板式精馏塔的结构设计.docx
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板式精馏塔的结构设计
板式精馏塔的结构设计
精馏过程是借助于塔设备来实现气液相间的质量传递的。
精馏操作既可采用板式塔，，也可采用填料塔。
填料塔的设计已经在第三章中作了详细介绍，本章只介绍板式塔的设计。
塔设备除了应满足特定的化工工艺条件（如温度、压力及耐腐蚀等）外，为了适应工业生产的需要还应达到下列要求：
①生产能力大，即单位塔截面积的处理量大；
②操作稳定，弹性大，即气液负荷有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并能保持长期连续运转；
③分离效率高，即气液有充分的接触面积和接触时间，达到规定分离要求的塔高要低；
④流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，以达到节能和降低操作费用的目的；
⑤结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。
实际上，任何塔设备要满足上述所有要求是困难的，因此，只能从生产需要及经济合理的要求出发，抓住主要矛盾进行设计。
1.5.1塔板的布置及主要参数
在板式塔中，塔内装有一定数量的塔板，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔板上的液层，使两相密切接触，进行传质。
两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。
塔板是气液接触的元件，也是气液分离的场所。
塔板上通常划分为鼓泡区，溢流区，安定区和边缘区等4个区域，如图1-3所示。
1.5.2常用板式塔类型及结构
板式塔种类多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为筛板塔、舌形塔、穿流多孔塔板、浮动喷射塔等多种。
随着石油、化学工业的迅速发展，又开发使用了一些新型塔板，如斜孔塔板、S型板、导向筛板、网孔筛板、大孔筛板、浮阀-筛板复合塔板、旋流塔板、旋叶塔板、角钢塔板等。
目前精馏过程常用的板式塔为浮阀塔、筛板塔和泡罩塔，前两者使用尤为广泛，因此，本节只讨论浮阀塔和筛板塔的设计。
1.5.2.1筛板塔的特性
筛板塔是最早使用的板式塔之一，它的主要优点有：
①结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60%左右，为浮阀塔的80%左右；
②在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%～40%；
③塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；
④气体压力降较小，每板压力降比泡罩塔约低30%左右。
筛板塔的缺点是：
①小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；
②操作弹性较小（约2～3）。
1.5.2.2浮阀塔的特性
浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，目前已成为国内应用最广泛的塔型。
大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数多达数百块。
其主要优点为：
①在相同的条件下，生产能力与筛板塔接近；
②塔板效率比泡罩塔高15%左右；
③操作弹性大，一般为5～9；
④气体压力降小，在常压塔中每块板的压力降一般为400～666Pa；
⑤液面落差小；
⑥不易积垢堵塞，操作周期长；
⑦结构比较简单，安装容易，制造费用仅为泡罩塔的60%～80%（但为筛板塔的120%～130%）。
浮阀的形式有多种，国内最常用的是F1型浮阀，已确定为部颁标准（JB1118-68）其结构如图1-4所示，图中符号代表的尺寸见表1-1。
表1-1F1型浮阀基本参数
序号
型式代号
阀片厚度δ/mm/mm
阀重/g
适用于塔板厚度S/mm
H/mm
L/mm
1
F1Q-4A
1.5
24.9
4
12.5
16.5
2
F1Z-4A
2
33.1
3
F1Q-4B
1.5
24.6
4
F1Z-4B
2
32.6
5
F1Q-3A
1.5
24.7
3
11.5
15.5
6
F1Z-3A
2
32.8
7
F1Q-3B
1.5
24.3
8
F1Z-3B
2
32.4
9
F1Q-3C
1.5
24.8
10
F1Z-3C
2
33
11
F1Q-3D
1.5
25
12
F1Z-3D
2
33.2
13
F1Q-2C
1.5
24.6
2
10.5
14.5
14
F1Z-2C
2
32.7
15
F1Q-2D
1.5
24.7
16
F1Z-2D
2
32.9
F1型浮阀分轻阀（代表符号Q）和重阀（代表符号Z）两种。
一般重阀应用较多，轻阀泄漏量较大，只有在要求塔板压降小的时候（如减压蒸馏）才采用
虽然浮阀塔具有很多优点，但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、塔板效率、压力降等方面不及筛板塔。
1.5.2.3整块式和分块式塔板
从装配特点来分，塔板有整块式和分块式两种。
当塔径小于900mm时采用整块式塔板；当塔径大于800mm时，由于人能在塔内进行装拆，可采用分块式塔板；塔径为800~900mm时，可根据制造和安装的具体情况任意选用上述两种结构。
⑴整块式塔板
整块式塔板分为定距管式和重叠式两类。
定距管式塔板结构如图1-5所示，一个塔节中安装若干塔板，用拉杆和定距管将塔板紧固在塔节内的支座上。
定距管起着支承塔板和保持塔板间距的作用。
塔板与塔壁间的缝隙，以软填料密封后，用压块及压圈压紧。
塔节的长度取决于塔径和板间距。
当塔径为300~500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度以800~1000mm为宜；塔径为500~800mm时，人勉强可以进入塔内安装，塔节不宜超过2000~2500mm；塔径大于800mm时，由于受拉杆长度的限制，为避免发生安装困难，塔节长度不宜超过2500~3000mm。
重叠式塔板是在每一塔节下面焊一组支乘，底层塔板安置在支承上，然后依次装入上一层塔板，板间距由焊在塔板下的支柱保证，并用调节螺丝调节水平。
塔板与塔壁间隙的密封形式与定距管式塔板相同。
整块式塔板的结构有两种，一种是角焊结构，一种是翻边结构。
角焊结构如图1-6中的（a）、（b）所示，此结构是将塔板圈角焊在塔板上。
这种结构的塔板制造方便，但要采取措施，以减少因焊接变形而引起的不平。
翻边结构如图1-6中的（c）、（d）所示，此结构是塔板圈直接由塔板翻边而成，当直边较短或制造条件许可时，可整体冲压[图1-6（c）]；否则可另作一个塔板圈与塔板对接[图1-6（d）]。
塔板圈的高度一般可取70mm，但不得低于溢流堰的高度。
塔板圈外缘与塔体内壁的间隙一般为10~12mm。
填料支承圈用φ8~10mm的圆钢弯成，其焊接位置随填料圈数而定，一般为30~40mm。
⑵分块式塔板
在直径较大的板式塔中，为了便于安装和检修，可将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔板支承件上。
分块式塔板的塔身为焊制整体圆筒，不分塔节。
在分块式塔板中，根据塔径的不同，又有单流塔板和双流塔板之分，本章主要介绍单流塔板。
图1-7为单流分块式塔板装置图。
为了便于了解塔板结构，在主视图上，上层画有塔板，下层未画塔板，只画出塔板固定件。
俯视图上作了局部拆卸剖视，把后右四分之一的塔板拆掉了，以便显露出塔板下面的塔板固定件。
塔板分成数块，靠近塔壁的两块是弓形板，其余是矩形板。
塔板块数的划分与塔径大小有关，一般按表1-2选取。
不论塔板分为多少块，为了在塔内进行清洗和检修时便于人能进入各层塔板，应在塔板接近中央处设置一块通道板。
表1-2塔板块数的划分
塔径/mm
800~1200
1400~1600
1800~2000
2200~2400
塔板块数
3
4
6
6
塔板安放在焊接的塔壁上的支承圈上。
支承圈大多用扁钢煨制或将钢板切成圆弧焊成，有时也可用角钢煨制而成。
塔板与支承圈的连接一般用卡子，卡子由上下卡（包括卡板和螺栓）、椭圆垫片及螺母等零件组成，其典型结构如图1-8所示，这种结构都是上可拆的。
上述塔板连接的紧固构件加工量大，装拆麻烦，且螺栓需用耐腐蚀材料。
而楔形紧固件的结构简单，装拆方便，不用特殊材料，故成本低。
其结构如图1-9所示，图中龙门板不用焊接的结构，有时也可将龙门板直接焊接在塔板上。
分块式塔板间的连接，根据人孔位置及检修的要求，分为上可拆连接和上下均可拆连接两种。
常用的紧固件是螺栓和椭圆垫板。
上下均可拆连接结构如图1-10所示，从上或下松开螺母并将椭圆垫板转到虚线位置后，塔板就可自由取开。
上可拆连接结构如图1-11所示。
1.5.3塔板结构参数的确定
1.5.3.1板间距
塔板间距不仅影响塔高，而且影响塔的生产能力、操作弹性和板效率。
板间距取大些，能允许较大的空塔气速，对一定的生产任务，塔径可小些，但塔高要增加；反之，塔径大些，塔高则可小些。
气液负荷和塔径一定，增加板间距可减少雾沫夹带并提高操作弹性，但塔高的增加，会增加金属消耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而增加全塔的造价。
板间距与塔径之间的关系，应通过流体力学验算，权衡经济效益，反复调整，作出最佳选择。
表1-3所列的推荐值供初选板间距时参考。
表1-3板间距与塔径的关系
塔径D/mm
300~500
500~800
800~1600
1600~2400
板间距HT/mm
200~300
250~350
300~450
350~600
在决定板间距时，还应考虑安装、检修的需要。
在塔体开人孔处，必须保证有足够的工作空间，该处的板间距不能小于600mm。
1.5.3.2塔径
塔径的计算方法有两类：
一类是根据适宜的空塔气速，求出塔径；另一类是先确定适宜的孔速，定出每块塔板上所需孔数，进行孔的排列后得到塔径。
现仅介绍前一类方法。
后一类方法可参考文献。
依据流量公式可计算塔径，即：
（1-19）
式中：
D—塔径，m；
V—气相流量，m3/s；
u—适宜空塔气速，m/s。
计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速。
一般适宜的空塔气速为最大允许气速的0.6~0.8倍，即：
u=（0.6~0.8）umax （1-20）
（1-21）
式中：
umax—最大允许气速，m/s；
C—负荷系数，m/s；
ρV、ρL—气、液相密度，kg/m3。
影响负荷系数值的因素较多，也很复杂，对于筛板塔和浮阀塔可用图1-12来确定。
图1-12是按液体表面张力σ=20mN/m的物系绘制的，若所处理物系的表面张力为其它值，则需按式（1-22）校正查出的负荷系数，即：
（1-22）
式中C20──由图1-12查出的物系表面张力为20mN／m的负荷系数，m／s；
──操作物系的液体表面张力，mN／m；
C──操作物系的负荷系数，m／s。
为了便于在计算机上进行运算，图1-12可用下述回归式表示
（1-23）
式中H──板间无液空间，H＝HT－hL，m；
HT──板间距，m；
hL──清液层的高度，m；
LV──参数，
；
V──气相流量，m3/s；
L──液相流量，m3/s；
──气、液相密度，kg/m3。
应当指出，如此算出的塔径只是初估值，除需根据塔径标准予以圆整外，还要根据流体力学原则进行核算。
为简便起见，可先验算雾沫夹带量ev，有必要时在此先对塔径进行调整。
当液量较大时，宜先用式（1-24）检查液体在降液管中的停留时间τ，如不符合要求且难以加大板间距HT时，也可在此先作塔径的调整。
当精馏塔的精馏段和提馏段上升气量差别较大时，两段的塔径应分别计算。
精馏段按塔顶第一块板上的物料的有关物理参数计算，提馏段按塔釜中物料的有关物理参数计算。
1.5.3.3板上流体流程
有降液管的板式塔，降液管的布置，规定了板上液体的流动途径。
一般有如图1-13所示几种液流形式。
①单流型。
是最简单和最常用的，但当塔径和流量过大时，易造成气液分布不均匀，影响效率。
②折流型（U形）。
只在小塔和气液比很小时才采用。
③双流型。
当塔的直径较大，或液相的负荷较大时，易采用双流型。
④其他流型。
当塔径及液量均特别大，双流型也不适合，可以采用四流型或阶梯流型。
初选塔板液流型时，根据塔径和液相负荷的大小，参考表1-4预选塔板流动形式。
表1-4板上液流形式与液流负荷的关系
塔径／mm
液体流量／（m3/h）
Ｕ形流型
单流型
双流型
阶梯流型
600
5以下
5～25
900
7以下
7～50
1000
7以下
45以下
1200
9以下
9～70
1400
9以下
70以下
1500
10以下
11～80
2000
11以下
11～110
110～160
2400
11～110
110～180
3000
110以下
110～200
200～300
1.5.3.4溢流装置
塔板上溢流装置包括降液管、溢流堰和受液盘等部件。
⑴降液管
降液管是塔板间液体流动的通道，也是溢流液中夹带的气体得以分离的场所。
从形状上来看，降液管可分为弓形降液管和圆形降液管。
弓形降液管，堰与壁之间的全部截面区域均作为降液空间，适用于直径较大的塔中，塔板面积利用率最高，但塔径小时制作焊接不便。
圆形降液管对于小塔制作较易，但降液管流通截面较小，没有足够空间分离溢流中的气泡，气相夹带严重，不适用于流量大及易起泡的物料。
降液管的设计，一般应遵守下列原则。
①降液管中的液体线速度，宜小于0.1m/s；
②降液管的容积与液相流量之比，有时亦称为液体在降液管中的停留时间，一般应大于5s，个别情况下，可小至3s，停留时间计算式为
（1-24）
式中τ──停留时间，s；
Af──降液管截面积，m2；
HT──板间距，m；
L──液相流量，m3/s。
停留时间是板式塔设计中的重要指标之一，停留时间太短，容易造成板间的液体夹带，气相返混，降低效率，还增加淹塔的机会。
③降液管底部与下一块塔板间的间隙hO应尽可能比外堰高hw小6mm以上，液相通过此间隙时的流速一般不大于降液管内的线速度，如果必须超出时，最大间隙流速亦应小于0.4m/s。
此外，h0一般不宜小于25mm，以避免锈屑和其它杂质堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。
⑵溢流堰
①外堰外堰又成为出口堰，其作用是维持板上有一定液层，并使液流均匀。
除个别情况（如塔径很小的塔）外，均应设置溢流堰。
对单流型塔板，一般堰长lw与塔径D的比lw/D为0.6～0.8；对于双流型，lw/D为0.5～0.7。
根据经验，对于筛板塔和浮阀塔，最大的堰上液流量不宜超过100～130m3/h，也可按此原则确定堰长。
外堰的高度与塔板形式和板上的液层高度有关。
对于筛板和浮阀塔板，外堰高hw可按下列要求来确定。
Ⅰ一般应使塔板上的清液层高度hL＝50～100mm，而清液层高度hL为外堰高hw与堰上液流高度how之和，因此有
50－how≤hw≤100－how（1-25）
式中how──堰上液流高度，mm；
hw──外堰高，mm。
Ⅱ对于真空度较高的操作，或对于要求压力降很小的情况，可将清液层高度hL降至25mm以下，此时外堰高hw可降至6～15mm。
Ⅲ当液量很大时，只要堰上液流高度how大于能起液封作用的液层高度，甚至可以不设堰板。
堰板上缘各点的水平偏差一般不宜超过3mm。
当液量过小时，可采用齿形堰。
图1-15 凹型受液盘
1—塔壁；2—降液板；3—塔盘板；
4—受液盘；5—筋板
②受液盘及内堰受液盘有平形（如图1-14所示）和凹形（如图1-15所示）两种形式。
平行受液盘根据降液管底部的结构和有无入口堰又有不同形式，如图1-14（a）直形降液管，图1-14（b）和图1-14（c）为降液管的底部为收缩形，而1-14（b）无入口堰，图1-14（c）则有入口堰。
对于容易聚合的液体或含固体悬浮物的液体，为了避免形成死角，宜采用平形受液盘。
对于φ800以上的大塔，一般常采用凹形受液盘。
这种受液盘有如下的优点：
①便于液体的侧线抽出；②在液相流量较低时仍可形成良好的液封；③对改变液体流向具有缓冲作用。
凹形受液盘的深度一般在50mm以上，但不能超过板间距的1/3。
若采用平形受液盘，为了使降液管中流出的液体能在板上均匀分布，并减少入口处液体的水平冲击，以及保证降液管的液封，可设置内堰（又称入口堰）。
内堰的高度h’w可按下述原则考虑：
①当hw＞h0时，h’w＝6～8mm，必要时可取h’w＝h0。
②个别情况下，如果hw＜h0，应使h’w＞h0，以保证液封作用。
③应使h1≥h0，以保证液流畅通。
1.5.3.5安定去与边缘区的安排
⑴安定区
在塔板上的鼓泡区（其面积以Ap表示）与堰之间，需有一个不开孔区，称为安定区。
其作用是避免大量的含泡沫液相进入降液管，一般情况下，安定区可取为：
外堰前的安定区：
Ws＝70～100mm。
内堰后的安定区：
W’s＝50～100mm。
在小塔中的安定区根据情况可适当缩小。
⑵边缘区
板面靠近塔壁部分，需留出一圈边缘区Wc供支持塔板的边梁使用。
对于塔径在2.5m以下的塔，Wc可取为50mm；塔径大于2.5m的塔，Wc取为60mm或更大些。
为了防止液体经无效区流过而产生“短路”现象，可在边缘区设置挡板。
1.5.3.6筛板塔筛孔直径及排列
⑴筛孔孔径
工业塔中筛板常用的孔径d0为3～8mm，推荐孔径为4～5mm。
过小的孔径只在特殊要求时才使用。
采用小孔径时，应注意小孔径容易堵塞，或由于加工误差而影响开孔率，或有时宜形成过甚的泡沫等问题。
近十年来有逐渐采用大孔径（d0为10～25mm）的筛板的趋势，因为大孔径塔板加工简单，不易堵塞，只要设计合理，同样可以得到满意的塔板效率。
但一般来说，大孔径塔板操作弹性会小一些。
⑵筛孔排列
筛孔一般按三角形排列，孔中心距t一般为（2.5～5）d0。
实际设计时，t/d0应尽可能在3～4的范围内，t/d0过小，易使气流互相干扰，过大则鼓泡不匀，都会影响传质的效率。
开孔面积A0与鼓泡区面积Ap的比为开孔率。
筛孔按正三角形排列时，开孔率与t/d0有如下的关系
（1-26）
式中A0──开孔面积，m2；
Ap──鼓泡区面积，m2；
t──孔中心距，m；
d0──筛孔直径，m。
对于单流型塔板，鼓泡区面积Ap用下式计算
（1-27）
， m；
， m；
式中 Ap──鼓泡区面积；m2；
Wd──弓形宽度，m；
WS──安定区；m；
WC──边缘区，m。
是以弧度表示的反三角函数。
⑶筛孔数的计算
（1-28）
式中 n──筛孔数；
──每平方米鼓泡区的筛孔数；
Ap──鼓泡区面积，m2；
t──孔中心距，mm。
1.5.3.7浮阀塔的阀孔数及排列
⑴阀孔直径
阀孔直径由所选浮阀的型号决定，如常用的F1型浮阀的阀孔直径为39mm。
⑵阀孔数
阀孔数n取决于操作时的阀孔气速u0，而u0由阀孔动能因子F0决定
（1-29）
式中u0──孔速，m/s；
──气相密度，kg/m3；
F0──阀孔的动能因子，一般取F0＝8～11，对于不同的工艺条件，也可适当调整。
阀孔数n由下式算出
（1-30）
式中 n──阀孔数；
V──气相流量，m3/s；
d0──阀孔孔径，m；
u0──阀孔气速，m/s。
应注意的是，当塔中各板或各段气相流量不同时，设计时往往改变各板或各段的阀数。
⑶阀孔的排列
阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。
正三角形排列又有顺排和叉排两种方式（见图1-16）。
采用叉排时，相邻两阀吹出的气流搅动液层的作用比顺排明显，而且相邻两阀容易被吹开，液面梯度较小，鼓泡均匀，所以采用叉排更好。
在整块式塔板中，阀孔一般按正三角形排列，其孔心距t有75mm，100mm，125mm，150mm等几种。
在分块式塔板中，阀孔也可按等腰三角形排列（见图1-17），三角形的底边t’固定为75mm，三角形的高h有65mm，70mm，80mm，90mm，100mm，110mm几种，必要时还可以调整。
塔板上阀孔的开孔率一般为4%～15%，最好为6%～9%。
按等腰三角形排列时
（1-31）
按正三角形排列时
（1-32）
式中h──等腰三角形的高，m；
Ap──开孔鼓泡区面积，m2；
t’──等腰三角形的底边长，m，一般取为0.075m；
A0──阀孔总面积，
，m2；
t──正三角形的孔心距，m。
1.5.4塔板的流体力学计算
塔板的流体力学计算，目的在于验算预选的塔板参数是否能维持塔的正常操作，以便决定对有关塔板参数进行必要的调整，最后还要作出塔板负荷性能图。
1.5.4.1堰上的液流高度how
⑴平堰
平堰上的液流高度可用下式计算
（1-33）
式中how──堰上液流高度，m；
L──液流量，m3/h；
lw──堰长，m；
E──液流收缩系数，由图1-18求得。
一般情况下可取E=1，对计算结果影响不大。
设计时how不宜超过60mm，过大时应该用双流塔板。
流量小时，how应不小于6mm，以免造成板上液相分布不均匀。
若how小于6mm，可采用齿形堰。
若原来堰长较大，也可以通过减少堰长来调整。
⑵齿形堰
齿形堰的齿深hn一般宜在15mm以下。
液流高度（由齿底算起）计算方法如下。
如图1-19（a）所示，当溢流层不超过齿顶时
（1-34）
如图1-19（b）所示，当溢流层超过齿顶时
（1-35）
式中how──堰上液流高度，m；
L──液流量，m3/h；
hn──齿深，m；
lw ──堰长，m。
由式（1-35）求how时，需用试差法。
⑶圆形溢流管
对于没有设溢流堰的圆形溢流管，当how＜0.2d时，how可按下式计算
（1-36）
当0.2d＜how＜1.5d时（此条件下易液泛，应尽量避免采用），how可按下式计算
（1-37）
式中how──堰上液流高度，m；
L──液流量，m3/h；
d──溢流管的直径，mm。
考虑到液封的要求，按式（1-36）和式（1-37）算得的how还应满足d≥6how。
1.5.4.2气相通过塔板的压降ht
气相通过一块塔板的压降ht包括干板压降hd、板上液层的有效阻力hl和鼓泡时克服液体表面张力的阻力hσ，由于hσ一般很小，可以忽略，故
（1-38）
⑴干板压降hd
对于筛板
（1-39）
式中hd——干板压降，m液柱；
u0——筛孔气速，m/s；
C0——流量系数，其求取的方法很多，这里推荐用1-20来求取。
对于F1型重阀的浮阀塔板：
阀全开前
（1-40）
阀全开后
（1-41）
⑵ 板上液层的有效阻力h1
对于筛板
（1-42）
式中h1——板上液层的有效阻力，m液柱；
hw——外堰高，m；
how——堰上液流高度，m；
β——充气系数，由图1-21查取，对于浮阀塔板；取β=0.5。
图中横坐标F0为气相动能因子：
（1-43）
式中F0——气相动能因子，kg1/2/（m·s）
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