气液传质设备_板式塔设计

气液传质设备板式塔的工艺设计板式塔设计步骤确定设计方案；选择塔板类型；确定塔径、塔高等工艺尺寸；塔板设计，包括溢流装置设计、塔板布置、升气道（泡罩、筛孔或浮阀等）的设计排列；流体力学验算；绘制塔板负荷性能图；依据负荷性能图，对设计分析、调整，直至满意。1设计方案的确定(6步法)1.1装置流程的确定蒸馏装置精馏塔原料预热器蒸馏釜（再沸器）冷凝器釜液冷却器和产品冷却器原料入塔泵输送（易受泵操作波动影响）高位槽送液（稳定）泡点冷凝器分凝器产品冷却器流程确定要全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控制及安全等诸因素。1.2操作压力的选择依据操作压力常压操作减压操作加压操作选择依据：一般，对热敏性物质或混合物泡点过高的体系易采用减压蒸馏；常压下呈气态的物系采用加压蒸馏。1.3进料热状况的选择进料热状况：冷液进料(q1)、泡点进料(q=1)、气液混合进料(q1)、饱和蒸汽进料(q=0)及过热正气进料(q0)五种。工艺多采用泡点进料，常以釜残液预热原料液；如工艺要求减少塔釜的加热量，避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。1.4加热方式的选择再沸器直接蒸气加热类型：间接蒸气加热无需再沸器ab优点：利用压力较低的蒸汽节省费用，且省去再沸器；缺点：对釜内溶液有一定的稀释作用；如进料条件及产品纯度、轻组分收率一定，则需在提留段增加塔板数以达到生产要求。1.5回流比的选择适宜回流比应通过经济核算决定，即操作费用和设备折旧费之和为最低时的回流比为适宜回流比。但作为课程设计，要进行这种核算是困难的，通常根据下面3种方法之一来确定回流比。1、根据本设计的具体情况，参考生产上较可靠的回流比的经验数据选定；2、先求出最小回流比Rmin，根据经验取操作回流比为最小回流比的1.1∽2倍，即R＝（1.1∽2）Rmin；3、在一定的范围内，选5种以上不同的回流比，计算出对应的理论塔板数，作出回流比与理论塔板数的曲线。当R=Rmin时，塔板数为∞；R＞Rmin后，塔板数从无限多减至有限数；R继续增大，塔板数虽然可以减少，但减少速率变得缓慢。因此可在斜线部分区域选择一适宜回流比。上述考虑的是一般原则，实际回流比还应视具体情况选定。2塔板的类型及其选用塔板分为错流式塔板和逆流式塔板两大类，工业上常以错流式塔板为主。错流式塔板比较表优点缺点泡罩塔板操作弹性大、液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。筛孔塔板结构简单、造价低；板上液面落差低，气体压降小，生产能力较大；气体分布均匀，传质效率高。筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料。若操作不当，易产生漏夜。浮阀塔板结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；因阀片可随气量变化自由升降，操作弹性大；气流水平吹入液层，气液接触时间较长，板效率高。处理易结焦、黏度大的物料时，阀片易与塔板粘结；操作中有时会发生阀片脱落或卡死现象。3板式塔的塔体工艺尺寸设计3.1塔的有效高度计算3.1.1基本计算公式TTT1ZmNEHm.TTTNZHE式中：板式塔的有效高度，；塔内所需理论塔板数；总板效率；塔板间距，3.1.2理论塔板数的计算方法逐板计算法图解计算法吉利兰图捷算法3.1.3塔板间距的确定塔板间距的选取与塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。表10-1塔板间距与塔径的关系塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4板间距HT,mm200-300300-350350-450450-600500-800≥800塔板间距的数值应按系列标准选取，常用的塔板间距有300、350、400、450、500、600、800等几种系列标准。但注意，板间距除考虑上述因素外，还应考虑安装、检修的需要，如在塔体的人孔处，应采用较大的板间距，一般不低于600mm。3.2塔径的计算（可参课本P157页）s4VDu计算公式：关键在于计算空塔气速u空塔气速的上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏夜决定，适宜的空塔气速介于两者之间。一般依据最大允许气速确定。最大允许气速由严重雾沫夹带时悬浮液滴的沉降速度确定：223VLVud=dg;=;642净重力摩擦阻力液滴在上升气流中悬浮，则其受力平衡，此时，空塔气速与液滴沉降速度相等，为最大允许气速。LVLVnVV4gduC3CP12910-42负荷系数；可通过史密斯关联图查取（见页图）。3.2塔径的计算（可参课本P157页）1/2sLsVTLLL,VHhh0.050.1m,0025003m横坐标：为液气动能参数，反映液气两相的流量与密度的影响。而-反映液滴沉降空间高度对符合参数的影响。由设计者首先选定；对常压塔取对减压塔取.-..史密斯关联图中：0.220maxmax10-4220mN/mCCC20uuu(0.6~0.8)u060.70.81.01.21.41.61.82.02.2m图是按表面张力的物系绘制，若所处理的物系表面张力为其它值，则按下式校正查出的负荷系数，即：求出后，实际的空塔气速应为：计算出适宜气速后，计算塔径，所得塔径应于园整。最常用的塔径标准有：.、、、、、、、、、等。注：上述计算的塔径为初估值，后面还需进行流体力学核算。另：若精馏塔精馏段和提馏段上升气量差别较大，则两段塔径应分别计算。4板式塔的塔板工艺尺寸计算4.1溢流装置的设计溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分。4.1.1降液管的类型与溢流方式（参图10-12所示）类型圆形降液管——用于小直径塔，600mm弓形降液管——用于大直径塔，800mm溢流方式U型流——又称回转流。弓形降液管一半为受液盘，另一半为降液管。特点：液体流径长，板效率高，板面利用率高。单溢流——又称直径流。特点：流体流径较长，板效率较高，加工方便，在小于2.2m的塔中应有广泛。双溢流——又称半径流。特点：液体流动的路程短，液面落差小，但结构复杂，板面利用率低，适用于大于2m的塔。阶梯式双溢流——特点：可在不缩短液体流径的情况下减小液面落差。但结构复杂，致使应用于塔径很大、液流量很大的场合。表10-2（P130页）给出溢流类型与液体负荷的关系，方便确定溢流类型4.2溢流装置的设计计算wdf0w1hWAhhhw'堰长，L堰高，弓形降液管的宽度，截面积，降液管低隙高度，进口堰高度，降液管间的水平距离，溢流装置的设计参图10-39所示。1、溢流堰形状平直堰齿形堰一般采用平直形溢流堰板（1）堰长:(0.6~0.8):(0.5~0.6)wwlDlD单流堰双流堰（2）堰高——降液管端面高出塔板板面的距离堰高与板上清液层高度及堰上液层高度的关系为：,mmLWOWLOWhhhhh板上清液层高度；堰上液层高度，。设计时，一般保持塔板上清液层高度在50∽100mm，于是，堰高hw则由板上清液层高度和堰上液层高度而定。设计时，应是堰上液层高度大于6mm，否则采用齿形堰；但堰上液层高度不宜太大，否则导致液沫夹带量增加，板压降增大。设计时，一般不宜大于60~70mm，超过此值应采用双溢流形。对平直堰：2/332.841000m/h;10-471howWhLhElLEE其中：塔内液体流量，液流收缩系数，由图查取（一般取）。由上式看出，how仅与Lh和lw有关，故也可从图3-11（见天大版P163）查知。对齿形堰：可参阅P133页0.050.10.040.05m0.0150.025m0.040.08m0.1mowwowwhhhh在工业塔中，堰高一般为；减压塔为；加压塔为，一般不超过；求得how后，可按下式范围确定hw：2/55/25/2315mm1.170.735m/s;mnsnwwsowownnsnowhLhllLhhhhLhhowow齿形堰的齿深一般在以下。当液层高度h不超过齿顶时，可用下式计算h当液层高度超过齿顶时：式中：塔内液体流量，齿深，。为由齿根计算的堰上液层高度。上式需试差法计算。2、降液管——弓形降液管2.1弓形降液管的宽度和截面积弓形降液管的宽度以Wd表示，截面积以Af表示，设计中可根据堰长与塔径之比lw/D由图3-12（见天大版P163）求算。为使液体中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内应有足够的停留时间，表示式为：36003~5fThAHsL若不能满足上式要求，则应调整降液管尺寸或板间距，直至满意。2.2降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以h0表示。000'0'0'00.0063600m/s0.07~0.25m/s.whwhhhLhluuu也可按下式计算：式中：为液体通过底隙时的流速，；据经验，一般取降液管底隙高度一般不宜小于20~25mm，否则易于堵塞，或因安装偏差而是液流不畅，造成液泛。2.3受液盘（参图10-43、44所示）类型平受液盘凹受液盘平受液盘一半需在塔板上设置进口堰，保证液封；并使液体在板上分布均匀。进口堰高度考虑原则：当出口堰高hw大于降液管底隙高度h0时，取h'w=hw，如hwh0，则应取h'wh0，以保证液体由降液管流出时不致受到很大阻力，进口堰与降液管间的水平距离h1不应小于h0。采用凹形受液盘不需设置进口堰。其优点为：凹形受液盘既可在低液量时形成良好的液封，又可改变液体流向的缓冲作用，便于液体从侧线的抽出。一般来说，直径大于600mm的塔，大多采用凹形受液盘。其深度一般在50mm。4.2塔板设计——以筛板塔为例1、塔板布置——见图10-39（1）开孔区222112sin180:,;2,;sin2adscrxAxrxrDxWWmDxrWmr式中为以角度表示的反正弦函数.（2）溢流区溢流区为降液管及受液盘所占的区域，其中降液管所占面积为Af,受液盘所占面积为A’f；一般，两者相等。可从图3-12求取。（3）安定去——开孔区域溢流区之间的不开孔区域，也称破沫区。溢流堰前的安定区宽度Ws=70~100mm；进口堰后的安定区宽度W’s=50~100mm；对于小直径的塔（直径1m），因塔板面积小，安定区要相应减小。（4）边缘区——在靠近塔壁的一圈边缘区域供支持塔板的边梁之用的区域。Wc=30~50mm，小塔（直径小于1米）=50~70mm，大塔（直径大于1米）2、筛孔的计算及其排列（1）筛孔直径表面张力为正系统的物系，d0取3~8mm；表面张力为负系统的物系，d0取10~25mm。（2）筛板厚度碳钢塔板，板厚δ为3~4mm,孔径d0应不小于板厚δ；不锈钢塔板，板厚δ为2~2.5mm,孔径d0应不小于(1.5~2)δ。（3）孔中心距tt=(2.5~5)d0，且t/d0=3~4（4）筛孔的排列与筛孔数（n）当采用正三角形排列时：2aa21.155;:m;tm.AnAt式中为鼓泡区面积，为筛孔的中心距，（5）开孔率Φ定义：0a200aA100%AA0.907Adt按正三角形排列，则：5筛板的流体力学验算5.1塔板压降气体通过筛板时，需克服筛板本身的干板阻力、板上充气液层的阻力及液体表面张力造成的阻力，这些阻力形成筛板的压降。mmmppLppclclPhghhhhhhhh上式中的液柱高度可有下式计算：；式中：与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，；与气体通过筛板的液层压降相当的液柱高度，；与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度，。1、干板阻力22000002000000.0511m/s15%0.051d10mm5-10d10mm1.15VcLaVcLuAhcAucuhcc式中：气体通过筛孔的速度，；流量系数。通常，筛板的开孔率，上式可简化为：当时，通过图查取；时，由图