1、板式塔（篩板塔）設計板式塔（篩板塔）設計v精餾方案選定v相平衡關系v工藝計算v塔和塔板主要尺寸的設計v塔體總高及輔助裝置1. 精餾方案選定 方案選定是指確定整個精餾設備的流程、主要設備的結構型式和主要操作條件。 所選方案必須： （1）滿足工藝要求； （2）操作平穩、易于調節； （3）經濟合理； （4）生產安全。 1.1 操作壓力 精餾可在常壓、加壓或減壓下進行。 沸點低、常壓下為氣態的物料必須選用加壓精餾；熱敏性、高沸點物料常用減壓精餾。1.2 進料狀態 一般將料液預熱到泡點或接近泡點后送入塔內。這樣可使： (1)塔的操作比較容易控制； (2)精餾段和提餾段的上升蒸汽量相近， 塔徑相似，設計制

2、造比較方便。1.3 加熱方式 （1）間接蒸汽加熱（2）直接蒸汽加熱 適用場合：待分離物系為某輕組分和水的混合 物。 優點：可省去再沸器；并可利用壓力較低的蒸 汽進行加熱。操作費用和設備費用均可 降低。2. 相平衡關系 2.1 圖 查取操作壓力下的氣相摩爾分率 和相應的液相摩爾分率 ，標繪 圖。xyxyxy 2.2 2.2 相對揮發度相對揮發度 對于理想物系 飽和蒸汽壓可直接由手冊查取，或由Antoine方程計算。 全塔平均相對揮發度 分別為塔頂、加料、塔底組成的相 對揮發度。 汽液相平衡關系： 31321BApp321、xxy113. 工藝計算 3.1 物料衡算 物料衡算的任務 （1）由設計任

3、務所給定的F、 求D、W （2） 在q和R選定后，計算 WDFxxx、WDFWxDxFxWDFLVLV、qFRDLFqDRVRDLDRV111（3）寫出精餾段和提餾段的操作線方程 精餾段： 提餾段： DxVDxVLynn1WxVWxVLynn13.2 回流比的選定 選擇原則：使塔的設備費用和操作費用的總和最低， 同時應考慮到操作時的調節彈性。 選擇方法： （1） 參考生產現場所提供的回流比數據； （2） 回流比取最小回流比Rmin的1.22倍； （3） 先求最少理論板數 Nmin , 以理論板數為Nmin 的兩倍求取回流比R； （4） 作出回流比R和理論板數N的曲線圖，在曲線 圖上確定合適的回

4、流比R。3.3理論板數的確定 （1）若物系符合恒摩爾流假定，可用逐板計算法或圖解法求取理論板數NT及理論加料板位置。 （2）對于非恒摩爾流物系，應在焓濃度圖上圖解求取理論板數。3.4實際塔板數的確定 3.4.1 實際塔板數及實際加料板位置的確定 塔釜為一塊理論板 式中 N 塔內實際板數 NT 理論板數 ET 全塔總效率TTENN1式中 Nm 實際加料板位置 NR 精餾段理論板數 由于在計算中引用了諸多簡化假定，Nm與實際情況有一定偏差。所以在設計時可在Nm的上下各多設一個加料口，待開車調試時再確定最佳實際加料板位置。 1TRmENN 3.4.2塔板效率的估計 塔板效率與物系性質、塔板結構及操作

5、條件等眾多因素有關，尚無精確的計算方法。 常用的估計方法有：（1）參考生產現場同類型的塔板、物系性質 相同（或相近）的塔板效率數據。（2）（3）朱汝瑾公式（4）Van Winkle 關聯（5）AIChE 法 Oconnell關聯圖ET 全塔效率 塔頂、塔底平均溫 度下的相對揮發度 液體平均粘度， mNs/m2; 溫度以塔 頂、塔底平均溫度 計；組成以進料組 成計。Lu圖 1 精餾塔全塔效率關聯圖3.5 熱量衡算目的：確定再沸器的熱負荷和冷凝器的冷卻負荷。塔頂蒸汽帶出熱量Qv=VIv (I 焓，kJ/kg)塔底產品帶出熱量Qw=WIw 進料帶入熱量 QF=FIF 回流帶入熱量 QL=LIL 塔釜

6、加熱量 QB 設備熱損失 Qn0.1QB總熱量衡算 Qv+Qw+Qn=QL+QF+QB QB=1.1(Qv+Qw-QL-QF) 塔頂冷凝器帶走的熱量 QC塔頂產品帶走的熱量 QD = DID冷凝器熱量衡算 QV = QC+QD+QL塔頂冷凝器冷卻負荷 QC = QV-QD-QL若為恒摩爾流，塔頂全凝，泡點回流且熱損失很小，則可化簡計算： QB QC = Vrc式中rc 組成為 的混合液的平均氣化熱 rb 組成為 的混合液的平均氣化熱。 DxWxbrV4. 塔和塔板主要尺寸的設計4.1 塔和塔板設計的主要依據進行塔和塔板設計時，所依據的主要參數是：汽相 流量 VS ( m/s ), 密度 V (

7、 kg/m )液相 流量 LS ( m/s ), 密度 L ( kg/m )表面張力 （ mN/m ）注意：由于各塊塔板的組成和溫度不同，所以各塊塔板上的上述參數均不同，設計時應取平均值。具體方法如下：(1) 若V、L變化不大，可以精餾段或提餾段的平均值為代表進行設計.(2) 若V、L變化較大，應分段處理，各段分別取平均值進行設計。4.2塔板的設計參數 篩板塔設計必須確定的主要結構參數有（參閱 ）：（1）塔板直徑D；（2）板間距HT；（3）溢流堰的型式，長度 和高度 hw；（4）降液管型式、降液管底部與塔板間的距離ho；（5）液體進、出口安定區的寬度Ws、Ws ,邊緣 區寬度Wc；（6）篩孔直

8、徑do,孔間距t。 Wl圖 2圖 2 篩板的板面布置及主要尺寸4.3 篩孔塔板的設計程序 塔板設計的基本程序是：（1）選擇板間距和初步確定塔徑；（2）根據初選塔徑，對篩板進行具體結構的設計；（3）對所設計的塔板進行流體力學校核，如有必 要，需對某些結構參數加以調整。4.3.1板間距的選擇和塔徑的初步確定一、板間距的選擇HT的大小與液泛和霧沫夾帶有密切關系理論上，存在一個經濟上最佳的HT；實際上，HT的選擇常取決于制造和維修的方便，可參考下表選擇。 表 1 不同塔徑的板間距參考表塔徑D/mm80012001400240026006600板間距TH/mm300、350、400、450、500400

9、、450、500、550、600、650、700450、500、550、600、650、700、750、800二、塔徑計算HT選定之后，可根據夾帶液泛條件初步確定D。具體方法是：(1)計算液泛速度 式中 氣體負荷因子，m/s；可由 查取 液相表面張力，mN/m 氣、液相密度，kg / m 注意： 是以塔內氣體流通面積，即塔的橫截面積減去降液管面積（AT Af ）為依據計算的。fu5 . 02 . 02020VVLffCufu20fCLV、fu圖 3圖 3 篩板塔的泛點關聯圖 (2) 確定泛點百分率泛點百分率可取為0.8 0.85；對易起泡物系可取為0.75。泛點百分率確定后，便可計算出 。 f

10、nuu液泛氣速設計氣速泛點百分率nu( 3) 確定液流型式和液流型式可由 確定 的選取與液體流量L及系統發泡情況有關。單流型： = 0.6 0.8雙流型： = 0.5 0.7對易發泡的物質： 可取得高一些當液流型式和 確定后，降液管面積Af 和塔板總面積AT之比可由 求得。 DlW/DlW/DlW/DlW/DlW/DlW/表 2圖 4 表 2 選擇液流型式的參考表塔徑/m液體流量（m/h)U形流型單流型雙流型階梯流型1.07451.49702.01190 90 1603.011110110 200200 3004.011110110 230230 3505.011110110 250250 4

11、006.011110110 250250 450圖圖 4 弓型降液管的寬度與面積弓型降液管的寬度與面積(4) 計算塔徑塔內氣體流通面積且 已求出，所以AT可確定。 塔徑根據塔設備系列化規格，將D 圓整后作為初選塔徑。nsfTnuVAAATfAATAD44.3.2 塔板結構設計一、溢流堰的型式和高度的選擇（1）溢流堰一般為平頂的，當堰上液高how6mm時應采用齒形堰。（2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫層亦低，相際接觸表面小；hw太高，液層阻力大，板壓降高。 堰高hw可參考下表選定。 堰高hW/mm真空常壓加壓最小值102040最大值205080表 3 各種操作情況的堰高參考表二、降液管和受液盤的

12、結構和有關尺寸的選擇(1) 降液管分為圓形降液管和弓形降液管兩種，一般多采用弓形降液管。(2) 受液盤有平型和凹型兩種型式，對直徑大于800mm的塔板推薦使用凹形受液盤。(3) 為保證液封, ho應小于hw , 但不應小于20 25mm以免堵塞。三、安定區和邊緣區寬度的選擇Ws可取為50 100mmWs 一般等于WsWc與塔徑有關，一般可取25 50 mmWs、Ws、Wc取定以后，單流型塔板的有效傳質面積Aa可以確定。式中 分別為弓形降液管和受液盤的寬 度，m。可由圖 4查出。rxrxrxrxrxrxAa12221222sinsincsdsdWDrWWDxWWDx222,ddWW四、孔徑和開孔

13、率的選擇 (1) 孔徑do的選擇 do小，加工麻煩，易堵塞；但不易漏液，操作彈性大。 do大，加工容易，不易堵塞；但漏液點高，操作彈性小。 推薦取3 8mm (2) 的選擇 小，相際接觸表面小，且板壓降大。 大，干板壓降小且漏液點高，操作彈性下降。 一般情況下，可取孔間距 t = (2.55 ) do 開孔率開孔率 是孔徑與孔間距t的比值d0 /t決定的式中 Ao 篩孔總面積 Aa 有效面積222907.060sin21421tdtdAAooao4.3.3塔板的校核 一、板壓降的校核板壓降等于干板壓降與液層阻力之和，即(1) 干板壓降 ldfhhhsmAVuCughsLVd/,2100200孔

14、速式中求求取取孔孔流流系系數數，可可由由圖圖50C 圖 5 干板孔流系數圖中 塔板厚度，一般碳 鋼塔板取34mm;合 金鋼板取22.5 mm do 孔徑 降液區面積塔截面積開孔截面積(2) 液層阻力 式中堰上液高 owwlhhh3/2whlL31084.2owh2131/mkgsmEFa 為液層充氣系數，可由圖 7 求取 若算出的板壓降hf 超過允許值，可增大開孔率 或降低堰高hw使hf下降。圖 7 充氣系數和動能因子Fa間的關系 E為校正系數，也稱液流收縮系數，其值可由圖為校正系數，也稱液流收縮系數，其值可由圖 6 查出。查出。 圖3-6 液流收縮系數式中 以塔截面積與降液面積之差即 為基準

15、計算的氣體 速度，m/s。5 . 0VaauFaufTAA2二、液沫夾帶的校核為使篩板具有較高的板效率，應控制液沫夾帶量ev 0.1kg液體/kg干氣，可增大塔徑或板間距使ev下降。 VsLsVVLe1圖 8圖 8 液沫夾帶關聯圖三、溢流液泛條件的校核為避免發生溢流液泛，必須滿足式中相對泡沫密度 與物系的發泡性有關： 對一般物系， 可取為0.5；對不易發泡物系 可取為0.60.7; 對于容易發泡物系，可取為0.30.4。 wTdfdhHHH降液管內清液高度 其中hw已選定，hf , how前已算出，其余二項分別計算如下：(a) 液面落差 對篩板塔，液面落差通常可忽略不計。 (b) 降液管阻力

16、主要集中于降液管出口，可由下式計算 ffowwdhhhhH202020153. 021hlLhlLgChwswsffhfh四、液體在降液管內停留時間的校核 為避免嚴重的氣泡夾帶現象，通常規定液體在降液管的停留時間不小于35s,即 對易起泡物系，可取其中較高數值。53sdfLHA五、 漏液點的校核為使塔板具有足夠的操作彈性，通常要求設計孔速uo與漏液點孔速uow之比不小于1.52.0，即k稱為篩板的穩定系數 2.05 .1owouuk 漏液點的干板壓降hd 或漏液點孔速uow與板上當量清液高度hc有關，Davies和Gordon對hd和hc進行了關聯，結果如右圖所示。圖 9 篩板漏液點關聯圖 圖

17、中hc為漏液點當量清液高度，可由下式計算式中： 氣體的動能因子， 以面積（AT -2Af）計算的漏液點氣 速，m/s。利用上式和圖 9可以試差求出漏液點的干板壓降和相應的孔速 。若算出的k 值太小，可減少開孔率 和降低堰高hw。wswclLFhh23.1006.0725.00061.05 . 0VawuFFawuowu4.3.4負荷性能圖對一定物系和一定的塔結構，必相應有一個適宜的氣液流量范圍。該范圍即為塔板負荷性能圖所包圍的區域。 圖 10 篩板塔的負荷性能圖 V/(m/h)/(3hmL12345圖中線1為過量液沫夾帶線。其位置通常是以液沫夾帶量ev=0.1kg液體/kg干氣為依據確定的。圖

18、中線2為漏液線。其位置可根據漏液點氣速確定。圖中線3為溢流液泛線。該線可根據溢流液泛的產生條件確定。圖中線4為液量下限線。其位置可根據how=6mm確定。圖中線5為液量上限線。其位置可根據液體在降液管中停留時間不小于35s確定。負荷性能圖對于現有塔的操作、塔板的改造和設計有一定的指導意義。5.塔體總高及輔助裝置5.1塔體總高度塔總高度（不包括裙座）由下式決定H = HD+(N2S)HT+SHT+HF+HB 式中H 塔高（不包括裙座），m 塔頂空間，m HT 塔板間距，m 開有人孔的塔板間距，m 進料段高度，m 塔底空間，m N 實際塔板數 人孔數目（不包括塔頂空間和塔底空間 的人孔） HDHT

19、HFHBS塔頂空間的作用是供安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，減少塔頂出口氣體中液體夾帶。一般HD取1.01.5m。 HT應大于或等于600mm。 一般HF要比HT大，有時要大一倍，以保證防沖設施的安裝。 塔底空間具有中間貯槽的作用，釜液在此應有1015分鐘的儲量。 對于易結垢、結焦的物料每隔46塊板開一個人孔；對于較清潔的物料，可每隔810板開一個人孔。人孔直徑一般450550mm。5.25.2接管尺寸接管尺寸5.2.1塔頂蒸汽管式中 Vs 汽相流量，m/s; 蒸汽速度，m/s。常壓操作取12 20m/s。 VspuVd4pdVu5.2.2回流管dR 式中 Lh 回流液量，kg/h; L 液相密度，kg/m; 液相在回流管內速度，m/s。 重力回流取0.20.5m/s; 強制回 流取1.52.