板式精馏塔的结构设计Word格式.docx
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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
33.1
3
F1Q-4B
24.6
F1Z-4B
32.6
5
F1Q-3A
24.7
11.5
15.5
6
F1Z-3A
32.8
7
F1Q-3B
24.3
8
F1Z-3B
32.4
9
F1Q-3C
24.8
10
F1Z-3C
33
11
F1Q-3D
25
12
F1Z-3D
33.2
13
F1Q-2C
10.5
14.5
14
F1Z-2C
32.7
15
F1Q-2D
16
F1Z-2D
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
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)
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
45以下
1200
9以下
9~70
1400
70以下
1500
10以下
11~80
2000
11以下
11~110
110~160
2400
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;
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;
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)
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)
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
(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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