化工原理板式塔及其设计计算

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1、化工原理电子教案 板 式 塔 及 其 设 计 计 算 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 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

2、 阀 塔 内 部 结 构 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 。传 质 的 非 理 想 流 动 情 况 ： 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 ， 板 效 率 降 低 ， 能 耗 增 加 。 不 均 匀 流 动 液 面 落 差 （ 水 力 坡 度 ） ： 引 起 塔 板 上 气 速 不 均 ； 塔 壁

3、 作 用 （ 阻 力 ） ： 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 。 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 。 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

4、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 。 说 明 ： 开 始 发 生 液 泛 时 的 气 速 称 之 为 液 泛 气 速 。 降 液 管 液 泛 当 塔 内 气 、 液 两 相 流 量 较 大 ， 导 致 降 液 管 内 阻 力 及 塔 板 阻力 增 大 时 ， 均 会 引 起 降 液 管 液 层 升 高 ， 当 降 液 管 内 液 层 高 度 难以 维 持 塔 板 上 液 相 畅 通 时 ， 降 液 管 内 液 层 迅 速 上 升 ， 以 致 达 到上 一 层 塔 板 ， 逐 渐 充 满 塔 板

5、 空 间 ， 即 发 生 液 泛 。 并 称 之 为 降 液管 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 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

6、成 本 高 ， 塔 板 阻 力 大 但 生 产 能 力 不 大 。 塔 板 是 气 液 两 相 接 触 传 质 的 场 所 ， 为 提 高 塔 板 性 能 ，采 用 各 种 形 式 塔 板 。 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。 筛 板 （ 3） 浮 阀 塔 板圆 形 浮 阀 条 形 浮 阀浮 阀 塔 盘

7、 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 NP ； 选 取 塔 板 间 距 H T； pT NHZ

8、选 取 塔 板 间 距 H T ： 理 论 塔 板 数 计 算 塔 径D， m 0.3-0.5 0.5-0.8 0.8-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 2.4塔 板 间 距 HT， m 0.2-0.3 0.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.8 0.6 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 ： V VLf Cu LVmVmLvlVVVLLV qqqqF ss 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

9、 泛 气 速两 相 流 动 参 数 FLV：（ 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。 2.020 20 CC 选 取 设 计 气 速 u 选 取 泛 点 率 ： u / uf 一 般 液 体 ， 0.6 0.8 易 起 泡 液 体 ， 0.5 0.6uVA s所 需 气 体 流 通 截 面 积设 计 气 速 u = 泛 点 率 uf AD Ad 计 算 塔 径 D TdT AAAA 1塔 截 面 积 ： A = AT - Ad TAD

10、4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 Ad/AT = 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

11、 横 向 流 过 。 型 式 ： 平 直 堰 、 溢 流 辅 堰 、 三 角 形 齿 堰 及 栅 栏 堰 。 堰 长 lW ： 影 响 液 层 高 度 。堰 高 hW： 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 。 TdW AAfDl DbfDl dW 75.06.0 DlW 7.05.0 DlW说 明 ： 通 常 应 使 溢 流 强 度 qVLh/lW 不 大 于 100130 m3/（ mh） 。 或 ： 双

12、 流 型 :单 流 型 ： 3/231084.2 WVLow lqEh h(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。mmhOW 6 mmbb ss 10050 mmbc 50 堰 上 方 液 头 高 度 hOW ：要 求 ： 边 缘 区 ： bcbd bs lWr x )sin(2 1222 rxrxrxAa )sin(2)sin(2 11221211222 rxrxrxrxrxrxAa （ 5） 筛 孔 的 尺 寸

13、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 ： 202 20 907.060sin21 421 tdt dAA oao bcbd bs lWrx d 0t 00 Aqu SVV 20200 785.04 dAdAn a 筛 孔 直 径 d0 : 3 8 mm (一 般 )。 12 25 mm (大 筛 孔 ) 孔 中 心 距 t : (2.55) d0 取 整 。 开 孔 率 : 通 常 为 0.08 0.12。 板 厚

14、 ： 碳 钢 （ 3 4mm） 、 不 锈 钢 。 筛 孔 气 速 ：筛 孔 数 ： d0t (6) 塔 板 的 校 核 对 初 步 设 计 的 结 果 进 行 调 整 和 修 正 。 VmVmL VLm eqq eeq e vVV LVLVm Lmv ssqqqqe 11 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 ） ev ： 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 km

15、ol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 2.33107.5 fTv HH ue 说 明 ： 超 过 允 许 值 ， 可 调 整 塔 板 间 距 或 塔 径 。 ev的 计 算 方 法 ：方 法 1： 利 用 Fair关 联 图 求 ， 进 而 求 出 ev。方 法 2： 用 Hunt经 验 公 式 计 算 ev。 )(5.2 OWWf hhH 式 中 Hf 为 板 上 泡 沫 层 高 度 ：要 求 ： ev 0.1 kg 液 体 / kg气 体 。 塔 板 阻 力 的 计 算 和 校 核

16、 塔 板 阻 力 ： 液 柱mgph L ff 塔 板 阻 力 hf包 括 以 下 几 部 分 : （ a） 干 板 阻 力 h0气 体 通 过 板 上 孔 的 阻 力 （ 设 无 液 体 时 ） ； （ b） 液 层 阻 力 hl 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 h0 200,0 21 Cuggph LVL of d0/C 0 塔 板 孔 流 系 数 C0 孔 流 系 数 OWWl hhh （ b） 液 层 阻 力 hl查 图 求 充 气 系 数 2

17、/1V 32/1aa mkgsmuF 说 明 ： 若 塔 板 阻 力 过 大 ， 可 增 加 开 孔 率 或 降 低 堰 高 。03104 dgh L （ c） 克 服 液 体 表 面 张 力 阻 力 （ 一 般 可 不 计 ） 降 液 管 液 泛 校 核 dLOWWd hgpphhH 12 dfOWW hhhh 故 塔 板 阻 力 ： hhhh Lf 0降 液 管 中 清 液 柱 高 度 (m) )()( )4(0476.0 3 2 vLf sLfbH LZHb （ a） 液 面 落 差 一 般 较 小 ， 可 不 计 。 当 不 可 忽 略 时 ，一 般 要 求 ： 0.5h0 28221

18、 1018.1153.02 bW sbW sdd hl Lhl Lguh （ b） 液 体 通 过 降 液 管 阻 力 hd 21 ddd hhh 包 括 底 隙 阻 力 hd1和 进 口 堰 阻 力 hd2。无 进 口 堰 时 ： 02 dh dlL dd HHH WTd hHH 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 ， 6.05.0 4.03.0易 起 泡 物 系 ， 液 体 在 降 液 管 中 停 留 时 间 校 核 目 的 ： 避 免

19、严 重 的 气 泡 夹 带 。 sVL Tdq HA 停 留 时 间 ：要 求 ： s53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 h0 hhhh OWW 13.00056.00（ b） 计 算 漏 液 点 气 速 u0 000 2 hgCu VL 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 u0 ： 发 生 严 重 漏 液 时 筛 孔 气 速 。 稳 定 系 数 ： 00uuk 要

20、 求 ： 25.1k 过 量 液 沫 夹 带 线 （ 气 相 负 荷 上 限 线 ） 规 定 ： ev = 0.1（ kg 液 体 / kg气 体 ） 为 限 制 条 件 。 3232.313 )(101.75.21081.8 WVLWTVV lqhHAq hh （ 6） 塔 板 的 负 荷 性 能 图 确 定 塔 板 的 操 作 弹 性 液 相 下 限 线 006.01084.2 3/2 3 WVLow lqEh h整 理 出 ：规 定 WVLh lq 07.3 严 重 漏 液 线 （ 气 相 下 限 线 ） hhhh OWW 13.00056.00 代 入 相 关 公 式 ， 如 hOW、 、 u0， 整 理 出 。 液 相 上 限 线 保 证 液 体 在 降 液 管 中 有 一 定 的 停 留 时 间 。sLHA s Td 5 dTh AHV 720 降 液 管 液 泛 线 WTd hHH Lvcugh 2000 )(21 WTbW hWhhLV hHhlLlLndV )5.1(1018.11026.41041.3 283232208 min,max,hhVVVVqq min,max,hhVLVLqq塔 板 的 操 作 弹 性 ： 或 计 算 示 例