形式可分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌形塔板等。進(jìn)料回流液塔頂氣相塔底液相第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3幾種工業(yè)常用塔板（1）泡罩塔板

主要元件是升氣管和泡罩優(yōu)點(diǎn)：操作穩(wěn)定，彈性大缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塔板壓降大，生產(chǎn)強(qiáng)度低。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3（2）篩孔塔板優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；氣體壓降小，液面落差小；生產(chǎn)能力及板效率比泡罩塔高。缺點(diǎn)：操作彈性小，篩孔小時(shí)易堵塞。

篩孔塔板出現(xiàn)較早（1830年），是結(jié)構(gòu)最簡單的一種板型。1950年后逐漸成為應(yīng)用最廣的塔板類型之一。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3（3）浮閥塔板國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的板型，主要元件是閥片。閥片三條腿底腳外翻90°，閥片周邊有三塊略向下彎的定距片。閥片可隨上升氣量的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟度。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3優(yōu)點(diǎn)：浮閥根據(jù)氣體流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時(shí)具有較高塔板效率。缺點(diǎn)：浮閥易脫落或損壞，且不宜處理易結(jié)焦或黏度大的物系。（4）噴射型塔板按一定排列的舌形孔，舌片張角約20°左右為宜。50氣相第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3優(yōu)點(diǎn)：氣液并流避免了返混和液面落差，塔板上液層較低，塔板壓降較?。灰耗瓓A帶量較小，故可達(dá)較高的生產(chǎn)能力。缺點(diǎn)：操作彈性小；液體在板上的停留時(shí)間太短、液層太薄，板效率降低。

（5）浮舌塔板第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3（6）斜孔塔板優(yōu)點(diǎn)：氣液高度湍動(dòng)，板上可維持均勻的低液面。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

提高傳質(zhì)速率是對塔設(shè)備性能的基本要求。為此，應(yīng)保證分散相的良好分散、兩相的適當(dāng)湍動(dòng)和最大可能地接近逆流流動(dòng)，以期獲得大的傳質(zhì)面積、增大傳質(zhì)系數(shù)、提高傳質(zhì)推動(dòng)力。塔板的性能受諸多因素的影響，其中包括塔板類型、塔板的結(jié)構(gòu)尺寸、被處理物料的性質(zhì)、操作狀況等。塔板的性能評價(jià)指標(biāo)有以下幾個(gè)方面：

①單位塔截面上氣、液兩相通量；②塔板效率；③壓力降；④對生產(chǎn)負(fù)荷和物料的適應(yīng)性（操作彈性)、制造的難易和成本。二、塔板的性能評價(jià)

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3塔板類型

相對生產(chǎn)能力

相對板效率

操作彈性

壓強(qiáng)降

結(jié)構(gòu)成本

泡罩板

1.0

1.0

中

高

復(fù)雜

1.0

篩板

1.2～1.4

1.1

低

低

簡單

0.4～0.5

浮閥板

1.2～1.3

1.1～1.2

大

中

一般

0.7～0.8

舌型塔板

1.3～1.5

1.1

小

低

最簡單

0.5~0.6

斜孔板

1.5～1.8

1.1

中

低

簡單

0.5

常見塔板性能比較第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3分離要求較低的閃蒸塔

各種塔板的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

適用范圍塔板類型

泡罩板

較成熟、操作范圍寬。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力大，生產(chǎn)能力低。

某些要求彈性好的特殊塔

浮閥板

效率高、操作范圍寬。

采用不銹鋼、浮閥易脫落。

分離要求高,負(fù)荷變化大;原油常壓分餾塔。

篩板

效率較高、成本低。

安裝要求水平,易堵,操作范圍窄。

分離要求高,塔板較多;如丙烯塔。

舌型板

結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)能力大。

操作范圍窄、效率較低。

斜孔板

生產(chǎn)能力大、效率高。

操作范圍比浮閥塔和泡罩塔窄

分離要求高、生產(chǎn)能力大。

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/39.9.2塔板的基本結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)基本結(jié)構(gòu)有整塊式和分塊式一、塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)溢流堰降液管Af受液盤Af'鼓泡區(qū)Aa無效區(qū)WC溢流堰前安定區(qū)Ws進(jìn)口堰后安定區(qū)Ws'第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

①鼓泡區(qū)(開孔區(qū)）—有效傳質(zhì)區(qū)。氣體通道所在區(qū)域，對塔板性能影響很大。面積：Aa

，鼓泡區(qū)半徑R。②溢流區(qū)—降液管：Af

、受液盤：Af’，相等。③安定區(qū)（破沫區(qū)）。④：無效區(qū)（邊緣區(qū)）。塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的系列化標(biāo)準(zhǔn)—附錄三。塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)還有板間距、塔截面積等。第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3二、溢流裝置由降液管、溢流堰和受液盤組成。降液管作用：板間液體的通道，也是分離溢流時(shí)所夾帶氣體的場所。降液管分類：弓形、圓形降液管（D≤1m）。1、降液管溢流方式

U形流、單溢流、雙溢流和階梯式雙溢流。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3溢流方式的選擇：和液體負(fù)荷、塔徑有關(guān)，見表9—4。（b)單流型(c)雙流型(d)多流型(e)階梯流型第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/32、溢流堰（出口堰）溢流堰作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。溢流堰形式：平直堰、三角形齒堰及柵欄堰。

平流堰三角形齒堰柵欄堰第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3WcWdWs

lWRx3、溢流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3三、塔高和塔徑的計(jì)算

1：塔有效高度計(jì)算塔體高度：有效高度+頂部高度+底部高度+其它①：塔體有效高度的計(jì)算ET：塔的總板效率，又稱全塔效率。②

：塔板效率a

：總板效率第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

奧康內(nèi)爾關(guān)聯(lián)法：將總板效率對液相粘度與相對揮發(fā)度的乘積進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

與L取塔頂與塔底平均溫度下的值。對多組分物系，取關(guān)鍵組分的

。液相的平均粘度L

可按下式計(jì)算

總板效率的影響因素：物系性質(zhì)：；操作條件：T、P、u、氣液比等；塔板結(jié)構(gòu)：塔板類型、塔徑、板間距、堰高、開孔率等。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3吸收塔關(guān)聯(lián)圖中橫坐標(biāo)HP/L：H

—塔頂塔底平均溫度下溶質(zhì)的亨利系數(shù)，kmol/(m3kPa

）；P—操作壓強(qiáng)，kPa；全塔效率關(guān)聯(lián)圖吸收塔老式板式塔ET第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3b、

塔的單板效率(默弗里板效率）氣相或液相經(jīng)過一層塔板前后的實(shí)際組成變化與經(jīng)過該層塔板的理論組成變化的比值。

氣相單板效率EMV液相單板效率EMLc、點(diǎn)效率E0（塔板上各點(diǎn)的局部效率）第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3以氣相為例EO=EM。只有當(dāng)板上各點(diǎn)液相組成完全相同時(shí)，才有第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3③：板間距

HT的確定HT的選取受諸多因素的影響，如塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性及塔的安裝檢修等。設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)塔徑大小取經(jīng)驗(yàn)值。塔板間距和塔徑的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系2：塔徑D計(jì)算原則：防止過量液沫夾帶、液泛。步驟：先確定泛點(diǎn)氣速uf(m/s)；然后選設(shè)計(jì)氣速

u；

計(jì)算塔徑，并圓整、校核。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3①：最大氣速uf

C：負(fù)荷因子，與HT

、液體表面張力σ和兩相接觸狀況有關(guān)。

對于液體表面張力σ=20mN/m的物系，其負(fù)荷因子可通過下頁的史密斯關(guān)聯(lián)圖查取。

若物系的液體表面張力σ為其他值，按下式校正其負(fù)荷因子第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/30.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05篩板塔泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖兩相流動(dòng)參數(shù)FLV：（取體積流量）第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3②：選取設(shè)計(jì)氣速

u選取泛點(diǎn)率：u/uf；一般液體，0.6-0.8；易起泡液體，0.5-0.6設(shè)計(jì)氣速

u=泛點(diǎn)率×uf③

：計(jì)算塔徑D計(jì)算氣體流通截面積A，（液層上部的空間）ADAf第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑為600、700、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、…、4200.以上算出的塔徑只是初估值，還要根據(jù)流體力學(xué)原則進(jìn)行核算。另外，由于進(jìn)料熱狀況及操作條件的不同，兩段塔徑相差較大時(shí)，可設(shè)計(jì)成變徑塔。若相差不大時(shí)，為使塔的結(jié)構(gòu)簡化，宜取相等的塔徑，取二者中較大者。第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3四、板式塔的流體力學(xué)性能和操作特性

①

塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相流量一定時(shí)，隨著氣速的提高，塔板上可能出現(xiàn)四種不同的接觸狀態(tài)：鼓泡狀、蜂窩狀、泡沫狀、噴射狀。塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定兩相流體力學(xué)、傳熱、及傳質(zhì)特性的主要因素。板式塔的流體力學(xué)性能包括：塔板壓降、液泛、霧沫夾帶、漏液及液面落差等。1：板式塔的流體力學(xué)性能第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

ⅰ鼓泡接觸狀態(tài)氣速較低時(shí)，氣體以分散的氣泡形式通過塔板上的液層，兩相接觸面積為氣泡表面。此時(shí)板上有大量的清液層，通過液層的氣泡數(shù)量少，氣液接觸面積小，兩相湍動(dòng)程度不強(qiáng)，傳質(zhì)效率低，阻力大。氣相為分散相，液相為連續(xù)相。ii蜂窩狀態(tài)隨氣速增加，氣泡數(shù)量增加，當(dāng)氣泡形成的速度大于浮升速度時(shí)，氣泡在液層中積累，氣泡間碰撞，形成大氣泡，清液層基本消失，而以氣體為主。由于氣泡不易破碎，表面得不到更新，故不利于傳熱、傳質(zhì)。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

iii泡沫接觸狀態(tài)隨氣速進(jìn)一步增大，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡間不斷碰撞、破碎，塔板上液體大部分形成液膜，存在于氣泡之間，但塔板表面還存在一層很薄的清液層。此時(shí)氣、液兩相湍動(dòng)較為強(qiáng)烈，氣泡和液膜表面由于不斷的合并與破碎而更新，傳質(zhì)表面為面積很大的液膜，故傳質(zhì)效率高。氣相為分散相，液相仍為連續(xù)相。iv噴射接觸狀態(tài)當(dāng)氣速增大到一定程度時(shí)，由于氣相動(dòng)能很大，氣流以噴射狀態(tài)穿過板上液層，將液體分散成許多大小不等的液滴，并隨氣流拋向塔板上方，然后，由于重力作用，液滴落下，又形成很薄的液膜，再與噴射氣流接觸，破碎成液滴拋出。在此狀態(tài)下，液滴數(shù)量多且不斷更新。氣相為連續(xù)相，液相為分散相。傳質(zhì)面積大，效率高。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3塔板上的氣液接觸狀態(tài)第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

泡沫接觸狀態(tài)和噴射接觸狀態(tài)是優(yōu)良的接觸狀態(tài)；但一般控制在泡沫接觸狀態(tài)，或介于泡沫狀態(tài)與噴射狀態(tài)的過度狀態(tài)。②

塔板壓力降氣體進(jìn)、出一塊塔板（包括液層）的壓強(qiáng)降即為氣體通過該塔板的阻力損失。塔板壓強(qiáng)降hf包括以下幾部分:干板阻力h0—無液體時(shí)氣體通過板孔的阻力；液層阻力—?dú)怏w通過液層阻力；克服液體表面張力的阻力hσ—孔口處表面張力。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3塔板壓力降hf＝h0＋h1+hσ

；應(yīng)低于允許值。③液面落差：液體進(jìn)入板面到離開板面的液位差。若塔板阻力過大，可增加開孔率或降低堰高。

是為克服液體與板面及板上部件的摩擦阻力。其大小與塔板結(jié)構(gòu)、塔經(jīng)、液量有關(guān)。塔板結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、塔經(jīng)越大、液量越大，液面落差就越大。后果：氣體分布不均勻，從而造成漏液，使塔板效率下降。所以應(yīng)盡量減小液面落差。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/32：板式塔的操作特性（1）塔板上理想流動(dòng)情況液體橫向均勻流過塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層。氣液兩相充分接觸傳質(zhì)。（2）塔板上的異常操作情況

①返混停留時(shí)間不同的流體質(zhì)點(diǎn)間的混合。使已分離的兩相又混合，板效率降低，能耗增加。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3原因：氣速過小和液面落差造成的氣流分布不均。后果：塔板上不能形成液層，塔板將失去其基本功能。漏液量達(dá)10%的氣流速度為漏液氣速——?dú)馑傧孪蕖＂诼┮?/p>

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3③液泛：塔內(nèi)若氣液兩相之一的流量增大，使降液管內(nèi)的液體不能順利流下，板上液層必然積累，兩板間液體相連，并依次上升，以致充滿整個(gè)空間，破壞塔的正常操作，稱此現(xiàn)象為液泛，也稱為淹塔。根據(jù)形成原因不同，分為降液管液泛和夾帶液泛。A:降液管液泛當(dāng)塔液相流量過大，導(dǎo)致降液管內(nèi)阻力及塔板阻力增大時(shí)，降液管內(nèi)液層迅速上升，以致達(dá)到上一層塔板，并逐漸充滿塔板空間，即發(fā)生液泛。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

B：夾帶液泛當(dāng)氣速過大，大量的液沫夾帶到上層塔板，塔內(nèi)充滿大量氣液混合物，最后使塔內(nèi)充滿液體。

④霧沫夾帶氣體通過板上液層時(shí)，將部分液體分散成液滴，而部分液滴被上升氣流帶入上層塔板的現(xiàn)象。

霧沫的生成固然可以增大傳質(zhì)面積，但過量霧沫夾帶會造成液相在塔板間的返混，嚴(yán)重時(shí)會造成霧沫夾帶液泛。從而造成塔板效率嚴(yán)重下降。為保證板式塔能保持正常的操作效果，規(guī)定霧沫夾帶量eV＜0.1kg(液)/kg(氣)——該氣流速度為氣速上限。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

影響霧沫夾帶量的因素很多，最主要的是空塔氣速和板間距?？账馑僭龈?，霧沫夾帶量增大，板間距增大，霧沫夾帶量減小。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3影響塔板操作狀況和分離效果的主要因素為物料性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及氣液負(fù)荷。對一定物系，當(dāng)設(shè)計(jì)選定塔板類型后，其操作狀況及分離效果只與氣液負(fù)荷有關(guān)。要維持塔的正常操作和塔板效率的基本穩(wěn)定，必須將塔的氣液負(fù)荷限制在一定范圍，該范圍即塔板的負(fù)荷性能。標(biāo)繪在直角坐標(biāo)系中，即得塔板的負(fù)荷性能圖，有五條線組成。（3）塔板的負(fù)荷性能圖第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3

②過量霧沫夾帶線(氣相負(fù)荷上限線)（2）

當(dāng)氣相負(fù)荷超過此線時(shí)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的霧沫夾帶，塔板效率急劇下降。①漏液線（氣相下限線）（1）當(dāng)操作的氣相負(fù)荷低于此線時(shí)，將發(fā)生嚴(yán)重漏液現(xiàn)象。塔板效率下降。第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3③液相負(fù)荷下限線（3）若操作的液相負(fù)荷低于此線時(shí)，表明液體流量過低，板上液流不能均勻分布，氣液接觸不良，容易產(chǎn)生干吹、偏流等現(xiàn)象，使塔板效率下降。液相下限線和塔板的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。如D，Af④液相負(fù)荷上限線（4）

當(dāng)操作的液相負(fù)荷高于此線時(shí)，表明液體流量過大，此時(shí)液體在降液管中的停留時(shí)間過短(＜3～5s)，進(jìn)入降液管的氣泡來不及與液體分離而被帶入下層，造成氣相返混（氣泡夾帶)，使塔板效率降低。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3（4）板式塔的操作分析

板式塔操作性能圖中，五條線圍城的區(qū)域?yàn)樗宓倪m宜操作區(qū)。操作時(shí)氣、液負(fù)荷的交點(diǎn)為操作點(diǎn)。⑤液泛線（5）若操作的氣、液流量超過此限度，即發(fā)生液泛，使塔不能正常操作。不同塔板上工作點(diǎn)的連線是一條過原點(diǎn)、斜率為V/L的直線——塔的操作線。（因連續(xù)精餾操作R為定值，故V/L亦為定值）上下操作極限的氣體流量之比——操作彈性。塔操作線和負(fù)荷性能圖的兩個(gè)交點(diǎn)是穩(wěn)定操作的最大和最小極限。第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/3設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使操作點(diǎn)盡可能位于負(fù)荷性能圖的中央，以增大操作的靈活性。不同的塔板，負(fù)荷性能圖形狀不同。