《化工原理》电子教案 —— 板式塔及其工艺设计计算

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工原理电子教案, 板式塔及其工艺设计计算,大连理工大学化工原理教研室,王瑶 韩志忠,6.10 板 式 塔,6.10.1 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, 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。, 降液管（液体通道）,液体流通通道，多为弓形。, 受液盘,塔板上接受液体的部分。, 溢流堰,使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。,浮阀塔板结构,（2） 塔板上的气液两相流动,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。,塔,板上的,非理想,流动情况,：, 气相或液相返混,液沫夹带、气泡夹带 ，即：,返混现象,后果,：,板效率降低,。, 不均匀流动,液面落差,（水力坡度）：引起塔板上,气体分布,不均匀；,塔壁作用,（阻力）：引起塔板上,液体分布,不均匀。,后果：,使塔板上气液接触不充分，,板效率降低。,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) 过量雾沫夹带液泛,原因：, 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；, 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。,液泛气速：,开始发生液泛时的气速,。,2）降液管液泛,当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻力及降液管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。,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,。,6.10.3 常用塔板的类型,（1）泡罩塔板,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。,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,（4）多降液管（MD）塔板,优点：,提高允许液体流量,6.10.5 筛板塔化工设计计算,（1）塔的有效高度,Z,已知：,实际塔板数,N,P,；,塔板间距,H,T；,选取塔板间距,H,T,：,理论塔板数计算软件,塔板间距和塔径的经验关系,塔体高度：有效高+顶部+底部+,其它,有效塔高：,C,：气体负荷因子,，,与,H,T,、 液体表面张力和两相接触状况,有关。, 液泛气速,两相流动参数,F,LV,：,（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,u,f,(m/s),；,然后选设计气速,u,；,最后计算塔径,D。,对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，,C,20,=,(,H,T,、,F,LV,),0.2,H,T,=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,筛板塔泛点关联图, 选取设计气速,u,选取,泛点率：,u,/,u,f,一般液体， 0.6 0.8,易起泡液体，0.5 0.6,所需气体流通截面积,设计气速,u,= 泛点率 ,u,f,A,D,A,d, 计算塔径,D,塔截面积：,A,=,A,T,-,A,d,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。,（3）溢流装置设计, 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。, 降液管形式和底隙,降液管：,弓形,、圆形。,降液管截面积：由,A,d,/,A,T,= 0.06 0.12 确定；,底隙,h,b,：通常在 30 40 mm。,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。,堰长,l,W,：,影响液层高度。,堰高,h,W,：,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。,说明：通常应使溢流强度,q,VLh,/,l,W,不大于100130 m,3,/（m,h）。,或：,双流型:,单流型：,(4) 塔板及其布置, 受液区和降液区,一般两区面积相等。, 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。,堰上方液头高度,h,OW,：,要求：, 边缘区：,b,c,b,d,b,s,l,W,r,x,（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,：, 有效传质区：,双流型弓形降液管塔板,：,b,c,b,d,b,s,l,W,r,x,d,0,t,筛孔直径,d,0,:,3 8 mm (一般)。,12 25 mm (,大筛孔),孔中心距,t,:,(2.55),d,0,取整。,开孔率,:,通常为,0.08 0.12。,板厚：,碳钢,（3 4mm）,、不锈钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d,0,t,(6) 塔板的校核,对初步设计的结果进行调整和修正。, 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）,e,v,：,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,：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。,故有：,所以,说明：,超过允许值，可调整,塔板间距,或,塔径,。,e,v,的计算方法,：,方法1：利用Fair关联图求,，进而求出,e,v,。,方法2：用Hunt经验公式计算,e,v,。,式中,H,f,为板上泡沫层高度：,要求,：,e,v,0.1,kg,液体 /,kg,气体。, 塔板阻力的计算和校核,塔板阻力：,塔板阻力,h,f,包括,以下几部分:,（a）干板阻力,h,0,气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；,（b）液层阻力,h,l,气体通过液层阻力；,（c）克服液体表面张力阻力,h,孔口处表面张力。,清液柱高度表示：,（a）干板阻力,h,0,d,0,/,C,0,塔板孔流系数,C,0, 孔流系数,（b）液层阻力,h,l,查图求充气系数,说明：,若塔板阻力过大，可,增加开孔率,或,降低堰高。,（c）,克服液体表面张力阻力,（一般可不计）, 降液管液泛校核,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度 (m),（a） 液面落差,一般较小，可不计。当,不可忽略时,，,一般要求： 0.5h,0,（b）,液体通过降液管阻力,h,d,包括底隙阻力,h,d1,和进口堰阻力,h,d2,。,无进口堰时：,泡沫层高度,要求：,说明：,若泡沫高度过大，可,减小塔板阻力,或,增大塔板间距。,泡沫层相对密度：对不易起泡物系，,易起泡物系，, 液体在降液管中停留时间校核,目的：,避免严重的气泡夹带。,停留时间：,要求：,说明：,停留时间过小，可,增加降液管面积,或,增大塔板间距。,（a）计算,严重漏液时干板阻力,h,0,（b,）计算,漏液点气速,u,0,说明：,如果稳定系数,k,过小，可,减小开孔率,或,降低堰高。, 严重漏液校核,漏液点气速,u,0,：,发生严重漏液时筛孔气速。,稳定系数：,要求：, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,规定：,e,v,=,0.1（,kg,液体 /,kg,气体） 为限制条件。,（6）塔板的负荷性能图,确定塔板的操作弹性, 液相下限线,整理出：,规定：, 严重漏液线（气相下限线）,代入相关公式，如,h,OW,、,、,u,0,，整理出。, 液相上限线, 降液管液泛线,规定：,塔板的操作弹性：,或,工艺设计计算示例,