第3章 塔设备2012定稿-板式塔

1、Chapter 3 Mass Transfer Equipments气液传质设备基本功能：形成气形成气液两相充分接触的相界面液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及气、液两相能及时分开，互不夹带时分开，互不夹带等。1、气、液两相充、气、液两相充分接触，相际传热、分接触，相际传热、传质面积大。传质面积大。2、生产能力大，即气、生产能力大，即气、液处理量大。液处理量大。3、操作稳定，、操作稳定，操作弹性大。操作弹性大。4、流体流动阻、流体流动阻力小。力小。5、结构简单，材料、结构简单，材料耗量小，制造、操作、耗量小，制造、操作、维修方便。维修方便。6、

2、耐腐蚀，不易堵、耐腐蚀，不易堵塞塞。对塔设备的基本要求对塔设备的基本要求:塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：(1) 通量通量生产能力生产能力 即为单位时间单位塔截面上的处理量；(2) 分离效率分离效率单位塔压降得分离效果单位塔压降得分离效果 塔板效率、等板高度； (3) 适应能力适应能力操作弹性操作弹性 在负荷波动时维持操作稳定且保持高效率的能力，常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；(4) 动力能耗压强降压强降 通过每层塔板或单位高度填料压强降；(5) 结构繁简及制造成本。气液传质设备的分类：连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类加压塔、常压塔、减压塔加压塔、

3、常压塔、减压塔 精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔等反应塔等 框架塔、自支承式塔框架塔、自支承式塔 填料塔、板式塔填料塔、板式塔按压力按压力按单元操作按单元操作按支承方式按支承方式按塔内件结构按塔内件结构风载荷、地震载荷筛板（筛板（Sieve Trays）浮阀塔板（浮阀塔板（Valve Trays）泡罩塔板泡罩塔板Bubble Cap Trays在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变

4、化。级式接触：气、液两相逐级接触传质级式接触：气、液两相逐级接触传质板式塔板式塔连续接触连续接触( (也称微分接触也称微分接触) )：气、液两相的浓度呈连续变化。：气、液两相的浓度呈连续变化。在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。 填料塔填料塔填料塔和板式塔的主要对比填料塔和板式塔的主要对比塔径在塔径在0.60.7米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔也开始采用各种新型填料作为随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔也开始采用各

5、种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。传质构件，显示了明显的优越性。Comparison: Equipment机械设计机械设计-选择材料；计算塔体壁厚裙座壁厚；计算地脚螺栓直径及数量等；工艺设计工艺设计-计算理论塔板数； 选择塔板效率并确定实际塔板数； 选取板间距并初步确定塔高；计算塔径（或空塔气速）；进行流体力学验算； 结构设计结构设计-确定塔体结构；塔盘结构； 溢流装置；紧固件及支持件； 进出口接管结构；裙座及其它附件； 塔设备的设计内容塔设备的设计内容塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。液相降液管堰气相溢流塔板溢流塔板 (错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管 (溢流管)，流

6、体与气体呈错流或并流流动。液体流向与液层高度可通过降液管的位置及堰的高度控制，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。 溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。逆流塔板逆流塔板（穿流式塔板）：塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。液相气相泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）在工业

7、上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下，形成两相混合的鼓泡区。组成：升气管和泡罩组成：升气管和泡罩泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。 圆形泡罩条形泡罩泡罩塔演示泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）Fractional Distillation Of Crude Oilhttp:/www.green-planet-s

8、olar- Sieve Tray ）筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。1950 年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究，从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率，流体力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。 视频：筛板塔 http:/ http:/ Valve Tray）自1950 年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今仍为应用最广的一种塔板。结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。在塔板上按一定的排列开若干孔，孔

9、的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。 http:/ 90，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。 浮阀塔板（ Valve Tray）JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）结构：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都

10、大大提高。该塔板可作为化工过程中的气液传质、换热设备。特点：结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞。JCV浮阀 （改进型双流喷射浮阀）普通型JCV浮阀与塔板固定方法2400 JCV浮阀塔板1800 JCV浮阀塔板JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）http:/ 以20左右为宜。20=o50R25气相优点：优点：气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。缺点：缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。浮舌塔板为使舌形塔板适应

11、低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。19R20R1683731o20降液管a 斜孔结构b 塔板布置受液区导向孔垂直筛板（Vertical Sieve Tray ）在塔板上开按一定排列的若干大孔(直径100200mm)，孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。垂直筛强化了传质过程；且降低了液沫夹带量，因此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。 液相塔板泡罩气相 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

12、部分。 溢流堰溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。塔板是板式塔的基本构件，决定塔的塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能性能。塔板结构共同特性塔板结构共同特性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，达相平相平衡衡，分离后，继续流动。在有五种接触状态，即：鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状泡沫状态态、喷射状态喷射状态及乳化状态。 A. 泡沫状态泡沫状态将液相拉成液膜展开在气相内，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。B. 喷射状态喷射状态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，

13、两相间传质面为液滴群表面，表面不断更新，是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。 传质的传质的非理想流动非理想流动情况情况：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；后果：后果：使气液接触不充分，板效率降低。板效率降低。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；传质的传质的非理想流动非理想流动情况情况：塔板流速分布实验漏液：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。原因：气速较小；气体在板上

14、不均分布也是漏液重要原因。1. 漏液（漏液（Weeping）漏液演示漏液演示漏液线（气相负荷下限线）VVFu500=VsNduNdV45420020=对 F1 型重阀取阀孔动能因子 F0=5 时的气体负荷为操作的下限值：0Ls (m3/h)Vs (m3/h)1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，此时的气体负荷为最小气体负荷最小气体负荷。2. 液沫夹带和气泡夹带（液沫夹带和气泡夹带（Entrainment）液沫夹带：液沫夹带：气体鼓泡通过板上液层时，将部分液体分散成液滴，而部分液滴被上升气流带入上层塔板。由两部分

15、组成：气泡夹带气泡夹带：液体在降液管中停留时间太短，大量气泡被液体卷进下层塔板。后果：液沫夹带是液体的返混，气泡夹带是气体的返混，均对传质不利。严重时可诱发液泛，完全破坏塔的正常操作。过量液沫夹带线（气相负荷上限线）控制液沫夹带量不大于最大允许值的气体负荷上限。此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷 Ls 也有一定关系，但主要取决于气体负荷。 0Ls (m3/h)Vs (m3/h)12一般要求：夹带一般要求：夹带0.1kg0.1kg液体液体/kg/kg干气体。干气体。3. 液泛（液泛（Dumping of liquid）如果由于某种原因，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破

16、坏塔的正常操作，称此现象为液泛液泛。夹带液泛：夹带液泛：板间距过小，操作液量过大，上升气速过高时，过量液沫夹带量使板间充满气、液混合物而引发的液泛。溢流液泛：溢流液泛：液体在降液管内受阻不能及时往下流动而在板上积累所致。液泛现象演示0Ls (m3/h)Vs (m3/h)123若操作气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛可分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况，所以液泛线与两相流量密切相关。液泛线液相负荷下限线此线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定液相负荷上限线0Ls (m3/h)Vs (m3/h)45由上

17、述 5 条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区正常操作区。01245Ls (m3/h)Vs (m3/h)3OP塔板的负荷性能图1. 漏液线(气相负荷下限线)2. 过量液沫夹带线(气相负荷上限线) 4. 液相负荷下限线 5. 液相负荷上限线 3. 溢流液泛线 012453Ls (m3/h)Vs (m3/h)塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。OP 线（高气液比）：线（高气液比）：上限 a

18、（过量液沫夹带）下限 a（低液层）OPOPOPaabbccOP 线（较高气液比）：线（较高气液比）：上限 b（溢流液泛）下限 b（漏液）OP 线（低气液比）：线（低气液比）：上限 c（气泡夹带）下限 c（漏液）右图表明，因降液管流通面积偏小，使液体负荷成为塔板操作的主要控制因素。液沫夹带线 2 和溢流液泛线 3 将上移，甚至使线 3 落到正常操作范围之外。物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。减小降液管面积，液相上限流量 Ls 下降(线 5 将左移)；012453Ls (m3/h)Vs (m3/h)OPaa523 根据基础数据确

19、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、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。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；1. 实际塔板数实际塔板数实际板数和板间距，塔高塔径D，m1.62.02.02.42.4板距HT ，mm2003003003503

20、50450450600500800600211/ZZHENZTTT=式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，m； Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，m。奥康内尔（奥康内尔（Oconnell）关联方法）关联方法精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L 乘积来表示全塔效率：245. 049. 0=LTE4AD=0.6 0.8fuu =设适宜气速为 u，当体积流量为 Vs 时， A=Vs / u。求 A的关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u 。塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。一般取如何计算uf？uf的计算246223fVpVLpudgd=VVLVVLpfCgdu=34液

21、泛气速：液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。当 uut 时，液滴将被气流带出。对直径为 dp 的液滴 索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式L 、 V 气、液相的密度，kg/m3； 阻力系数； C 气体负荷因子，m/s。C 取决于dp和。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故 C 需由实验确定。/wiki/Souders%E2%80%93Brown_equation史密斯（Smith, R. B）关系曲线HThL：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，hL 为板上清液层高度，若忽略板上液面落差ow

22、wLhhh=常压塔 hL=50100 mm；减压塔 hL=2530 mm。注意：液相表面张力 = 210-2 N/m若实际液相表面张力不同，按下式校正2 . 02020=CC5 . 02 . 02020=VVLfCuu，A鼓泡区：取决于所需孔数与排列；溢流区：与所选溢流装置类型有关。上两区均需根据塔板上的流体力学状况进行专门计算。进口安定区(分布区)：保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。Ws = 50100 mm。出口安定区(脱气区)：避免降液管大量气泡夹带。Ws = 70100 mm。塔板布置rxWsAfDhwAAh0HTAfAaWslwWdWdWc边缘区：塔板支撑件塔板连接

23、。D 2.5 m WC 60 mm。溢流装置溢流装置：由降液管、溢流堰和受液盘组成。降液管：连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、圆形和矩形降液管弓形降液管：有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于800mm的大塔均采用弓形。降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的溢流形式。液体在塔板上的流径越长，气液接触时间就越长，有利于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。D 2.0 m 双溢流式或阶梯流式液体在降液管中的停留时间 为 单溢流弓形降液管结构尺寸的计算降液管的宽度

24、Wd 和截面积 AfsTfLHA=计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值 lw/D。由 lw/D 查图可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已确定，故降液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。为降低气泡夹带， 一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。若计算出的 过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。出口溢流堰与进口溢流堰出口堰：维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。 单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流 lw=(0.50.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板

25、面的高度。堰高 hw 决定了板上液层的高度 hL。owLwhhh=32100084. 2=wsowlLEh对于平堰：弗朗西斯（Francis）公式液流收缩系数 E出口溢流堰与进口溢流堰进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。 降液管底隙高度及受液盘降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也应防止气体进入降液管(不可太大)。对于弓形降液管可按下式计算oLwsulLh=0式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。根

26、据经验一般取 uoL = 0.070.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大时可达 150 mm。降液管底隙高度及受液盘受液盘：承接来自降液管的液体。凹形受液盘：用于大塔（D800mm）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在 50mm 以上。 浮阀的数目与排列 阀孔直径：由浮阀的型号决定。浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算 0204udVNs=VuF00=阀孔气速 u0 可根据由实验结果综合的阀孔动能因子 F0 确定式中：Vs 气体流量，m3/s； u0 阀孔

27、气速，m/s； d0 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0 = 39 mm。根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔板上的浮阀刚全开时，F0 在 912 之间。设计时可在此范围内选择适宜的 F0 后计算 u0 。浮阀的数目与排列 浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。液流方向顺排tt叉排等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。通常将同一横排的阀孔中心距定为 75 mm，而相邻两排间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。浮阀塔板的流体力学校核 目的：判断在设计工作点(任务给定的气、液负荷量)下初步设计出的塔板能否正常操作，塔板压降是否超过允许值等，从而确认塔的工艺

28、尺寸设计结果的可靠性。原因：在计算确定浮阀塔的塔高 Z、塔径 D 及塔板结构尺寸时，有部分设计参数来源于一定范围内的经验数据，如 HT、lw /D、hL 等。气体通过塔板的压强降对塔板的操作性能有着重要影响，通常也是设计任务规定的指标之一。塔板的压降等于干板压降与液层压降之和，即ldfhhh=)(9 .19175. 000液柱muhuuLdoc=)(234. 5200液柱mguhuuLVdoc=国内通用的 F1 型浮阀塔板的 hd 可按如下经验公式计算：阀全开前阀全开后式中：u0 阀孔气速，m/s； uoc 阀恰好全开时的阀孔气速(临界气速)，m/s； V、 L 分别为塔内气体和液体的密度，kg/m3。825. 115 .10Vocu=由上两式可得临界孔速 uoc 的计算式以上三式是由阀重 34g 和阀孔直径 39mm 的重型浮阀测定的数据关联所得。用于其它重量的浮阀时需进行修正。液层阻力 hl 为：如果算出的板压降 hf 值超过规定的允许值，应对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率 或