第九节板式塔

第九节板式塔第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22板式塔结构吊柱除沫器进料管人孔壳体气体进口裙座气体出口回流管塔板出料管第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22一、塔板的类型1、塔板的功能为混合物的气、液两相提供多级、充分、有效的接触与及时、完全分离的条件。

9.9.1塔板的类型及性能评价第九节板式塔2、塔板的类型按汽液两相在塔板上的接触方式分错流式逆流式（穿流式）

按塔板的结构形式分泡罩塔板筛孔塔板浮阀塔板喷射塔板第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22液相降液管堰气相错流式液相气相逆流式第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22错流式塔板全塔：逆流接触塔板上：错流接触

错流式塔板按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。进料回流液塔顶气相塔底液相第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22几种工业常用塔板（1）泡罩塔板

主要元件是升气管和泡罩优点：操作稳定，弹性大缺点：结构复杂，塔板压降大，生产强度低。第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22（2）筛孔塔板优点：结构简单，造价低；气体压降小，液面落差小；生产能力及板效率比泡罩塔高。缺点：操作弹性小，筛孔小时易堵塞。

筛孔塔板出现较早（1830年），是结构最简单的一种板型。1950年后逐渐成为应用最广的塔板类型之一。第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22（3）浮阀塔板国内应用最广泛的板型，主要元件是阀片。阀片三条腿底脚外翻90°，阀片周边有三块略向下弯的定距片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率。缺点：浮阀易脱落或损坏，且不宜处理易结焦或黏度大的物系。（4）喷射型塔板按一定排列的舌形孔，舌片张角约20°左右为宜。50气相第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22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；液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。缺点：操作弹性小；液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。

（5）浮舌塔板第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22（6）斜孔塔板优点：气液高度湍动，板上可维持均匀的低液面。第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

提高传质速率是对塔设备性能的基本要求。为此，应保证分散相的良好分散、两相的适当湍动和最大可能地接近逆流流动，以期获得大的传质面积、增大传质系数、提高传质推动力。塔板的性能受诸多因素的影响，其中包括塔板类型、塔板的结构尺寸、被处理物料的性质、操作状况等。塔板的性能评价指标有以下几个方面：

①单位塔截面上气、液两相通量；②塔板效率；③压力降；④对生产负荷和物料的适应性（操作弹性)、制造的难易和成本。二、塔板的性能评价

第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22塔板类型

相对生产能力

相对板效率

操作弹性

压强降

结构成本

泡罩板

1.0

1.0

中

高

复杂

1.0

筛板

1.2～1.4

1.1

低

低

简单

0.4～0.5

浮阀板

1.2～1.3

1.1～1.2

大

中

一般

0.7～0.8

舌型塔板

1.3～1.5

1.1

小

低

最简单

0.5~0.6

斜孔板

1.5～1.8

1.1

中

低

简单

0.5

常见塔板性能比较第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22分离要求较低的闪蒸塔

各种塔板的优点及适用范围

优点

缺点

适用范围塔板类型

泡罩板

较成熟、操作范围宽。

结构复杂，阻力大，生产能力低。

某些要求弹性好的特殊塔

浮阀板

效率高、操作范围宽。

采用不锈钢、浮阀易脱落。

分离要求高,负荷变化大;原油常压分馏塔。

筛板

效率较高、成本低。

安装要求水平,易堵,操作范围窄。

分离要求高,塔板较多;如丙烯塔。

舌型板

结构简单、生产能力大。

操作范围窄、效率较低。

斜孔板

生产能力大、效率高。

操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄

分离要求高、生产能力大。

第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/229.9.2塔板的基本结构和结构参数基本结构有整块式和分块式一、塔板的结构参数溢流堰降液管Af受液盘Af'鼓泡区Aa无效区WC溢流堰前安定区Ws进口堰后安定区Ws'第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

①鼓泡区(开孔区）—有效传质区。气体通道所在区域，对塔板性能影响很大。面积：Aa

，鼓泡区半径R。②溢流区—降液管：Af

、受液盘：Af’，相等。③安定区（破沫区）。④：无效区（边缘区）。塔板结构参数的系列化标准—附录三。塔板结构参数还有板间距、塔截面积等。第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22二、溢流装置由降液管、溢流堰和受液盘组成。降液管作用：板间液体的通道，也是分离溢流时所夹带气体的场所。降液管分类：弓形、圆形降液管（D≤1m）。1、降液管溢流方式

U形流、单溢流、双溢流和阶梯式双溢流。第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22溢流方式的选择：和液体负荷、塔径有关，见表9—4。（b)单流型(c)双流型(d)多流型(e)阶梯流型第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/222、溢流堰（出口堰）溢流堰作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。溢流堰形式：平直堰、三角形齿堰及栅栏堰。

平流堰三角形齿堰栅栏堰第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22WcWdWs

lWRx3、溢流装置的结构参数第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22三、塔高和塔径的计算

1：塔有效高度计算塔体高度：有效高度+顶部高度+底部高度+其它①：塔体有效高度的计算ET：塔的总板效率，又称全塔效率。②

：塔板效率a

：总板效率第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

奥康内尔关联法：将总板效率对液相粘度与相对挥发度的乘积进行关联。

与L取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，取关键组分的

。液相的平均粘度L

可按下式计算

总板效率的影响因素：物系性质：；操作条件：T、P、u、气液比等；塔板结构：塔板类型、塔径、板间距、堰高、开孔率等。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22吸收塔关联图中横坐标HP/L：H

—塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，kmol/(m3kPa

）；P—操作压强，kPa；全塔效率关联图吸收塔老式板式塔ET第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22b、

塔的单板效率(默弗里板效率）气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板的理论组成变化的比值。

气相单板效率EMV液相单板效率EMLc、点效率E0（塔板上各点的局部效率）第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22以气相为例EO=EM。只有当板上各点液相组成完全相同时，才有第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22③：板间距

HT的确定HT的选取受诸多因素的影响，如塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等。设计时通常根据塔径大小取经验值。塔板间距和塔径的经验关系2：塔径D计算原则：防止过量液沫夹带、液泛。步骤：先确定泛点气速uf(m/s)；然后选设计气速

u；

计算塔径，并圆整、校核。第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22①：最大气速uf

C：负荷因子，与HT

、液体表面张力σ和两相接触状况有关。

对于液体表面张力σ=20mN/m的物系，其负荷因子可通过下页的史密斯关联图查取。

若物系的液体表面张力σ为其他值，按下式校正其负荷因子第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/220.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05筛板塔泛点关联图两相流动参数FLV：（取体积流量）第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22②：选取设计气速

u选取泛点率：u/uf；一般液体，0.6-0.8；易起泡液体，0.5-0.6设计气速

u=泛点率×uf③

：计算塔径D计算气体流通截面积A，（液层上部的空间）ADAf第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22常用的标准塔径为600、700、800、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、…、4200.以上算出的塔径只是初估值，还要根据流体力学原则进行核算。另外，由于进料热状况及操作条件的不同，两段塔径相差较大时，可设计成变径塔。若相差不大时，为使塔的结构简化，宜取相等的塔径，取二者中较大者。第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22四、板式塔的流体力学性能和操作特性

①

塔板上气液两相的接触状态研究发现，当液相流量一定时，随着气速的提高，塔板上可能出现四种不同的接触状态：鼓泡状、蜂窝状、泡沫状、喷射状。塔板上气液两相的接触状态是决定两相流体力学、传热、及传质特性的主要因素。板式塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。1：板式塔的流体力学性能第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

ⅰ鼓泡接触状态气速较低时，气体以分散的气泡形式通过塔板上的液层，两相接触面积为气泡表面。此时板上有大量的清液层，通过液层的气泡数量少，气液接触面积小，两相湍动程度不强，传质效率低，阻力大。气相为分散相，液相为连续相。ii蜂窝状态随气速增加，气泡数量增加，当气泡形成的速度大于浮升速度时，气泡在液层中积累，气泡间碰撞，形成大气泡，清液层基本消失，而以气体为主。由于气泡不易破碎，表面得不到更新，故不利于传热、传质。第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

iii泡沫接触状态随气速进一步增大，气泡数量急剧增加，气泡间不断碰撞、破碎，塔板上液体大部分形成液膜，存在于气泡之间，但塔板表面还存在一层很薄的清液层。此时气、液两相湍动较为强烈，气泡和液膜表面由于不断的合并与破碎而更新，传质表面为面积很大的液膜，故传质效率高。气相为分散相，液相仍为连续相。iv喷射接触状态当气速增大到一定程度时，由于气相动能很大，气流以喷射状态穿过板上液层，将液体分散成许多大小不等的液滴，并随气流抛向塔板上方，然后，由于重力作用，液滴落下，又形成很薄的液膜，再与喷射气流接触，破碎成液滴抛出。在此状态下，液滴数量多且不断更新。气相为连续相，液相为分散相。传质面积大，效率高。第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22塔板上的气液接触状态第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

泡沫接触状态和喷射接触状态是优良的接触状态；但一般控制在泡沫接触状态，或介于泡沫状态与喷射状态的过度状态。②

塔板压力降气体进、出一块塔板（包括液层）的压强降即为气体通过该塔板的阻力损失。塔板压强降hf包括以下几部分:干板阻力h0—无液体时气体通过板孔的阻力；液层阻力—气体通过液层阻力；克服液体表面张力的阻力hσ—孔口处表面张力。第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22塔板压力降hf＝h0＋h1+hσ

；应低于允许值。③液面落差：液体进入板面到离开板面的液位差。若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。

是为克服液体与板面及板上部件的摩擦阻力。其大小与塔板结构、塔经、液量有关。塔板结构越复杂、塔经越大、液量越大，液面落差就越大。后果：气体分布不均匀，从而造成漏液，使塔板效率下降。所以应尽量减小液面落差。第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/222：板式塔的操作特性（1）塔板上理想流动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。气液两相充分接触传质。（2）塔板上的异常操作情况

①返混停留时间不同的流体质点间的混合。使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22原因：气速过小和液面落差造成的气流分布不均。后果：塔板上不能形成液层，塔板将失去其基本功能。漏液量达10%的气流速度为漏液气速——气速下限。②漏液

第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22③液泛：塔内若气液两相之一的流量增大，使降液管内的液体不能顺利流下，板上液层必然积累，两板间液体相连，并依次上升，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛，也称为淹塔。根据形成原因不同，分为降液管液泛和夹带液泛。A:降液管液泛当塔液相流量过大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，并逐渐充满塔板空间，即发生液泛。第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

B：夹带液泛当气速过大，大量的液沫夹带到上层塔板，塔内充满大量气液混合物，最后使塔内充满液体。

④雾沫夹带气体通过板上液层时，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的现象。

雾沫的生成固然可以增大传质面积，但过量雾沫夹带会造成液相在塔板间的返混，严重时会造成雾沫夹带液泛。从而造成塔板效率严重下降。为保证板式塔能保持正常的操作效果，规定雾沫夹带量eV＜0.1kg(液)/kg(气)——该气流速度为气速上限。第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

影响雾沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和板间距。空塔气速增高，雾沫夹带量增大，板间距增大，雾沫夹带量减小。第四十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22影响塔板操作状况和分离效果的主要因素为物料性质、塔板结构及气液负荷。对一定物系，当设计选定塔板类型后，其操作状况及分离效果只与气液负荷有关。要维持塔的正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔的气液负荷限制在一定范围，该范围即塔板的负荷性能。标绘在直角坐标系中，即得塔板的负荷性能图，有五条线组成。（3）塔板的负荷性能图第四十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22

②过量雾沫夹带线(气相负荷上限线)（2）

当气相负荷超过此线时，会出现严重的雾沫夹带，塔板效率急剧下降。①漏液线（气相下限线）（1）当操作的气相负荷低于此线时，将发生严重漏液现象。塔板效率下降。第四十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22③液相负荷下限线（3）若操作的液相负荷低于此线时，表明液体流量过低，板上液流不能均匀分布，气液接触不良，容易产生干吹、偏流等现象，使塔板效率下降。液相下限线和塔板的结构尺寸有关。如D，Af④液相负荷上限线（4）

当操作的液相负荷高于此线时，表明液体流量过大，此时液体在降液管中的停留时间过短(＜3～5s)，进入降液管的气泡来不及与液体分离而被带入下层，造成气相返混（气泡夹带)，使塔板效率降低。第四十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22（4）板式塔的操作分析

板式塔操作性能图中，五条线围城的区域为塔板的适宜操作区。操作时气、液负荷的交点为操作点。⑤液泛线（5）若操作的气、液流量超过此限度，即发生液泛，使塔不能正常操作。不同塔板上工作点的连线是一条过原点、斜率为V/L的直线——塔的操作线。（因连续精馏操作R为定值，故V/L亦为定值）上下操作极限的气体流量之比——操作弹性。塔操作线和负荷性能图的两个交点是稳定操作的最大和最小极限。第五十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22设计时，应使操作点尽可能位于负荷性能图的中央，以增大操作的灵活性。不同的塔板，负荷性能图形状不同。对于同