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1、化工过程设备设计（二）,板式精馏塔的设计,化工学院化学工程系 2015年5月25日,课程设计的目的,目的： 综合能力训练工程调研，收集和查阅文献资料、综合应用所学知识、理论计算、设备选型、工程图绘制、编写设计计算说明书。工程观念培养理论小试中间试验放大为实际工程生产应用。,化工原理课程,将,比作一个完整统一体的人,意义:化工原理课程设计是一个具有总结性的实践教学环节。是综合应用本课程和相关课程知识，完成以某单元操作为主的一次设计实践。为毕业设计和今后从事技术工作打下一定的基础。 1.巩固和掌握本课程的主要知识； 2.培养综合运用所学知识去解决生产实际问题的能力；,设计的意义及要求,一、设计的意
2、义及要求,3.掌握化工设备的工艺设计程序、方法和有关的设计原则。包括查阅技术资料、正确选择工艺参数、搜集有关公式和使用图表手册的能力，以及正确进行工程计算的能力； 4.树立正确的设计思想，用工程观念来考虑设计内容。使理论正确、技术可行、操作安全、经济合理。 5.熟悉有关的国家标准和部颁标准及技术规范。 6.具有用简洁的文字和正确的图表来表达自己设计思想与设计成果的能力。,为有效地实现气液两相之间的传质，塔设备应具有以下两方面的功能：,工业生产对塔设备的要求,在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力，以达到较高的传质效率；,在塔内
3、应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。,为满足工业生产的需要，塔设备应具有下列基本要求：,1）分离效率要高，以减少实际塔板数，降低塔高度；,2）生产能力要大，并能适应生产的波动性，即要求在较大的操作范围内具有较高的分离效率；,3）流体通过塔板的压降小，以节省动力或热能的消耗；,4）结构简单，制造安装容易，以节省材料消耗和减少制造费用；,5）塔内的滞留液量要少，以缩短启动时间，但要保证操作的可靠性；,6）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。,概述,主要内容 结构与性能 流体力学性能 工艺设计方法 选型,塔设备的类型 板式塔：液相为连续相，气相为分散相 填料塔：液相为分散相，气相
4、为连续相,逐级接触式气液传质设备 1）错流塔板 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 2）逆流塔板 筛板塔 栅缝板 波纹板,一、塔板的类型,常用板式塔的类型,塔板的构造,筛孔 降液管 溢流堰,（剖面图）,降液管,受液区,俯视图,一、塔板的类型,塔板,有降液管式塔板,无降液管式塔板,塔板的分类,a.有降液管式塔板 b.无降液管式塔板,错流式,逆流式,1. 塔板分类,(1)泡罩塔板,泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100和150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择。泡罩下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩
5、在塔板上为正三角形排列。,一、塔板的类型,2. 塔板的主要形式,泡罩实物,泡罩塔板,a.操作示意图；b.塔板平面图；c.圆形泡罩,泡罩塔板的优缺点,操作弹性大,塔板不易堵塞,生产能力及板效率较低,结构复杂、造价高,一、塔板的类型,优点,缺点,(2)筛孔塔板,筛孔塔板简称筛板，1830年问世，其结构特点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。,一、塔板的类型,筛孔塔板,a.操作示意图；b.筛孔布置图,板上液面落差小，气体压降低,生产能力大,操作弹性小,结构简单、造价低,塔板效率较高,筛孔塔板的优缺点,优点,缺点,筛
6、孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料,一、塔板的类型,(3)浮阀塔板,浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，可防止阀片与板面的粘结。,一、塔板的类型,浮阀实物,浮阀塔板,a.F1 型浮阀；b. V-4 型浮阀；c. T 型浮阀,新型浮阀塔板,VV塔板,梯形导向浮阀塔板,操作弹性大,生产能力大,处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板粘结,操作时阀片易脱落或卡死,
7、结构简单、造价低,塔板效率较高,一、塔板的类型,浮阀塔板的优缺点,优点,缺点,(4)喷射型塔板, 舌型塔板,舌型塔板的结构特点是，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有5050mm和2525mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管。,一、塔板的类型,舌形塔板示意图, 浮舌塔板,浮舌塔板的结构特点是，其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，处理能力大、压降低、操作弹性大。,浮舌塔板示意图,一、塔板的类型,斜孔塔板,塔板的性能评价指标,生产能力大,塔板效
8、率高,塔板压降低,操作弹性大,结构简单，制造维修方便，造价低,二、塔板的性能评价,三种塔板的比较:,1. 生产能力： 筛板 浮阀 泡罩； 2. 压降： 泡罩 浮阀 筛板； 3. 操作弹性： 浮阀 泡罩 筛板； 4. 造价： 泡罩 浮阀 筛板； 5. 板效率： 浮阀、筛板相当 泡罩。,常见塔板的性能比较 塔板类型 相对生 相对塔 操作 压力降 结构 成本产能力 板效率 弹性泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 复杂 1.0筛孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 简单 0.4 0.5 浮阀塔板 1.2 1.3 1.1 1.2 大 中 一般 0.4 0.5舌形塔板 1.3 1.5 1.1 小 低 简单
9、 0.4 0.5斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 简单 0.4 0.5,二、塔板的性能评价,三、塔板的结构参数,四、塔板的溢流装置,1. 降液管,降液管是塔板间液体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。,降液管,圆形降液管,弓形降液管,矩形降液管,适用于小直径塔,适用于中等直径塔,适用于中大直径塔，采用中间溢流,四、塔板的溢流装置,塔板溢流类型,四、塔板的溢流装置,2. 受液盘,受液盘用于接受上层塔板下降的液体，通过进口堰形成液封，并使液体在塔板上分布均匀。,受液盘,平受液盘,凹形受液盘,适用于小直径塔,适用于大直径塔,五、板式塔的流体力学性能,塔板上气液两相的接触状态是
10、决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态：,鼓泡接触状态,蜂窝接触状态,泡沫接触状态,喷射接触状态,1. 塔板上气液两相的接触状态,（1）鼓泡接触状态,鼓泡接触状态,气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。,五、板式塔的流体力学性能,（2）蜂窝状接触状态,蜂窝状接触状态,随着气速增加，气泡数量不断增加。当气泡形成速度大于气泡浮升速度时气泡在液层中累积。气泡间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态
11、不利于传热和传质。,五、板式塔的流体力学性能,（3）泡沫接触状态,泡沫接触状态,当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈动态泡沫，由于泡沫接触状态表面积大，并不断更新，是一种较好的接触状态。,五、板式塔的流体力学性能,（4）喷射接触状态,喷射接触状态,当气速继续增加，把板上液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用落回到塔板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。液滴回到塔板上又被分散，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，是一种较好的接触状态。,五、板式塔的流体力学性能
12、,气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。,塔板 阻力,板上各部件所造成的局部阻力。,板上充气液层的静压力形成的阻力。,液体表面张力形成的阻力。,塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降,干板阻力,充气液层阻力,表面张力阻力,五、板式塔的流体力学性能,2. 塔板压降,分析,气液接 触时间,塔板效率,塔釜温度 气体阻力,塔板压降,塔板压降,能量消耗,对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。,五、板式塔的流体力学性能,当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。,塔板上的液面 落差示意图,
13、液面 落差,五、板式塔的流体力学性能,3. 液面落差,分析,气液分布均匀程度,塔板效率,与塔板的 结构有关,泡罩塔板,大,浮阀塔板,中,筛孔塔板,小,与塔径、液体流量有关,塔径,流量,五、板式塔的流体力学性能,（1）漏液,在正常操作塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。为保证塔正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量为10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。,六、板式塔的操作特性,1.塔板上的异常操作现象,上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体分散成微小液滴，气体夹带着这些
14、液滴在板间的空间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体进入上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。为维持正常操作，需将雾沫夹带限制在一定范围，一般为 eV 0.1kg(液)/ kg(气)。,（2）雾沫夹带,雾沫夹带量,六、板式塔的操作特性,（3）液泛,塔板正常操作时，在塔板上应维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。,液泛,夹带液泛,降液管液泛,由雾沫夹 带限制,六、板式塔的操作特性,对一定分离物系，当设计选定塔板类型后，其操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内的气
15、液负荷限制在一定的范围内，该范围即为塔板的负荷性能。,塔板的负荷性能用负荷性能图表示,2.塔板负荷性能图,六、板式塔的操作特性,塔板的负荷性能图,液相负荷上限线,漏液线,雾沫夹带线,液相负荷下限线,液泛线,操 作 点,操作线,(1)漏液线,漏液线气相负荷下限线,漏液量 10液流量,漏液气速 umin,(2)雾沫夹带线,雾沫夹带线气相负荷上限线,雾沫夹带量 0.1kg液/kg气,夹带气速 umax,六、板式塔的操作特性,(3) 液相负荷下限线,液流量过低，板上液层不均匀，气体停留时间短，传质效率低。,最小液流量 Lmin,(4) 液相负荷上限线,液流量过高，液体通过降液管内的停留时间较短，气泡来不及与液体分离 气泡夹带。,
