板式塔设计原理

1、对于每个塔板结构参数已设计好的塔，处理固定的物系时，要维持其正常操作，必须把气、液负荷限制在一定范围内。通常在直角坐标系中，标绘各种极限条件下的V-L关系曲线，从而得到塔板适宜的气、液流量范围图形，该图形称为塔板的负荷性能图，如图1-23所示，一般由下列五条曲线组成。 漏液线线1为漏液线，又称为气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。筛板塔的漏液线由式（1-47）或式（1-48）作出，浮阀塔的漏液线由式（1-49）作出。 雾沫夹带线线2为雾沫夹带线。当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。对于精馏，一般控制eV0.1kg液/k

2、g气。筛板的雾沫夹带线按式（1-50）作出。浮阀塔的雾沫夹带线按式（1-51）或式（1-52）作出。 液相负荷下限线线3为液相负荷下限线。液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降。一般取how=6mm作为下限，按式（1-33）式（1-37）中一式作出液相负荷下限线。 液相负荷上限线线4为液相负荷上限线，该线又称降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。通常根据液相在降液管内的停留时间应大于3s，按式（1-24）作出此线。 液泛线线5为液泛线。操作线若在

3、此线上方，将会引起液泛。根据降液管内的液层高度，按式（1-46）作出此线。由上述各条曲线所包围的区域，就是塔的稳定操作区。操作点必须落在稳定操作区内，否则塔就无法正常操作。必须指出，物系一定，塔板负荷性能图的形状因塔板结构尺寸的不同而异。在设计塔板时，可根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数来满足所需的弹性范围。操作时的气相流量与液相流量在负荷性能图上的坐标点称为操作点。在连续精馏塔中，回流比一定，板上的气液比V/L也为定值。在负荷性能图上，操作线可用通过坐标原点斜率为V/L的直线表示。通常把气相负荷上、下限之比值称为塔板的操作弹性系数，简称操作弹性。如图1-23所示，不同气液比

4、的操作情况以OAB、OCD、OEF三条操作线表示，其控制上限的条件不一定相同，而且操作弹性也不相同。因此，在设计和生产操作时，要作出具体分析，抓住真正的影响因素，以利于优化设计和操作。1.6 板式精馏塔高度及其辅助设备塔设备的总体结构如图1-24所示，包括塔体、塔体支座、除沫器、接管、手孔、人孔、塔内件等。塔体是塔设备的外壳。常见塔体由等直径，等壁厚的圆筒及椭圆形封头的顶盖和底盖构成。随着化工装置的大型化，为了节约原材料，有用不同直径、不同壁厚的塔体。塔体的厚度除应满足工艺条件下的强度外，还应校核风力、地震、偏心载荷所引起的强度和刚度，同时要考虑水压实验、吊装、运输、开停工的情况。塔体支座是塔

5、体安放到基础上的连接部分，一般采用裙座，其高度由工艺条件的附属设备（如再沸器、泵）及管道布置决定。它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，为此，它应具有足够的强度和刚度。除沫器用于捕集在气流中的液滴。使用高效的除沫器，对于提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，回收昂贵的物料以及减少对环境的污染都是非常重要的。常用的有丝网除沫器和折板除沫器。接管是用以连接工艺管路，使之与相关设备连成系统。有进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、液面计接管及仪表接管等。手孔、人孔和视孔是为了安装、检查的需要而设置的。吊柱设置在塔顶，用于安装和检修时运送塔内件。1.6.1 塔高塔高由

6、下式计算(1-53)图1-24 板式塔总体结构1裙座；2裙座人孔；3塔底液体出口；4裙座排气口；5塔体；6人孔；7蒸汽入口；8塔盘；9回流入口；10吊柱；11塔顶蒸汽出口；12进料口式中 H塔高（不包括封头、裙座）m； N实际塔板数；NF进料板数；NP人孔数；HT塔板间距，m；HF进料板处板间距，m；HP设人孔处板间距，m；HD塔顶空间（不包括头盖部分），m；HB塔底空间（不包括底盖部分），m。塔顶空间HD的作用是安装塔板和除沫装置的需要，起减少雾沫夹带量的作用，一般HD=1.02.0m，塔径大时可适当增大。人孔数NP是根据物料的清洁程度塔板安装的方便而定；对于易结焦、结垢的物料，每隔46块板

7、开一人孔；对于清洁物料，每隔810块板开一人孔；若塔板上下都可拆，可隔15块板开一人孔。常在进料口设置防冲设施，进料段高度HF应保证这些设施的方便安装。塔底空间具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有l015min的储量，以保证塔底料液不致排完，对于塔底产量大的塔，有时仅取35min的储量。1.6.2 接管尺寸与结构接管的合适尺寸与在操作条件下管内的适宜流速的选择密切相关。塔顶蒸气的适宜流速为：常压操作时取1220m/s，绝对压力为600014000Pa时取3050m/s，绝对压力小于6000Pa时取5070m/s。回流管内的适宜流速为：重力回流取0.2一0.5m/s，强制回流取1.52.5

8、m/s。进料管内适宜流速为：由高位槽入塔时取0.4一0.8m/s，由泵输送时取1.5一2.5m/s。塔釜出料管内适宜流速一般取0.51.0m/s。由公式计算得到的尺寸均应圆整到相应规格的管径。 进料管(包括回流管)当塔径D800mm，且物料清洁不易聚合时，一般采用简单的进料管，如图1-25所示。当塔径D800mm时，人不能进入塔内检修，为了检修方便，进料管应采用带外套管的可拆结构，如图126所示。进料管的安装尺寸可参考文献。 塔釜出料管当塔支座直径小于800mm时，塔底出料管一般采用如图127(a)所示结构。当塔支图1-27 塔釜出料管 图126 可拆结构的进料管图1-25 简单的进料管座直径

9、大于800mm时，出料管可采用图127(b)所示的结构。为了安装方便，引出管通道直径应大于管法兰外径。 进气管当对气体分布要求不高时，采用图128(a)所示结构的进气管；当塔径较大且进气要求均匀时，可采用图128(b)所示结构的进气管，管上开有3排小孔，管径及小孔直径与数量由工艺条件决定。当蒸汽直接加热釜液时，蒸汽进入管安装在液面以下，管上小孔是朝下方或斜下方的。 小孔直径通常为5一10mm，各孔中心相距5一10倍孔径。全部小孔截面积为进气管截面积的1.25一1.5倍。当进气管安装在液面以上时，小孔是朝上方或斜上方的。图128 进气管结构1.6.3再沸器 再沸器的任务是将部分塔底的液体蒸发以便

10、进行精馏分离。再沸器是热交换设备，根据加热面安排的需要，再沸器的构造可以是夹套式、蛇管式或列管式；加热方式可以是间接加热或直接加热。设计者应注意以下设计目标：使设备成本低(保持较高的传热系数)；使换热表面尽可能清洁(防止传热管表面结垢)；对于易热分解的产品，应使其停留时间短，加热壁温低；能满足分离要求。图129 塔底再沸器的形式小型再沸器可直接安装在塔底部，但再沸器的横截面积要略大于塔体的截面。对于较大型的塔，再沸器一般安装在塔外。工业上使用最多的形式见图129。再沸器有立式和卧式之分：在立式再沸器中，被蒸发的液体在管内通过；在卧式再沸器中，被蒸发液体在管外通过。再沸器容量大时塔的操作稳定，蒸

11、气分离空间大时可防止蒸气中夹带液体，对易起泡系统尤为有利。采用卧式再沸器，可以使塔和建筑物的总高度降低；由于产品在卧式再沸器中的停留时间较长，因此不适宜用于蒸发对热不稳定的产品。 热虹吸式再沸器利用再沸器中气液混合物和塔底液体的密度差为推动力，增加流体在管内的流动速度，减少了污垢的沉积，提高了传热系数，装置紧凑，占地面积小。凯特尔Ketile式再沸器一次通过蒸发的气液比可达80，相当于一块理论板。再沸器的传热面积可任意选用，釜液结焦时清洗方便，但金属消耗量和占地面积都大。当塔底产品是废水时，通常采用直接水蒸气加热，这样可节省再沸器的投资成本。加热周期鼓泡管可参考下列数据进行设计：鼓泡管上吹气孔

12、的孔径通常为510mm，各孔中心相距5一10倍孔径；吹气孔一般排列在鼓泡管的下方和侧面；全部吹气孔的总截面积约为鼓泡管截面积的1.251.5倍。1.6.4冷凝器冷凝器的任务是冷凝离开塔顶的蒸气，以便为分离提供足够的回流。部分冷凝的优点是未凝的产品富集了轻组分，冷凝器为分离提供了一块理论板。当全凝时，部分冷凝液作为回流返回，冷凝器没有分离作用。HT塔板间距，m；HF进料板处板间距，m；HP设人孔处板间距，m；HD塔顶空间（不包括头盖部分），m；HB塔底空间（不包括底盖部分），m。塔顶空间HD的作用是安装塔板和除沫装置的需要，起减少雾沫夹带量的作用，一般HD=1.02.0m，塔径大时可适当增大。人

13、孔数NP是根据物料的清洁程度塔板安装的方便而定；对于易结焦、结垢的物料，每隔46块板开一人孔；对于清洁物料，每隔810块板开一人孔；若塔板上下都可拆，可隔15块板开一人孔。常在进料口设置防冲设施，进料段高度HF应保证这些设施的方便安装。塔底空间具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有l015min的储量，以保证塔底料液不致排完，对于塔底产量大的塔，有时仅取35min的储量。1.6.2 接管尺寸与结构接管的合适尺寸与在操作条件下管内的适宜流速的选择密切相关。塔顶蒸气的适宜流速为：常压操作时取1220m/s，绝对压力为600014000Pa时取3050m/s，绝对压力小于6000Pa时取5070

14、m/s。回流管内的适宜流速为：重力回流取0.2一0.5m/s，强制回流取1.52.5m/s。进料管内适宜流速为：由高位槽入塔时取0.4一0.8m/s，由泵输送时取1.5一2.5m/s。塔釜出料管内适宜流速一般取0.51.0m/s。由公式计算得到的尺寸均应圆整到相应规格的管径。 进料管(包括回流管)当塔径D800mm，且物料清洁不易聚合时，一般采用简单的进料管，如图1-25所示。当塔径D800mm时，人不能进入塔内检修，为了检修方便，进料管应采用带外套管的可拆结构，如图126所示。进料管的安装尺寸可参考文献。 塔釜出料管当塔支座直径小于800mm时，塔底出料管一般采用如图127(a)所示结构。当

15、塔支图1-27 塔釜出料管 图126 可拆结构的进料管图1-25 简单的进料管座直径大于800mm时，出料管可采用图127(b)所示的结构。为了安装方便，引出管通道直径应大于管法兰外径。 进气管当对气体分布要求不高时，采用图128(a)所示结构的进气管；当塔径较大且进气要求均匀时，可采用图128(b)所示结构的进气管，管上开有3排小孔，管径及小孔直径与数量由工艺条件决定。当蒸汽直接加热釜液时，蒸汽进入管安装在液面以下，管上小孔是朝下方或斜下方的。 小孔直径通常为5一10mm，各孔中心相距5一10倍孔径。全部小孔截面积为进气管截面积的1.25一1.5倍。当进气管安装在液面以上时，小孔是朝上方或斜

16、上方的。图128 进气管结构1.6.3再沸器 再沸器的任务是将部分塔底的液体蒸发以便进行精馏分离。再沸器是热交换设备，根据加热面安排的需要，再沸器的构造可以是夹套式、蛇管式或列管式；加热方式可以是间接加热或直接加热。设计者应注意以下设计目标：使设备成本低(保持较高的传热系数)；使换热表面尽可能清洁(防止传热管表面结垢)；对于易热分解的产品，应使其停留时间短，加热壁温低；能满足分离要求。图129 塔底再沸器的形式小型再沸器可直接安装在塔底部，但再沸器的横截面积要略大于塔体的截面。对于较大型的塔，再沸器一般安装在塔外。工业上使用最多的形式见图129。再沸器有立式和卧式之分：在立式再沸器中，被蒸发的

17、液体在管内通过；在卧式再沸器中，被蒸发液体在管外通过。再沸器容量大时塔的操作稳定，蒸气分离空间大时可防止蒸气中夹带液体，对易起泡系统尤为有利。采用卧式再沸器，可以使塔和建筑物的总高度降低；由于产品在卧式再沸器中的停留时间较长，因此不适宜用于蒸发对热不稳定的产品。 热虹吸式再沸器利用再沸器中气液混合物和塔底液体的密度差为推动力，增加流体在管内的流动速度，减少了污垢的沉积，提高了传热系数，装置紧凑，占地面积小。凯特尔Ketile式再沸器一次通过蒸发的气液比可达80，相当于一块理论板。再沸器的传热面积可任意选用，釜液结焦时清洗方便，但金属消耗量和占地面积都大。当塔底产品是废水时，通常采用直接水蒸气加

18、热，这样可节省再沸器的投资成本。加热周期鼓泡管可参考下列数据进行设计：鼓泡管上吹气孔的孔径通常为510mm，各孔中心相距5一10倍孔径；吹气孔一般排列在鼓泡管的下方和侧面；全部吹气孔的总截面积约为鼓泡管截面积的1.251.5倍。1.6.4冷凝器冷凝器的任务是冷凝离开塔顶的蒸气，以便为分离提供足够的回流。部分冷凝的优点是未凝的产品富集了轻组分，冷凝器为分离提供了一块理论板。当全凝时，部分冷凝液作为回流返回，冷凝器没有分离作用。在小型精馏塔中，冷凝器可采用蛇管式；对大型设备一般采用列管式。为了提高冷却介质的流速，使其传热系数提高，一般安排冷却介质在管内流动，蒸气在管外冷凝。对于小型精馏塔，冷凝器一般安装在塔顶，冷凝液靠重力作用回流入塔。冷凝器距塔顶回流口的高度，可根据管道阻力损失进行估算。工业上常用的几种回