7塔板结构设计
板式塔(筛板塔)设计教材
u
0.2
u f C f 20 20
式中
f
L V V
0.5
—— 气体负荷因子， m/s；可由 u
查取 图3
C f 20—— 液相表面张力，mN/m
V 、 L 是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降 注意： uAfT –Af ）为依据计算的。 液管面积（
4. 塔和塔板主要尺寸的设计
4.1 塔和塔板设计的主要依据
进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是： 汽相 流量 VS ( m³ /s ), 密度 ρV ( kg/m³) 液相 流量 LS ( m³ /s ), 密度 ρL ( kg/m³) 表面张力 σ （ mN/m ） 注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板 上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下： (1) 若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为 代表进行设计. (2) 若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值 进行设计。
4.2塔板的设计参数
筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅 图 2 ）： （1）塔板直径D； （2）板间距HT； （3）溢流堰的型式，长度 lW 和高度 hw； （4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho； （5）液体进、出口安定区的宽度Ws’、Ws ,边缘 区宽度Wc； （6）筛孔直径do,孔间距t。
3.2 回流比的选定
选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，
同时应考虑到操作时的调节弹性。
选择方法：
（1） 参考生产现场所提供的回流比数据； （2） 回流比取最小回流比Rmin的1.2～2倍； （3） 先求最少理论板数 Nmin , 以理论板数为Nmin 的两倍求取回流比R； （4） 作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线 图上确定合适的回流比R。
板式塔塔盘设计
塔盘是气液两相接触传质的场所，为提高塔盘性能，采用各种形式塔盘。 1)泡罩塔 组成：升气管和泡罩 优点：塔盘操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵 缺点：结构复杂，制造成本高，塔盘阻力大但生产能力不大 2)筛板塔盘 塔盘上开圆孔，孔径：3-8 mm，大孔径筛板：12-25 mm。 3)浮阀塔盘 优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔盘的操作弹性、降低塔盘的压降，同时 具有较高塔盘效率，在生产中得到广泛的应用 缺点：浮阀易脱落或损坏 浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔盘效率高的优点，但是在处理粘稠度较大的物料方面 不及泡罩塔，在结构、生产能力、塔盘效率、压力降等方面不及筛板塔。 浮阀塔具有下列特点： 1、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增大 20～40%，接近于筛板塔 2、操作弹性大，一般约为 5～9，比筛板塔的操作弹性要大得多 3、塔盘效率高，比泡罩塔高 15%左右，与筛板塔接近 4、压降小，在常压塔中每块盘的压降一般为 400～660Pa 5、液面落差小 6、使用周期长。粘度稍大一些的液体也能正常操作
四、精馏塔的总体设计及结构设计 .................................... 17 1、确定塔设备的型式 ............................................ 17 2、确定塔板数目 ................................................ 17 3、拟定管口方位 ................................................ 17 4、结构设计 .................................................... 17 （1）零部件材料的选取....................................... 17 （2）塔盘结构............................................... 18 （3）工艺接管............................................... 18 （4）压力容器法兰和接管法兰................................. 18 （5）法兰密封垫片的选取..................................... 19 （6）裙座选取............................................... 19 （7）人孔设置............................................... 19 （8）手孔设置............................................... 19 （9）视镜和液位计的选取..................................... 19
化工原理板式塔设计
化⼯原理板式塔设计⽬录第⼀章板式精馏塔的设计1.1概述 (1)1.2板式精馏塔的设计原则与步骤 (1)1.3理论塔板数的确定 (3)1.4塔板效率和实际塔板数 (7)1.5板式精馏塔的结构设计 (8)1.6 板式精馏塔⾼度及其辅助设备 (27)1.7 板式精馏塔的计算机设计 (31)第⼆章板式精馏塔设计举例2.1苯－甲苯板式精馏塔设计 (33)2.2⼄醇—⽔板式精馏塔设计 (47)2.3 甲醇—⽔板式精馏塔设计 (66)第三章塔设备的机械计算3.1 塔体及裙座的强度计算 (86)3.2 塔盘板及其⽀撑梁的强度、挠度计算 (104)3.3 塔盘技术条件 (105)3.4 塔盘⽀撑件的尺⼨公差 (109)附录 (111)第⼀章板式精馏塔的设计1.1概述蒸馏是利⽤液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的⽅法。
蒸馏操作在化⼯、⽯油化⼯、轻⼯等⼯业⽣产中中占有重要的地位。
为此，掌握⽓液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是⾮常重要的。
蒸馏过程按操作⽅式可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。
间歇蒸馏是⼀种不稳态操作，主要应⽤于批量⽣产或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏为稳态的连续过程，是化⼯⽣产常⽤的⽅法。
蒸馏过程按蒸馏⽅式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等。
简单蒸馏是⼀种单级蒸馏操作，常以间歇⽅式进⾏。
平衡蒸馏⼜称闪蒸，也是⼀种单级蒸馏操作，常以连续⽅式进⾏。
简单蒸馏和平衡蒸馏⼀般⽤于较易分离的体系或分离要求不⾼的体系。
对于较难分离的体系可采⽤精馏，⽤普通精馏不能分离体系则可采⽤特殊精馏。
特殊精馏是在物系中加⼊第三组分，改变被分离组分的活度系数，增⼤组分间的相对挥发度，达到有效分离的⽬的。
特殊精馏有萃取精馏、恒沸精馏和盐溶精馏等。
精馏过程按操作压强可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏。
⼀般说来，当总压强增⼤时，平衡时⽓相浓度与液相浓度接近，对分离不利，但对在常压下为⽓态的混合物，可采⽤加压精馏；沸点⾼⼜是热敏性的混合液，可采⽤减压精馏。
《立体传质塔板》课件
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立体传质塔板
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目 录
• 立体传质塔板简介 • 立体传质塔板的设计与优化 • 立体传质塔板的操作与维护 • 立体传质塔板的发展趋势与展望 • 立体传质塔板的案例分析
PART 01
立体传质塔板简介
定义与特点
定义
立体传质塔板是一种新型塔板， 通过立体结构设计，实现高效传 质过程。
2
通过立体传质塔板，石油化工企业能够实现高效 、低能耗的分离过程，提高产品质量和收率。
3
立体传质塔板在石油化工行业中的应用还包括处 理重油、裂化气等复杂组分，降低环境污染。
应用案例二：制药行业
在制药行业中，立体传质塔板主 要用于分离和纯化药物中间体和
原料药。
通过立体传质塔板，制药企业能 够实现高纯度、高收率的分离过
生产的稳定性和连续性。
易维护
塔板设计应便于安装、拆卸和 维修，降低维护成本。
环保性
塔板设计应符合环保要求，减 少能耗和物耗，降低三废排放
。
塔板结构
01
02
03
折流式塔板
折流式塔板通过液体多次 折流流动，增加气液接触 时间，提高传质效率。
筛孔式塔板
筛孔式塔板通过液体通过 筛孔分散成细小液滴，增 加气液接触面积，提高传 质效率。
对设备运行和维护情况进行记 录，及时报告异常情况。
常见问题与解决方案
(完整word)板式塔设计原理
对于每个塔板结构参数已设计好的塔,处理固定的物系时，要维持其正常操作,必须把气、液负荷限制在一定范围内。
通常在直角坐标系中,标绘各种极限条件下的V-L关系曲线，从而得到塔板适宜的气、液流量范围图形，该图形称为塔板的负荷性能图，如图1—23所示,一般由下列五条曲线组成。
⑴ 漏液线线1为漏液线，又称为气相负荷下限线。
气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气、液不能充分接触，使塔板效率下降。
筛板塔的漏液线由式（1—47）或式（1-48）作出，浮阀塔的漏液线由式(1-49）作出.⑵ 雾沫夹带线线2为雾沫夹带线。
当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量过大，使塔板效率大为降低。
对于精馏，一般控制eV≤0.1kg液/kg气。
筛板的雾沫夹带线按式（1—50）作出。
浮阀塔的雾沫夹带线按式（1—51）或式(1-52)作出。
⑶ 液相负荷下限线线3为液相负荷下限线.液相负荷低于此线，就不能保证塔板上液流的均匀分布，将导致塔板效率下降.一般取how=6mm作为下限，按式（1—33）～式（1—37）中一式作出液相负荷下限线。
⑷ 液相负荷上限线线4为液相负荷上限线，该线又称降液管超负荷线。
液体流量超过此线,表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。
通常根据液相在降液管内的停留时间应大于3s，按式（1-24）作出此线。
⑸ 液泛线线5为液泛线。
操作线若在此线上方,将会引起液泛。
根据降液管内的液层高度，按式(1-46）作出此线.由上述各条曲线所包围的区域，就是塔的稳定操作区。
操作点必须落在稳定操作区内,否则塔就无法正常操作。
必须指出，物系一定，塔板负荷性能图的形状因塔板结构尺寸的不同而异.在设计塔板时,可根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数来满足所需的弹性范围.操作时的气相流量与液相流量在负荷性能图上的坐标点称为操作点。
在连续精馏塔中，回流比一定，板上的气液比V/L也为定值。
塔板结构及辅助设备设计
画出原则流程图（带控制点）
2．图例 图例是将物料流程图中画出的有关管线、阀门、设备附件、 计量一控制仪表等图形用文字予以说明。 3．图签 图签是写出图名、设计单位、设计人员、制图人员、审 核人员(签名)、图纸比例尺、图号等项内容的一份表格， 其位置在流程图有下角。 带控制点的工艺流程图一般是由工艺专业人员和自控 专业人员合作绘制出来的。作为化工原理课程设计只要 求能标绘出测量点位置即可。
易维持均匀。(how=6mm)。
3、最大液量线：液体流量过大则降液管内液体停
留时间过短(t=5s)
4、液泛线：降液管内的泡沫层高必须小于板间距与
溢流堰高之和(Hd/Φ =HT+hw)
5、雾沫夹带线：气体流量过大可使液沫夹带过量，
塔板效率即严重下降。(ev=0.1)
弹性的计算及调整
上弹性K上>1.5 下弹性K下>1.5
4.2.1
板面布置
5) 底隙h0：一般应低于外堰高6mm。
h0＜ hW－6mm，防止气体进入降液管;一般不宜小于 20-25mm ，以防堵塞。
6）筛孔布置： 孔径d0: 3-8mm 孔间距：t/d0取2.5-5，实际取3-4 板厚：碳钢3-4mm，不锈钢2-3mm 筛孔面积A0， 开孔区面积Aa 孔数n，开孔按正三角形排列
塔板校核需要输入的数据
表3 筛板塔预选参数 mm 秒
（1）清液层高度 （2）最少停留时间
塔板校核要求
精馏段第一块板和最后一块板的结构完
全相同；
提馏段第一块板和最后一块板的结构完
全相同；
精馏段和提馏段塔板结构可以不同
6、辅助设备计算
P101 E101 E102 C101 进料泵 进料预热器 再沸器 精馏塔
板式塔主要类型得结构与特点
板式塔主要类型得结构与特点工业上常用得板式塔有：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流栅孔板塔浮阀塔具有得优点：生产能力大，塔板效率高，操作弹性大，结构简单，安装方便。
二、板式塔得流体力学特性1、塔内气、液两相得流动A 使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果B 使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀得错流接触，以获得较大得传质推动力。
2、气泡夹带：液体在下降过程中，有一部分该层板上面得气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。
3、液（雾）沫夹带：气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。
4、液面落差液体从降液管流出得横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧得液面将比出口这一侧得高。
此高度差称为液面落差。
液面落差过大，可使气体向上流动不均，板效率下降。
5、气体通过塔板得压力降压力降得影响：A 气体通过塔板得压力降直接影响到塔低得操作压力，故此压力降数据就是决定蒸馏塔塔底温度得主要依据。
B 压力降过大，会使塔得操作压力改变很大。
C 压力降过大，对塔内气液两相得正常流动有影响。
压力降：ΔPP =ΔPC+ΔPL+ΔPδ塔板本身得干板阻力ΔPC板上充气液层得静压力ΔPL液体得表面张力ΔPδ折合成塔内液体得液柱高度M，则ΔPP /ρLg=ΔPC/ρLg +ΔPL/ρLg +ΔPδ/ρLg即hp =hc+hL+hδ浮阀塔得压力降一般比泡罩塔板得小，比筛板塔得大。
在正常操作情况，塔板得压力降以290—490 N/m2、在减压塔中为了减少塔得真空度损失，一般约为98—245Pa 通常应在保证较高塔板效率得前提下，力求减少塔板压力降，以降低能耗及改善塔得操作性能。
6、液泛（淹塔）汽液量相中之一得流量增大到某一数值，上、下两层板间得压力降便会增大到使降液管内得液体不能畅顺地下流。
当降液管内得液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。
(完整)板式塔
板式塔一、板式塔的概念、用途、示意图板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。
用途：广泛应用于精馏和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程.操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。
每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。
板式塔结构示意图如右图：塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位,塔板决定了塔的操作性能，一般由以下三个部分组成：1 气体通道为保证气液两相充分接触2 溢流堰为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面3 降液管使液体有足够的停留时间二、各类型塔板的结构及其特点：按照塔内气、液流动方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。
错流塔板为塔内气、液两相成错流流动,即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。
逆流塔板亦称穿流板,板上不设降液管，气、液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。
这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层,操作范围较小,分离效率也低，工业上应用较少.常见塔板泡罩塔板 Bubble-cap tray泡罩塔塔板上的主要部件是泡罩。
罩内覆盖着一段很短的升气管，升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿缝。
塔下方的气体经升气管进入罩内之后，折向下到达罩与管之间的环形空隙,然后从罩下沿的小孔或齿 缝分散气泡而进入板上的液层。
优点：弹性大、操作稳定可靠。
缺点:结构复杂,成本高，压降大.对于大直径塔，塔板液面落差大,导致塔板操作不均匀。
现状：近二、三十年来已趋于淘汰三、板式塔的工艺设计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 ；有效塔高：塔体高度=有效高+顶部+底部+其他塔板间距和塔径的经验关系：（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 uf (m/s ）； 然后选设计气速 u ； 最后计算塔径 D.① 液泛气速pT N H Z ⋅=VVLf C u ρρρ-=2.02020⎪⎭⎫⎝⎛=σC CC ：气体负荷因子,与 HT 、 液体表面张力和两相接触状况有关. 两相流动参数 FLV ：② 选取设计气速 u 选取泛点率： u / u f一般液体， 0.6 ～0。
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7．塔板结构设计
（1）溢流装置（教材168页）
板式塔的溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘。
降液管有圆形和弓形之分，除了某些小塔为了制造方便，采用圆形降液管外，一般均采用弓形降液管。
分析比对各种溢流装置的特点
①确定溢流管类型和溢流形式
分析讨论各种溢流形式的优缺点（本设计选用弓形溢流管、单溢流）
②选堰长l w单溢流取l w=(0.6~0.8)D
③计算堰上液层高度h ow
堰上液层高度
h对塔板的操作性能有很大影响。
堰上液层
OW
高度太小，会造成液体在堰上分布不均，影响传质效果，设计时应使堰上液层高度大于6mm，若小于此值须采用齿形堰；堰上液层高度太大，会增大塔板压降及液沫夹带量。
一般不宜大于60～70mm,超过此值时可改用双溢流型式。
先选平直堰，按平直堰公式教材169页式（7-55）计算h ow，若算得h ow<6mm应改用齿形堰，再用齿形堰公式计算h ow，齿形堰计算h ow的公式参考有关资料。
齿形堰：5/22)/(1042.4w n h ow l h L h -⨯= m
④确定出口堰高h w
h w =h L ﹣h ow 教材169页式（7-54）
⑤求降液管底隙高度h o
教材170页式（7-57）或式（7-58）
降液管底隙高度o h 不宜小于20～25mm,否则易于堵塞。
塔径较
小时可取o h 为25～30mm,塔径较大时可取40mm 左右。
⑥受液盘及进口堰（教材170页）
平受液盘一般需在塔板上设置进口堰，以保证降液管的液
封，并使液体在板上分布均匀。
进口堰的高度`w h ，可按下述原
则考虑。
当出口堰的高度W h 大于降液管底隙高度o h 时，则取`w
h 和W h 相等。
在个别情况W h <o h 时，则应取`w h >o h ,以保证液封。
进口堰与降液管的水平距离1h 不应小于o h ，以保证液流畅通。
对于φ800mm 以上的塔，多采用凹形受液盘。
这种结构便于液体的侧线采出，在液量较低时仍可形成良好的液封，且有改变液体流向的缓冲作用。
其深度一般在50mm 以上，但不能超过板间距的三分之一。
（2）浮阀数目的计算 （ 教材171页）
24O O S
d u V n π=
S V —上升蒸汽量，m 3
/s ；O d —阀孔直径，O d ＝39 mm 。
O u —气体通过阀孔时的气速，m/s 浮阀塔的操作性能以板上所有浮阀处于刚刚全开时的情况为最好。
浮阀的开度与阀孔处气相的动压有关，而动压的大小取决于气相的速度与密度。
“动能因数”作为衡量气体流动时动压大小的指标。
气体通过阀孔时的动能因数为：
V O O u F ρ=
①浮阀型式的选定 教材165页
本设计采用F －1型重阀，阀孔直径d 0=39mm ，阀片外径
48m m ，最小开度2.5mm ，阀重约33g
②选动能因数F O
根据工业生产装置的数据，对于F 1型重阀，当板上所有浮阀
刚刚全开时，浮阀塔的操作性能最高，此时O F 的数值常在8～12之间。
③计算阀孔气速u O 教材171页式（7-60） ④浮阀数目的计算 教材171页式（7-61）
（3）塔板布置
①确定塔板形式
塔板可分整块式和分块式两种，D<900mm的塔采用整块塔板，D>800mm的塔采用分块塔板，D=800~900mm时，根据制造和安装的具体情况两种均可采用。
②确定安定区（破沫区）宽度W s、无效区宽度W c
教材171页
安定区的宽度以W s表示，可按下述范围选取，即：
当D<1.5m, W s=60～75mm（出堰前）；W s=50～75mm（进堰前）当D≥1.5m, W s=80～110mm
无效区W c : D＜2500mm小塔在30～50mm;
D＞2500mm大塔一般为50～70mm。
③确定浮阀排列方式教材171页
本设计采用三角形叉排
④画塔板布置图，确定实际浮阀数
（4）验算
①验算动能因数F0
要求在F0 在8~12之间教材172页
②验算开孔率Ф
要求Ф在10%~14%之间 教材172页
③验算液体在降液管中的停留时间θ
要求θ≥3~5s 教材170页式（7-56）
8．计算塔高Z
Z=H 顶+（N 实﹣2）H T +H f +H 底
H 顶—塔顶空间（不包括顶盖），取经验值，一般为1.3~1.5m ；
N 实—实际塔板数；
H f —进料段高度，m ；通常比其他板间距略大一些
H T —板间距，m ；在决定板间距时还应考虑安装检修的需要，
例如在塔体的人孔手孔处应留有足够的工作空间。
H T ＞600mm 时，４～６层开设一个人孔。
H 底—塔低空间（不包括底盖），取经验值，一般为1.3~2m 。
H 底也可根据塔釜液体停留时间进行计算。
教材166页
根据 min 15~10H D 42='L 底
π
求H 底
9．计算塔的进出口管直径，并选取进出口管规格
管径尺寸由管内流体的体积流量和流速决定，管径按下式计算并选取。
u
q d V π4=
式中 q V——管内流体的体积流量，m3/s；
u——管内流体的流速，m/s，取经验值。
各管内流速的经验值可按如下选取：
（1）蒸气管流速
常压时 u=12~20m/s （2）回流液管流速
借助位差重力回流 u=0.2~0.5m/s
用泵强制回流 u=1.0~2.5m/s （3）加料管流速
由高位槽进料 u=0.4~0.8m/s
用泵直接加料 u=1.5~2.5m/s （4）料液排出管流速
塔釜溶液出塔流速 u=0.5~1.0m/s （5）饱和水蒸气管流速
表压为295kPa以下 u=20~40m/s
表压为785kPa以下 u=40~60m/s。