板式塔设计

化工原理课程设计一、精馏过程工艺设计1.概述1.1精馏过程工艺设计的基本内容（1）确定精馏过程工艺流程方案精馏过程、操作条件、辅助设备（2）精馏塔设备设计塔形式、塔高、塔径、塔盘设计——核心（3）辅助设备设计再沸器、冷凝器、贮罐、预热器、冷却器（4）管路设计及泵的选择管路阻力计算、选泵的类型（5）控制方案主要控制点的控制方案（6）设计结果设计说明书、带控制点的工艺流程图、主体设备工艺条件图1.2设计方案（1）工艺流程确定分离序列、能量利用、辅助设备、控制方案（2）操作条件的选择操作压力——加压、常压、减压进料状态——过冷液体、饱和液体、汽液混合、饱和蒸汽、过热蒸汽（3）加热剂及加热方法加热剂——饱和水蒸气、热水、热工艺物流、热油等加热方法——间接加热、直接加热（4）冷却剂冷却水——5~10℃温升，出口小于50℃。高品位冷剂——液氨（5）回流比1.3精馏过程的模拟计算（1）塔分离计算注意：相对挥发度的确定=KA/KB（2）物料及热量衡算1.4实际塔板数及塔高（1）实际塔板数TTPENN注意：NT不包括塔釜（2）塔高塔高=有效高度+塔顶空间高度+塔底空间高度+塔底裙座高度2板式塔2.1板式塔结构及性能（1）板式塔结构进料回流液塔顶气相塔底液相塔板结构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。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。汽、液两相接触方式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。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。浮阀塔内部结构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。②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。（2）板式塔性能要求①生产能力大；②塔板效率高；③具有适当的操作弹性；④塔板阻力小；⑤塔结构简单，易于加工制造，维修保养。（3）设计的基本任务设计分为两个阶段：基础设计（初步设计）；详细设计（施工设计）。基础设计阶段的设计任务：①根据精馏过程严格的分离计算获得塔设计的基础数据；②根据体系性质、气液流量以及操作条件选择适宜的塔型；③根据基础数据确定塔径、塔盘间距、液流形式及塔盘设计；④塔盘水力学性能校核。详细设计阶段的设计任务：按基础设计提供的工艺尺寸进行具体布置和安排，即对塔体、塔板用材的选择，机械强度和结构的设计，精馏塔进料、回流、采出等物流管线的配管设计，以及人孔、扶梯平台等辅助配件的设计。2.2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：①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。②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。并称之为降液管内液泛。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。2.3塔板上气、液两相接触状态从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态，即：鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态及乳化状态。塔板上的气液接触状态①泡沫状态各种尺寸的气泡连串迅速上升，将液相拉成液膜展开在气相内，因泡沫剧烈运动，使泡沫不断破裂和生成，以及产生液滴群，泡沫为传质创造了良好条件。是工业上重要的接触状态之一。②喷射状态速气流将液相分散成高度湍动的液滴群，液相由连续相转变为分散相，两相间传质面为液滴群表面。由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚，表面不断更新，为传质创造了良好的条件，是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。2.4常用塔板的类型（1）泡罩塔优点：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。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：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔（2）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小，目前广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径：3~8mm，大孔径筛板：12~25mm。筛板（3）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点：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。方形浮阀F1型浮阀（4）喷射型塔板气流方向：垂直→小角度倾斜，改善液沫夹带、液面落差。气液接触状态：喷射状态连续相：气相；分散相：液相促进两相传质。形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。缺点：气泡夹带现象比较严重。ⅠⅡⅢα=50Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角舌形塔板：溢流堰降液管安定区塔板连接区受液区液体分布区导向孔1015208111520液流方向3035.74.7(a)斜孔结构之一(b)塔板布置斜孔塔板斜孔塔板：AA降液管进口堰压延金属板A-A剖视图网孔塔板网孔塔板：垂直筛板液相塔板泡罩气相垂直筛板：（5）多降液管（MD）塔板优点：提高允许液体流量（6）林德筛板（导向筛板）应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。斜台：抵消液面落差的影响。导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。液流(a)斜台装置(b)导向孔林德筛板2.5筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度Z已知：实际塔板数NP；选取塔板间距HT；有效塔高：塔体高度：有效高+顶部+底部+裙座安装高度：裙座pTNHZ选取塔板间距HT：HT↑，则塔内气速↑，塔径↓，但塔高↑HT↓，则塔高↓，液沫夹带量↑，液泛气速↓考虑经济性，经验选取。塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距HT，m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8≥0.6塔板间距和塔径的经验关系说明：工业塔中，板间距范围200~900mm（2）塔径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。溢流堰板上的流型液流型式选取参考表液体流量m3/h塔径mU型流型单流型双流型阶梯流型1.07451.49702.0119090-1603.011110110-200200-3004.011110110-230230-3505.011110110-250250-4006.011110110-250250-450塔径确定确定原则：防止过量液沫夹带液泛步骤：先确定液泛气速uf(m/s)；然后选设计气速u；最后计算塔径D。VVLfCuLVVLLVLLVssmmVVVqqqqFC：气体负荷因子，与HT、液体表面张力和两相接触状况有关。式中，qVVs、qVLs：气、液相体积流率m3/s；qmL、qmV：气、液相质量流率kg/s。①液泛气速两相流动参数FLV：对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图，C20=(HT、FLV)C20：σ=20mN/m时的气体负荷因子0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlVVVLLVssqqFVLVf20uC图5-13气体负荷因子与气液流动参数、液滴沉降高度的关联图2.02020CCVVLfCu所以：②选取设计气速u选取泛点率：u/uf一般液体：0.6-0.8易起泡液体：0.5-0.6uqAVVs所需气体流通截面积设计气速u=泛点率×uf选取Ad/AT，计算塔径Dπ4TADTdT1AAAA塔截面积AT=气体流通截面积A+降液管面积Ad即：A=AT-Ad说明：计算塔径需圆整。系列化标准：0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等塔截面积：ADAd选取Ad/AT原则单流型弓形降液管：0.06~0.12多流型：可适当增大；U形流型：可适当减小。注意：1）必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截面积、实际气速及泛点率。2）校核HT与D的范围。①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30~40mm。（3）溢流装置设计②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。平流堰溢流辅堰三角形齿堰栅栏堰堰长lW：影响液层高度(P205)。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：40~80mm；减压塔：25mm左右。TdWAAfDlDbfDldW75.06.0WDl7.05.0WDl说明：通常应使溢流强度qVLh/lW不大于100~130m3/（mh）。或：双流型:单流型：3/231084.2WLowlqEhh(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其中，E：液流收缩系数，一般可近似取E=1。mmhOW6mm10050ssbbmm50cb堰上方液头高度hOW：要求：③边缘区：bcbdbslWrx)sin(21222arxrxrxA)sin(2)sin(211221211222arxrxrxrxrxrxA（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：单流型弓形降液管塔板：④有效传质区：双流型弓形降液管塔板：20220ao907.060sin214π21tdtdAAobcbdbslWrxd0t00AquSVV20200785.04dAdAna筛孔直径d0:3~8mm(一般)。12~25mm(大筛孔)孔中心距t:(2.5~5)d0取整。开孔率φ:通常为0.08~0.12。板厚：碳钢（3~4mm）、不锈钢。筛孔气速：筛孔数：d0t型式：F1、V-4、十字架型、A型、V-O型F1型：d0=39mmt=75、100、125、150mm排列：一般为正三角形错排、顺排阀孔的尺寸及排列浮阀个数的初步确定：选取阀孔动能因子F0=8~1222022044DdnDdn0205.0004)(udVnFuSV注意：先要排阀，排列后确定u0、F0、Ф常压、减压塔：Ф=10%～14%加压塔：10%开孔率：(6)塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。VVLVLeqqeeqemmmVVLLVLvss11VVmmqqqqe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。故有：所以2.3fT3v107.5HHue说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。ev的计算方法：方法1