气液传质设备板式塔的工艺设计

气液传质设备板式塔的工艺设计板式塔设计步骤

确定设计方案；选择塔板类型；确定塔径、塔高等工艺尺寸；塔板设计，包括溢流装置设计、塔板布置、升气道（泡罩、筛孔或浮阀等）的设计排列；流体力学验算；绘制塔板负荷性能图；依据负荷性能图，对设计分析、调整，直至满意。1设计方案的确定(6步法)1.1装置流程的确定蒸馏装置精馏塔原料预热器蒸馏釜（再沸器）冷凝器釜液冷却器和产品冷却器原料入塔泵输送（易受泵操作波动影响）高位槽送液（稳定）泡点冷凝器分凝器产品冷却器流程确定要全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控制及安全等诸因素。1.2操作压力的选择依据操作压力常压操作减压操作加压操作

选择依据：一般，对热敏性物质或混合物泡点过高的体系易采用减压蒸馏；常压下呈气态的物系采用加压蒸馏。1.3进料热状况的选择进料热状况：冷液进料(q>1)、泡点进料(q=1)、气液混合进料(q<1)、饱和蒸汽进料(q=0)及过热正气进料(q<0)五种。

工艺多采用泡点进料，常以釜残液预热原料液；如工艺要求减少塔釜的加热量，避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。1.4加热方式的选择再沸器直接蒸气加热类型：间接蒸气加热无需再沸器ab优点：利用压力较低的蒸汽节省费用，且省去再沸器；缺点：对釜内溶液有一定的稀释作用；如进料条件及产品纯度、轻组分收率一定，则需在提留段增加塔板数以达到生产要求。1.5回流比的选择

适宜回流比应通过经济核算决定，即操作费用和设备折旧费之和为最低时的回流比为适宜回流比。但作为课程设计，要进行这种核算是困难的，通常根据下面3种方法之一来确定回流比。1、根据本设计的具体情况，参考生产上较可靠的回流比的经验数据选定；2、先求出最小回流比Rmin，根据经验取操作回流比为最小回流比的1.1∽2倍，即R＝（1.1∽2）Rmin；3、在一定的范围内，选5种以上不同的回流比，计算出对应的理论塔板数，作出回流比与理论塔板数的曲线。当R=Rmin时，塔板数为∞；R＞Rmin后，塔板数从无限多减至有限数；R继续增大，塔板数虽然可以减少，但减少速率变得缓慢。因此可在斜线部分区域选择一适宜回流比。上述考虑的是一般原则，实际回流比还应视具体情况选定。2塔板的类型及其选用塔板分为错流式塔板和逆流式塔板两大类，工业上常以错流式塔板为主。错流式塔板比较表优点缺点泡罩塔板操作弹性大、液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。筛孔塔板结构简单、造价低；板上液面落差低，气体压降小，生产能力较大；气体分布均匀，传质效率高。筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料。若操作不当，易产生漏夜。浮阀塔板结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；因阀片可随气量变化自由升降，操作弹性大；气流水平吹入液层，气液接触时间较长，板效率高。处理易结焦、黏度大的物料时，阀片易与塔板粘结；操作中有时会发生阀片脱落或卡死现象。3板式塔的塔体工艺尺寸设计3.1塔的有效高度计算3.1.1基本计算公式3.1.2理论塔板数的计算方法逐板计算法图解计算法吉利兰图捷算法3.1.3塔板间距的确定塔板间距的选取与塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。表10-1塔板间距与塔径的关系塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.4>2.4板间距HT,mm200-300300-350350-450450-600500-800≥800塔板间距的数值应按系列标准选取，常用的塔板间距有300、350、400、450、500、600、800等几种系列标准。但注意，板间距除考虑上述因素外，还应考虑安装、检修的需要，如在塔体的人孔处，应采用较大的板间距，一般不低于600mm。3.2塔塔径径的的计计算算（（可可参参课课本本P157页页））计算算公公式式：：关键键在在于于计计算算空空塔塔气气速速u空塔塔气气速速的的上限限由由严严重重的的雾雾沫沫夹夹带带或或液液泛泛决决定定，，下下限限由由漏漏夜夜决决定定，，适适宜宜的的空空塔塔气气速速介介于于两两者者之之间间。。一一般般依依据据最最大大允允许许气气速速确确定定。。最大大允允许许气气速速由由严严重重雾雾沫沫夹夹带带时时悬悬浮浮液液滴滴的的沉沉降降速速度度确确定定：：液滴滴在在上上升升气气流流中中悬悬浮浮，，则则其其受受力力平平衡衡，，此此时时，，空空塔塔气气速速与与液液滴滴沉沉降降速速度度相相等等，，为为最最大大允允许许气气速速。。3.2塔塔径径的的计计算算（（可可参参课课本本P157页页））史密密斯斯关关联联图图中中：：注：：上上述述计计算算的的塔塔径径为为初初估估值值，，后后面面还还需需进进行行流流体体力力学学核核算算。。另另：：若若精精馏馏塔塔精精馏馏段段和和提提馏馏段段上上升升气气量量差差别别较较大大，，则则两两段段塔塔径径应应分分别别计计算算。。4板式式塔的塔塔板工艺艺尺寸计计算4.1溢流装置置的设计计溢流装置置包括溢溢流堰、、降液管管和受液液盘等几几部分。。4.1.1降降液管的的类型与与溢流方方式（参参图10-12所示））类型型圆形降液液管———用于小小直径塔塔，<600mm弓形降液液管———用于大大直径塔塔，>800mm溢流方式式U型流——又称回转转流。弓弓形降液液管一半半为受液液盘，另另一半为为降液管管。特点点：液体体流径长长，板效效率高，，板面利利用率高高。单溢流———又称直径径流。特特点：流流体流径径较长，，板效率率较高，，加工方方便，在在小于2.2m的塔中中应有广广泛。双溢流———又称半径径流。特特点：液液体流动动的路程程短，液液面落差差小，但但结构复复杂，板板面利用用率低，，适用于于大于2m的塔塔。阶梯式双双溢流———特点：可可在不缩缩短液体体流径的的情况下下减小液液面落差差。但结结构复杂杂，致使使应用于于塔径很很大、液液流量很很大的场场合。表10-2（P130页）给给出溢流流类型与与液体负负荷的关关系，方方便确定定溢流类类型4.2溢溢流装装置的设设计计算算溢流装置置的设计计参图10-39所示。。1、溢流流堰形状平直堰齿形堰一般采用用平直形形溢流堰堰板（1）堰堰长（2）堰堰高———降液管管端面高高出塔板板板面的的距离堰高与板板上清液液层高度度及堰上上液层高高度的关关系为：：设计时，，一般保保持塔板板上清液液层高度度在50∽100mm，于是是，堰高高hw则则由板上上清液层层高度和和堰上液液层高度度而定。。设计时时，应是是堰上液液层高度度大于6mm，，否则采采用齿形形堰；但但堰上液液层高度度不宜太太大，否否则导致致液沫夹夹带量增增加，板板压降增增大。设设计时，，一般不不宜大于于60~70mm，超超过此值值应采用用双溢流流形。对平直堰堰：由上式看看出，how仅仅与Lh和lw有关，故故也可从从图3-11（（见天大大版P163））查知。。对齿形堰堰：可参参阅P133页页求得how后，可按按下式范范围确定定hw：2、降液液管———弓形降降液管2.1弓弓形降降液管的的宽度和和截面积积弓形降液液管的宽宽度以Wd表示，截截面积以以Af表示，设设计中可可根据堰堰长与塔塔径之比比lw/D由图图3-12（见见天大版版P163）求求算。。为使液体体中夹带带的气泡泡得以分分离，液液体在降降液管内内应有足足够的停停留时间间，表示示式为：：若不能满满足上式式要求，，则应调调整降液液管尺寸寸或板间间距，直直至满意意。2.2降液液管底隙高度度降液管底隙高高度是指降液液管下端与塔塔板间的距离离，以h0表示。降液管底隙高高度一般不宜宜小于20~25mm，，否则易于堵堵塞，或因安安装偏差而是是液流不畅，，造成液泛。。2.3受液液盘（参图10-43、、44所示））类型平受液盘凹受液盘平受液盘一半半需在塔板上上设置进口堰堰，保证液封封；并使液体体在板上分布布均匀。进口堰高度考考虑原则：当当出口堰高hw大于降液管底底隙高度h0时，取h'w=hw，如hw<h0，则应取h'w>h0，以保证液体体由降液管流流出时不致受受到很大阻力力，进口堰与与降液管间的的水平距离h1不应小于h0。采用凹形受液液盘不需设置置进口堰。其其优点为：凹凹形受液盘既既可在低液量量时形成良好好的液封，又又可改变液体体流向的缓冲冲作用，便于于液体从侧线线的抽出。一一般来说，直直径大于600mm的塔塔，大多采用用凹形受液盘盘。其深度一一般在50mm。4.2塔板板设计——以以筛板塔为例例1、塔板布置置——见图10-39（1）开孔区区（2）溢流区区溢流区为降液液管及受液盘盘所占的区域域，其中降液液管所占面积积为Af,受液盘所占占面积为A’’f；一般，两者者相等。可从从图3-12求取。（3）安定去去——开孔区域溢流流区之间的不不开孔区域，，也称破沫区区。溢流堰前的安安定区宽度Ws=70~100mm；进口堰后的安安定区宽度W’s=50~100mm；；对于小直径的的塔（直径<1m），因因塔板面积小小，安定区要要相应减小。。（4）边缘区区——在靠近塔壁的的一圈边缘区区域供支持塔塔板的边梁之之用的区域。。Wc=30~50mm，小塔塔（直径小于于1米）=50~70mm，大塔塔（直径大于于1米）2、筛孔的计计算及其排列列（1）筛孔直直径表面张力为正正系统的物系系，d0取3~8mm；表面张力为负负系统的物系系，d0取10~25mm。（2）筛板厚厚度碳钢塔板，板板厚δ为3~4mm,孔径d0应不小于板厚厚δ；不锈钢塔板，，板厚δ为2~2.5mm,孔径d0应不小于(1.5~2)δ。（3）孔中中心距tt=(2.5~5)d0，且t/d0=3~4（4）筛孔孔的排列与筛筛孔数（n））当采用正三角角形排列时：：（5）开孔率率Φ定义：5筛板的流流体力学验算算5.1塔板板压降气体通过筛板板时，需克服服筛板本身的的干板阻力、、板上充气液液层的阻力及及液体表面张张力造成的阻阻力，这些阻阻力形成筛板板的压降。1、干板阻力力2、气体通过过液层的阻力力通过下式估算算：3、液体表面面张力的阻力力由上述各式计计算的阻力加加和得到板压压降，应与设设计允许值比比较，计算值值应低于允许许值。5.2液面面落差对塔径小于1600mm的筛板，液液面落差可以以不予考虑；；但对塔径大大于2000mm的筛板板，应考虑液液面落差，此此时，可查阅阅相关手册予予以计算。5.3液沫沫夹带设计中一般规规定液沫夹带带量ev<0.1kg液体/kg气体液沫夹带量的的计算方法查图法（亨利利液沫夹带图图），见图5-12经验公式计算算法，如下式式：5.4漏液液气速减小，气气体的动能不不足以阻止液液体向下流动动时，会发生生落叶现象。。规定漏夜量量等于塔内液液体流量的10%对应的的气速为漏夜夜点气速。它它是塔板操作作气速的下限限，计算方法法为：5.5液泛泛液泛液沫夹带液泛泛——通过液液沫夹带量核核算降液管液泛*为使液体从上上层塔板稳定定流入下一层层塔板，降液液管内必须保保持一定的液液层高度Hd。该液层高度度用来克服相相邻两层塔板板间的压降、、板上清液层层阻力和液体体流过降液管管的阻力，故故：6塔板的负负荷性能图6.1漏液液线绘制塔板负荷荷性能图，以以检验设计的的合理性。以以筛板塔为例例讲授。6.2液沫沫夹带线6.3液相相负荷下限线线6.4液相相负荷上限线线6.5液泛泛线最后，根据以以上各方程绘绘出塔板的负负荷性能图，，在该图上绘绘得操作线，，分析操作控控制特征（即即什么控制）），并计算其其操作弹性范范围。7板式塔的的结构与附属属设备7.1塔体体空间1、塔顶空间间高度HDHD=(1.5~2.0)HT设置目的：为为利于出塔气气体夹带的液液滴沉降。若若需安装除沫沫器，要根据据除沫器的安安装要求确定定塔顶空间高高度。2、塔底空间间高度HB——指塔内最最下层塔板到到塔底间距。。决定因素：A塔底储液空空间依储存液液量停留3~8min而而定；B再沸器的的安装方式及及安装高度；；C塔底液面面至最下层塔塔板之间留有有1~2m的的间距。3、人孔对于塔径大于于1米的板式式塔，为安装装、检修之需需，一般每隔隔6~8层塔塔板设一人孔孔。人孔直径径一般为450mm~600mm，，其中伸出塔塔体的筒长为为200~250mm，，人孔距中