气液传质设备板式塔设计优秀课件.ppt

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1、气液传质设备板式塔设计第1页，本讲稿共36页板式塔设计步骤板式塔设计步骤 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。第2页，本讲稿共36页1 1 设计方案的确定设计方案的确定(6(6步法步法)1.1 装置流程的确定装置流程的确定蒸馏装置蒸馏装置精馏塔精馏塔原料预热器原料预热器蒸馏釜（再沸器）蒸馏釜（再沸器）冷凝器冷凝器釜液冷却器和产品冷却器釜液冷却器和产品冷却器原料入塔原料入塔泵输送（易受泵操作波动影响）泵输送（易受泵操作波动影

2、响）高位槽送液（稳定）高位槽送液（稳定）泡点冷凝器泡点冷凝器分凝器分凝器产品冷却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。安全等诸因素。第3页，本讲稿共36页1.2 1.2 操作压力的选择操作压力的选择依据操作压力依据操作压力常压操作常压操作减压操作减压操作加压操作加压操作 选择依据：一般，对热敏性物选择依据：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；常压下呈气态的物用减压蒸馏；常压下呈气态的物系采用加压蒸馏。系采用加压蒸馏。1.3 1.3 进料热状况的选择进料热状

3、况的选择进料热状况进料热状况：冷液进料：冷液进料(q1)、泡点进料、泡点进料(q=1)、气液混合进料、气液混合进料(q1)、饱、饱和蒸汽进料和蒸汽进料(q=0)及过热正气进料及过热正气进料(q2.4板间距板间距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，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

4、板间距，一还应考虑安装、检修的需要，如在塔体的人孔处，应采用较大的板间距，一般不低于般不低于600mm。第9页，本讲稿共36页3.2 3.2 塔径的计算（可参课本塔径的计算（可参课本P157P157页）页）计算公式：计算公式：关键在于计算空塔气速关键在于计算空塔气速u u 空塔气速的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，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。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：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

5、：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。度相等，为最大允许气速。第10页，本讲稿共36页3.2 3.2 塔径的计算（可参课本塔径的计算（可参课本P157P157页）页）史密斯关联图中：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。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。第11页，本讲稿共36页4 4 板式塔的塔板工艺尺

6、寸计算板式塔的塔板工艺尺寸计算4.1 溢流装置的设计溢流装置的设计溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分。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（参图降液管的类型与溢流方式（参图10-12所示）所示）类类 型型圆形降液管圆形降液管用于小直径塔，用于小直径塔，800mm溢流方式溢流方式U U型流型流又称回转流。弓形降液管一半为受液盘，另一半为降又称回转流。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。液管。特点：液体流径长，板效率高，板面利用率高。单溢流单溢流又称直径流。特点：流体流径较长，板效率较高，加又称直径流。

7、特点：流体流径较长，板效率较高，加工方便，在小于工方便，在小于2.2m2.2m的塔中应有广泛。的塔中应有广泛。双溢流双溢流又称半径流。特点：液体流动的路程短，液面落差小，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，适用于大于但结构复杂，板面利用率低，适用于大于2m2m的塔。的塔。阶梯式双溢流阶梯式双溢流特点：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。落差。但结构复杂，致使应用于塔径很大、液流量很大的场合。表表10-2（P130页）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型页

8、）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型第12页，本讲稿共36页4.2 溢流装置的设计计算溢流装置的设计计算溢流装置的设计溢流装置的设计参图参图10-39所示。所示。1、溢流堰、溢流堰形状形状平直堰平直堰齿形堰齿形堰一般采用平直形溢流堰板一般采用平直形溢流堰板（1）堰长）堰长第13页，本讲稿共36页（2）堰高）堰高降液管端面高出塔板板面的距离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：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设计时，一般保持塔板上清液层高度在50100mm50100mm，于是，堰高，于是，堰高hwhw则由

9、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6mm6mm，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，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，一般不宜大于量增加，板压降增大。设计时，一般不宜大于6070mm6070mm，超过此值应采，超过此值应采用双溢流形。用双溢流形。对平直堰：对平直堰：由上式看出，由上式看出，how仅与仅与Lh和和lw有关，故也可从图有关，故也可从图3-11（见天大版（见天大版P163）查知。）查知。第14页，本讲稿共36页对齿形堰：

10、可参阅对齿形堰：可参阅P133页页求得求得how后，可按下式范围确定后，可按下式范围确定hw：第15页，本讲稿共36页2、降液管、降液管弓形降液管弓形降液管2.1 弓形降液管的宽度和截面积弓形降液管的宽度和截面积 弓形降液管的宽度以弓形降液管的宽度以Wd表示，截面积以表示，截面积以Af表示，设计中可根据堰长表示，设计中可根据堰长与塔径之比与塔径之比lw/D由图由图3-12（见天大版（见天大版P163）求算。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：留时间，表示式为：若不能满足上式要求，则应调整降液管尺

11、寸或板间距，直至满意。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。第16页，本讲稿共36页2.2 降液管底隙高度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。表示。降液管底隙高度一般不宜小于降液管底隙高度一般不宜小于2025mm，否则易于堵塞，或因安，否则易于堵塞，或因安装偏差而是液流不畅，造成液泛。装偏差而是液流不畅，造成液泛。第17页，本讲稿共36页2.3 受液盘（参图受液盘（参图10-43、44所示）所示）类型类型平受液盘平受液盘凹受液盘凹受液盘 平受液盘一半需在塔板上设置进口堰，保证液封；并使液体在平受

12、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。板上分布均匀。进口堰高度考虑原则：当出口堰高进口堰高度考虑原则：当出口堰高h hw w大于降液管底隙高度大于降液管底隙高度h h0 0时，时，取取hhw w=h=hw w，如，如h hw whhh0 0，以保证液体由降液管流出时不致，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受到很大阻力，进口堰与降液管间的水平距离h h1 1不应小于不应小于h h0 0。采用凹形受液盘不需设置进口堰。其优点为：凹形受液盘既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

13、冲作用，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，直径大于便于液体从侧线的抽出。一般来说，直径大于600mm的塔，大多的塔，大多采用凹形受液盘。其深度一般在采用凹形受液盘。其深度一般在50mm。第18页，本讲稿共36页4.2 塔板设计塔板设计以筛板塔为例以筛板塔为例1、塔板布置、塔板布置见图见图10-39 （1）开孔区）开孔区（2）溢流区）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,受受液盘所占面积为液盘所占面积为Af；一般，两者相等。可从图；一般，两者相等。可从图3-12

14、求取。求取。第19页，本讲稿共36页（3）安定去）安定去开孔区域溢流区之间的不开孔区域，也称破沫区。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溢流堰前的安定区宽度 Ws=70100mm；进口堰后的安定区宽度进口堰后的安定区宽度 Ws=50100mm；对于小直径的塔（直径对于小直径的塔（直径1m），因塔板面积小，安定区要相应减小。），因塔板面积小，安定区要相应减小。（4）边缘区）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。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，小塔（直径小于1米）米）=5070mm，大塔（直径大

15、于，大塔（直径大于1米）米）2、筛孔的计算及其排列、筛孔的计算及其排列（1）筛孔直径）筛孔直径表面张力为正系统的物系，表面张力为正系统的物系，d0取取38mm；表面张力为负系统的物系，表面张力为负系统的物系，d0取取1025mm。第20页，本讲稿共36页（2）筛板厚度）筛板厚度碳钢塔板，板厚碳钢塔板，板厚为34mm,孔径孔径d0应应不小于板厚不小于板厚；不不锈钢锈钢塔板，塔板，板厚板厚为为22.5mm,孔径孔径d0应不小于应不小于(1.52)。（3）孔中心距孔中心距t t=(2.55)d0，且，且t/d0=34（4）筛孔的排列与筛孔数（筛孔的排列与筛孔数（n）当采用正三角形排列时：当采用正三角

16、形排列时：（5）开孔率）开孔率定义：定义：第21页，本讲稿共36页5 5 筛板的流体力学验算筛板的流体力学验算5.1 塔板压降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。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。第22页，本讲稿共36页1、干板阻力、干板阻力第23页，本讲稿共36页2、气体通过液层的阻力、气体通过液层的阻力通过下式估算：通过下式估算：第24页，本讲稿共36页3、液体表面张力的阻力、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

17、设计允许值比较，计算由上述各式计算的阻力加和得到板压降，应与设计允许值比较，计算值应低于允许值。值应低于允许值。5.2 5.2 液面落差液面落差对塔径小于对塔径小于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。的筛板，应考虑液面落差，此时，可查阅相关手册予以计算。第25页，本讲稿共36页5.3 液沫夹带液沫夹带设计中一般规定液沫夹带量设计中一般规定液沫夹带量ev0.1kg液体液体/kg气体气体液沫夹带量的计算方法液沫夹带量的计算方法查图法（亨利液沫夹带图），见图查图法（亨利液沫夹

18、带图），见图5-12经验公式计算法，如下式：经验公式计算法，如下式：第26页，本讲稿共36页5.4 漏液漏液气速减小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，会发生落叶现象。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：板操作气速的下限，计算方法为：第27页，本讲稿共36页5.5 液泛液泛液泛液泛液沫夹带液泛液沫夹带液泛通过液沫夹带量核算通过液沫夹带量核算降液管液泛降液管液泛*为使液体从上层塔板稳定流入下一层塔板，降液管内必须保持一

19、定为使液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。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：层阻力和液体流过降液管的阻力，故：第28页，本讲稿共36页第29页，本讲稿共36页6 6 塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图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。第30页，本讲稿共36页6.2 液沫夹带线液沫夹带线6.3 液相负荷下限线液相负荷下限线第31页，本讲稿共36页6.4 液相负荷上限线液相负荷上限线6.5 液泛线液泛线第32页，本讲稿共3

20、6页最后，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。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 7 板式塔的结构与附属设备板式塔的结构与附属设备7.1 7.1 塔体空间塔体空间1、塔顶空间高度、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。若需安装除沫器，要根据设置目的：为利于出塔气体夹带的液滴沉降。若需安装除沫器，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间高度。除沫器的安装要求确定塔顶空间高度。2、塔底空间高度、塔底空间高

21、度HB指塔内最下层塔板到塔底间距。指塔内最下层塔板到塔底间距。决定因素：决定因素：A塔底储液空间依储存液量停留塔底储液空间依储存液量停留38min而定；而定；B 再沸器的安装方式及安装高度；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塔底液面至最下层塔板之间留有12m的间距。的间距。第33页，本讲稿共36页3、人孔、人孔对于塔径大于对于塔径大于1米的板式塔，为安装、检修之需，一般每隔米的板式塔，为安装、检修之需，一般每隔68层塔板设层塔板设一人孔。人孔直径一般为一人孔。人孔直径一般为450mm600mm，其中伸出塔体的筒长为，其中伸出塔体的筒长为200250mm，人孔距中心操作

22、台约距，人孔距中心操作台约距8001200mm。设人孔处的板间距。设人孔处的板间距应等于或大于应等于或大于600mm。4、塔高、塔高第34页，本讲稿共36页7.2 7.2 塔板结构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；超过时，采用整块式塔板；超过800mm时采用分块式塔板。塔板分块数见时采用分块式塔板。塔板分块数见表表5-3所示。所示。7.3 7.3 精馏塔的附属设备精馏塔的附属设备1、再沸器、再沸器类型类型内置式再沸器内置式再沸器（蒸馏釜）（蒸馏釜）釜式再沸器釜式再沸器（罐式再沸器）（

23、罐式再沸器）虹吸式再沸器虹吸式再沸器强制循环式强制循环式再沸器再沸器优点优点安装方便，可安装方便，可减少占地面积，减少占地面积，常用于直径小常用于直径小于于600mm的的蒸馏塔中。蒸馏塔中。气化率高，达气化率高，达80%以上。以上。适适于某些塔底物料于某些塔底物料需分批移除的塔需分批移除的塔霍间歇精馏塔。霍间歇精馏塔。分立式、卧式两分立式、卧式两种。按单位面积种。按单位面积计的金属耗用量计的金属耗用量低于其他型式，低于其他型式，传热效果好，占传热效果好，占地面积小，连接地面积小，连接管线短。管线短。液体流速大，停留液体流速大，停留时间短，便于控制时间短，便于控制和调节液体循环量。和调节液体循环

24、量。适用于高粘度液体适用于高粘度液体和热敏性物料的蒸和热敏性物料的蒸馏。但设备费用较馏。但设备费用较高，料液易发生泄高，料液易发生泄漏。漏。第35页，本讲稿共36页2、塔顶回流冷凝器、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。常采用管壳式换热器，有卧式、立式、管内或管外冷凝等形式。按冷按冷凝器凝器与塔与塔的相的相对位对位置分置分整体式及自流式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。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。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。馏。强制循环式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。因安装过高带来维修不便的场合。第36页，本讲稿共36页