板式塔的設(shè)計(jì)

板式塔的設(shè)計(jì)1第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、工藝流程的選擇精餾裝置一般包括塔頂冷凝器，塔釜再沸器，原料預(yù)熱器及流體輸送泵等。流程選擇應(yīng)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行，考慮經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。如進(jìn)料是否需要預(yù)熱、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型號等。當(dāng)塔頂需汽相出料時(shí)，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。對于小塔，通常將冷凝器放于塔頂，采用重力回流。對于大塔，冷凝器可放至適當(dāng)位置，用泵進(jìn)行強(qiáng)制回流。第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月再沸器的型式有立式與臥式、熱虹吸式與強(qiáng)制循環(huán)式之外。當(dāng)傳熱量較小時(shí)，選用立式熱式再沸器較為有利。傳熱量較大時(shí)，采用臥式熱虹吸式再沸器。當(dāng)塔釜物料粘度很大，或易受熱分解時(shí)，宜采用泵強(qiáng)制循環(huán)型再沸器。幾種再沸器型式如圖1所示。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月加熱介質(zhì)產(chǎn)品加熱介質(zhì)（1）立式熱虹吸型

（2）泵強(qiáng)制循環(huán)型

（a）(b)（3）臥式再沸器圖1幾種再沸器型式第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3、做全塔的物料衡算對于雙組分的連續(xù)精餾塔，由總物料平衡及分物料平衡有：（1）

根據(jù)進(jìn)料流量qn,F及組成xF，分離要求，解方程組（1）即可求得餾出液流率qn,D及殘液流率qn,W。第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月4、確定操作條件（壓力、溫度）精餾操作最好在常壓下進(jìn)行，不能在常壓下進(jìn)行時(shí)，可根據(jù)下述因素考慮加壓或減壓操作。（1）對熱敏性物質(zhì)，為降低操作溫度，可考慮減壓操作。（2）若常壓下塔釜?dú)堃旱呐蔹c(diǎn)超過或接近200℃時(shí)，可考慮減壓操作。因?yàn)榧訜嵴羝麥囟纫话愕陀?00℃。（3）最方便最經(jīng)濟(jì)的冷卻介質(zhì)為水。若常壓下塔頂蒸汽全凝時(shí)的溫度低于冷卻介質(zhì)的溫度時(shí)可考慮加壓操作。還應(yīng)該指出壓力增大時(shí)，操作溫度隨之升高，輕、重組分相對揮發(fā)度減少，分離所需的理論板數(shù)增加。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月在確定操作壓力時(shí)，除了上面所述諸因素之外，尚需考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料等。通常按下述步驟確定操作壓力。（1）選擇冷卻介質(zhì)，確定冷卻介質(zhì)溫度。最為方便、來源最廣的冷卻介質(zhì)為水。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)了解本地區(qū)水的資源情況及水溫。（2）確定冷卻器及回流罐系統(tǒng)壓力。塔頂蒸汽全部冷凝時(shí)的溫度一般比冷卻介質(zhì)溫度高10～20℃。冷卻器和回流罐系統(tǒng)壓力即為該溫度下的蒸汽壓（平衡壓力），可由泡點(diǎn)方程式得。式中—平衡指數(shù)。烴類可由資料查得。第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）確定塔頂和塔釜壓力。

塔頂壓力等于冷凝器壓力加上蒸汽從塔頂至冷凝器的流動(dòng)阻力，即

（3）

塔釜壓力等于塔頂壓力加上全塔板阻力塔。全塔阻力塔等于塔板阻力乘實(shí)際板數(shù)，即（4）式中：—塔板阻力，通常為3～5（mm汞柱）在確定了操作壓力之后，塔頂溫度可由式（5）確定，塔釜溫度由式（6）確定。

（5）

（6）第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月5、確定回流比對于平衡線向下彎曲的物系，最小回流比的計(jì)算式為：

式中：線與平衡線交點(diǎn)坐標(biāo)。適宜回流比通常為最小回流比的1.2～2倍，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)理論板和回流比的關(guān)系圖確定。

N第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月6、理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)對于雙組份精餾塔，求解理論板數(shù)可用圖解法或簡捷法。若理論板數(shù)較多，且溶液接近理論溶液時(shí)，可作簡捷法計(jì)算。簡捷法求理論板數(shù)時(shí)，有吉利蘭（Gilliland）。圖解法和簡捷法的具體操作法可參考參閱教材，此處不再討論。實(shí)際板數(shù)等于理論板數(shù)除以總板效率，即

（12）式中：——實(shí)際板數(shù)——不包括分凝器、再沸器在內(nèi)的理論板數(shù)?！偘逍剩ㄈ剩┯绊懣偘逍实囊蛩剌^多，目前尚無準(zhǔn)確的關(guān)聯(lián)式可用于計(jì)算，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。對于雙組份精餾塔，多在0.5～0.7左右。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7、確定冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷、對于全凝器，由冷凝器熱平衡可得：

（13）式中：R—回流比qn,D—餾出液流率?！斦羝?、餾出液焓。對全塔做熱平衡有

（14）式中：—塔釜?dú)堃红?。?1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月8、初估冷凝器和再沸器的傳熱面積傳熱面積A可由傳熱方程計(jì)算，即

（15）式中：Q—熱負(fù)荷。K—傳熱系數(shù)。—冷熱流體平均溫度差。對于低沸點(diǎn)烴類，冷凝介質(zhì)為水時(shí)，傳熱系數(shù)為390～980（千卡/·時(shí)·℃）。加熱介質(zhì)為水蒸汽時(shí)，再沸器的傳熱系數(shù)為390～880（千卡/·時(shí)·℃）。第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月9、塔的有效高度和板間距的初選

9.1塔的有效高度板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計(jì)算：（9-1）

式中Z——塔的有效高度，m；ET——全塔總板效率；NT

——塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)；HT——塔板間距，m。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2板間距的初選板間距NT的選定很重要。選取時(shí)應(yīng)考慮塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性及塔的安裝檢修等因素。對完成一定生產(chǎn)任務(wù)，若采用較大的板間距，能允許較高的空塔氣速，對塔板效率、操作彈性及安裝檢修有利；但板間距增大后，會(huì)增加塔身總高度，金屬消耗量，塔基、支座等的負(fù)荷，從而導(dǎo)致全塔造價(jià)增加。反之，采用較小的板間距，只能允許較小的空塔氣速，塔徑就要增大，但塔高可降低；但是板間距過小，容易產(chǎn)生液泛現(xiàn)象，降低板效率。所以在選取板間距時(shí)，要根據(jù)各種不同情況予以考慮。如對易發(fā)泡的物系，板間距應(yīng)取大一些，以保證塔的分離效果。板間距與塔徑之間的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，反復(fù)調(diào)整，已做出最佳選擇。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)塔徑的大小，由表9-1列出的塔板間距的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取。表9-1塔板間距與塔徑的關(guān)系塔徑/D，m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.42.4～4.0板間距/HT，mm200～300250～350300～450350～600400～600化工生產(chǎn)中常用板間距為：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在決定板間距時(shí)還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處，應(yīng)留有足夠的工作空間，其值不應(yīng)小于600mm。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月10塔徑塔的橫截面應(yīng)滿足汽液接觸部分的面積、溢流部分的面積和塔板支承、固定等結(jié)構(gòu)處理所需面積的要求。在塔板設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用，往往是氣液接觸部分的面積，應(yīng)保證有適宜的氣體速度。

計(jì)算塔徑的方法有兩類：一類是根據(jù)適宜的空塔氣速，求出塔截面積，即可求出塔徑。另一類計(jì)算方法則是先確定適宜的孔流氣速，算出一個(gè)孔（閥孔或篩孔）允許通過的氣量，定出每塊塔板所需孔數(shù)，再根據(jù)孔的排列及塔板各區(qū)域的相互比例，最后算出塔的橫截面積和塔徑。第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1初步計(jì)算塔徑

板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即（10-1）

式中D——塔徑m；Vs——塔內(nèi)氣體流量m3/s；u——空塔氣速m/s。由式（10-1）可見，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵是計(jì)算空塔氣速u。設(shè)計(jì)中，空塔氣速u的計(jì)算方法是，先求得最大空塔氣速umax，然后根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，乘以一定的安全系數(shù)，即(10-2)第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月最大空塔氣速umax可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導(dǎo)出，其結(jié)果為（10-3）式中umax——允許空塔氣速，m/s；ρV，ρL——分別為氣相和液相的密度，kg/m3

；

C——?dú)怏w負(fù)荷系數(shù)，m/s，對于浮閥塔和泡罩塔可用圖3確定；圖3中的氣體負(fù)荷參數(shù)C20僅適用于液體的表面張力為0.02N/m，若液體的表面張力為6N/m，則其氣體負(fù)荷系數(shù)C可用下式求得：（10-4）所以，初步估算塔徑為：（10-5）其中，u——適宜的空塔速度，m/s。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C圖圖中：V、L—分別為汽相、液相流率（）?！謩e為汽相、液相密度（）。—表面張力為20（達(dá)因/厘米）時(shí)的系數(shù)C。、—分別為板間距、板上清液層高度（m）。第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2塔徑的圓整目前，塔的直徑已標(biāo)準(zhǔn)化。所求得的塔徑必須圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。塔徑在1米以下者，標(biāo)準(zhǔn)化先按100mm增值變化；塔徑在1米以上者，按200mm增值變化，即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm……第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11塔體總高度

板式塔的塔高如圖11-1所示，塔體總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定：(11-1)式中HD——塔頂空間，m；

HB——塔底空間，m；HT——塔板間距，m；HT’——開有人孔的塔板間距，m；HF——進(jìn)料段高度，m；Np——實(shí)際塔板數(shù)；S——人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月11.1塔頂空間HD

塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應(yīng)大于板間距，通常取HD為（1.5～2.0）HT。若圖塔高示意圖需要安裝除沫器時(shí)，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。11.2人孔數(shù)目人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔8～10塊塔板設(shè)置一個(gè)人孔；對于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔4～6塊塔板開一個(gè)人孔。人孔直徑通常為450mm。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于202