1、化工原理电子教案 板式塔及其设计计算 3.1概述高径比很大的设备称为塔1.塔设备的基本功能和性能评价指标使汽液两相充分接触，适当湍动，提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离在塔内使汽、液两相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的传质推动力塔设备性能的评价指标 通量单位塔截面的生产能力，表征塔设备的处理能力和允许空塔气速 分离效率单位压降塔的分离效果，对板式塔以板效率表示，对填料塔以等板高度表示 适应能力操作弹性，表现为对物料的适应性及对负荷波动的适应性2.塔设备的类型根据塔内气、液接触构件的结构形式，分为板式塔和填料塔按塔内汽液接触方式，分为逐级接触式（连续）和微分（连续）
2、接触式之分板式塔：塔内设置一定数量的塔板，处理物 料量大时采用填料塔：塔内装有一定高度的填料，塔径较小时采用3.23.2板式塔板式塔按照塔内汽液流动的方式，可将塔板分为错按照塔内汽液流动的方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板流塔板和逆流塔板汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式 两相流动的推动力两相流动的推动力 全塔：逆流接触塔板上：错流接触液体：重力气体：压力差塔板结构塔板结构气体通道气体通道 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 塔板上接受液体的部分。 溢流堰溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证
3、两相充分接触。浮阀塔内部结构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，达相平衡相平衡，分离后，继续流动。传质的传质的非理想非理想流动情况流动情况： 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； 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；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。液 泛现象：3.3 塔内气、液两相异常流动塔
4、内气、液两相异常流动 （1）液泛）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。液泛。 过量雾沫夹带液泛过量雾沫夹带液泛原因：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。 说明说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速液泛气速 。 降液管液泛降液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，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
5、之为降液降液管液泛管液泛。说明：说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。（2） 严重漏液严重漏液 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 。3.4 常用塔板的类型常用塔板的类型（1）泡罩塔）泡罩塔优点优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。 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。 组成：组成：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔（2）筛板塔板）筛板塔板优点优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前，广泛应用的一种塔型。塔板
6、上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。 筛筛 板板（3）浮阀塔板）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点：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，在生产中得到广泛的应用。缺点：缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀（4）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 优点：优点：提高允许液体流量3.5筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度）塔的有效高度 Z 已知：已知：实际塔板数 NP ； 选取塔板间距 HT； pTNHZ 选取塔板间距选取塔板间距 HT ：理论塔板数计算塔径塔径D，m0.
7、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板间距和塔径的经验关系塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+ 其它其它 有效塔高：有效塔高：VVLfCuLVmVmLvlVVVLLVqqqqFss C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。有关。 液泛气速液泛气速两相流动参数两相流动参数 FLV：（2）塔径）塔径 确定原则：确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤：步骤： 先确定液泛气速 uf (m/
8、s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。2 . 02020CC 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 0.6uVAs所需气体流通截面积所需气体流通截面积设计气速设计气速 u = 泛点率泛点率 ufADAd 计算塔径计算塔径 DTdTAAAA1塔截面积：塔截面积：A = AT - AdTAD4塔径塔径说明：说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。（3）溢流装置设计）溢流装置设计 溢流型式的选择溢流型式的选择 依据：依据：塔径 、流量； 型式型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。 降液管形式和底隙
9、降液管形式和底隙 降液管：弓形弓形、圆形。 降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 40 mm。 溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰） 作用作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。堰长堰长 lW ：影响液层高度。堰高堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，过小，相际传质面积过小； 过大过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。 TdWAAfDlDbfDldW75. 06 . 0 DlW7 . 05 . 0 DlW说明：通常应使溢流强度说明：通常应使溢流
10、强度qVLh/lW 不大于不大于100130 m3/（m h）。）。 或： 双流型:单流型：3/231084.2WVLowlqEhh(4) 塔板及其布置塔板及其布置 受液区和降液区 一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区 其中， E：液流收缩系数，：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。mmhOW6mmbbss10050mmbc50堰上方液头高度堰上方液头高度 hOW ：要求：要求： 边缘区：bcbdbslWrx)sin(21222rxrxrxAa)sin( 2)sin( 211221211222rxrxrxrxrxrxAa（5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列 筛孔筛孔： 有效传质区内
11、，常按正三角形排列。 筛板开孔率筛板开孔率 ： 单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔板： 有效传质区： 双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：20220907. 060sin21421tdtdAAoaobcbdbslWrxd0t00AquSVV20200785. 04dAdAna筛孔直径筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 开孔率开孔率: : 通常为 0.08 0.12。 板厚：板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。 筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：d0t(6) 塔板的校核塔板的校核 对初步设计的
12、结果进行调整和修正。VmVmLVLmeqqeeqevVVLVLVmLmvssqqqqe11 液沫夹带量校核液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e： kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。 故有： 所以2 . 33107 . 5fTvHHue说明：超过允许值，可调整 塔板间距塔板间距 或 塔径。塔径。 ev的计算方法的计算方法：方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。方法2：用Hunt经验公
13、式计算ev。)(5 . 2OWWfhhH式中Hf 为板上泡沫层高度：要求要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。 塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：塔板阻力：液柱mgphLff 塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力； （c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h0200,021CuggphLVLofd0/C0塔板孔流系数C0 孔流系数孔流系数OWWlhhh（b）液层阻力）液层阻力 hl查图求充气系数查图求充气系数2/1V32/1aa
14、mkgsmuF说明：说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率增加开孔率或 降低堰高。降低堰高。03104dghL（c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计） 降液管液泛校核降液管液泛校核dLOWWdhgpphhH12dfOWWhhhh故塔板阻力：hhhhLf0降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m)()()4(0476.032vLfsLfbHLZHb（a） 液面落差液面落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时，一般要求：一般要求： 0.5h0282211018. 1153. 02bWsbWsddhlLhlLguh（b b） 液体通过降液管阻力液体通过降液
15、管阻力 hd21dddhhh包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时：无进口堰时：02dhdlLddHHHWTdhHH泡沫层高度泡沫层高度要求：要求：说明：说明：若泡沫高度过大，可 减小塔板阻力减小塔板阻力或 增大塔板间距。增大塔板间距。泡沫层相对密度：对不易起泡物系，6 . 05 . 04 . 03 . 0易起泡物系， 液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核 目的：目的：避免严重的气泡夹带。 sVLTdqHA停留时间：停留时间：要求：要求：s53说明：说明：停留时间过小，可 增加降液管面积增加降液管面积 或 增大塔板间距。增大塔板间距。（a）计算严重漏液时干板阻力严重
16、漏液时干板阻力 h0 hhhhOWW13.00056.00（b）计算漏液点气速漏液点气速 u0 0002hgCuVL说明：说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率减小开孔率 或 降低堰高。降低堰高。 严重漏液校核严重漏液校核 漏液点气速漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数：稳定系数：00uuk要求：要求：25 . 1k 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线） 规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。3232 . 313)(101 . 75 . 21081. 8WVLWTVVlqhHAqhh（6）塔板的负荷性能图）塔板的负荷性
17、能图确定塔板的操作弹性 液相下限线液相下限线006. 01084. 23/23WVLowlqEhh整理出：规定WVLhlq07. 3 严重漏液线（气相下限线）严重漏液线（气相下限线）hhhhOWW13.00056.00代入相关公式，如hOW、u0，整理出。 液相上限线液相上限线保证液体在降液管中有一定的停留时间。sLHAsTd5dThAHV720 降液管液泛线降液管液泛线WTdhHHLvcugh2000)(21WTbWhWhhLVhHhlLlLndV)5 . 1(1018. 11026. 41041. 3283232208min,max,hhVVVVqqmin,max,hhVLVLqq塔板的操
18、作弹性：塔板的操作弹性： 或化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书1设计题目：分离甲醇设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔水混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年处理甲醇生产能力：年处理甲醇水混合液水混合液8万吨（开工率万吨（开工率300天天/年）年）原原 料：甲醇含量为料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的（质量分率，下同）的常温液体常温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于分离要求：塔顶甲醇含量不低于95% 塔底甲醇含量不高于塔底甲醇含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书2设计题目：分离甲醇设计题目：分离甲醇水混合液的
19、浮阀精馏塔水混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年处理甲醇生产能力：年处理甲醇水混合液水混合液10万吨（开工率万吨（开工率300天天/年）年）原原 料：甲醇含量为料：甲醇含量为20%（质量分率，下同）的常（质量分率，下同）的常温液体温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于分离要求：塔顶甲醇含量不低于95% 塔底甲醇含量不高于塔底甲醇含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书3设计题目：分离苯设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏甲苯混合液的浮阀精馏塔塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年处理苯生产能力：年处理苯甲苯混合液甲苯混合液2万
20、吨（开万吨（开工率工率330天天/年）年）原原 料：苯含量为料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）（质量分率，下同）的的65液体液体分离要求：塔顶苯含量不低于分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于塔底苯含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书4设计题目：分离苯设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔甲苯混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年处理苯生产能力：年处理苯甲苯混合液甲苯混合液1.8万吨（开工率万吨（开工率330天天/年）年）原原 料：苯含量为料：苯含量为26.7%（质量分率，下同）的（质量分率，下同）的40液
21、体液体分离要求：塔顶苯含量不低于分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于塔底苯含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书5设计题目：分离苯设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔甲苯混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年产生产能力：年产2.5万吨苯万吨苯(纯纯),（开工率（开工率7920小时）小时）原原 料：苯含量为料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和（质量分率，下同）的饱和液体液体分离要求：塔顶苯含量不低于分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于塔底苯含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程
22、设计任务书化工原理课程设计任务书6设计题目：分离苯设计题目：分离苯甲苯混合液的浮阀精馏塔甲苯混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年产生产能力：年产2.0万吨苯万吨苯(纯纯),（开工率（开工率7000小时）小时）原原 料：苯含量为料：苯含量为40%（质量分率，下同）的饱和（质量分率，下同）的饱和液体液体分离要求：塔顶苯含量不低于分离要求：塔顶苯含量不低于98% 塔底苯含量不高于塔底苯含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书7设计题目：分离甲醇设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔水混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产
23、能力：年产甲醇生产能力：年产甲醇(纯纯)4万吨（开工率万吨（开工率7200小时）小时）原原 料：料： 甲醇含量为甲醇含量为40%（质量分率，下同）的（质量分率，下同）的 饱和液体饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于分离要求：塔顶甲醇含量不低于98% 塔底甲醇含量不高于塔底甲醇含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书8设计题目：分离甲醇设计题目：分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔水混合液的浮阀精馏塔原始数据及条件原始数据及条件生产能力：年产甲醇生产能力：年产甲醇(纯纯)3万吨（开工率万吨（开工率7200小时）小时）原原 料：料： 甲醇含量为甲醇含量为40
24、%（质量分率，下同）的（质量分率，下同）的 饱和液体饱和液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于分离要求：塔顶甲醇含量不低于96% 塔底甲醇含量不高于塔底甲醇含量不高于2%建厂地址建厂地址: 济南济南参考资料参考资料1.夏清、陈常贵主编夏清、陈常贵主编化工原理化工原理（上、下册），（上、下册），天津大学出版社，天津大学出版社，20052.化学工程手册化学工程手册 第第13篇篇汽液传质设备汽液传质设备，化学工，化学工业出版社，业出版社，19793.贾绍义、柴诚敬主编贾绍义、柴诚敬主编化工原理课程设计化工原理课程设计，天，天津，天津大学出版社，津，天津大学出版社，20024.陈英南、刘玉兰主编陈英南、刘
25、玉兰主编常用化工单元设备的设常用化工单元设备的设计计，上海，华东理工大学出版社，上海，华东理工大学出版社，20055.板式塔研究进展板式塔研究进展化学工程，化学工程，Vo131. No.3 .20036.国内新型浮阀塔板评述国内新型浮阀塔板评述化工设计，化工设计，2002，（5）7.负荷性能图法计算板式塔工艺尺寸负荷性能图法计算板式塔工艺尺寸化工学报，化工学报，1997板式塔的类型很多，设计原则基本相同板式塔的类型很多，设计原则基本相同根据设计任务和工艺要求，确定设计方案根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型确定塔径、塔高等工艺尺寸进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置进行流体力学验算绘
26、制塔板的负荷性能图根据负荷性能图，对设计进行分析设计内容设计内容1.设计方案的确定设计方案的确定2.精馏塔的物料衡算精馏塔的物料衡算3.塔板数的确定塔板数的确定4.精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算5.精馏塔的塔体工艺尺寸计算精馏塔的塔体工艺尺寸计算6.塔板主要工艺尺寸的计算塔板主要工艺尺寸的计算7.塔板的流体力学验算塔板的流体力学验算8.塔板负荷性能图塔板负荷性能图9.汽液相进出口管径选择，辅助设备选型汽液相进出口管径选择，辅助设备选型10.浮阀塔投资费用的估算浮阀塔投资费用的估算设计说明书内容设计说明书内容1.目录目录2.设计方案简介设计方案简介3.设计结果汇总设计结果汇总4.工艺计算的主要设备设计工艺计算的主要设备设计5.讨论讨论6.符号说明符号说明7.参考资料参考资料8.图纸图纸
