气液传质设备_板式塔设计

1、气液传质设备板式塔的工艺设计板式塔的工艺设计板式塔设计步骤板式塔设计步骤 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 1 设计方案的确定设计方案的确定(6(6步法步法) )1.1 装置流程的确定装置流程的确定蒸馏装置蒸馏装置精馏塔精馏塔原料预热器原料预热器蒸馏釜（再沸器）蒸馏釜（再沸器）冷凝器冷凝器釜液冷却器和产品冷却器釜液冷却器和产品冷却器原料入塔原料入塔泵输送（易受泵操作波动影响）泵输送（易受泵操作波动影响）高位槽送液（稳

2、定）高位槽送液（稳定）泡点冷凝器泡点冷凝器分凝器分凝器产品冷却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。制及安全等诸因素。1.2 1.2 操作压力的选择操作压力的选择依据操作压力依据操作压力常压操作常压操作减压操作减压操作加压操作加压操作 选择依据：一般，对热敏性选择依据：一般，对热敏性物质或混合物泡点过高的体系物质或混合物泡点过高的体系易采用减压蒸馏；常压下呈气易采用减压蒸馏；常压下呈气态的物系采用加压蒸馏。态的物系采用加压蒸馏。1.3 1.3 进料热状况的选择进料热状况的选择进料热状况进料热状况：冷液进料：

3、冷液进料(q1)、泡点进料、泡点进料(q=1)、气液混合进料、气液混合进料(q1)、饱和蒸汽进料、饱和蒸汽进料(q=0)及过热正气进料及过热正气进料(q2.4板间距板间距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，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，一还应考虑安装、检修的需要，如在

4、塔体的人孔处，应采用较大的板间距，一般不低于般不低于600mm。3.2 3.2 塔径的计算（可参课本塔径的计算（可参课本P157P157页）页）s4VDu计算公式：计算公式：关键在于计算空塔气速关键在于计算空塔气速u u 空塔气速的空塔气速的上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏夜决定，上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏夜决定，适宜的空塔气速介于两者之间。一般依据最大允许气速确定。适宜的空塔气速介于两者之间。一般依据最大允许气速确定。最大允许气速由严重雾沫夹带时悬浮液滴的沉降速度确定：最大允许气速由严重雾沫夹带时悬浮液滴的沉降速度确定：223VLVud=dg;=;642净重力摩擦阻力液

5、滴在上升气流中悬浮，则其受力平衡，此时，空塔气速与液滴沉降液滴在上升气流中悬浮，则其受力平衡，此时，空塔气速与液滴沉降速度相等，为最大允许气速。速度相等，为最大允许气速。LVLVnVV4gduC3CP12910-42负荷系数；可通过史密斯关联图查取（见页图）。3.2 3.2 塔径的计算（可参课本塔径的计算（可参课本P157P157页）页）1/ 2sLsVTLLL,VHhh0.050.1m,0 025 0 03m横坐标：为液气动能参数，反映液气两相的流量与密度的影响。而-反映液滴沉降空间高度对符合参数的影响。由设计者首先选定；对常压塔取对减压塔取 .- .史密斯关联图中：史密斯关联图中：0.22

6、0maxmax10-4220mN/mCCC20uuu(0.6 0.8)u0 6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2m图是按表面张力的物系绘制，若所处理的物系表面张力为其它值，则按下式校正查出的负荷系数 ，即：求出后，实际的空塔气速 应为：计算出适宜气速后，计算塔径，所得塔径应于园整。最常用的塔径标准有： . 、 、 、 、 、 、 、 、 、等。注：上述计算的塔径为初估值，后面还需进行流体力学核算。另：若精注：上述计算的塔径为初估值，后面还需进行流体力学核算。另：若精馏塔精馏段和提馏段上升气量差别较大，则两段塔径应分别计算。馏塔精馏段和提馏段上升气量差别较大

7、，则两段塔径应分别计算。4 4 板式塔的塔板工艺尺寸计算板式塔的塔板工艺尺寸计算4.1 溢流装置的设计溢流装置的设计溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分。溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分。4.1.1 降液管的类型与溢流方式（参图降液管的类型与溢流方式（参图10-12所示）所示）类类 型型圆形降液管圆形降液管用于小直径塔，用于小直径塔，800mm溢流方式溢流方式U U型流型流又称回转流。弓形降液管一半为受液盘，另一半为降又称回转流。弓形降液管一半为受液盘，另一半为降液管。特点：液体流径长，板效率高，板面利用率高。液管。特点：液体流径长，板效率高，板面利用率高。单溢流单溢流又称直径

8、流。特点：流体流径较长，板效率较高，加又称直径流。特点：流体流径较长，板效率较高，加工方便，在小于工方便，在小于2.2m2.2m的塔中应有广泛。的塔中应有广泛。双溢流双溢流又称半径流。特点：液体流动的路程短，液面落差小，又称半径流。特点：液体流动的路程短，液面落差小，但结构复杂，板面利用率低，适用于大于但结构复杂，板面利用率低，适用于大于2m2m的塔。的塔。阶梯式双溢流阶梯式双溢流特点：可在不缩短液体流径的情况下减小液面特点：可在不缩短液体流径的情况下减小液面落差。但结构复杂，致使应用于塔径很大、液流量很大的场合。落差。但结构复杂，致使应用于塔径很大、液流量很大的场合。表表10-2（P130页

9、）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型页）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型4.2 溢流装置的设计计算溢流装置的设计计算wdf0w1hWAhhhw堰长，L堰高，弓形降液管的宽度，截面积，降液管低隙高度，进口堰高度，降液管间的水平距离，溢流装置的设计溢流装置的设计参图参图10-39所示。所示。1、溢流堰、溢流堰形状形状平直堰平直堰齿形堰齿形堰一般采用平直形溢流堰板一般采用平直形溢流堰板（1）堰长）堰长:(0.6 0.8):(0.5 0.6)wwlDlD单流堰双流堰（2）堰高）堰高降液管端面高出塔板板面的距离降液管端面高出塔板板面的距离堰高与板上清液层高度及堰上液层高度的关系

10、为：堰高与板上清液层高度及堰上液层高度的关系为：,mmLWOWLOWhhhhh板上清液层高度；堰上液层高度，。设计时，一般保持塔板上清液层高度在设计时，一般保持塔板上清液层高度在50100mm50100mm，于是，堰高，于是，堰高hwhw则由则由板上清液层高度和堰上液层高度而定。设计时，应是堰上液层高度大板上清液层高度和堰上液层高度而定。设计时，应是堰上液层高度大于于6mm6mm，否则采用齿形堰；但堰上液层高度不宜太大，否则导致液沫夹，否则采用齿形堰；但堰上液层高度不宜太大，否则导致液沫夹带量增加，板压降增大。设计时，一般不宜大于带量增加，板压降增大。设计时，一般不宜大于6070mm6070m

11、m，超过此值应，超过此值应采用双溢流形。采用双溢流形。对平直堰：对平直堰：2/332.841000m /h; 10-471howWhLhElLEE其中：塔内液体流量，液流收缩系数，由图查取（一般 取 ）。由上式看出，由上式看出，how仅与仅与Lh和和lw有关，故也可从图有关，故也可从图3-11（见天大版（见天大版P163）查知。查知。对齿形堰：可参阅对齿形堰：可参阅P133P133页页0.050.10.04 0.05m0.015 0.025m0.04 0.08m0.1 m owwowwhhhh在工业塔中，堰高 一般为；减压塔为；加压塔为，一般不超过；求得求得how后，可按下式范围确定后，可按下

12、式范围确定hw：2/55/25/2315mm1.170.735m /s;mnsnwwsowownnsnowhL hllLhhhhLhhowow齿形堰的齿深 一般在以下。当液层高度h 不超过齿顶时，可用下式计算h当液层高度超过齿顶时：式中：塔内液体流量，齿深， 。为由齿根计算的堰上液层高度。上式需试差法计算。2、降液管、降液管弓形降液管弓形降液管2.1 弓形降液管的宽度和截面积弓形降液管的宽度和截面积 弓形降液管的宽度以弓形降液管的宽度以Wd表示，截面积以表示，截面积以Af表示，设计中可根据堰长表示，设计中可根据堰长与塔径之比与塔径之比lw/D由图由图3-12（见天大版（见天大版P163） 求算

13、。求算。 为使液体中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内应有足够的为使液体中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内应有足够的停留时间，表示式为：停留时间，表示式为：36003 5fThA HsL若不能满足上式要求，则应调整降液管尺寸或板间距，直至满意。若不能满足上式要求，则应调整降液管尺寸或板间距，直至满意。2.2 降液管底隙高度降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以h0表示。表示。0000000.0063600m /s0.07 0.25m/s.whwhhhLhl uuu也可按下式计算：式中：为液体通过底隙时的流速，；据经验，一般取

14、降液管底隙高度一般不宜小于降液管底隙高度一般不宜小于2025mm，否则易于堵塞，或因安，否则易于堵塞，或因安装偏差而是液流不畅，造成液泛。装偏差而是液流不畅，造成液泛。2.3 受液盘（参图受液盘（参图10-43、44所示）所示）类型类型平受液盘平受液盘凹受液盘凹受液盘 平受液盘一半需在塔板上设置进口堰，保证液封；并使液体在平受液盘一半需在塔板上设置进口堰，保证液封；并使液体在板上分布均匀。板上分布均匀。 进口堰高度考虑原则：当出口堰高进口堰高度考虑原则：当出口堰高h hw w大于降液管底隙高度大于降液管底隙高度h h0 0时，时，取取hhw w=h=hw w，如，如h hw whhh0 0，以

15、保证液体由降液管流出时不致，以保证液体由降液管流出时不致受到很大阻力，进口堰与降液管间的水平距离受到很大阻力，进口堰与降液管间的水平距离h h1 1不应小于不应小于h h0 0。 采用凹形受液盘不需设置进口堰。其优点为：凹形受液盘既采用凹形受液盘不需设置进口堰。其优点为：凹形受液盘既可在低液量时形成良好的液封，又可改变液体流向的缓冲作用，可在低液量时形成良好的液封，又可改变液体流向的缓冲作用，便于液体从侧线的抽出。一般来说，直径大于便于液体从侧线的抽出。一般来说，直径大于600mm的塔，大的塔，大多采用凹形受液盘。其深度一般在多采用凹形受液盘。其深度一般在50mm。4.2 塔板设计塔板设计以筛

16、板塔为例以筛板塔为例1、塔板布置、塔板布置见图见图10-39 （1）开孔区）开孔区222112sin180:,;2,;sin2adscrxAx rxrDxWWmDxrW mr式中为以角度表示的反正弦函数.（2）溢流区）溢流区溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积为溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积为Af,受受液盘所占面积为液盘所占面积为Af；一般，两者相等。可从图；一般，两者相等。可从图3-12求取。求取。（3）安定去）安定去开孔区域溢流区之间的不开孔区域，也称破沫区。开孔区域溢流区之间的不开孔区域，也称破沫区。溢流堰前的安定区宽度溢流堰前的安定区宽度 Ws=7

17、0100mm；进口堰后的安定区宽度进口堰后的安定区宽度 Ws=50100mm；对于小直径的塔（直径对于小直径的塔（直径1m），因塔板面积小，安定区要相应减小。），因塔板面积小，安定区要相应减小。（4）边缘区）边缘区在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用的区域。在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用的区域。Wc=3050mm，小塔（直径小于，小塔（直径小于1米）米）=5070mm，大塔（直径大于，大塔（直径大于1米）米）2、筛孔的计算及其排列、筛孔的计算及其排列（1）筛孔直径）筛孔直径表面张力为正系统的物系，表面张力为正系统的物系，d0取取38mm；表面张力为负系统的物系，表面张力为

18、负系统的物系，d0取取1025mm。（2）筛板厚度）筛板厚度碳钢塔板，板厚碳钢塔板，板厚为为34mm,孔径孔径d0应不小于板厚应不小于板厚 ；不锈钢塔板，不锈钢塔板，板厚板厚为为22.5mm,孔径孔径d0应不小于应不小于(1.52)。（3） 孔中心距孔中心距t t=(2.55)d0，且，且t/d0=34（4） 筛孔的排列与筛孔数（筛孔的排列与筛孔数（n）当采用正三角形排列时：当采用正三角形排列时：2aa21.155;:m ;tm.AnAt式中为鼓泡区面积，为筛孔的中心距，（5）开孔率）开孔率定义：定义：0a200aA100%AA0.907Adt按正三角形排列，则：5 5 筛板的流体力学验算筛板

19、的流体力学验算5.1 塔板压降塔板压降气体通过筛板时，需克服筛板本身的干板阻力、板上充气液层的气体通过筛板时，需克服筛板本身的干板阻力、板上充气液层的阻力及液体表面张力造成的阻力，这些阻力形成筛板的压降。阻力及液体表面张力造成的阻力，这些阻力形成筛板的压降。mmmppLppclclPhghhhhhhhh上式中的液柱高度可有下式计算：；式中：与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度， ；与气体通过筛板的液层压降相当的液柱高度， ；与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度， 。1、干板阻力、干板阻力22000002000000.0511m/s15%0.051d10mm5-10d10mm1.15VcLa

20、VcLuAhcAucuhcc 式中：气体通过筛孔的速度，；流量系数。通常，筛板的开孔率，上式可简化为：当时， 通过图查取；时，由图查取的值乘以的校正系数。2、气体通过液层的阻力、气体通过液层的阻力通过下式估算：通过下式估算：001/21 2025-110.50.65 11 F;(kgs m;m/smlLwowsaVaTfaThhhhVFuuAAFuA/式中： 为充气系数，反映板上液层的充气程度，其值可从图查取；通常可去。图中 为气相动能因子，其定义为：单溢流板）式中：气相动能因子，/通过有效传质区的气速，；塔截面积， 。3、液体表面张力的阻力、液体表面张力的阻力04(N/mLLLhgd式中：为

21、液体的表面张力采用平均加合法计算），。由上述各式计算的阻力加和得到板压降，应与设计允许值比较，计算由上述各式计算的阻力加和得到板压降，应与设计允许值比较，计算值应低于允许值。值应低于允许值。5.2 5.2 液面落差液面落差对塔径小于对塔径小于1600mm的筛板，液面落差可以不予考虑；但对塔径大于的筛板，液面落差可以不予考虑；但对塔径大于2000mm的筛板，应考虑液面落差，此时，可查阅相关手册予以计算。的筛板，应考虑液面落差，此时，可查阅相关手册予以计算。5.3 液沫夹带液沫夹带设计中一般规定液沫夹带量设计中一般规定液沫夹带量ev0.1kg液体液体/kg气体气体液沫夹带量的计算方法液沫夹带量的计

22、算方法查图法（亨利液沫夹带图），见图查图法（亨利液沫夹带图），见图5-12经验公式计算法，如下式：经验公式计算法，如下式：3.265.7 10kg/kgm2.5aVLTfVffLueHhehhh式中：液沫夹带量，液体气体；塔板上鼓泡层高度，。根据经验，一般取。5.4 漏液漏液气速减小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，会发生落叶现象。气速减小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，会发生落叶现象。规定漏夜量等于塔内液体流量的规定漏夜量等于塔内液体流量的10%对应的气速为漏夜点气速。它是对应的气速为漏夜点气速。它是塔板操作气速的下限，计算方法为：塔板操作气速的下限，计算方法为：0,min00,m

23、in00,min0,min0,min00,min4.40.00560.13/4.40.010.13/;8 10LLVLLVVuChhuChhFuFuuKKL0当h 30mm或d 3mm筛孔孔径时，采用下式计算：因漏液量与气体通过筛孔的动能因子有关，可用下式计算：式中：漏液点动能因子，适宜值为。气体通过筛孔的实际气速与漏液点气速之比，成为稳定系数 ，即：00,min;1.5 2uKu值得适宜范围为。5.5 液泛液泛mmmmdpLddLdpHhhhHhhh式中：降液管内清液层高度， ；板上清液层高度， ； 与流体流过降液管的压降相当的液柱高度， ； 板压降， 。液泛液泛液沫夹带液泛液沫夹带液泛通过

24、液沫夹带量核算通过液沫夹带量核算降液管液泛降液管液泛* * 为使液体从上层塔板稳定流入下一层塔板，降液管内必须保持一定为使液体从上层塔板稳定流入下一层塔板，降液管内必须保持一定的液层高度的液层高度Hd。该液层高度用来克服相邻两层塔板间的压降、板上清液。该液层高度用来克服相邻两层塔板间的压降、板上清液层阻力和液体流过降液管的阻力，故：层阻力和液体流过降液管的阻力，故：2200220000.1530.153( )0.20.2( )m/s()dsdwsdwdTwhLhul hLhul huHHhd主要是由降液管底隙处局部阻力造成，可按下式估算：塔板上不设进口堰：塔板上设置进口堰：流体流过底隙时的流速

25、，。注：上式计算的 为降液管内情液层高度，但因管内存有泡沫，为防止液泛，应保证降液管内泡沫液体总高度不能超过上层塔板的出口堰，即：H0.30.50.60.7安全系数，对易发泡体系，不易发泡体系， =。6 6 塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图6.1 漏液线绘制塔板负荷性能图，以检验设计的合理性。以筛板塔为例讲授。0,min0,min0,min002/3,min4.40.00560.13/4;36002.841000LLVsLLwowLsowwssuChhVuhhhhAgdLhElVL代入，可得到与关系，如此得到漏液线。6.2 液沫夹带线液沫夹带线3.26aaLTf2/30.1/u5.7 101

26、;u;2.52.5H -h36002.8410001VsssVfLwowTfsowwfsssekgkgVLVehhhhAALhElhLVL以液干气为限，求关系如下：（）得到 与 关系；代入（）得到 与 之关系；即得液沫夹带线。6.3 液相负荷下限线液相负荷下限线2/3min0.006m36002.840.00610001owsowwshLhElEL，对平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，则：取，可得到；即得与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。6.4 液相负荷上限线液相负荷上限线,max4s4;.4fTfTssA HA HLL以作为液体在降液管中停留时间的下限，则：计算可得与气体流量无关

27、的垂直液相负荷上限线。6.5 液泛线液泛线22/3200;11,:;,:0.051;1;TwdPLdPcllLLwowTwowcdowsdscsssssVTwLHhHhhhhhhhhhhhhHhhhhhhhLhLhVaVbcd LVLabHhcA cd令H由联立得：忽略，将与与与的关系带入上式 整理得即得与关系 如此可做出液泛线;式中202/330.153/36002.84101wwl hdEl最后，根据以上各方程绘出塔板的负荷性能图，在该图上绘得操作最后，根据以上各方程绘出塔板的负荷性能图，在该图上绘得操作线，分析操作控制特征（即什么控制），并计算其操作弹性范围。线，分析操作控制特征（即什么

28、控制），并计算其操作弹性范围。7 7 板式塔的结构与附属设备板式塔的结构与附属设备7.1 7.1 塔体空间塔体空间1、塔顶空间高度、塔顶空间高度HDHD=(1.52.0)HT设置目的：为利于出塔气体夹带的液滴沉降。若需安装除沫器，要根据设置目的：为利于出塔气体夹带的液滴沉降。若需安装除沫器，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间高度。除沫器的安装要求确定塔顶空间高度。2、塔底空间高度、塔底空间高度HB指塔内最下层塔板到塔底间距。指塔内最下层塔板到塔底间距。决定因素：决定因素：A塔底储液空间依储存液量停留塔底储液空间依储存液量停留38min而定；而定；B 再沸器的安装方式及安装高度；再沸器的安装方式

29、及安装高度；C 塔底液面至最下层塔板之间留有塔底液面至最下层塔板之间留有12m的间距。的间距。3、人孔、人孔对于塔径大于对于塔径大于1米的板式塔，为安装、检修之需，一般每隔米的板式塔，为安装、检修之需，一般每隔68层塔板设层塔板设一人孔。人孔直径一般为一人孔。人孔直径一般为450mm600mm，其中伸出塔体的筒长为，其中伸出塔体的筒长为200250mm，人孔距中心操作台约距，人孔距中心操作台约距8001200mm。设人孔处的板间。设人孔处的板间距应等于或大于距应等于或大于600mm。4、塔高、塔高12121;:,m;mmmmmmmFpTFFppDBFpTFpDBHnnnHn Hn HHHHHHnnnHHHHHHH由计算塔高式中塔高实际塔板数进料板数人孔数板间距， ；进料板处板间距， ；设人孔处的板间距， ；塔顶空间高度， ；塔底空间高度， ；封头高度， ；裙座高度， 。7.2 7.2 塔板结构塔板结构按塔板的