固体传质分离技术任务五板式塔的工艺设计41p

1.总体上保证气液两相呈总体上保证气液两相呈逆流流动逆流流动提供最大的传质推动力提供最大的传质推动力2.每块板上或填料层内保证气液每块板上或填料层内保证气液两相充分接触两相充分接触尽可能减小传质阻力尽可能减小传质阻力3.提供足够大的气液两相提供足够大的气液两相通道通道保证保证大通量、低压降、合适的弹性大通量、低压降、合适的弹性任务五、板式塔的工艺设计任务五、板式塔的工艺设计一、塔设备研制开发思路一、塔设备研制开发思路二、评价塔设备性能的指标二、评价塔设备性能的指标1.生产能力大；生产能力大；2.分离效率高；分离效率高；3.阻力小，压降低；阻力小，压降低；4.操作弹性大；操作弹性大；5.满足工业对生产设备的一般要求：结构满足工业对生产设备的一般要求：结构 简单、造价低、安装维修方便等。简单、造价低、安装维修方便等。三、板式塔三、板式塔 板式板式塔结构如塔结构如右图所示，右图所示，主要由塔主要由塔体、塔板、体、塔板、裙座、接裙座、接口等部分口等部分组成。组成。四、板式塔的设计意图四、板式塔的设计意图 1.在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分 的接触，为传质过程提供足够大而且不断更的接触，为传质过程提供足够大而且不断更 新的相际接触表面，以减小传质阻力；新的相际接触表面，以减小传质阻力；2.在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提 供较大的传质推动力。供较大的传质推动力。板式塔：板式塔：总体上气液呈逆流流动总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流每块塔板上呈均匀错流。五、板式塔的设计五、板式塔的设计（一）板式塔的设计步骤（一）板式塔的设计步骤 1、根据生产任务和分离要求，确定塔径、塔高等工艺尺寸；、根据生产任务和分离要求，确定塔径、塔高等工艺尺寸；2、进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、阀的、进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、阀的设计及排列；设计及排列；3、进行流体力学验算；、进行流体力学验算；4、绘制塔板的负荷性能图；、绘制塔板的负荷性能图；5、对设计进行分析，对某些参数进行调整，重复上述设计，直、对设计进行分析，对某些参数进行调整，重复上述设计，直至满意。至满意。1、温度、温度 精馏段精馏段:塔顶温度：塔顶温度：t1;加料板的温度加料板的温度t2;平均温度平均温度t=t1+t2/2提馏段提馏段:塔釜温度：塔釜温度：t1;加料板的温度加料板的温度t2;平均温度平均温度t=t1+t2/22、平均摩尔质量、平均摩尔质量塔塔顶顶液相摩液相摩尔尔质质量：量：塔塔顶顶气相摩气相摩尔尔质质量：量：精馏段平均摩尔质量精馏段平均摩尔质量（二）、工艺参数的确定（二）、工艺参数的确定进进料位置液相摩料位置液相摩尔尔质质量：量：进进料位置气相摩料位置气相摩尔尔质质量：量：精馏段气相平均摩尔质量精馏段气相平均摩尔质量精馏段液相平均摩尔质量精馏段液相平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量塔底液相摩塔底液相摩尔尔质质量：量：塔底气相摩塔底气相摩尔尔质质量：量：提馏段气相平均摩尔质量提馏段气相平均摩尔质量提馏段液相平均摩尔质量提馏段液相平均摩尔质量3、密度、密度 精馏段的气相密度精馏段的气相密度精馏段的液相密度精馏段的液相密度:塔塔顶顶液相平均密度：液相平均密度：进料位置液相平均密度：进料位置液相平均密度：提馏段的气相密度提馏段的气相密度提馏段的液相密度提馏段的液相密度:塔釜液相平均密度：塔釜液相平均密度：进料位置液相平均密度：进料位置液相平均密度：4、体积流量、体积流量 精精馏馏段：上升蒸汽量段：上升蒸汽量精精馏馏段：回流液体量段：回流液体量（三）、塔的尺寸的计算（三）、塔的尺寸的计算Z=（N-S-2）HT+HF+H底底+H顶顶+SHT塔高的确定：要考虑塔顶、塔底、加料板间距、人孔或手孔等问题塔高的确定：要考虑塔顶、塔底、加料板间距、人孔或手孔等问题1、塔高、塔高其中其中S为人孔或手孔数：安装和检修的需要为人孔或手孔数：安装和检修的需要 开开“人孔人孔”，或，或“手孔手孔”。开人孔的板间距不应小于。开人孔的板间距不应小于600 mm，手孔的板间距在手孔的板间距在450550mm，一般每，一般每10块塔板左右开设一个块塔板左右开设一个人孔（手孔）。（一般塔径在以下开手孔。）人孔（手孔）。（一般塔径在以下开手孔。）塔顶空间，使气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口处的液体夹带塔顶空间，使气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口处的液体夹带 H顶顶进料板的板间距比一般板间距大一些。进料板的板间距比一般板间距大一些。2、板间距、板间距一定的塔径有一个范围一定的塔径有一个范围塔径塔径0.30.50.30.80.81.61.62.02.02.42.4板间距板间距200300300350350450450600500800600 3、塔径的、塔径的选选取取D 非非饱饱和液体和液体进进料的料的话话要分精要分精馏馏段和提段和提馏馏段来段来计计算、物性数据算、物性数据的的选选取注意是混合物、注意要取平均温度下的物性数据、注意表取注意是混合物、注意要取平均温度下的物性数据、注意表面面张张力力 ，其中其中C与表面张力有关，按液体的表面张力为与表面张力有关，按液体的表面张力为200N/m。气相密度；气相密度；C负负荷糸数。荷糸数。最大气速；最大气速；液相密度；液相密度；板上清液板上清液层层高度；高度；(常常压压塔，塔，0.05-0.1m；减；减压压塔塔,0.025-0.03m）4、溢流装置的设计、溢流装置的设计（1）溢流形式：）溢流形式：单单溢流、双溢流、溢流、双溢流、U形流等。形流等。单单溢流（直径流）：液体横溢流（直径流）：液体横过过整个塔板，自受液整个塔板，自受液盘盘流向溢流流向溢流堰。板效率高，堰。板效率高，结结构构简单简单。用在塔径在以下。用在塔径在以下 U形流（回形流（回转转流）：降液和受液装置都安排在同一流）：降液和受液装置都安排在同一侧侧的弓形的一的弓形的一半作受液半作受液盘盘，另一半作降液管，沿直径用以，另一半作降液管，沿直径用以挡挡板将板面隔成板将板面隔成U形通道。形通道。液体流液体流经经最最长长，利用率也高，用于小塔液体流量小的，利用率也高，用于小塔液体流量小的场场合。合。双溢流：自上一塔板的液体分双溢流：自上一塔板的液体分别别从左右两从左右两侧侧的降液管的降液管进进入塔板，入塔板，横横过过半个塔板半个塔板进进入中入中间间的降液管，在下一塔板上的液体的降液管，在下一塔板上的液体则则分分别别流向流向两两侧侧的降液管。落差小，面的降液管。落差小，面积积利用率低，适用于大塔径。利用率低，适用于大塔径。（2）降液管）降液管有圆形和弓形两种。小塔中因焊接不便而用圆形降液管外，生有圆形和弓形两种。小塔中因焊接不便而用圆形降液管外，生产上都采用弓形降液管。产上都采用弓形降液管。堰堰长长指弓形降液管的弦指弓形降液管的弦长长，根据回流比的大小及溢流形式而决定，根据回流比的大小及溢流形式而决定，对对于于单单溢流：溢流：对对于双溢流：于双溢流：。降液管降液管 有圆形和弓形两种。小塔中因焊接不便而用圆形降液管外，生有圆形和弓形两种。小塔中因焊接不便而用圆形降液管外，生产上都采用弓形降液管。产上都采用弓形降液管。a a、bb弓形降液管弓形降液管c圆形降液管圆形降液管出口堰高出口堰高为为了保了保证证塔板上有一定高度的液塔板上有一定高度的液层层，降液管上端必，降液管上端必须须高出塔高出塔板板面一定高度。板板面一定高度。hW=50100mm.板上液板上液层层高度高度(常常压压塔，塔，0.05-0.1m；减；减压压塔塔,0.025-0.03m）堰上液堰上液层层高度高度 超超过过堰高的那部分液体高度。堰高的那部分液体高度。设计时应注意：以免液体在堰设计时应注意：以免液体在堰上分布不均匀上分布不均匀 溢流管底与塔板之溢流管底与塔板之间间的距离的距离 设计原则：保证液体流经此处时的阻力不太大，同时要有良好的液封设计原则：保证液体流经此处时的阻力不太大，同时要有良好的液封 液体通液体通过过降液管底隙降液管底隙时时的流速。一般可取：的流速。一般可取：注：降液管底隙高度一般不宜小于注：降液管底隙高度一般不宜小于20-25mm，否，否则则，易于堵塞或因，易于堵塞或因安装偏差而使液流不安装偏差而使液流不畅畅，造成液泛。，造成液泛。设计时设计时，塔径，塔径较较小小时时，h0可取可取25-30mm，塔径较大时，塔径较大时，h0可取可取40mm，最大可达，最大可达150 mm。（3）塔板布置）塔板布置 塔板有整块式和分块式两种。直径在塔板有整块式和分块式两种。直径在800mm以下的小塔采用整块以下的小塔采用整块式塔板，以上的采用分块式塔板，（通过人孔装拆塔板）。式塔板，以上的采用分块式塔板，（通过人孔装拆塔板）。塔板块面可分为四个区域：塔板块面可分为四个区域：鼓泡区：为塔板上气液接触的有效区域。鼓泡区：为塔板上气液接触的有效区域。溢流区：降液管所占的区域。溢流区：降液管所占的区域。破沫区：鼓泡区和溢流区之间的区域。破沫区：鼓泡区和溢流区之间的区域。WS D，WS=6075mm；D，WS=80110mm；D1m，WS可适当小一些。可适当小一些。无效区：靠近塔壁的留出的一圈边缘部分区域，支持塔板的边梁之用。无效区：靠近塔壁的留出的一圈边缘部分区域，支持塔板的边梁之用。WC：小塔可取：小塔可取 WC=3050mm；大塔可取；大塔可取WC=5075mm；单溢流塔板布置图单溢流塔板布置图（4）浮阀数目的计算）浮阀数目的计算 及浮阀的布置及浮阀的布置实验证明，浮阀塔的操作能以浮阀处于全开或接近全开时的状态为最实验证明，浮阀塔的操作能以浮阀处于全开或接近全开时的状态为最好。此时压强、泄漏都最小，而操作弹性较大。浮阀的开度与气体通好。此时压强、泄漏都最小，而操作弹性较大。浮阀的开度与气体通过浮阀孔的动能有一定的关糸。而动能又取决于气体的速度与密度，过浮阀孔的动能有一定的关糸。而动能又取决于气体的速度与密度，故设计时以故设计时以“动能因素动能因素F”作为衡量气体动压大小的指标。作为衡量气体动压大小的指标。F动能因素；动能因素；U0气体通过浮阀时的速度；气体通过浮阀时的速度；V气体的密度。气体的密度。通过实验得到：通过实验得到：F=56时，为阀孔的泄漏极限。时，为阀孔的泄漏极限。F=912时，阀孔刚刚全开。时，阀孔刚刚全开。F=817时，属正常操作范围。时，属正常操作范围。F=1820时，达到最大负荷。时，达到最大负荷。设计时，取设计时，取F=912范围内来求取阀孔气速范围内来求取阀孔气速 则浮阀数目可利用下式求取：则浮阀数目可利用下式求取：求算出浮阀数后，再根据实际求算出浮阀数后，再根据实际情况作图计算，加以圆整或调情况作图计算，加以圆整或调整为实际浮阀数。（但要使动整为实际浮阀数。（但要使动能因素在能因素在9-12范围内。）范围内。）一般：常压塔一般：常压塔 加压塔加压塔 减压塔减压塔 浮浮阀阀的布置和排列的布置和排列 浮浮阀阀在塔板鼓泡区域内的排列有正三角形和等腰三角形两种在塔板鼓泡区域内的排列有正三角形和等腰三角形两种排列方式。按照排列方式。按照阀阀孔中心孔中心联线联线与液流方向的关糸，又有与液流方向的关糸，又有顺顺排和叉排和叉排之分。叉排排之分。叉排时时气、液接触效果气、液接触效果较较好，故在一般情况下都采用叉好，故在一般情况下都采用叉排方式。排方式。对对于整于整块块式塔板而言，都采用正三角形叉排，其孔心距式塔板而言，都采用正三角形叉排，其孔心距t=75125mm。对于分块式塔板而言，采用等腰三角形叉排较多，对于分块式塔板而言，采用等腰三角形叉排较多，同一横排的阀孔中心距一般为同一横排的阀孔中心距一般为75mm 左右，相邻两排间的间距可左右，相邻两排间的间距可取缔取缔65-100mm左右。左右。开孔率：一般要求在开孔率：一般要求在14%左右。左右。开孔率开孔率：阀孔总截面积与塔的截面积之比。：阀孔总截面积与塔的截面积之比。浮阀在塔板上的排列方式浮阀在塔板上的排列方式等腰三角形：行距固定等腰三角形：行距固定t,t,列宽列宽h h，6565、7070、8080、9090、100100、110mm110mm等边三角形等边三角形:孔间距孔间距t,75t,75、100100、125125、150mm150mm顺排顺排叉排叉排5、溢流管中液体的停留、溢流管中液体的停留时间时间 为为了保了保证证气相气相夹带夹带不致超不致超过过允允许许的程度，降液管内液体的停的程度，降液管内液体的停留留时间时间不不应应小于小于35s。以防。以防“淹塔淹塔”。若不满足，可调节若不满足，可调节H。（四）、浮阀塔板的流体力学验算（四）、浮阀塔板的流体力学验算 塔板上的流体力学验算，目的在于核算上述各项工艺尺寸已经确塔板上的流体力学验算，目的在于核算上述各项工艺尺寸已经确定的塔板，在设计任务规定的气、液负荷下能否正常操作。其中包定的塔板，在设计任务规定的气、液负荷下能否正常操作。其中包括：塔板压降、液泛、夹带、漏液、液面落差等项的验算。（浮阀括：塔板压降、液泛、夹带、漏液、液面落差等项的验算。（浮阀塔的液面落差一般较小，可以忽略）塔的液面落差一般较小，可以忽略）1、塔板压降、塔板压降通通过过一一层层塔板塔板时时的的压压降降hC（干板阻力）（干板阻力）克服板上液层所产生的压降克服板上液层所产生的压降克服液体表面张力的压力降克服液体表面张力的压力降 h即即=hC+hL+h一般都很小，可以忽略。一般都很小，可以忽略。一般浮一般浮阀阀塔的常塔的常压压和加和加压压塔：塔：减减压压塔：塔：水柱。水柱。水柱水柱。2、液泛验算（夹带液泛和溢流液泛）、液泛验算（夹带液泛和溢流液泛）Hd2112气体通气体通过过塔板塔板时时的阻力的阻力 板上液板上液层层厚度。厚度。液体通液体通过过降液管降液管时时的阻力的阻力损损失。失。（无进口堰）。（无进口堰）。（有进口堰）。（有进口堰）。降液管底隙高度。降液管底隙高度。实际实际降液管中或多或少要存在有一些气泡，由于气泡的存在，溢流管降液管中或多或少要存在有一些气泡，由于气泡的存在，溢流管中有可能液体会中有可能液体会满满至上一至上一层层塔板，以塔板，以产产生液泛生液泛现现象。象。为为了防止液泛了防止液泛现现象的象的产产生，降液管生，降液管应应有一个足有一个足够够的高度。的高度。为为糸数。一般糸数。一般发发泡泡严严重重,不易不易发发泡泡。3、雾沫夹带验算、雾沫夹带验算(液沫夹带和气沫夹带液沫夹带和气沫夹带)由于过多的雾沫夹带将会导致塔板效率严重下降，为了保证塔板能由于过多的雾沫夹带将会导致塔板效率严重下降，为了保证塔板能维持正常的操作效果。维持正常的操作效果。控制每千克上升蒸汽夹带到上一层塔板的液体量控制每千克上升蒸汽夹带到上一层塔板的液体量不超过千克。不超过千克。其主要影响因素为：空塔气速和板间距。其主要影响因素为：空塔气速和板间距。在设计时间接地用在设计时间接地用“泛点率泛点率”来验算。即操作时的空塔气速与发生液来验算。即操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值。泛时的空塔气速的比值。板上液板上液层层流流经长经长度度 板上液流面板上液流面积积。塔截面塔截面积积；降液管的面降液管的面积积（溢流面（溢流面积积）。）。泛点泛点负负荷糸数。可根据有关荷糸数。可根据有关图图表表查查取。取。K物性糸数。也可根据有关物性糸数。也可根据有关图图表表查查取。取。常常压压塔塔负压负压塔塔 小塔小塔 4.漏液漏液，F=5时时所所对应对应的气速的气速为为漏液点的气速。漏液点的气速。校核漏液的校核漏液的稳稳定系数定系数符合要求。符合要求。对于浮阀塔，当对于浮阀塔，当将将F=5代入求出漏液点的气速代入求出漏液点的气速.（五）、塔的负荷性能图（五）、塔的负荷性能图1、雾沫夹带上限线、雾沫夹带上限线表示出表示出VL的函数关糸式，作出曲线的函数关糸式，作出曲线“1”。2、液泛、液泛线线 表示了降液管内泡沫表示了降液管内泡沫层层高度达到最大允高度达到最大允许值许值，即：，即：绘绘出出VL之之间间的关糸。的关糸。以无进口堰为例：以无进口堰为例：换算成换算成VL的关糸，绘出液泛线的关糸，绘出液泛线“2”。3、液相、液相负负荷上限荷上限线线 表示液体在降液管内的仃留表示液体在降液管内的仃留时间时间不小于不小于35（S）时时板上最大液板上最大液体流量，超体流量，超过过此此线线就会就会产产生液泛生液泛现现象。板效率就会大大降低。象。板效率就会大大降低。取取5（s）算出）算出L为为一条垂直一条垂直线线。即即为为液相液相负负荷上限荷上限线线“3”。4、液相、液相负负荷下限荷下限线线表示了堰上液表示了堰上液层层高度高度时时的最小液体流量。的最小液体流量。算出算出即即为为L=为为一条垂直一条垂直线线“5”。即。即为为液相液相负负荷下限荷下限线线。5、气相、气相负负荷下限荷下限线线 表示不表示不发发生生严严重漏液重漏液现现象象时时的最低气体的最低气体负负荷。是一条平行于横荷。是一条平行于横轴轴的直的直线线。F=56时时，泄漏量接近于是，泄漏量接近于是10%，作，作为为确定气相确定气相负负荷荷下限下限线线的依据。的依据。=5，算出算出 算出算出V。一条平行。一条平行线线“4”。（六（六)塔的负荷性能图塔的负荷性能图1为漏液线为漏液线,表示塔板严重漏液表示塔板严重漏液时的最小气体流量时的最小气体流量.2为过量液沫夹带线为过量液沫夹带线,表示液沫表示液沫夹带量为夹带量为千克千克/千克千克时时的气液的气液流量关系流量关系.3为液相负荷下限线为液相负荷下限线,表示堰上表示堰上堰高为最小时的液相流量堰高为最小时的液相流量.4为液相负荷上限线，若液量为液相负荷上限线，若液量超过此上限，液体在降液管内超过此上限，液体在降液管内停留时间过短，液流中的气泡停留时间过短，液流中的气泡夹带现象大量发生，以致出现夹带现象大量发生，以致出现溢流液泛。溢流液泛。5为溢流液泛线，可根据溢流为溢流液泛线，可根据溢流液泛的产生条件确定，若气液液泛的产生条件确定，若气液负荷位于此线上方，塔内将出负荷位于此线上方，塔内将出现溢流液泛现溢流液泛；1 1、负荷性能图、负荷性能图操作操作2 2、操作弹性、操作弹性 3 3、几点说明、几点说明板型不同，负荷性能图中所包括的板型不同，负荷性能图中所包括的边界线也有所不同。边界线也有所不同。同一板型但设计不同，线的相对位同一板型但设计不同，线的相对位置也会不同。置也会不同。过原点，斜率为过原点，斜率为V/L的直线称操作的直线称操作线线设计时，应使操作点尽量位于操作设计时，应使操作点尽量位于操作区的中央，若操作点紧靠某一条边区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有变动，塔的正常界线，则负荷稍有变动，塔的正常操作即被破坏。操作即被破坏。二、二、热热量衡算量衡算 1塔塔顶顶冷凝器的冷却水量的冷凝器的冷却水量的计计算算塔塔顶顶蒸汽的平均冷凝潜蒸汽的平均冷凝潜热为热为：选选取冷却水的取冷却水的进进口温度口温度为为进进出口温差在出口温差在选选取温差取温差出口温度出口温度为为 则则冷却水的用量冷却水的用量为为：塔顶蒸汽量塔顶蒸汽量V 2塔底再沸器的加塔底再沸器的加热热蒸汽消耗量的蒸汽消耗量的计计算算 蒸汽蒸汽压压力力为为200kpa的冷凝潜的冷凝潜热为热为 加加热热蒸汽的消耗量蒸汽的消耗量 塔底蒸汽的平均冷凝潜热为：塔底蒸汽的平均冷凝潜热为：