《化工原理》电子教案 —— 板式塔及其设计计算 新乡学院化工原理教研室 研制.

Presentation on theme: "《化工原理》电子教案 —— 板式塔及其设计计算 新乡学院化工原理教研室 研制."— Presentation transcript:

1 《化工原理》电子教案 —— 板式塔及其设计计算 新乡学院化工原理教研室 研制

2 8、板 式 塔 8.1 板式塔结构及性能 （1） 板式塔结构 功能：为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触 与及时、完全分离的条件。
进料 回流液 塔顶气相 塔底液相

3 全塔：逆流接触 塔板上：错流接触 汽、液两相接触方式 液体：重力 气体：压力差 两相流动的推动力

4

5 塔板结构 ①　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。 ② 降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。 浮阀塔内部结构 ③ 受液盘 塔板上接受液体的部分。 ④ 溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。

6

7 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。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。 传质的非理想流动情况： ①反向流动 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象 后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。 气量↑ →夹带量↑ 板间距HT↓ →夹带量↑ 液沫夹带影响因素 要求液沫夹带量 eG≯0.1kg液沫/kg干气 气泡夹带 原因：液体在降液管中停留时间过短，气泡来 不及解脱，而被液体卷入下层塔板。

8 ②气体和液体的不均匀流动 液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中间 > 近壁； 后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。 ③漏液

9 塔内气、液两相异常流动 （1）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 泛现象：

10 ①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。并称之为降液管液泛。

11 ② 过量雾沫夹带液泛 原因： ① 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； ② 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：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。 说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。

12 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 。
（2） 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 。 气量过小 ； 塔板开孔率大。 产生原因

13 6.10.3 常用塔板的类型 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。 （1）泡罩塔 组成：升气管和泡罩
常用塔板的类型 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。 （1）泡罩塔 组成：升气管和泡罩 优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。 缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。

14 圆形泡罩 泡罩塔 条形泡罩

15 （2）筛板塔板 塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板： mm。 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。

16 （3）浮阀塔板 方形浮阀 浮阀塔盘 圆形浮阀 条形浮阀

17 方形浮阀 F1型浮阀 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：浮阀易脱落或损坏。

18 筛板塔化工设计计算 一、板式塔的工艺计算 （1）选定塔顶、塔底产品浓度（有时由设计任务书给出），进行全塔物料衡算，列出物料衡算总表。
（2）确定冷凝器、塔顶、塔底的操作压力。 （3）确定塔顶、塔底温度。 （4）选定进料状态，定出进料温度。 （5）在已定的操作压力下，作出x-y相平衡曲线。 （6）求出最小回流比。 （7）确定适宜的操作回流比。 （8）计算所需的理论板数及进料位置。 （9）确定全塔效率，算出精馏段、提馏段实际塔板数。 （11）计算塔顶冷凝器及塔底再沸器的热负荷，求出塔顶、塔底所需冷却剂量及加热蒸汽用量，列出全塔热量衡算总表。

19 二、筛板塔设备设计计算 选取塔板间距 HT ： （1）塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 N=NT /η； 选取塔板间距 HT；
塔体高度：有效高+顶部+底部 选取塔板间距 HT ： 塔板间距和塔径的经验关系

20 板式塔的高度为气液接触有效高度与塔顶、塔底空间高度三部分之和。其中有效段高度：
Z=（N-NF-NP-1）HT + NFHF + NPHP + HD + HB 式中N为实际塔板数， NF—进料板数，HT为板间距， HF—进料板处板间距， NP—人孔数，一般每隔6—8层塔板设一人孔，需经常清洗时每隔3—4块塔板处设一人孔。人孔直径一般为450—500mm。 HP—设人孔处的板间距，一般取等于或大于600mm。 HD—塔顶空间（不包括头盖部分），通常取1.2～1.5m HB—塔底空间。指最后一块塔板到塔底部的距离。液体自离开最后一块塔板至流出塔外，需要有10-15min停留时间，据此再由釜液流量和塔径即可求出此此段高度 。

21 C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。
（2）塔径 确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤： 先确定液泛气速 umax (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。 ① 液泛气速 8-7 C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。 取板上清液层高度hl=50-100mm之间

22 对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV)
0.2 HT=0.6 0.45 0.3 0.15 0.4 1.0 0.7 0.1 0.04 0.03 0.02 0.07 0.01 0.09 0.06 0.05 筛板塔泛点关联图

23 Af ② 选取设计气速 u 选取泛点率： u / umax 一般液体， 0.6 ~0.8 易起泡液体，0.5 ~ 0.6 An 总面积 AT
一般液体， ~0.8 易起泡液体，0.5 ~ 0.6 An Af 总面积 AT 设计气速 u = 泛点率 ×umax ③ 计算塔径 D An= AT - Af 所需气体流通截面积 按下表1选择塔板流型，并取堰长 通常单流型可取k=0.6～0.8，双流型取k=0.5～0.7。对容易发泡的物系k可取得高一些，以保证液体在降液管内有更长的停留时间。

24 塔径/m 液体流量（m3/h） U行流型 单流型 双流型 阶梯流型 1.0 ＜7 ＜45 1.4 ＜9 ＜70 2.0 ＜11 ＜90 90～160 3.0 ＜110 110～200 200～300 4.0 110～230 230～350 5.0 110～250 250～400 6.0 250～450

25 和塔板总面积 由教材图8-17查得溢流管面积 之比，即 ，然后求得塔板总面积 塔径 按塔设备系列化规格，将D进行圆整。当塔径小于1m时，按100mm递增，当塔径大于1m时，按200mm递增。 为气体的体积流量m3/s，需要按精馏段和提馏段分开计算，最后根据塔径的大小确定均能满足要求的塔径。 说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。

26 3、塔板的分块 塔板按结构特点，大致可分为整块式和分块式两类塔板。塔径为300—900mm时，一般用整块式；塔径超过800—900mm时，由于刚度、安装、检修等要求，多将塔板分成数块通过人孔送入塔内。对塔径为800—2400mm的单流型塔板，分块数如下表： 塔径，mm 800—1200 1400- 1600 塔板分块数 3 4

27 （3）溢流装置设计 ① 溢流型式的选择 依据：塔径 、流量； 型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。 ② 降液管形式和底隙 降液管：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。 ③ 溢流堰（出口堰） 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。

28 平流堰 溢流辅堰 三角形齿堰 栅栏堰

29

30 堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，相际传质面积过小； 过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 ~ 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。 堰长 lW ：影响液层高度。 单流型： 双流型: 说明：通常应使液流强度VL/lW 不大于60 m3/（mh）。

31 其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。
堰上方液头高度 hOW ： 其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。 bc bd bs lW r x 要求： (4) 塔板及其布置 ① 受液区和降液区 一般两区面积相等。 ② 入口安定区和出口安定区 ③ 无效区（边缘区） ：

32 筛孔： ④ 鼓泡区（有效传质区）： 单流型弓形降液管塔板： 双流型弓形降液管塔板： （5）筛孔的尺寸和排列 有效传质区内，常按正三角形排列。
bc bd bs lW r x ④ 鼓泡区（有效传质区）： 单流型弓形降液管塔板： 双流型弓形降液管塔板： （5）筛孔的尺寸和排列 筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率 ： d0 t

33 筛孔直径 d0 : 3 ~ 8 mm (一般)。 12 ~ 25 mm (大筛孔) 孔中心距 t : (2.5~5) d0 取整。
开孔率φ: 通常为 0.05 ~ 0.15。 板厚：碳钢（3 ~ 4mm）、不锈钢。 d0 t 筛孔气速： 筛孔数：

34 对初步设计的结果进行调整和修正。 (6) 塔板的校核（参看教材） ① 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ψ：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。

35 ev的计算方法： 方法1：利用Fair关联图求Ψ，进而求出ev。 方法2：用Hunt经验公式计算ev。 式中Hf 为板上泡沫层高度： 要求： ev ≤ 0.1 kg 液体 / kg气体。 说明：超过允许值，可调整 塔板间距 或 塔径。

36 ② 塔板阻力的计算和校核（参看有关设计书）
说明：若塔板阻力过大，可 增加开孔率或 降低堰高。 ③ 降液管液泛校核 说明：若高度过大，可 减小塔板阻力或 增大塔板间距。 ④ 液体在降液管中停留时间校核 目的：避免严重的气泡夹带。 停留时间： 要求： 说明：停留时间过小，可 增加降液管面积 或 增大塔板间距。

37 ⑤ 严重漏液校核 要求： 说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。 ⑥液面落差△ △/h0＜0.5

38 规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。
（6）塔板的负荷性能图——确定塔板的操作弹性 ① 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。 ② 液相下限线 规定 整理出： ③ 严重漏液线（气相下限线）

39 代入相关公式，如hOW、σ、u0’，整理出。
④ 液相上限线——保证液体在降液管中有一定的停留时间。 ⑤ 降液管液泛线

40 塔板的操作弹性：