《化工原理》电子教案 —— 板式塔及其设计计算

《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

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

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。

气量↑ →夹带量↑板间距 HT↓ → 夹带量↑

要求液沫夹带量 eG≯�0.1kg 液沫 /kg 干气

液沫夹带影响因素

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。

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

液 泛现象：

6.10.2 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。

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。

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。

（ 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

6.10.3 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 - 8 mm ，大孔径筛板： 12 - 25 mm 。

（ 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

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。

（ 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 ；

选取塔板间距 HT ：

塔径D，m

0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 >2.4

塔板间距HT，m

0.2-0.3 0.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.8 ≥ 0.6

塔板间距和塔径的经验关系

塔体高度：有效高 + 顶部 + 底部

二、筛板塔设备设计计算

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—500m

m 。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 。

MLH

DB

'2

4

maxL g

g

u C

C ：气体负荷因子，与 HT 、 液体表面张力和两相接触状况有关。

① 液泛气速

（ 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 。

2.0

20 20

CC 8-7

取板上清液层高度 hl=50-100mm 之间

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

0.40.30.2 1.00.70.10.040.030.02 0.070.01

0.04

0.03

0.02

0.07

0.01

0.10.09

0.060.05

L lLV

g g

VF

V

20C

筛板塔泛点关联图

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

sn

VA

u所需气体流通截面积

设计气速 u = 泛点率 ×umax

Af

③ 计算塔径 D

An= AT - Af

An

总面积 AT

按下表 1选择塔板流型，并取堰长 kDlw 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。

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 ＜ 11 ＜ 110 110～ 200 200～ 300

4.0 ＜ 11 ＜ 110 110～ 230 230～ 350

5.0 ＜ 11 ＜ 110 110～ 250 250～ 400

6.0 ＜ 11 ＜ 110 110～ 250 250～ 450

TAD

4塔径

说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。

fATA由教材图 8-17查得溢流管面积 和塔板总面积 之比，即

T

nT

T

f

A

AA

A

A ，然后求得塔板总面积 TA

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。

sV 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。

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

1800-2000

2200-2400

塔板分块数 3 4 4 4

（ 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。

平流堰溢流辅堰

栅栏堰三角形齿堰

堰长 lW ：影响液层高度。

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。

W f Tl D f A A75.06.0 DlW

7.05.0 DlW

说明：通常应使液流强度 VL/lW 不大于 60 m3/ （ mh ）。

双流型 :

单流型：

2/3

32.84 10 Low

W

Vh E

l

(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 。

mmhOW 6

mmbb ss 10050

mmbc 50

堰上方液头高度 hOW ：

要求：

③ 无效区（边缘区） ：

bc

bd

bslW

r

x

)sin(2 1222

r

xrxrxAa

)sin(2)sin(2 11221

21

1222

r

xrxrx

r

xrxrxAa

（ 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 鼓泡区（有效传质区）：

双流型弓形降液管塔板：

20

2

20

907.060sin

2

142

1

t

d

t

d

A

A

oa

o

bc

bd

bs lWr

x

d0

t

00

gVuA

202

0

0

785.04

d

A

d

An a

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。

筛孔气速：

筛孔数：

d0

t

(6) 塔板的校核（参看教材） 对初步设计的结果进行调整和修正。

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。

2.33107.5

fTv HH

ue

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 ：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 。

)(5.2 OWWf hhH 式中 Hf 为板上泡沫层高度：

要求： ev ≤ 0.1 kg 液体 / kg 气体。

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。

f d

L

A H

V

停留时间：

要求： s53 说明：停留时间过小，可 增加降液管面积 或 增大塔板间距。

说明：如果稳定系数 k 过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。

⑤ 严重漏液校核

要求： 2~5.1k

⑥液面落差△

△/h0＜ 0.5

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。

3

232.313 )(101.75.21081.8

W

VLWTVV l

qhHAq h

h

（ 6 ）塔板的负荷性能图——确定塔板的操作弹性

② 液相下限线

006.01084.2

3/2

3

W

VLow l

qEh h

整理出：

规定

WVLh lq 07.3

③ 严重漏液线（气相下限线）

hhhh OWW 13.00056.00

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。

sL

HA

s

Td 5

dTh AHV 720

⑤ 降液管液泛线

WTd hHH

L

v

c

u

gh

2

0

00 )(

2

1

WTbW

h

W

hh

L

V hHhl

L

l

L

nd

V)5.1(1018.11026.41041.3

2

83

2

3

2

20

8

,max

,min

g

g

V

V塔板的操作弹性：