氣液傳質(zhì)設(shè)備板式塔設(shè)計第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一板式塔設(shè)計步驟

確定設(shè)計方案；選擇塔板類型；確定塔徑、塔高等工藝尺寸；塔板設(shè)計，包括溢流裝置設(shè)計、塔板布置、升氣道（泡罩、篩孔或浮閥等）的設(shè)計排列；流體力學(xué)驗算；繪制塔板負(fù)荷性能圖；依據(jù)負(fù)荷性能圖，對設(shè)計分析、調(diào)整，直至滿意。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1設(shè)計方案的確定(6步法)1.1裝置流程的確定蒸餾裝置精餾塔原料預(yù)熱器蒸餾釜（再沸器）冷凝器釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器原料入塔泵輸送（易受泵操作波動影響）高位槽送液（穩(wěn)定）泡點冷凝器分凝器產(chǎn)品冷卻器流程確定要全面、合理的兼顧設(shè)備、操作費用、操作控制及安全等諸因素。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1.2操作壓力的選擇依據(jù)操作壓力常壓操作減壓操作加壓操作

選擇依據(jù)：一般，對熱敏性物質(zhì)或混合物泡點過高的體系易采用減壓蒸餾；常壓下呈氣態(tài)的物系采用加壓蒸餾。1.3進料熱狀況的選擇進料熱狀況：冷液進料(q>1)、泡點進料(q=1)、氣液混合進料(q<1)、飽和蒸汽進料(q=0)及過熱正氣進料(q<0)五種。

工藝多采用泡點進料，常以釜殘液預(yù)熱原料液；如工藝要求減少塔釜的加熱量，避免釜溫過高，料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采用氣態(tài)進料。第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1.4加熱方式的選擇再沸器直接蒸氣加熱類型：間接蒸氣加熱無需再沸器ab優(yōu)點：利用壓力較低的蒸汽節(jié)省費用，且省去再沸器；缺點：對釜內(nèi)溶液有一定的稀釋作用；如進料條件及產(chǎn)品純度、輕組分收率一定，則需在提留段增加塔板數(shù)以達(dá)到生產(chǎn)要求。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1.5回流比的選擇

適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟核算決定，即操作費用和設(shè)備折舊費之和為最低時的回流比為適宜回流比。但作為課程設(shè)計，要進行這種核算是困難的，通常根據(jù)下面3種方法之一來確定回流比。1、根據(jù)本設(shè)計的具體情況，參考生產(chǎn)上較可靠的回流比的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定；2、先求出最小回流比Rmin，根據(jù)經(jīng)驗取操作回流比為最小回流比的1.1∽2倍，即R＝（1.1∽2）Rmin；3、在一定的范圍內(nèi)，選5種以上不同的回流比，計算出對應(yīng)的理論塔板數(shù)，作出回流比與理論塔板數(shù)的曲線。當(dāng)R=Rmin時，塔板數(shù)為∞；R＞Rmin后，塔板數(shù)從無限多減至有限數(shù)；R繼續(xù)增大，塔板數(shù)雖然可以減少，但減少速率變得緩慢。因此可在斜線部分區(qū)域選擇一適宜回流比。上述考慮的是一般原則，實際回流比還應(yīng)視具體情況選定。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2塔板的類型及其選用塔板分為錯流式塔板和逆流式塔板兩大類，工業(yè)上常以錯流式塔板為主。錯流式塔板比較表優(yōu)點缺點泡罩塔板操作彈性大、液氣比范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。篩孔塔板結(jié)構(gòu)簡單、造價低；板上液面落差低，氣體壓降小，生產(chǎn)能力較大；氣體分布均勻，傳質(zhì)效率高。篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、黏度大的物料。若操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏夜。浮閥塔板結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；因閥片可隨氣量變化自由升降，操作彈性大；氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，板效率高。處理易結(jié)焦、黏度大的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；操作中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死現(xiàn)象。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3板式塔的塔體工藝尺寸設(shè)計3.1塔的有效高度計算3.1.1基本計算公式3.1.2理論塔板數(shù)的計算方法逐板計算法圖解計算法吉利蘭圖捷算法第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3塔板間距的確定塔板間距的選取與塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、操作彈性以及塔的安裝、檢修等因素有關(guān)。表10-1塔板間距與塔徑的關(guān)系塔徑D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.4>2.4板間距HT,mm200-300300-350350-450450-600500-800≥800塔板間距的數(shù)值應(yīng)按系列標(biāo)準(zhǔn)選取，常用的塔板間距有300、350、400、450、500、600、800等幾種系列標(biāo)準(zhǔn)。但注意，板間距除考慮上述因素外，還應(yīng)考慮安裝、檢修的需要，如在塔體的人孔處，應(yīng)采用較大的板間距，一般不低于600mm。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3.2塔徑的計算（可參課本P157頁）計算公式：關(guān)鍵在于計算空塔氣速u

空塔氣速的上限由嚴(yán)重的霧沫夾帶或液泛決定，下限由漏夜決定，適宜的空塔氣速介于兩者之間。一般依據(jù)最大允許氣速確定。最大允許氣速由嚴(yán)重霧沫夾帶時懸浮液滴的沉降速度確定：液滴在上升氣流中懸浮，則其受力平衡，此時，空塔氣速與液滴沉降速度相等，為最大允許氣速。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3.2塔徑的計算（可參課本P157頁）史密斯關(guān)聯(lián)圖中：注：上述計算的塔徑為初估值，后面還需進行流體力學(xué)核算。另：若精餾塔精餾段和提餾段上升氣量差別較大，則兩段塔徑應(yīng)分別計算。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一4板式塔的塔板工藝尺寸計算4.1溢流裝置的設(shè)計溢流裝置包括溢流堰、降液管和受液盤等幾部分。4.1.1降液管的類型與溢流方式（參圖10-12所示）類型圓形降液管——用于小直徑塔，<600mm弓形降液管——用于大直徑塔，>800mm溢流方式U型流——又稱回轉(zhuǎn)流。弓形降液管一半為受液盤，另一半為降液管。特點：液體流徑長，板效率高，板面利用率高。單溢流——又稱直徑流。特點：流體流徑較長，板效率較高，加工方便，在小于2.2m的塔中應(yīng)有廣泛。雙溢流——又稱半徑流。特點：液體流動的路程短，液面落差小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，板面利用率低，適用于大于2m的塔。階梯式雙溢流——特點：可在不縮短液體流徑的情況下減小液面落差。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使應(yīng)用于塔徑很大、液流量很大的場合。表10-2（P130頁）給出溢流類型與液體負(fù)荷的關(guān)系，方便確定溢流類型第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一4.2溢流裝置的設(shè)計計算溢流裝置的設(shè)計參圖10-39所示。1、溢流堰形狀平直堰齒形堰一般采用平直形溢流堰板（1）堰長第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（2）堰高——降液管端面高出塔板板面的距離堰高與板上清液層高度及堰上液層高度的關(guān)系為：設(shè)計時，一般保持塔板上清液層高度在50∽100mm，于是，堰高h(yuǎn)w則由板上清液層高度和堰上液層高度而定。設(shè)計時，應(yīng)是堰上液層高度大于6mm，否則采用齒形堰；但堰上液層高度不宜太大，否則導(dǎo)致液沫夾帶量增加，板壓降增大。設(shè)計時，一般不宜大于60~70mm，超過此值應(yīng)采用雙溢流形。對平直堰：由上式看出，how僅與Lh和lw有關(guān)，故也可從圖3-11（見天大版P163）查知。第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一對齒形堰：可參閱P133頁求得how后，可按下式范圍確定hw：第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2、降液管——弓形降液管2.1弓形降液管的寬度和截面積弓形降液管的寬度以Wd表示，截面積以Af表示，設(shè)計中可根據(jù)堰長與塔徑之比lw/D由圖3-12（見天大版P163）求算。為使液體中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)應(yīng)有足夠的停留時間，表示式為：若不能滿足上式要求，則應(yīng)調(diào)整降液管尺寸或板間距，直至滿意。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2.2降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管下端與塔板間的距離，以h0表示。降液管底隙高度一般不宜小于20~25mm，否則易于堵塞，或因安裝偏差而是液流不暢，造成液泛。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2.3受液盤（參圖10-43、44所示）類型平受液盤凹受液盤平受液盤一半需在塔板上設(shè)置進口堰，保證液封；并使液體在板上分布均勻。進口堰高度考慮原則：當(dāng)出口堰高h(yuǎn)w大于降液管底隙高度h0時，取h'w=hw，如hw<h0，則應(yīng)取h'w>h0，以保證液體由降液管流出時不致受到很大阻力，進口堰與降液管間的水平距離h1不應(yīng)小于h0。采用凹形受液盤不需設(shè)置進口堰。其優(yōu)點為：凹形受液盤既可在低液量時形成良好的液封，又可改變液體流向的緩沖作用，便于液體從側(cè)線的抽出。一般來說，直徑大于600mm的塔，大多采用凹形受液盤。其深度一般在50mm。第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一4.2塔板設(shè)計——以篩板塔為例1、塔板布置——見圖10-39（1）開孔區(qū)（2）溢流區(qū)溢流區(qū)為降液管及受液盤所占的區(qū)域，其中降液管所占面積為Af,受液盤所占面積為A’f；一般，兩者相等。可從圖3-12求取。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（3）安定去——開孔區(qū)域溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域，也稱破沫區(qū)。溢流堰前的安定區(qū)寬度Ws=70~100mm；進口堰后的安定區(qū)寬度W’s=50~100mm；對于小直徑的塔（直徑<1m），因塔板面積小，安定區(qū)要相應(yīng)減小。（4）邊緣區(qū)——在靠近塔壁的一圈邊緣區(qū)域供支持塔板的邊梁之用的區(qū)域。Wc=30~50mm，小塔（直徑小于1米）=50~70mm，大塔（直徑大于1米）2、篩孔的計算及其排列（1）篩孔直徑表面張力為正系統(tǒng)的物系，d0取3~8mm；表面張力為負(fù)系統(tǒng)的物系，d0取10~25mm。第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一（2）篩板厚度碳鋼塔板，板厚δ為3~4mm,孔徑d0應(yīng)不小于板厚δ

；不銹鋼塔板，板厚δ為2~2.5mm,孔徑d0應(yīng)不小于(1.5~2)δ。（3）孔中心距tt=(2.5~5)d0，且t/d0=3~4（4）篩孔的排列與篩孔數(shù)（n）當(dāng)采用正三角形排列時：（5）開孔率Φ定義：第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5篩板的流體力學(xué)驗算5.1塔板壓降氣體通過篩板時，需克服篩板本身的干板阻力、板上充氣液層的阻力及液體表面張力造成的阻力，這些阻力形成篩板的壓降。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一1、干板阻力第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一2、氣體通過液層的阻力通過下式估算：第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3、液體表面張力的阻力由上述各式計算的阻力加和得到板壓降，應(yīng)與設(shè)計允許值比較，計算值應(yīng)低于允許值。5.2液面落差對塔徑小于1600mm的篩板，液面落差可以不予考慮；但對塔徑大于2000mm的篩板，應(yīng)考慮液面落差，此時，可查閱相關(guān)手冊予以計算。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.3液沫夾帶設(shè)計中一般規(guī)定液沫夾帶量ev<0.1kg液體/kg氣體液沫夾帶量的計算方法查圖法（亨利液沫夾帶圖），見圖5-12經(jīng)驗公式計算法，如下式：第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.4漏液氣速減小，氣體的動能不足以阻止液體向下流動時，會發(fā)生落葉現(xiàn)象。規(guī)定漏夜量等于塔內(nèi)液體流量的10%對應(yīng)的氣速為漏夜點氣速。它是塔板操作氣速的下限，計算方法為：第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一5.5液泛液泛液沫夾帶液泛——通過液沫夾帶量核算降液管液泛*為使液體從上層塔板穩(wěn)定流入下一層塔板，降液管內(nèi)必須保持一定的液層高度Hd。該液層高度用來克服相鄰兩層塔板間的壓降、板上清液層阻力和液體流過降液管的阻力，故：第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一6塔板的負(fù)荷性能圖6.1漏液線繪制塔板負(fù)荷性能圖，以檢驗設(shè)計的合理性。以篩板塔為例講授。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一6.2液沫夾帶線6.3液相負(fù)荷下限線第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一6.4液相負(fù)荷上限線6.5液泛線第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一最后，根據(jù)以上各方程繪出塔板的負(fù)荷性能圖，在該圖上繪得操作線，分析操作控制特征（即什么控制），并計算其操作彈性范圍。7板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設(shè)備7.1塔體空間1、塔頂空間高度HDHD=(1.5~2.0)HT設(shè)置目的：為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降。若需安裝除沫器，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間高度。2、塔底空間高度HB——指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。決定因素：A塔底儲液空間依儲存液量停留3~8min而定；B再沸器的安裝方式及安裝高度；C塔底液面至最下層塔板之間留有1~2m的間距。第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一3、人孔對于塔徑大于1米的板式塔，為安裝、檢修之需，一般每隔6~8層塔板設(shè)一人孔。人孔直徑一般為450mm~600mm，其中伸出塔體的筒長為200~250mm，人孔距中心操作臺約距800~1200mm