板式精馏塔的结构设计

1、板式精馏塔的结构设计精馏过程是借助于塔设备来实现气液相间的质量传递的。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。填料塔的设计已经在第三章中作了详细介绍，本章只介绍板式塔的设计。塔设备除了应满足特定的化工工艺条件（如温度、压力及耐腐蚀等）外，为了适应工业生产的需要还应达到下列要求：生产能力大，即单位塔截面积的处理量大；操作稳定，弹性大，即气液负荷有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并能保持长期连续运转；分离效率高，即气液有充分的接触面积和接触时间，达到规定分离要求的塔高要低；流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，以达到节能和降低操作费用的目的；结构简单，材料耗用量小，制造和

2、安装容易。实际上，任何塔设备要满足上述所有要求是困难的，因此，只能从生产需要及经济合理的要求出发，抓住主要矛盾进行设计。塔板的布置及主要参数在板式塔中，塔内装有一定数量的塔板，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔板上的液层，使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。塔板是气液接触的元件，也是气液分离的场所。塔板上通常划分为鼓泡区，溢流区，安定区和边缘区等4个区域，如图1-所3示。常用板式塔类型及结构板式塔种类多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为筛板塔、舌形塔、穿流多孔塔板、浮动喷射塔等多种。随着石油、化学工业的迅速发展，又开发使用了一些新型塔板，如斜孔塔板、型板、导向筛板

3、、网孔筛板、大孔筛板、浮阀筛板复合塔板、旋流塔板、旋叶塔板、角钢塔板等。目前精馏过程常用的板式塔为浮阀塔、筛板塔和泡罩塔，前两者使用尤为广泛，因此，本节只讨论浮阀塔和筛板塔的设计。1.5.2.1筛板塔的特性筛板塔是最早使用的板式塔之一，它的主要优点有：结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60左%右，为浮阀塔的80左%右；在相同条件下，生产能力比泡罩塔大；塔板效率较高，比泡罩塔高15左%右，但稍低于浮阀塔；气体压力降较小，每板压力降比泡罩塔约低3；左%右。筛板塔的缺点是：小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；操作弹性较小（约）。浮阀塔的特性浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，目前

4、已成为国内应用最广泛的塔型。大型浮阀塔的塔径可达；塔高达3塔板数多达数百块。其主要优点为：在相同的条件下，生产能力与筛板塔接近；塔板效率比泡罩塔高左右；操作弹性大，一般为59；气体压力降小，在常压塔中每块板的压力降一般为6液面落差小；不易积垢堵塞，操作周期长；结构比较简单，安装容易，制造费用仅为泡罩塔的6；%8；（%但为筛板塔的12；13）；。%浮阀的形式有多种，国内最常用的是型浮阀，已确定为部颁标准（）其结构如图所示，图中符号代表的尺寸见表-表型浮阀基本参数序号型式代号阀片厚度0阀重适用于塔板厚度型浮阀分轻阀(代表符号)和重阀(代表符号)两种。一般重阀应用较多，轻阀泄漏量较大，只有在要求塔板

5、压降小的时候(如减压蒸馏)才采用虽然浮阀塔具有很多优点，但在处理粘稠度较大的物料方面不及泡罩塔；在结构、生产能力、塔板效率、压力降等方面不及筛板塔。1.5.2.3整块式和分块式塔板从装配特点来分，塔板有整块式和分块式两种。当塔径小于900mm时采用整块式塔板；当塔径大于800mm时，由于人能在塔内进行装拆，可采用分块式塔板；塔径为800900mm时，可根据制造和安装的具体情况任意选用上述两种结构。整块式塔板整块式塔板分为定距管式和重叠式两类。定距管式塔板结构如图1-5所示，一个塔节中安装若干塔板，用拉杆和定距管将塔板紧固在塔节内的支座上。定距管起着支承塔板和保持塔板间距的作用。塔板与塔壁间的缝

6、隙，以软填料密封后，用压块及压圈压紧。塔节的长度取决于塔径和板间距。当塔径为300500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度以8001000mm为宜；塔径为500800mm时，人勉强可以进入塔内安装，塔节不宜超过20002500mm；塔径大于800mm时，由于受拉杆长度的限制，为避免发生安装困难，塔节长度不宜超过25003000mm。重叠式塔板是在每一塔节下面焊一组支乘，底层塔板安置在支承上，然后依次装入上一层塔板，板间距由焊在塔板下的支柱保证，并用调节螺丝调节水平。塔板与塔壁间隙的密封形式与定距管式塔板相同。整块式塔板的结构有两种，一种是角焊结构，一种是翻边结构。角焊结构如图1-6中的(a)、

7、(b)所示，此结构是将塔板圈角焊在塔板上。这种结构的塔板制造方便，但要采取措施，以减少因焊接变形而引起的不平。翻边结构如图1-6中的(c)、(d)所示，此结构是塔板圈直接由塔板翻边而成，当直边较短或制造条件许可时，可整体冲压图1-6(c)；否则可另作一个塔板圈与塔板对接图1-6(d)。塔板圈的高度一般可取70mm,但不得低于溢流堰的高度。塔板圈外缘与塔体内壁的间隙一般为1012mm。填料支承圈用810mm的圆钢弯成，其焊接位置随填料圈数而定，一般为3040mm。分块式塔板在直径较大的板式塔中，为了便于安装和检修，可将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔板支承件上。分块式塔板的塔

8、身为焊制整体圆筒，不分塔节。在分块式塔板中，根据塔径的不同，又有单流塔板和双流塔板之分，本章主要介绍单流塔板。图1-7为单流分块式塔板装置图。为了便于了解塔板结构，在主视图上，上层画有塔板，下层未画塔板，只画出塔板固定件。俯视图上作了局部拆卸剖视，把后右四分之一的塔板拆掉了，以便显露出塔板下面的塔板固定件。塔板分成数块，靠近塔壁的两块是弓形板，其余是矩形板。塔板块数的划分与塔径大小有关，一般按表1-2选取。不论塔板分为多少块，为了在塔内进行清洗和检修时便于人能进入各层塔板，应在塔板接近中央处设置一块通道板。表1-2塔板块数的划分塔径/mm8001200140016001800200022002

9、400塔板块数3466塔板安放在焊接的塔壁上的支承圈上。支承圈大多用扁钢煨制或将钢板切成圆弧焊成，有时也可用角钢煨制而成。塔板与支承圈的连接一般用卡子，卡子由上下卡(包括卡板和螺栓)、椭圆垫片及螺母等零件组成，其典型结构如图1-8所示，这种结构都是上可拆的。上述塔板连接的紧固构件加工量大，装拆麻烦，且螺栓需用耐腐蚀材料。而楔形紧固件的结构简单，装拆方便，不用特殊材料，故成本低。其结构如图1-9所示，图中龙门板不用焊接的结构，有时也可将龙门板直接焊接在塔板上。分块式塔板间的连接，根据人孔位置及检修的要求，分为上可拆连接和上下均可拆连接两种。常用的紧固件是螺栓和椭圆垫板。上下均可拆连接结构如图1-

10、10所示，从上或下松开螺母并将椭圆垫板转到虚线位置后，塔板就可自由取开。上可拆连接结构如图1-11所示。1.5.3塔板结构参数的确定1.5.3.1板间距塔板间距不仅影响塔高，而且影响塔的生产能力、操作弹性和板效率。板间距取大些，能允许较大的空塔气速，对一定的生产任务，塔径可小些，但塔高要增加；反之，塔径大些，塔高则可小些。气液负荷和塔径一定，增加板间距可减少雾沫夹带并提高操作弹性，但塔高的增加，会增加金属消耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而增加全塔的造价。板间距与塔径之间的关系，应通过流体力学验算，权衡经济效益，反复调整，作出最佳选择。表1-3所列的推荐值供初选板间距时参考。表1-3板间距与塔

11、径的关系塔径D/mm300500500800800160016002400板间距HT/mm200300250350300450350600在决定板间距时，还应考虑安装、检修的需要。在塔体开人孔处，必须保证有足够的工作空间，该处的板间距不能小于600mm。1.5.3.2塔径塔径的计算方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速，求出塔径；另一类是先确定适宜的孔速，定出每块塔板上所需孔数，进行孔的排列后得到塔径。现仅介绍前一类方法。后一类方法可参考文献。依据流量公式可计算塔径，即：4VD=u(1-19)式中：D塔径，m；V气相流量，m3/s；u适宜空塔气速，m/s。计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速。一

12、般适宜的空塔气速为最大允许气速的0.60.8倍，即：u=(0.60.8)u(1-20)maxLVPV(1-21)u=CLVPV(1-21)max式中：u最大允许气速，m/s；maxc负荷系数，m/s；pV、pL一气、液相密度，kg/m3。影响负荷系数值的因素较多，也很复杂，对于筛板塔和浮阀塔可用图1-12来确定。图1-12是按液体表面张力O=20mN/m的物系绘制的，若所处理物系的表面张力为其它值，则需按式(1-22)校正查出的负荷系数，即：O,0.2C=C2020丿(1-22)式中C20由图1-12查出的物系表面张力为20mN/m的负荷系数，m/s；O操作物系的液体表面张力，mN/m；C操作

13、物系的负荷系数，m/s。为了便于在计算机上进行运算，图1-12可用下述回归式表示C=exp(-4.531+1.6562H+5.5496H26.4695H3)+20(0.474675+0.079H1.39H2+1.3213H3)lnLv+(1-23)(0.07291-0.08830H0.4912H2+0.4319H3)(lriLv)2式中H板间无液空间，H=HT-hL，m；Ht板间距，m；hL清液层的高度，m；0.5参数，V气相流量，m3/s；L液相流量，m3/s；pV、PL一气、液相密度，kg/m3。应当指出，如此算出的塔径只是初估值，除需根据塔径标准予以圆整外，还要根据流体力学原则进行核算。

14、为简便起见，可先验算雾沫夹带量ev，有必要时在此先对塔径进行调整。v当液量较大时，宜先用式(1-24)检查液体在降液管中的停留时间T，如不符合要求且难以加大板间距ht时，也可在此先作塔径的调整。当精馏塔的精馏段和提馏段上升气量差别较大时，两段的塔径应分别计算。精馏段按塔顶第一块板上的物料的有关物理参数计算，提馏段按塔釜中物料的有关物理参数计算。1.5.3.3板上流体流程有降液管的板式塔，降液管的布置，规定了板上液体的流动途径。一般有如图1-13所示几种液流形式。单流型。是最简单和最常用的，但当塔径和流量过大时，易造成气液分布不均匀，影响效率。折流型(U形)。只在小塔和气液比很小时才采用。双流型

15、。当塔的直径较大，或液相的负荷较大时，易采用双流型。其他流型。当塔径及液量均特别大，双流型也不适合，可以采用四流型或阶梯流型。初选塔板液流型时，根据塔径和液相负荷的大小，参考表1-4预选塔板流动形式。表1-4板上液流形式与液流负荷的关系塔径/mm液体流量/(m3/h)U形流型单流型双流型阶梯流型6005以下5259007以下75010007以下45以下12009以下97014009以下70以下150010以下1180200011以下111101101602400111101101803000110以下1102002003001.5.3.4溢流装置塔板上溢流装置包括降液管、溢流堰和受液盘等部件。

16、降液管降液管是塔板间液体流动的通道，也是溢流液中夹带的气体得以分离的场所。从形状上来看，降液管可分为弓形降液管和圆形降液管。弓形降液管，堰与壁之间的全部截面区域均作为降液空间，适用于直径较大的塔中，塔板面积利用率最高，但塔径小时制作焊接不便。圆形降液管对于小塔制作较易，但降液管流通截面较小，没有足够空间分离溢流中的气泡，气相夹带严重，不适用于流量大及易起泡的物料。降液管的设计，一般应遵守下列原则。降液管中的液体线速度，宜小于0.1m/s；降液管的容积与液相流量之比，有时亦称为液体在降液管中的停留时间，一般应大于5s，个别情况下，可小至3s，停留时间计算式为AHT=_TL(1-24)式中T停留时

17、间，s；Af降液管截面积，m2；Hf板间距，m；L液相流量，m3/s。停留时间是板式塔设计中的重要指标之一，停留时间太短，容易造成板间的液体夹带，气相返混，降低效率，还增加淹塔的机会。降液管底部与下一块塔板间的间隙ho应尽可能比外堰高hw小6mm以上，液相通过此间隙时的流速一般不大于降液管内的线速度，如果必须超出时，最大间隙流速亦应小于0.4m/s。此外，h0一般不宜小于25mm,以避免锈屑和其它杂质堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。溢流堰外堰外堰又成为出口堰，其作用是维持板上有一定液层，并使液流均匀。除个别情况(如塔径很小的塔)夕卜，均应设置溢流堰。对单流型塔板，一般堰长lw与塔径D

18、的比lw/D为0.60.8；对于双流型,l/D为0.50.7。根据经验，对于筛板塔和浮阀塔，最大的堰上液流量不宜超过100130m3/h，也可按此原则确定堰长。外堰的高度与塔板形式和板上的液层高度有关。对于筛板和浮阀塔板，外堰高hw可按下列要求来确定。I一般应使塔板上的清液层高度hL=50100mm,而清液层高度hL为外堰高hw与堰上液流高度how之和，因此有50心切冬100心(1-25)式中how堰上液流高度，mm；hw夕卜堰高，mm。II对于真空度较高的操作，或对于要求压力降很小的情况，可将清液层高度hL降至25mm以下，此时外堰高h可降至615mm。wIII当液量很大时，只要堰上液流高度

19、how大于能起液封作用的液层高度，甚至可以不设堰板。堰板上缘各点的水平偏差一般不宜超过3mm。当液量过小时，可采用齿形堰。受液盘及内堰受液盘有平形(如图1-14所示)和凹形(如图1-15所示)两种形式。平行受液盘根据降液管底部的结构和有无入口堰又有不同形式，如图1-14(a)直形降液管，图1-14(b)和图1-14(c)为降液管的底部为收缩形，而1-14(b)无入口堰，图1-14(c)则有图1-15凹型受液盘1塔壁；2降液板；3塔盘板4受液盘；5筋板入口堰。对于容易聚合的液体或含固体悬浮物的液体，为了避免形成死角，宜采用平形受液盘。对于800以上的大塔，一般常采用凹形受液盘。这种受液盘有如下的

20、优点：便于液体的侧线抽出;在液相流量较低时仍可形成良好的液封;对改变液体流向具有缓冲作用。凹形受液盘的深度一般在50mm以上，但不能超过板间距的1/3。若采用平形受液盘，为了使降液管中流出的液体能在板上均匀分布，并减少入口处液体的水平冲击，以及保证降液管的液封，可设置内堰（又称入口堰）。内堰的高度hw可按下述原则考虑：当hwh0时，hw=68mm,必要时可取h，w=h0。个别情况下，如果hwVh0，应使h，wh0，以保证液封作用。应使h1三h0，以保证液流畅通。安定去与边缘区的安排安定区在塔板上的鼓泡区（其面积以Ap表示）与堰之间，需有一个不开孔区，称为安定区。其作用是避免大量的含泡沫液相进入

21、降液管，一般情况下，安定区可取为：外堰前的安定区：Ws=70100mm。内堰后的安定区：W，=50100mm。Jj在小塔中的安定区根据情况可适当缩小。边缘区板面靠近塔壁部分，需留出一圈边缘区Wc供支持塔板的边梁使用。对于塔径在2.5m以下的塔，Wc可取为50mm；塔径大于2.5m的塔，Wc取为60mm或更大些。为了防止液体经无效区流过而产生“短路”现象，可在边缘区设置挡板。筛板塔筛孔直径及排列筛孔孔径工业塔中筛板常用的孔径d0为38mm,推荐孔径为45mm。过小的孔径只在特殊要求时才使用。采用小孔径时，应注意小孔径容易堵塞，或由于加工误差而影响开孔率，或有时宜形成过甚的泡沫等问题。近十年来有逐

22、渐采用大孔径（d0为1025mm）的筛板的趋势,因为大孔径塔板加工简单，不易堵塞，只要设计合理，同样可以得到满意的塔板效率。但一般来说，大孔径塔板操作弹性会小一些。筛孔排列筛孔一般按三角形排列，孔中心距t一般为（2.55）d0。实际设计时，t/d0应尽可能在34的范围内，t/d0过小，易使气流互相干扰，过大则鼓泡不匀，都会影响传质的效率。开孔面积A0与鼓泡区面积Ap的比为开孔率。筛孔按正三角形排列时，开孔率与t/d0有如下的关系(1-26)A。0.907AQ/d)2P0式中A0开孔面积，m2；AP鼓泡区面积，m2；t孔中心距，m；d0筛孔直径，m。对于单流型塔板，鼓泡区面积Ap用下式计算1-2

23、7)A，2Xr2一x2r2sin-1(x/r1-27)Px，D/2x，D/2(WW)dSm;r，D/2WC，m;式中Ap鼓泡区面积；m2；Wd弓形宽度，m；WS安定区；m；WC边缘区，m。1-1- )阀全开后1-38)1-39)1-40)阀全开后1-38)1-39)1-40)1-41)1-42)1-43)h=hhtdl干板压降hdd对于筛板u=0.051-0-IC0丿式中hd干板压降，m液柱；式中u0筛孑L气速，m/s；C0流量系数，其求取的方法很多，这里推荐用1-20来求取。对于F1型重阀的浮阀塔板:阀全开前u0.175h=19.90d,Lu2ph=5.34r旷d2g,L板上液层的有效阻力h

24、1对于筛板h=卩(hh)1wow式中h1板上液层的有效阻力，m液柱；hw夕卜堰高，m；how堰上液流高度，m；0充气系数，由图1-21查取，对于浮阀塔板；取0=0.5。图中横坐标F0为气相动能因子：VF=P0AvP式中F0气相动能因子，kg/(m)；V气相流量，m3/s；AP鼓泡区面积，m2；pv气相密度，kg/m3。1.5.4.3降液管内液面高度Hd降液管内液面高度Hd代表液体通过一层塔板时所需的液位高度，可用下式计算Hd=hw+how+ht+hd(1-44)式中Hd降液管内液面高度，m；hw夕卜堰高度，m；how堰上液流高度，m；卜出口堰之间的液面梯度，m；ht气体通过一块塔板的压降，m液

25、柱；hd液体通过降液管的压降，m液柱。对于筛板和浮阀塔板，一般液面梯度都很小，可以忽略。hd可按下列经验公式计算=0.153lhW0式中hd液体经过降液管的压降，m液柱;L液相流量，m3/s；式中1-501-50)H0降液管底部离塔板的距离，m；lw堰长，m。为了防止由降液管引起的液泛现象，应满足下式HdW（Ht+hw）（1-46）式中Ht板间距，m；泡沫层的相对密度，对于容易起泡的物系，=0.30.4；对于不易起泡的物系，=0.60.7；对于一般物系，=0.5。1.5.4.4漏液点气速u0M当气相负荷减小或塔板上开孔率增大，通过筛板或阀孔的气速不足以克服液层阻力时，部分液体会从筛孔或阀孔中直

26、接落下，该现象称为漏液。漏液导致板效率下降，严重时将使塔板上不能积液而无法操作。漏液点气速指的是漏液现象明显影响板效率时的气速。对于筛板塔，漏液点气速u0M可用下式计算(0.0056+0.13h-h)pu(0.0056+0.13h-h)pu4.4Cll0M0pV当hV30mm，或dV3mm时，u采取下式计算L00M(0.051+0.05h)pLL1-47)u4.4C0M0V1-48)式中U0m漏液点气速，m/s；C0流量系数，由图1-20查取；hL板上清液层高度，m；h。克服表面张力的阻力，h。=40/d0pLg，m液柱；pv、pL气、液相密度，kg/m3；0液相的表面张力，N/m；d0筛孔直

27、径，m。为保证所设计的筛板具有足够的操作弹性，通常要求设计孔速u0与u0的稳定系数）不小于1.52.0对于浮阀塔板，泄漏是随阀重的增加、孔速的增大、开度的减小及板上液层高度的降低而减小，其中以阀重的影响较大限，此时漏液点由下式计算0M之比k（称为筛板对于F1型重阀，可取阀孔动能因子F0=56作为负荷下1-501-50)1-501-50)OMOM1-49)式中u0M漏液点气速m/s；F0阀孔动能因子。1.5.4.5雾沫夹带量eV雾沫夹带是指下层塔板产生的雾滴被上升的气流带到上层塔板的现象。雾沫夹带将导致塔板效率下降。综合考虑生产能力和板效率，应该控制雾沫夹带量eVV0.1kg液/kg气。筛板塔的

28、雾沫夹带量筛板塔的雾沫夹带量可用哈特（Hunt）的关联式计算：TOC o 1-5 h z5.7106ue（G）3.2VQH2.5hTL式中eV雾沫夹带量，kg液/kg气；0液体的表面张力；N/m；Ht板间距；m；hL板上清液层高度，m；uG液层上部的气体速度，对于单流型塔板：uG=V/ATAf，m/s；V气体流量，m3/s；At塔截面积，m2；Af降液管截面积，m2。式(1-50)只适用于uG/(Ht-2.5hL)V12的情况。浮阀塔板的雾沫夹带量目前多采用验算泛点率的概念，作为间接判断雾沫夹带量的方法。泛点率的意义是指设计负荷与泛点负荷之比，是一种统计的关联值，是广义的指塔内液面的泛滥而导致

29、的效率剧降之点。泛点率由下列两式求出，采用计算结果中较大的数值。P100VV136LZP-PLVAKC1-51)1-51)P100VP-PLV0.78ATKCF(1-52)TF式中F泛点率，%；V、L气、液相流量，m3/s；pV、pL气、液相密度，kg/m3；Z液相流程长度，对于单流型塔板，Z=D=2Wd，m；D塔径，m；Wd弓形宽度，m；AP板上液流鼓泡区面积，AP=At-2Afm2；At塔截面积，m2；Af弓形降液管截面积，m2；K物性系数，其值见表1-5；CF泛点负荷因数，由图1-22查得。表1-5物性系数系统无泡沫氟化物中等起泡沫重度起泡沫严重起泡沫形成稳定泡沫K值10.90.850.730.600.30为了控制雾沫夹带量eV0.1，泛点率F必须在下列范围内：对于一般的大塔FV80%；对于负压操作的塔FV75%；对于直径小于900的塔FV65%。1.5.5负荷性能图对于每个塔板结构参数