化工原理-板式塔及其设计计算.ppt

化工原理电子教案 板式塔及其设计计算,3.1概述,高径比很大的设备称为塔 1.塔设备的基本功能和性能评价指标 使汽液两相充分接触，适当湍动，提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离 在塔内使汽、液两相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的传质推动力,塔设备性能的评价指标,通量单位塔截面的生产能力，表征塔设备的处理能力和允许空塔气速 分离效率单位压降塔的分离效果，对板式塔以板效率表示，对填料塔以等板高度表示 适应能力操作弹性，表现为对物料的适应性及对负荷波动的适应性,2.塔设备的类型 根据塔内气、液接触构件的结构形式，分为板式塔和填料塔 按塔内汽液接触方式，分为逐级接触式（连续）和微分（连续）接触式之分 板式塔：塔内设置一定数量的塔板，处理物 料量大时采用 填料塔：塔内装有一定高度的填料，塔径较小时采用,3.2板式塔,按照塔内汽液流动的方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板,汽、液两相接触方式,两相流动的推动力,全塔：逆流接触 塔板上：错流接触,液体：重力 气体：压力差,塔板结构, 气体通道 形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。, 降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。, 受液盘 塔板上接受液体的部分。, 溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。,浮阀塔内部结构,塔板上理想流动情况： 液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。,传质的非理想流动情况： 反向流动 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象,后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。,不均匀流动 液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中间 近壁；,后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。,液 泛现象：,3.3 塔内气、液两相异常流动,（1）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。, 过量雾沫夹带液泛,原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。 说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。, 降液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管液泛。,说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。,（2） 严重漏液,漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速 。,3.4 常用塔板的类型,（1）泡罩塔,优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。 缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。,塔板是气液两相接触传质的场所，为提高塔板性能，采用各种形式塔板。,组成：升气管和泡罩,圆形泡罩,条形泡罩,泡罩塔,（2）筛板塔板,优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前，广泛应用的一种塔型。,塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。,筛 板,（3）浮阀塔板,圆形浮阀,条形浮阀,浮阀塔盘,方形浮阀,优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。 缺点：浮阀易脱落或损坏。,方形浮阀,F1型浮阀,（4）多降液管（MD）塔板 优点：提高允许液体流量,3.5筛板塔化工设计计算 （1）塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 NP ； 选取塔板间距 HT；,选取塔板间距 HT ：,理论塔板数计算,塔板间距和塔径的经验关系,塔体高度：有效高+顶部+底部+ 其它,有效塔高：,C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。, 液泛气速,两相流动参数 FLV：,（2）塔径 确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。, 选取设计气速 u 选取泛点率： u / uf 一般液体， 0.6 0.8 易起泡液体，0.5 0.6,所需气体流通截面积,设计气速 u = 泛点率 uf, 计算塔径 D,塔截面积：,A = AT - Ad,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。,（3）溢流装置设计 溢流型式的选择 依据：塔径 、流量； 型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。, 降液管形式和底隙 降液管：弓形、圆形。 降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 40 mm。, 溢流堰（出口堰） 作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,堰长 lW ：影响液层高度。,堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，相际传质面积过小； 过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。,说明：通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于100130 m3/（mh）。,或：,双流型:,单流型：,(4) 塔板及其布置 受液区和降液区 一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区,其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。,堰上方液头高度 hOW ：,要求：, 边缘区：,（5）筛孔的尺寸和排列 筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率 ：,单流型弓形降液管塔板：, 有效传质区：,双流型弓形降液管塔板：,筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 开孔率: 通常为 0.08 0.12。 板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d0,t,(6) 塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。, 液沫夹带量校核 单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体 单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e： kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。 故有：,所以,说明：超过允许值，可调整 塔板间距 或 塔径。,ev的计算方法：,方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。 方法2：用Hunt经验公式计算ev。,式中Hf 为板上泡沫层高度：,要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。, 塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：,塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力； （c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。,清液柱高度表示：,（a）干板阻力h0,C0 孔流系数,（b）液层阻力 hl,查图求充气系数,说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率或 降低堰高。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）, 降液管液泛校核,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度 (m),（a） 液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时，,一般要求： 0.5h0,（b） 液体通过降液管阻力 hd,包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。,无进口堰时：,泡沫层高度,要求：,说明：若泡沫高度过大，可 减小塔板阻力或 增大塔板间距。,泡沫层相对密度：对不易起泡物系，,易起泡物系，, 液体在降液管中停留时间校核 目的：避免严重的气泡夹带。,停留时间：,要求：,说明：停留时间过小，可 增加降液管面积 或 增大塔板间距。,（a）计算严重漏液时干板阻力 h0 ,（b）计算漏液点气速 u0 ,说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。, 严重漏液校核 漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数：,要求：, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线） 规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。,（6）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性, 液相下限线,整理出：,规定, 严重漏液线（气相下限线）,代入相关公式，如hOW、u0，整理出。, 液相上限线保证液体在降液管中有一定的停留时间。, 降液管液泛线,塔板的操作弹性： 或,化工原理课程设计任务书1 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理甲醇水混合液8万吨（开工率300天/年） 原 料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于95% 塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书2 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理甲醇水混合液10万吨（开工率300天/年） 原 料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于95% 塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书3 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理苯甲苯混合液2万吨（开工率330天/年） 原 料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）的65液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书4 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年处理苯甲苯混合液1.8万吨（开工率330天/年） 原 料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）的40液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书5 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产2.5万吨苯(纯),（开工率7920小时） 原 料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书6 设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产2.0万吨苯(纯),（开工率7000小时） 原 料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和液体 分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书7,设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产甲醇(纯)4万吨（开工率7200小时） 原 料： 甲醇含量为40%（质量分率，下同）的 饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于98% 塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,化工原理课程设计任务书8 设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔 原始数据及条件 生产能力：年产甲醇(纯)3万吨（开工率7200小时） 原 料： 甲醇含量为40%（质量分率，下同）的 饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于96% 塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址: 济南,参考资料 1.夏清、陈常贵主编化工原理（上、下册），天津大学出版社，2005 2.化学工程手册 第13篇汽液传质设备，化学工业出版社，1979 3.贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计，天津，天津大学出版社，2002 4.陈英南、刘玉兰主编常用化工单元设备的设计，上海，华东理工大学出版社，2005 5.板式塔研究进展化学工程，Vo131. No.3 .2003 6.国内新型浮阀塔板评述化工设计，2002，（5） 7.负荷性能图法计算板式塔工艺尺寸化工学报，1997,板式塔的类型很多，设计原则基本相同 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型 确定塔径、塔高等工艺尺寸 进行塔板的设计，包括溢流装置