06.10板 式 塔

1、6.10 板板 式式 塔塔 6.10.1 板式塔结构及性能板式塔结构及性能 （1） 板式塔结构板式塔结构 功能功能：为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触与及 时、完全分离的条件。 进料 回流液 塔顶气相 塔底液相 汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式 两相流动的推动力两相流动的推动力 全塔：逆流接触 塔板上：错流接触 液体：重力 气体：压力差 塔板结构塔板结构 气体通道气体通道 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）降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。 受液盘受液盘 塔板上接受液体的部分。 溢流堰溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充

2、分接触。 浮阀塔内部结构 塔板上塔板上理想流动理想流动情况情况： 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，达相平衡相平衡，分离后，继续流动。 传质的非理想流动情况传质的非理想流动情况： 反向流动反向流动 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象返混现象 后果后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加板效率降低，能耗增加。 不均匀流动不均匀流动 液面落差液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速气速不均； 塔壁作用塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速液速不均，中间 近壁； 后果：后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。板效率降低。 （2）板式塔性能要求）板式塔性能要求

3、 生产能力大； 塔板效率高； 具有适当的操作弹性； 塔板阻力小； 塔结构简单，易于加工制造，维修保养。 （3）设计的基本任务）设计的基本任务 设计分为两个阶段：基础设计基础设计（初步设计）； 详细设计（施工设计）。 基础设计阶段的设计任务：基础设计阶段的设计任务： 根据精馏过程严格的分离计算获得塔设计的基础数据； 根据体系性质、气液流量以及操作条件选择适宜的塔型； 根据基础数据确定塔径、塔盘间距、液流形式及塔盘设计； 塔盘水力学性能校核。 详细设计阶段的设计任务：详细设计阶段的设计任务： 按基础设计提供的工艺尺寸进行具体布置和安排，即对塔体、 塔板用材的选择，机械强度和结构的设计，精馏塔进料、

4、回流、 采出等物流管线的配管设计，以及人孔、扶梯平台等辅助配件 的设计。 6.10.2 塔内气、液两相异常流动塔内气、液两相异常流动 （1）液泛）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。液泛。 液 泛现象： 过量雾沫夹带液泛过量雾沫夹带液泛 原因：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。 说明说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速液泛气速 。 降液管液泛降液管液泛 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

5、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。并称之为降液管内降液管内 液泛液泛。 说明：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漏液点气速 。 6.10.3 塔板上气、液两相接触状态塔板上气、液两相接触状态 从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态，即： 鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态泡沫状态、喷射状态及乳化状态。 泡沫状态泡沫状态 由于孔口处鼓泡剧烈，

6、 各种尺寸的气泡连串迅速上 升，将液相拉成液膜展开在 气相内，因泡沫剧烈运动， 使泡沫不断破裂和生成，以 及产生液滴群，泡沫为传质 创造了良好条件。是工业上 重要的接触状态之一。 喷射状态喷射状态 从筛孔或阀孔中吹出的高 速气流将液相分散高度湍动 的液滴群，液相由连续相转 变为分散相，两相间传质面 为液滴群表面。由于液体横 向流经塔板时将多次分散和 凝聚，表面不断更新，为传 质创造了良好的条件，是工 业塔板上另一重要的气、液 接触状态。 6.10.4 常用塔板的类型常用塔板的类型 （1）泡罩塔）泡罩塔 优点优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。 缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻

7、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：组成：升气管和泡罩 圆形泡罩 条形泡罩 泡罩塔 （2）筛板塔板）筛板塔板 优点优点：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。 筛筛 板板 （3）浮阀塔板）浮阀塔板 圆形浮阀 条形浮阀 浮阀塔盘 方形浮阀 优点：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：缺点：浮阀易脱落或损坏。 方形浮阀F1型浮阀 （4）喷射型塔板）喷射型

8、塔板 气流方向气流方向：垂直 小角度倾斜， 改善液沫夹带、液面落差 。 气液接触状态：气液接触状态：喷射状态 连续相连续相：气相；分散相分散相：液相 促进两相传质。 形式：形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。 缺点缺点：气泡夹带现象比较严重。 20= R25 50 三面切口舌片; 拱形舌片; 5050mm定向舌片的尺寸和倾角 舌形塔板： 溢流堰 降 液 管 安定区 塔 板 连 接 区 受 液 区 液 体 分 布 区 导向孔 1015 20 8 11 15 20 液流方向 30 3 5.7 4.7 (a) 斜孔结构之一 (b)塔板布置 斜 孔 塔 板 斜孔塔板： AA 降液管 进口堰

9、 压延金属板 A-A 剖视图 网 孔 塔 板 网孔塔板： 垂直筛板 液相 塔板 泡罩 气相 垂直筛板： （5）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 优点：优点：提高允许液体流量 （6）林德筛板（导向筛板）林德筛板（导向筛板） 应用应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台斜台：抵消液面落差的影响。 导向孔导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。 液流 (a)斜台装置 液流 液流 (b)导向孔 林德筛板 （7）无溢流塔板）无溢流塔板 有溢流塔板：有溢流塔板：有降液管的塔板； 无溢流塔板无溢流塔板：无降液管的塔板； 形式：形式：无溢流栅栅板和无溢流筛筛板； 特点特点：生产能力大，结构简单，塔板

10、阻力小； 但操作弹性小，塔板效率低。 冲制栅板 由金属条组成 的栅板 无溢流筛板 6.10.5 筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算 （1）塔的有效高度）塔的有效高度 Z 已知：已知：实际塔板数 NP ； 选取塔板间距 HT； ； 有效塔高： 有效塔高： 塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+ 其它其它 安装高度 安装高度 ：裙座 pT NHZ 选取塔板间距选取塔板间距 HT ： HT ，则塔内气速，塔径，但塔高 HT ，则塔高，液沫夹带量，液泛气速 考虑经济性 、经验选取 塔径塔径 D，m 0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4 塔板间距

11、塔板间距 HT，m 0.2-0.30.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.80.6 塔板间距和塔径的经验关系塔板间距和塔径的经验关系 说明：说明：工业塔中，板间距范围200900 mm （2）塔径）塔径 确定原则：确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤：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。 V VL f Cu L V mV mL v l VV VL LV q q q q F s s C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。有关。 式中，qVVs、qVLs：气、液相体积流率 m3 /s； qmL、q

12、mV ： 气、液相质量流率 kg /s。 液泛气速液泛气速 两相流动参数两相流动参数 FLV： 对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV) C20 ： ： =20mN/m 时的气 体负荷因子 0.2 HT=0.6 0.45 0.3 0.15 0.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.01 0.04 0.03 0.02 0.07 0.01 0.1 0.09 0.06 0.05 v l VV VL LV s s q q F VL V f20 uC 筛板塔泛点关联图 2 .0 20 20 CC V VL f Cu 所以： 选取设计气速选取设计气速

13、u 选取泛点率：泛点率： u / uf 一般液体， 0.6 0.8 易起泡液体，0.5 0.6 u V A s 所需气体流通截面积所需气体流通截面积 设计气速设计气速 u = 泛点率泛点率 uf 选取 Ad / AT ，计算塔径 D T A D 4 T d T A A A A 1 塔截面积塔截面积 AT = 气体流通截面积气体流通截面积 A +降液管面积降液管面积 Ad 即即： A = AT - Ad 说明：说明：计算塔径需圆整。 系列化标准：系列化标准： 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0m 等 塔截面积：塔截

14、面积： A D Ad 选取选取 Ad / AT原则原则 单流型弓形降液管： 0.06 0.12 多流型：可适当增大； U 形流型：可适当减小。 注意：注意： 1）必须用圆整后的）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、重新计算确定实际的气体流通截面积、 实际气速及泛点率。实际气速及泛点率。 2）校核）校核HT与与D的范围。的范围。 （3）溢流装置设计）溢流装置设计 溢流型式的选择溢流型式的选择 依据：依据：塔径 、流量； 型式型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。 液流型式选取参考表液流型式选取参考表 降液管形式和底隙降液管形式和底隙 降液管：弓形弓形、圆形。 降液管截面积：

15、由Ad/AT = 0.06 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 40 mm。 溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰） 作用作用：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。 平流堰 溢流辅堰 三角形齿堰 栅栏堰 堰长堰长 lW ：影响液层高度。 堰高堰高 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。 TdW AAfDl DbfDl dW 75. 06 . 0 Dl W 7 . 05 . 0 DlW 说明：通常应使溢流强度说明：通常应使溢流强度qVLh

16、/lW 不大于不大于100130 m3/（m h）。）。 或： 双流型: 单流型： 3/2 3 1084.2 W VL ow l q Eh h (4) 塔板及其布置塔板及其布置 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，：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。 mmhOW6 mmbb ss 10050 mmbc50 堰上方液头高度堰上方液头高度 hOW ： 要求：要求： 边缘区： bc bd bs lW r x )sin(2 1222 r x rxrxAa )sin( 2)sin( 2 1 12 2 1 2 1 1222 r x rxrx r x r

17、xrxA a （5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列 筛孔筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率筛板开孔率 ： 单流型弓形降液管塔板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双流型弓形降液管塔板： 2 0 2 2 0 907. 0 60sin 2 1 42 1 t d t d A A o a o bc bd bs lW r x d0 t 0 0 A q u S VV 2 0 2 0 0 785. 0 4 d A d A n a 筛孔直径筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距孔中心距 t : (2.55) d0 取整。

18、 开孔率开孔率: : 通常为 0.08 0.12。 板厚：板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。 筛孔气速：筛孔气速： 筛孔数：筛孔数： d0 t (6) 塔板的校核塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。 V mV mL V L m e q q e eq e vVV LVL V m L m v s s q q q q e 11 液沫夹带量校核液沫夹带量校核 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

19、液体流量占横过塔板液体流量的分数。 故有： 所以 2 . 3 3 107 . 5 fT v HH u e 说明：超过允许值，可调整 塔板间距塔板间距 或 塔径。塔径。 ev的计算方法的计算方法： 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。 )(5 . 2 OWWf hhH式中Hf 为板上泡沫层高度： 要求要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。 塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：塔板阻力： 液柱m g p h L f f 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

20、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）干板阻力h0 2 0 0 , 0 2 1 C u gg p h L V L of d0/ C0 塔板孔流系数 C0 孔流系数孔流系数 OWWl hhh（b）液层阻力）液层阻力 hl 查图求充气系数查图求充气系数 2/1 V 3 2/1 aa m kg s m uF 说明：说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率增加开孔率或 降低堰高。降低堰高。 0 3 104 dg h L （c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计） 降液管液泛校核降液管液泛校核 d L OWWd h g

21、pp hhH 12 dfOWW hhhh 故塔板阻力： hhhh Lf 0 降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m) )()( )4( 0476.0 3 2 vLf sLf bH LZHb （a） 液面落差液面落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时， 一般要求：一般要求： 0.5h0 2 8 2 2 1 1018. 1153. 0 2 bW s bW sd d hl L hl L g u h （b b） 液体通过降液管阻力液体通过降液管阻力 hd 21ddd hhh 包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。 无进口堰时：无进口堰时： 0 2 d h d lL d

22、d HH H WTd hHH 泡沫层高度泡沫层高度 要求：要求： 说明：说明：若泡沫高度过大，可 减小塔板阻力减小塔板阻力或 增大塔板间距。增大塔板间距。 泡沫层相对密度：对不易起泡物系，6 . 05 . 0 4 . 03 . 0易起泡物系， 液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核 目的：目的：避免严重的气泡夹带。 s VL Td q HA 停留时间：停留时间： 要求：要求：s53 说明：说明：停留时间过小，可 增加降液管面积增加降液管面积 或 增大塔板间距。增大塔板间距。 （a）计算严重漏液时干板阻力严重漏液时干板阻力 h0 hhhh OWW 13.00056.0 0 （b）计算漏液点气速漏液点气速 u0 000 2hgCu V L 说明：说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率减小开孔率 或 降低堰高。降低堰高。 严重漏