板式塔设计2007

1、1化工单元过程及设备课程设计指导教师：孙力 匡国柱Tel: 82935992Email: 2设计是一项充满挑战和创造性的工作，每一个成熟技术的使用、新技术的采用、甚至一个参数的选定，都是一次创造。一个成功的设计是设计者知识、智慧和创造的结晶。3化学工程项目建设的过程可行性研究基础设计（初步设计）详细设计(施工设计)开车验收工程预算，可行性工艺包施工图方案设计设备设计4 我们的工作是基础设计中的一部分，只完成一个主要单元过程及设备的设计。 不含公用工程的设计； 不含土建基础的设计。51. 单元过程及设备设计的性质及特点实践性综合性工程观念创造性2、基本原则技术先进性和可靠性经济性安全性可操作性和

2、可控制性清洁生产6第六节第六节 板式塔板式塔78汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式： 全塔：逆流接触 塔板上：错流接触两相流动的推动力：两相流动的推动力： 液体：重力 气体：压力差（塔压降） 6-6-1 板式塔概述板式塔概述 重要的气气-液传质设备液传质设备9设计意图设计意图： 使气、液两相充分接触传质 获得最大传质推动力充分接触充分接触： 接触时间足够长 接触面积足够大，且不断更新10塔板结构：塔板结构：1、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。2、降液管（液体通道）、降液管（液体通道） 多为弓形3、受液盘：、受液盘： 塔板上接受液体的部分114、溢流堰

3、、溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层， 保证两相充分接触。12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 气液接触方式：鼓泡鼓泡，泡沫泡沫和喷射接触状态喷射接触状态 气液传质，达相平衡相平衡，分离后，继续流动a 泡沫状态泡沫状态 由于孔口处鼓泡剧烈，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，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一13b.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

4、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。 14传质的非理想流动情况传质的非理想流动情况： 1、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， 需重新分离，板效率降低，能耗增加板效率降低，能耗增加。15 2、不均匀流动、不均匀流动 液面落差液面落差（水力坡度）： 塔壁作用塔壁作用（阻力）：传质的非理想流动，使传质的非理想流动，使实际塔板效率低于效率低于理论塔板引起塔板上气速气速不均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。1

5、66-6-2 板式塔中气液相异常流动板式塔中气液相异常流动一、液泛一、液泛(淹塔淹塔)液体充满塔板之间的空间，致使塔不能进行正常操作。原因：原因： 1、 过量液沫夹带液泛过量液沫夹带液泛 气速过高液泛气速 2、 降液管液泛降液管液泛 降液管阻力过大引起 根源：再沸器、冷凝器热负荷过大或设计不合理根源：再沸器、冷凝器热负荷过大或设计不合理特征：特征：塔板阻力剧增17过量液沫夹带液泛过量液沫夹带液泛原因：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。注：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速液泛气速 。18降液管液泛降液管液泛塔内气、液两相流

6、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。注：注：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。19 二、严重漏液二、严重漏液 原因：原因：1、气速过小、气速过小 2、液层厚度不均、液层厚度不均漏液量增大，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漏液点气速液点气速 。206-6-3 常用塔板类型常用塔板类型 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。 塔板性能要求：塔板性能要

7、求： 生产能力大， 塔板效率高， 塔板阻力小， 操作弹性大， 结构简单，维修方便，成本低。21常用塔板类型常用塔板类型1、泡罩塔板泡罩塔板 组成：组成： 升气管和泡罩 优点：优点： 塔板效率高，操作弹性大 对物料适应性强，不易堵 缺点：缺点： 生产能力不大，阻力大 结构复杂，成本高。222、筛孔塔板筛孔塔板 塔板上开圆孔 孔径：3 - 8 mm 大孔径筛板：12 - 25 mm 优点：优点： 结构简单，造价低廉233、浮阀塔板浮阀塔板 组成组成： 浮阀 根据气体流量，自动调节开度 优点：优点： 操作弹性大，阻力小； 塔板效率高。 缺点：缺点： 用久后，操作易失常。244、喷射型塔板、喷射型塔板

8、 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 20=R2550三面切口舌片; 拱形舌片;5050mm定向舌片的尺寸和倾角图6-55 舌形塔板气液接触状态：喷射状态气液接触状态：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255、多降液管塔板、多降液管塔板 提高允许液体流量266、林德筛板、林德筛板 用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台斜台：抵消液面落差 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277、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

9、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，塔板阻力小； 但操作弹性小，塔板效率低。ac28第一节第一节 设计方案确定设计方案确定一. 确定精馏流程确定精馏流程（1）流程设计需要考虑的基本问题流程设计需要考虑的基本问题 分离序列的选择 热能的合理应用 能量集成思想 辅助设备 罐、换热器、泵 过程的控制和调节 原料量、回流量、液位等 （2）操作条件选择操作条件选择 操作压力 加压、常压、减压 进料状态 饱和液体饱和液体进料29（3）塔底加热剂及加热方式塔底加热剂及加热方式 常用的加热剂 饱和水蒸气、热水 常用的加热方式 间壁式（4）塔顶

10、冷却剂的选择塔顶冷却剂的选择 常用的冷却剂 冷却水、液氨等 冷却水出口温度的选择30任务书给定条件任务书给定条件： 塔板类型、进料量、进料组成、进料状态、两端产品 组成、回流比、总板效率（1）物料衡算物料衡算(M)L、V、L、V（2）热量衡算热量衡算(H) 再沸器、冷凝器负荷 Q、热剂、冷剂的用量（3）气液平衡方程(E)（4）归一方程（S） MESH第二节第二节 精馏过程的模拟计算精馏过程的模拟计算31已知：塔顶、塔底组成、塔顶压力、回流比为求理论板数需要知道：塔顶、塔底温度，塔内气液相负荷，相对挥发度烃类特点：近似认为理想体系，可按恒摩尔流假设处理如何确定物性 塔设计中物性的确定按塔顶温度、

11、压力条件；注意混合物物性的求取，不能简单加成。例如：混合液体的密度：1/ Lm=(wi/ Li) 其中wi :混合物中组分i的质量分率。气相密度高压下非理想气体，查压缩因子Z 由 Pr=P/Pc, Tr=T/Tc 查 Z V=PM/RTZ32如何获得塔顶、塔底温度、相对挥发度 =KA/KB塔顶：已知总压、组成塔顶温度：试差计算露点利用Antoine方程计算泡点和相对挥发度高压下KA、KB查图 利用-K-图计算相对挥发度见化原教材5页塔底：压力未知 塔底压力=塔顶压力+阻力降工程经验每块塔板压降100mmH2O假设实际板数，确定塔底压力塔底温度：试差计算泡点。之后按塔顶方法计算3322121、逐

12、板计算，得出理论板数 N 再获得实际板数与上面假设比较如果相差较大，需重新迭代最后计算获得实际板数34pTNHZ第三节第三节 板式塔的化工设计计算板式塔的化工设计计算一、塔的有效高度一、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 ：裙座裙座 35塔径塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距塔板间距HT，m0.2-0.30.3-0.35 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

13、板间距和塔径的经验关系 选取塔板间距选取塔板间距 HT ：(计算塔径之后还要迭代） 考虑经济性 、经验选取 HT ，则塔高，液沫夹带量，液泛气速 HT ，则塔内气速，塔径，但塔高36二、塔径二、塔径 原则：原则： 防止过量液沫夹带液泛， 先确定液泛气速液泛气速 uf (m/s) ， 然后选设计气速 u，计算塔径 D。 1、液泛气速：、液泛气速： VVLfCuLVVLvlssLVWWVLF C：气体负荷因子 C = f ( HT , 液体表面张力，两相接触状况） 两相流动参数两相流动参数 FLV： 式中，Vs、Ls：气、液相体积流率 m3 /s WL、WV： 气、液相质量流率 kg /s37横坐

14、标：两相流动参数 FLV纵坐标： 对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)可查图 ，C20=(HT 、FLV)VLVfuC20C20 ： =20mN/m 时的气体负荷因子化原（下）107页费克关连图2 . 02020CC38uVAs选定HT ，计算出 FLV 及 C，可计算液泛气速 ufVVLfCu2、选取设计气速、选取设计气速 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 设计气速设计气速 u = 泛点率泛点率 uf所需气体流通截面积所需气体流通截面积3940TdTAAAA1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

15、降液管面积 Ad 即即： A = AT - Ad塔截面积塔截面积选取选取 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41选取选取 Ad / AT42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重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及流通截面积、实际气速及泛点率泛点率（2）校核）校核HT与与D的范围的范围TAD4计算塔径需圆整，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 选取 Ad / AT ，计算塔径 D 4

16、3初选板间距vlssLVVLFC202 .02020CCCVVLfCuufu = 泛点率泛点率 ufuA选取Ad / ATATD校核校核HT与与D的范围的范围圆整确定实际的气体流通截面积、确定实际的气体流通截面积、实际气速及实际气速及泛点率泛点率符合不符合44三、溢流装置设计三、溢流装置设计 1. 溢流型式的选择溢流型式的选择 依据：依据：塔径 流量 2. 降液管和底隙降液管和底隙 降液管：弓形弓形、圆形 由Ad/AT=0.060.12确定 底隙 hb ：30 - 40 mm 3. 溢流堰溢流堰 维持塔板上一定液层 使液体均匀横向流过45液流型式选取参考表液流型式选取参考表液体流量 m3/h塔

17、径mU型流型 单流型 双流型阶梯流型1.07451.49702.0119090-1603.011110110-200200-3004.011110110-230230-3505.011110110-250250-4006.011110110-250250-45046堰长堰长 lW ：影响液层高度 或： 单流型： 双流型: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：50-80 mm 减压塔：25 mm TdWAAfDlDbfDldW75. 06 . 0 DlW7 . 05 . 0 DlW查书上图（化原查书上图（化原113页），求页），求

18、lW溢流强度溢流强度Lh/lW 100130m3/mh473/231084.2WhowlLEhE：液流收缩系数：液流收缩系数 一般，取 E =1要求：要求：mmhOW6堰上方液头高度堰上方液头高度 hOW ：书上图（化原书上图（化原114页）页）48四、塔板及其分布四、塔板及其分布 受液区和降液区 入口安定区和出口安定区 边缘区： 有效传质区： Aammbbss10050mmbc5049)sin(21222rxrxrxAa)sin( 2)sin( 211221211222rxrxrxrxrxrxAa单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔板：双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：)(2sdb

19、bDxcbDr250五、筛孔的尺寸和排列五、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 ： aoAA20220907. 060sin21421tdtdo5100AVuS20200785.04dAdAna选择孔径选择孔径 d0，确定开孔率确定开孔率 d0 : 3 - 8 mm 12 - 25 mm (大筛孔) t : (2.55) d0取整取整: 0.06 - 0.140.06 - 0.14板厚：碳钢（板厚：碳钢（3-4mm3-4mm）、不锈钢）、不锈钢 筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：判断 td052六、阀孔的尺寸及排列（p.212） 排列：一般为

20、三角形 型式：F1、V-4、 十字架型、A型、 V-O型-F1型： d0=39mm t=75、100、125mm 等腰三角形排列等腰三角形排列（p.215)53常压、减压塔：=10%14% 加压塔： 10%n和的初步确定：选取阀孔动能因子F0=812用下式计算u0等参数22022044DdnDdn0205 . 0004)(udVnFuSV注意：分块式塔板（0.8-0.9m整）先要选d排阀，最后确定u0、判断nuF0054七、塔板的校核七、塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正对初步设计的结果进行调整和修正VvLVvLWeWWeeWevsLsVLvVLWWe111、液沫夹带量校核、液沫夹带量

21、校核 质量夹带率质量夹带率ev ：单位量气体所夹带的液体量：单位量气体所夹带的液体量 kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体 夹带速率夹带速率e：单位时间夹带到上层塔板的液体量，：单位时间夹带到上层塔板的液体量， kg 液体 / h液沫夹带分率液沫夹带分率：每层板夹带的液体占进入该板的：每层板夹带的液体占进入该板的液体的分率。液体的分率。 则： 55 筛板塔： 方法一，查Fair图(教材117页)，可求 方法二，用Hunt公式：2 . 33107 . 5fTvHHue式中式中Hf 为板上泡沫层高度：为板上泡沫层高度：Hf = 2.5 (hW+hoW) 要求要求： ev 0

22、.1 kg 液体 / kg气体重新选 u56浮阀塔： D 0.9m： F1 0.650.75 验证泛点率验证泛点率F1 一般的大塔： F1 0.80.82 负 压 塔： F1 0.750.77FTVLVSFbSVLVSKCAVFKCAZLVF78. 036. 111或Z液体横过塔板流动的行程K物性系数，设计查表5-11，对正常系统 K=1CF泛点负荷因子，查图（设计217页）Ab板上液流面积， Ab=AT-2Ad单流型: Z=D-2bd双流型:Z=(D-2bd-bd)/257取以上计算值的大者取以上计算值的大者 做判断做判断 超过允许值，应调整 塔板间距塔板间距或 塔径塔径 2、塔板阻力的计算

23、和校核、塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：塔板阻力： 清液柱高度清液柱高度 m(液柱液柱) gphLff 塔板阻力塔板阻力 hf : （1）干板阻力）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）气体通过板上孔的阻力（设无液体时） （2） 液层阻力液层阻力 hl 气体通过液层阻力气体通过液层阻力 （3） 克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力孔口处表面张力58（1）干板阻力）干板阻力 ， m(液柱液柱) 筛板：筛板：200,021CuggphLVLof C0 孔流系数，查图孔流系数，查图P118（教材）（教材） 浮阀：先联立以下二式求临界阀孔气速浮阀：先联立以下二式求临界阀孔气速u0,KLLvu：hgu：h/9 .19234. 5175. 000200阀未全开时阀全开 比较：若比较：若u0u0,K，用上式（全开），用上式（全开） 若若u0u0,K，用