《板式塔设计》PPT课件.ppt

第六节 板式塔 6-6-1 板式塔概述 板式塔是重要的气-液传质设备,汽、液两相接触方式：全塔：逆流接触 塔板上：错流接触,两相流动的推动力：液体：重力 气体：塔压（塔底 塔顶）,设计意图：使气、液两相充分接触传质 获得最大传质推动力,充分接触：接触时间足够长 接触面积足够大，且不断更新,塔板结构：,1、气体通道形式很多，如筛板、浮阀等。对塔板性能影响很大。,2、降液管（液体通道）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。,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 气液接触方式：鼓泡，泡沫和喷射接触状态 气液传质，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，需重新分离，板效率降低，能耗增加。,2、不均匀流动 液面落差（水力坡度）：塔壁作用（阻力）：,6-6-2 板式塔中气液相异常流动一、液泛(淹塔)液体充满塔板之间的空间，塔的正常操作，不能进行。,传质的非理想流动，使塔板效率降低,引起塔板上气速不均,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。,原因：1、过量液沫夹带液泛 气速过高液泛气速,二、严重漏液 原因：1、气速过小 漏液点气速 2、液层厚度不均,2、降液管液泛 降液管阻力过大引起,根源：塔径偏小,特点：塔板阻力剧增,板式塔设计条件：塔顶第一块板（或塔底最后一块板）上：气液相体积流量：qVVh(qVVs),qVLh(qVLs)；气液相密度：V,L；界面张力：；实际塔板数：NP和NPf。,板式塔的工艺设计,概述：,板式塔的工艺设计,设计要求：在给定的操作条件下：避免出现过量液沫夹带、液泛、严重漏液等不正常的流体力学现象；具有较高的塔板效率；具有较小的塔板压力降；具有一定的操作弹性，能适应生产能力和操作条件的适当波动。,概述：,板式塔的工艺设计,设计程序：选型：板式塔：操作稳定，效率高；填料塔：压力降小，通量大，采用高效填料效率高。一般真空精馏用填料塔。其它：D大板；D小填塔板类型选择：浮阀塔、筛板塔、斜孔筛板塔等,计算：1、模拟计算：确定R,N,Np,及塔顶塔底和 各板T,P,气液相流量、组成等 2、水力学计算：塔高、塔径、塔盘结构尺寸 及流体力学校核,概述：,板式塔的设计计算一、塔高h 已知：实际塔板数 NP 选取塔板间距 HT 有效塔高：Z=NPHT 塔体高度：h有效高+顶部+底部+其它 安装高度：裙座,选取塔板间距 HT：考虑经济性、经验选取 HT，则塔高，液沫夹带量，液泛气速,HT，则塔内气速，塔径可，但塔高,next,go,釜液流量/S,釜液停留时间：进料有缓冲35min 进料无缓冲15min,塔底蒸气管分离高度,人孔：隔1020块板，d500mm，该板HT800mm；进料板：HT 600mm,return,再沸器安装；釜液泵汽蚀,塔板间距和塔径的经验关系,求出塔径后，需满足经验关系,二、塔径 原则：防止过量液沫夹带液泛，先确定液泛气速 uf(m/s)，然后选设计气速 u，计算塔径 D。1、液泛气速：,C气体负荷因子；C=f(HT,，两相接触状况）,式中，Vs、Ls：气、液相体积流率 m3/s WL、WV：气、液相质量流率 kg/s,两相流动参数 FLV：,C的计算：由泛点关联图求C20-=20mN/m 时的气 体负荷因子：C20=(HT、FLV),选定HT，计算出 FLV 及 C，可计算液泛气速 uf,2、选取设计气速 u求塔径 选取泛点率：u/uf 一般液体，0.6-0.8 易起泡液体，0.5-0.6 设计气速 u=泛点率 uf,可求得气体流通截面积：,塔截面积 AT=气体流通截面积 A+降液管面积 Ad 即：A=AT-Ad,故塔径,塔截面积,其中：Ad/AT 根据经验选取,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,计算塔径需按系列标准圆整，得到设计塔径D。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,三、溢流装置设计 1.溢流型式的选择 依据：塔径 流量,三、溢流装置设计,3.溢流堰：维持塔板液层 结构尺寸：堰高 hW，堰长lW,降液管：液体通道 弓形、圆形；弓形降液管尺寸：面积Ad，宽bd，弦lw；由Ad/AT=0.060.12确定 底隙 hb：30-40 mm hW,堰高 hW：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，液沫夹带 常、加压塔：50-80 mm 减压塔：25 mm,堰长 lW：,由Ad/AT查书上图，可求 lW,要求：溢流强度Lh/lW 100130m3/mh,Lh/lW 过大how过大板上泡沫层过厚液沫夹带过多。需适当增加Ad/AT，增加lW,lW讨论：,E：液流收缩系数一般，取 E=1,堰上方液头高度：,要求：,否则，液流不均，需lW 或用齿形堰,四、板面布置 1、受液区和降液区 2、入口安定区bs和出口安定区bs bs=bs=50100mm 3、边缘区：bc=50mm 4、有效传质区：Aa,单流型弓形降液管塔板：,双流型弓形降液管塔板：,五、筛板塔：筛孔的尺寸和排列,传质区设计：,t,由几何关系：,筛板开孔率：A0/Aa筛孔面积/有效传质区面积,筛孔直径d0:通常3-8 mm；大孔径筛板：12-25 mm d0小，不易漏液；d0大且u大，也可，但弹性小,排列方式：常按正三角形均布,大，u0小，易漏液；小，u0大，阻力大,取值范围:0.06-0.14,选择孔径 d0，确定开孔率；由公式求t 取整；再由公式求；计算开孔面积A0，筛孔数n，筛孔气速u0。,五、筛板塔：筛孔的尺寸和排列,设计步骤：,板厚：碳钢（3-4mm）、不锈钢,传质区设计：,六、浮阀塔：阀孔的尺寸及排列（p.212）,型式：F1、V-4、十字架型、A型、,尺寸：常用F1型：d0=39mm,排列方式：等腰三角形（p.215),列间距：75、100、125mm；排间距：自定,开孔率：,常压、减压塔：=10%14%加压塔：10%,传质区设计：,注意：分块式塔板（整）,六、浮阀塔：阀孔的尺寸及排列（p.212）,1、初步确定n和：选取阀孔动能因子F0=812，用下式计算u0，n及,设计步骤：,2、在有效传质区均匀排列浮阀（数目n）,传质区设计：,列间距：75、100、125mm；排间距：自定原则：与液流垂直方向上，各孔距离尽量基本相等,所排孔数n,3、按实际孔数n计算：u0，F0，,要求：附浮阀排列图,七、塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正,1、液沫夹带量校核,筛板塔：液沫夹带量的表示方法：1）ev：单位量气体所夹带的液体量，kg液/kg气，或kmol液体/kmol气体 2）e：单位时间夹带到上层塔板的液体量，kg 液体/h 3）液沫夹带分率：每层板夹带的液体占进入该板的液体的分率。则：,ev计算：方法一，查Fair图(教材117页)，可求 ev 方法二，用Hunt公式：,式中Hf 为板上泡沫层高度：Hf=2.5(hW+hoW),校核判据：ev 0.1，不发生过量液沫夹带 ev 0.1，发生过量液沫夹带,当ev或接近于0.1时，需要调整塔板结构尺寸，方法：增大D，或减小Ad/AT（有限）uev；增大HT。,七、塔板的校核,1、液沫夹带量校核筛板塔：,浮阀塔校核参数：泛点率F1,Z液体横过塔板流动的行程,K物性系数，查表5-11，对正常系统 K=1CF泛点负荷因子，查图（217页）Ab板上液流面积，Ab=AT-2Ad,单流型:Z=D-2bd,双流型:Z=(D-2bd-bd)/2,校核判据：D 0.9m：F1 0.650.75 一般的大塔：F1 0.80.82 负 压 塔：F1 0.750.77,取两者较大值,如不满足判据，应调整塔板间距或 塔径,七、塔板的校核,1、液沫夹带量校核 浮阀塔：,2、塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：以清液柱高度表示,塔板阻力 hf 构成:（1）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）（2）液层阻力 hl 气体通过液层阻力（3）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力,m(液柱),七、塔板的校核,（1）干板阻力，m(液柱)筛板：,C0 孔流系数，查P118，图（教材）浮阀塔板：计算公式：,使用方法：联立以下二式求临界阀孔气速u0,K 比较：若u0 u0,K，用上式（全开）计算h0 若u0u0,K，用下式（未全开）计算h0,七、塔板的校核,2、塔板阻力的计算和校核,校核判据：hf100mm液柱若hf过大，可 增加开孔率u0干板阻力h0 或 降低堰高液层阻力hl,（3）克服液体表面张力阻力：一般可不计，m(液柱),（2）液层阻力，m(液柱),筛板：查图求（教材118页）浮阀：=0.5,七、塔板的校核,2、塔板阻力的计算和校核,how计算公式前述,3、降液管液泛校核,液面落差，一般较小，可不计；当不可忽略时，,要求：0.5h0,七、塔板的校核,在上板降液管液面和下板液面之间列方程可得：降液管中清液柱高度(m),液体通过降液管阻力 hd，hd=hd1+hd2 主要考虑底隙阻力 hd1，无进口堰时hd2=0。,泡沫层高度,校核判据：,若泡沫层高度过大，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，=0.5-0.6 易起泡物系，=0.3-0.4,3、降液管液泛校核,七、塔板的校核,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),停留时间,要求,停留时间过小，可 增加降液管面积 或 增大塔板间距,5、严重漏液校核 漏液点气速 u0：发生严重漏液时筛孔气速,七、塔板的校核,校核要求：稳定系数,1)筛板塔：由如下经验公式计算严重漏液时干板阻力 h0：,再由干板阻力计算公式计算漏液点气速 u0,如果稳定系数K过小，可 减小开孔率 或 降低堰高,2）浮阀塔：取漏液点F0=5，可得,5、严重漏液校核,七、塔板的校核,漏液点气速 u0 计算方法：,八、塔板的负荷性能图,计算塔板的操作弹性；确定生产能力的控制因素,八、塔板的负荷性能图,负荷性能图各条线做图条件：,过量液沫夹带线：筛板塔：由 ev0.1 得到VhLh关系 浮阀塔：F10.8（小塔0.7）,降液管液泛线：HdHThw严重漏液线：u0=u0液相上限线：5s液相下限线：hOW6mm,（1）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）筛板塔规定：ev=0.1（kg 液体/kg气体）为限制条件,Hf=2.5(hW+hoW),八、塔板的负荷性能图,浮阀塔，取 F1=0.8,估计：Ab0.78AT时用第一式（多见）,Ab=AT-2Ad 塔板上液流面积,(2)液相下限线 规定,整理出：Lh=3.07lW 与y轴平行,（3）严重漏液线（气相下限线）,筛板塔：,代入相关公式，如hoW、u0，整理。教材128页浮阀塔：,（4）液相上限线保证液体在降液管中有一定的停留时间,（5）降液管液泛线 Hd=HT+hW,两种塔型在hf 一项上有区别筛板塔：代入相关公式（教材129页）浮阀塔：,塔板的操作弹性：,八、塔板的负荷性能图,要求：1、做出负荷性能图；2、过设计气液流量点和原点 做直线操作线 标出设计点P；3、计算操作弹性。,希望设计点较为居中。如果设计点靠近某线，则该线为控制因素。过近，需修改设计。操作弹性应3，否则也需修改设计。,re,