板式塔的设计

《化工过程设备设计Ⅰ（二）》

板式塔的设计

化工学院化学工程系2013年12月概述1塔设备的基本功能和性能评价指标1)基本原则充分接触,适当湍动,提供大的传质面积和传质系数,并能及时分离逆流,提供最大传质推动力2)评价指标空塔气速高，生产能力大塔板效率高，板数少，投资少操作弹性大压降小，釜温低，能耗小结构简单,金属耗量少,造价低,维修安装容易概述2塔设备的类型1)类型板式塔：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3)主要内容结构与性能流体力学性能工艺设计方法选型1、逐级接触式气液传质设备2）错流塔板泡罩塔筛板塔浮阀塔3）逆流塔板筛板塔栅缝板波纹板一、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操作弹性大

塔板不易堵塞生产能力及板效率较低结构复杂、造价高一、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3～8mm。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.筛孔布置图板上液面落差小，气体压降低生产能力大操作弹性小结构简单、造价低塔板效率较高筛孔塔板的优缺点优点缺点筛孔易堵塞，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V－V塔板梯形导向浮阀塔板操作弹性大生产能力大处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板粘结操作时阀片易脱落或卡死结构简单、造价低塔板效率较高一、塔板的类型浮阀塔板的优缺点优点缺点(4)喷射型塔板

①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18°、20°、25°三种（一般为20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm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②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

斜孔塔板塔板的性能评价指标

生产能力大

塔板效率高

塔板压降低

操作弹性大

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：筛板>浮阀>泡罩；2.压降：泡罩>浮阀>筛板；3.操作弹性：浮阀>泡罩>筛板；4.造价：泡罩>浮阀>筛板；5.板效率：浮阀、筛板相当>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1.01.0中高复杂1.0筛孔塔板1.2～1.41.1低低简单0.4～0.5浮阀塔板1.2～1.31.1～1.2大中一般0.4～0.5舌形塔板1.3～1.51.1小低简单0.4～0.5斜孔塔板1.5～1.81.1中低简单0.4～0.5——————————————————————————

二、塔板的性能评价

hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw溢流堰降液管受液盘三、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：

鼓泡接触状态

蜂窝接触状态

泡沫接触状态

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操作点操作线(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≥0.006m最大液流量Lmax液体在降液管停留时间≥5s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。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

适宜操作区操作点操作线操作控制操作弹性操作线的调节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

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。(1)全塔效率

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

液相单板效率

单板效率分析七、塔有效高度的计算

(3)点效率

点效率是指塔板上各点的局部效率。点效率分析七、塔有效高度的计算

八、板式塔直径的计算

1.基本计算公式提示

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。

计算塔径后应进行圆整。

精馏塔内径计算式标准塔径（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～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

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

（2）提馏段体积流量的计算

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.溢流装置设计

hwhowHdhLhoHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw溢流堰降液管受液盘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

U型流小液体负荷，液体流程长，板面利用好，板效较高，但液面落差大。

单流型液体流程较长，板面利用好，塔板结构简单，直径2.2米以下的塔。溢流堰的类型

阶梯溢流结构复杂，适用于大塔径负荷大的塔。

双溢流流程短可减少液面落差，但板面利用率低且结构复杂，用于液体负荷大，直径2m以上塔。一般可根据初估塔径和液体流量，参考表5-2选塔板的液流型式。溢流堰装置的设计计算堰长lw

单流型lw

为（0.6～

0.8）D

双溢流lw

为（0.5～0.7）D

也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的lw

：其中D－塔径

lw

－溢流堰长

Lh

－液体流量溢流堰式中hL

－板上液层高度(一般50～100mm）

how

－堰上液层高度（可按图5-6进行计算，一般低于60mm）堰高hw堰上液层高度how也可按Francis公式计算hwhowHdhLhoHTD堰上液层高度

平直堰的hOW按下式计算

lW－堰长，m

Lh

－塔内液体流量，m³/h

E－液流收缩系数，一般取1

常压0.04~0.05m

减压0.015~0.025m

高压0.04~0.08m

一般均不宜超过0.1m求得how后，即可按下式指出的范围确定堰高hw

堰高若how小于6mm，应采用齿形堰

降液管的宽度Wd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3～5s。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

Af—降液管的截面积，m2降液管底隙高度howHdhLhwHTh0hw－h0

≥

6mm

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0.02~0.025m，以免引起堵塞。受液盘及进口堰

howHdhLhwHT平受液盘及出口堰hwhowHdhLHTD凹形受液盘

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

一般情况下多采用平受液盘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hwhowHdhLhohwHTDWcDxWdWstAfAaW'sA'fLw塔板布置

开孔区、溢流区、安定区和无效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

②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。③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布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。④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30~50mm,大塔为50~75mm。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。筛板的筛孔与开孔率①孔径②筛板厚度③孔心距④开孔率⑤筛孔数td0筛孔