气液传质设备_板式塔设计.

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1、气液传质设备 板式塔的工艺设计 板式塔设计步骤 确定设计方案； 选择塔板类型； 确定塔径、塔高等工艺尺寸； 塔板设计，包括溢流装置设计、塔板布置、升气道 （泡罩、筛孔或浮阀等）的设计排列； 流体力学验算； 绘制塔板负荷性能图； 依据负荷性能图，对设计分析、调整，直至满意。 1 设计方案的确定(6步法) 1.1 装置流程的确定 蒸馏装置 精馏塔 原料预热器 蒸馏釜（再沸器） 冷凝器 釜液冷却器和产品冷却器 原料入塔 泵输送（易受泵操作波动影响） 高位槽送液（稳定） 泡点冷凝器 分凝器产品冷却器 流程确定要全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控 制及安全等诸因素。 1.2 操作压力的选择 依据操作

2、压力 常压操作 减压操作 加压操作 选择依据：一般，对热敏性 物质或混合物泡点过高的体系 易采用减压蒸馏；常压下呈气 态的物系采用加压蒸馏。 1.3 进料热状况的选择 进料热状况：冷液进料(q1)、泡点进料(q=1)、气液混合进料 (q1)、饱和蒸汽进料(q=0)及过热正气进料(q2.4 板间间距HT,mm200-300300-350350-450450-600500-800 800 塔板间距的数值应按系列标准选取，常用的塔板间距有300、350、400、 450、500、600、800等几种系列标准。但注意，板间距除考虑上述因素外 ，还应考虑安装、检修的需要，如在塔体的人孔处，应采用较大的板

3、间距， 一般不低于600mm。 3.2 塔径的计算（可参课本P157页） 计算公式： 关键在于计算空塔气速u 空塔气速的上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏夜决定， 适宜的空塔气速介于两者之间。一般依据最大允许气速确定。 最大允许气速由严重雾沫夹带时悬浮液滴的沉降速度确定： 液滴在上升气流中悬浮，则其受力平衡，此时，空塔气速与液滴沉降速 度相等，为最大允许气速。 3.2 塔径的计算（可参课本P157页） 史密斯关联图中： 注：上述计算的塔径为初估值，后面还需进行流体力学核算。另：若精馏 塔精馏段和提馏段上升气量差别较大，则两段塔径应分别计算。 4 板式塔的塔板工艺尺寸计算 4.1 溢流装置

4、的设计 溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分。 4.1.1 降液管的类型与溢流方式（参图10-12所示） 类 型 圆形降液管用于小直径塔，800mm 溢流方式 U型流又称回转流。弓形降液管一半为受液盘，另一半为降 液管。特点：液体流径长，板效率高，板面利用率高。 单溢流又称直径流。特点：流体流径较长，板效率较高，加 工方便，在小于2.2m的塔中应有广泛。 双溢流又称半径流。特点：液体流动的路程短，液面落差小， 但结构复杂，板面利用率低，适用于大于2m的塔。 阶梯式双溢流特点：可在不缩短液体流径的情况下减小液面 落差。但结构复杂，致使应用于塔径很大、液流量很大的场合。 表10-2（P130

5、页）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型 4.2 溢流装置的设计计算 溢流装置的设计 参图10-39所示。 1、溢流堰 形状 平直堰 齿形堰 一般采用平直形溢流堰板 （1）堰长 （2）堰高降液管端面高出塔板板面的距离 堰高与板上清液层高度及堰上液层高度的关系为： 设计时，一般保持塔板上清液层高度在50100mm，于是，堰高hw则由 板上清液层高度和堰上液层高度而定。设计时，应是堰上液层高度大于 6mm，否则采用齿形堰；但堰上液层高度不宜太大，否则导致液沫夹带 量增加，板压降增大。设计时，一般不宜大于6070mm，超过此值应采 用双溢流形。 对平直堰： 由上式看出，how仅与Lh和lw

6、有关，故也可从图3-11（见天大版P163） 查知。 对齿形堰：可参阅P133页 求得how后，可按下式范围确定hw： 2、降液管弓形降液管 2.1 弓形降液管的宽度和截面积 弓形降液管的宽度以Wd表示，截面积以Af表示，设计中可根据堰长 与塔径之比lw/D由图3-12（见天大版P163） 求算。 为使液体中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内应有足够的停 留时间，表示式为： 若不能满足上式要求，则应调整降液管尺寸或板间距，直至满意。 2.2 降液管底隙高度 降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以h0表示。 降液管底隙高度一般不宜小于2025mm，否则易于堵塞，或因安 装偏差而是液流不畅

7、，造成液泛。 2.3 受液盘（参图10-43、44所示） 类型 平受液盘 凹受液盘 平受液盘一半需在塔板上设置进口堰，保证液封；并使液体在 板上分布均匀。 进口堰高度考虑原则：当出口堰高hw大于降液管底隙高度h0时， 取hw=hw，如hwh0，以保证液体由降液管流出时不致 受到很大阻力，进口堰与降液管间的水平距离h1不应小于h0。 采用凹形受液盘不需设置进口堰。其优点为：凹形受液盘既 可在低液量时形成良好的液封，又可改变液体流向的缓冲作用， 便于液体从侧线的抽出。一般来说，直径大于600mm的塔，大多 采用凹形受液盘。其深度一般在50mm。 4.2 塔板设计以筛板塔为例 1、塔板布置见图10-

8、39 （1）开孔区 （2）溢流区 溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积为Af,受 液盘所占面积为Af；一般，两者相等。可从图3-12求取。 （3）安定去开孔区域溢流区之间的不开孔区域，也称破沫区。 溢流堰前的安定区宽度 Ws=70100mm； 进口堰后的安定区宽度 Ws=50100mm； 对于小直径的塔（直径1m），因塔板面积小，安定区要相应减小。 （4）边缘区在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用的区域。 Wc =3050mm，小塔（直径小于1米） =5070mm，大塔（直径大于1米） 2、筛孔的计算及其排列 （1）筛孔直径 表面张力为正系统的物系，d0取38mm； 表

9、面张力为负系统的物系，d0取1025mm。 （2）筛板厚度 碳钢塔板，板厚为为34mm,孔径d0应应不小于板厚 ； 不锈钢锈钢 塔板，板厚为22.5mm,孔径d0应不小于(1.52)。 （3） 孔中心距t t=(2.55)d0，且t/d0=34 （4） 筛孔的排列与筛孔数（n） 当采用正三角形排列时： （5）开孔率 定义： 5 筛板的流体力学验算 5.1 塔板压降 气体通过筛板时，需克服筛板本身的干板阻力、板上充气液层的 阻力及液体表面张力造成的阻力，这些阻力形成筛板的压降。 1、干板阻力 2、气体通过液层的阻力 通过下式估算： 3、液体表面张力的阻力 由上述各式计算的阻力加和得到板压降，应与

10、设计允许值比较，计算 值应低于允许值。 5.2 液面落差 对塔径小于1600mm的筛板，液面落差可以不予考虑；但对塔径大于 2000mm的筛板，应考虑液面落差，此时，可查阅相关手册予以计算。 5.3 液沫夹带 设计中一般规定液沫夹带量ev0.1kg液体/kg气体 液沫夹带量的计算方法 查图法（亨利液沫夹带图），见图5-12 经验公式计算法，如下式： 5.4 漏液 气速减小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，会发生落叶现象。 规定漏夜量等于塔内液体流量的10%对应的气速为漏夜点气速。它是塔 板操作气速的下限，计算方法为： 5.5 液泛 液泛 液沫夹带液泛通过液沫夹带量核算 降液管液泛* 为使液

11、体从上层塔板稳定流入下一层塔板，降液管内必须保持一定 的液层高度Hd。该液层高度用来克服相邻两层塔板间的压降、板上清液 层阻力和液体流过降液管的阻力，故： 6 塔板的负荷性能图 6.1 漏液线 绘制塔板负荷性能图，以检验设计的合理性。以筛板塔为例讲授。 6.2 液沫夹带线 6.3 液相负荷下限线 6.4 液相负荷上限线 6.5 液泛线 最后，根据以上各方程绘出塔板的负荷性能图，在该图上绘得操作 线，分析操作控制特征（即什么控制），并计算其操作弹性范围。 7 板式塔的结构与附属设备 7.1 塔体空间 1、塔顶空间高度HDHD=(1.52.0)HT 设置目的：为利于出塔气体夹带的液滴沉降。若需安装

12、除沫器，要根据 除沫器的安装要求确定塔顶空间高度。 2、塔底空间高度HB指塔内最下层塔板到塔底间距。 决定因素： A塔底储液空间依储存液量停留38min而定； B 再沸器的安装方式及安装高度； C 塔底液面至最下层塔板之间留有12m的间距。 3、人孔 对于塔径大于1米的板式塔，为安装、检修之需，一般每隔68层塔板设 一人孔。人孔直径一般为450mm600mm，其中伸出塔体的筒长为 200250mm，人孔距中心操作台约距8001200mm。设人孔处的板间距 应等于或大于600mm。 4、塔高 7.2 塔板结构 按塔板的结构，一般分为整块式和分块式两类塔板。塔经小于800mm 时，采用整块式塔板；

13、超过800mm时采用分块式塔板。塔板分块数见 表5-3所示。 7.3 精馏塔的附属设备 1、再沸器 类类型内置式再沸器 （蒸馏馏釜） 釜式再沸器 （罐式再沸器） 虹吸式再沸器强制循环环式 再沸器 优优点安装方便，可 减少占地面积积 ，常用于直径 小于600mm 的蒸馏馏塔中。 气化率高，达 80%以上。 适 于某些塔底物料 需分批移除的塔 霍间间歇精馏馏塔 。 分立式、卧式两 种。按单单位面积积 计计的金属耗用量 低于其他型式， 传热传热 效果好，占 地面积积小，连连接 管线线短。 液体流速大，停留 时间时间 短，便于控制 和调节调节 液体循环环量 。适用于高粘度液 体和热热敏性物料的 蒸馏馏。但设备费设备费 用 较较高，料液易发发生 泄漏。 2、塔顶回流冷凝器 常采用管壳式换热器，有卧式、立式、管内或管外冷凝等形式。 按冷 凝器 与塔 的相 对位 置分 整体式及自流式 优点：蒸汽压降较小，节省安装面积，可藉改变升气管或塔板 位置调节位差以保持回流与裁处所需的压头。 缺点：塔顶结构复杂，维修不便，回流比难于精确控制。 常用于：传热面积较小；冷凝液难以用泵输送的场合；减压蒸 馏。 强制循环式 适于塔的处理量很大或塔板数很多，塔体很高，一般冷凝器 因安装过高带来维修不便的场合。