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板式塔设计
一、精馏塔设计基本要求
1.生产能力大：单位时间、单位塔截面的处理量大；
2.分离效率高：对于板式塔是指每层塔板的分离程度大；对于填料塔是指单位高度填料层所达到的分离程度大；也就是说，达到规定分离要求的塔高可以降低；
3.操作弹性大：即最大气速负荷与最小气速负荷之比大，表明气速负荷波动较大时也能维持正常操作；
4.流体阻力小：即气体通过每层塔板或单位高度填料层的压降小；
5.塔的结构简单，造价低廉，安装容易，维修方便，运转可靠。
二、板式塔设计
1.板式塔结构
板式塔为逐级接触式的气液传质设备。主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、受液盘、降液管等部件组成。
正常操作时，液体靠重力的作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压力差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。
2.塔板的类型及性能评价
溢流式塔板，气液两相呈错流方式接触，塔板效率高，且具有较大的操作弹性，使用广泛；溢流式塔板主要分为筛孔塔板、泡罩塔板、浮阀塔板、喷射塔板等；
穿流式塔板，气液两相呈逆流方式接触，塔板的板面利用率高，生产能力大，结构简单，但它的效率较低，操作弹性小，工业应用较少。

 3.板式塔设计基本步骤
（1）根据生产任务和分离要求，进行工艺计算，确定塔径、塔高等工艺尺寸；
（2）进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置等；
（3）进行流体力学验算；
（4）绘制塔板的负荷性能图；
（5）根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调整，重复上述设计过程，直至满意。 
4.精馏塔工艺计算
（1）全塔物料衡算
总物料衡算：F=D+W
易挥发组分物料衡算：FXF=DXD+WXW
（2）回流比的确定
回流比减小，所需的理论塔板数增加；当回流比减到使操作线与平衡线相交时，所需的理论塔板数为无穷多，相应回流比即为最小回流比，用Rmin表示。 最佳回流比的确定依据是设备费用和操作费用之和最小；一般根据经验，取R=（1.1～2）Rmin 。
（3）理论板数的确定
根据全塔的物料衡算数据以及选取的R值，结合进料热状态，确定精馏段操作线方程及提馏段操作线方程，在物系y-x图中画出y=f(x)，对角线，精馏段及提馏段操作线方程，利用图解法，求出所需理论板数。 

（4）塔有效高度的确定 
在一定的生产任务下，板间距较大，可使塔的气速增加，塔径减小，但塔高要增加；板间距较小，气速降低，塔径变大，塔高降低；

（5）塔径的确定
D    ----塔径，m
VS   ----塔内上升蒸汽的体积流量，m3/s
u    ----空塔气速，m/s
空塔气速的上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏液决定，适宜的空塔气速介于两者之间。设计时，一般依据产生严重雾沫夹带时的气速来确定，该气速称为极限空塔气速，以umax表示。


ρL ----液相密度，Kg/m3
ρv ----气相密度，Kg/m3
umax ----极限空塔气速，m/s
C   ----负荷因子，m/s，由史密斯关联图确定
得到极限空塔气速后，考虑到降液管要占去部分塔截面积，因此实际的操作空塔气速应乘上安全系数。根据设计经验，空塔气速为：u=(0.6-0.8)umax
对于易起泡物系，安全系数应取较小值；对于不易起泡物系，安全系数可以取较大值。
注：由于精馏塔的精馏段和提馏段的气液负荷及物性是不相同的，因此在设计时是应分别计算塔径，若两者相差不大，选较大值为塔径；若相差较大，应采用变径塔。
5.塔板的结构设计
塔板的结构设计包括塔板溢流形式的确定，板上清液高度，堰长，堰高的初估与计算，降液管的选型及参数计算，塔板布置和筛孔布置等。
（1）降液管的布置与溢流方式
降液管是塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管有圆形和弓形之分。圆形降液管一般只用于小直径塔，对于直径较大的塔，常用弓形降液管。
常用的降液管布置方式有U型流，单溢流，双溢流，阶梯式双溢流等。
U型流也称回转流，此种溢流方式液体流径长，可以提高板效率，其板面利用率也高，但它的液面落差大，只适用于小塔及液体流量小的场合。
单溢流又称直径流。此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。
双溢流又称半径流。此种溢流方式的优点是液体流动的路程短，可降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔中。
阶梯式双溢流可在不缩短流径的情况下减小液面落差。这种塔板结构最为复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。
液体在塔板上流径越长，气液接触时间越长，有利于提高传质效率；但液面落差也随之加大，造成气体分布不均，导致漏液现象，使塔板效率下降。因此，选择何种降液装置要根据液体流量、塔径大小等综合考虑。
（2）溢流堰的设计计算
溢流堰是维持板上有一定高度的液层并使液体在板上均匀流动的装置。溢流堰的设计包括溢流堰型式的确定、堰长、堰高的计算。
溢流堰形状有平直堰、齿形堰、弧形堰等几种型式。
堰长lw一般根据经验确定。对常用的弓形降液管
单溢流   lw = （0.6-0.8）D
双溢流   lw = （0.5-0.6）D
堰高hw需根据工艺条件与操作要求确定。设计时，一般保持塔板上的清液层高度在50-100mm。板上清液层高度为堰高和堰上液层高度之和。即hL=hw+how
堰上液层高度太小，会造成液体在堰上分布不均，影响传质效果，设计时应使堰上液层高度大于6mm，若小于此值须采用齿形堰；
堰上液层高度太大，会增大塔板压降及雾沫夹带量，一般设计时，堰上液层高度不宜超过60-70mm，超过此值应改用双溢流型式。
对于平直堰，堰上液层高度how可用弗兰西斯公式计算： 

Lh ----塔内液体流量，m3/h
E ----液流收缩系数，可由液流收缩系数计算图查出
堰高hw一般0.03-0.05m，减压塔应适当降低hw值。
（3）弓形降液管设计计算
弓形降液管的设计参数有降液管的宽度Wd及截面积Af。可根据堰长与塔径之比确定。
液体在降液管内应有足够的停留时间，使液体中夹带的气泡得以分离。由实践可知，液体在降液管内的停留时间不应小于3-5s，对于高压下操作的塔及易起泡物系，停留时间应更长一些。


（4）降液管底隙高度

底隙高度ho是指降液管底边与塔板间的距离。确定原则是：保证液体夹带的悬浮固体在通过底隙时不致沉降下来堵塞通道；同时又要有良好的液封，防止气体通过降液管造成短路。

降液管底隙高度应低于溢流堰高hw至少6mm，才能保证降液管底端有良好的液封。

在设计中，对直径较小的塔，ho=25-30mm；对直径较大的塔，ho≥40mm。

（5）受液盘

塔板上接受上一层流下的液体的部位称为受液盘，受液盘有两种形式：平受液盘和凹形受液盘，设置进口堰既占用板面，又易使沉淀物淤积此处造成阻塞；凹形受液盘不须设置进口堰，既可在低液量时形成良好的液封，且有改变液体流向的缓冲作用，并便于液体从侧线的抽出。对于直径大于600mm以上的塔，多采用凹形受液盘，深度一般在50mm以上，有侧线采出时宜取深些。凹形受液盘不适用于易聚合及有悬浮固体的情况，因易造成死角而堵塞。

6.塔板布置
塔板有整块式与分块式两种。直径≤800mm的塔适宜采用整块式，直径≥1200mm的塔适宜采用分块式，对于介于二者之间的，由制造和安装情况确定。
塔板板面根据所起作用不同可分为鼓泡区、溢流区、安定区和无效区。

7.筛孔的计算及其排列
（1）筛孔直径是影响气相分散和气液接触的重要工艺尺寸。工艺筛板的筛孔直径为3-8mm，一般使用4-5mm。
（2）孔中心距是指相邻两筛孔中心的距离，一般为2.5-5倍筛孔直径；孔中心距过小会使气流相互干扰，过大则鼓泡不均匀。设计推荐值为3-4倍筛孔直径。
（3）筛孔排列与筛孔数
设计时，筛孔按正三角形排列，筛孔数按下式确定：
（4）开孔率
8.筛板的流体力学验算
塔板流体力学验算的目的在于检验初步设计的塔板能否在较高的效率下正常操作，验算中若发现有不合适的地方，应对有关工艺尺寸进行调整，直到符合要求为止。
流体力学验算内容有：塔板压力降、液泛、雾沫夹带、漏液、液相负荷上限及下限、液面落差等。
（1）塔板压降
塔板压降由三部分组成，即气体克服干板阻力所产生的压力降、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面张力所产生的压力降。
习惯上，常把上述压力降以塔内液体的液柱高度来表示。
干板压降
干板压降与筛孔直径do、筛板厚度δ、开孔率φ以及气体通过筛孔的Re有关。设计时用以下经验公式估算干板压降：
式中 uo为气体通过筛孔的速度，m/s；
        Co为流量系数，其值可由右图查出；
气体通过充气液层的压降
气体通过充气液层的压降与板上清液层的高度hL及气泡的状况等许多因素有关，设计中常采用下式估算
式中   β为充气系数，为反映板上液层充气程度的因素，通常可取β=0.5-0.6
液体表面张力所产生的压降
气体克服液体表面张力所产生的压降可按下式估算：

式中 σL为液体的表面张力，N/m
注：液体表面张力所产生的压降很小，可忽略不计。
（2）液面落差
筛板上没有突起的气液接触元件，液体流动阻力小，故液面落差小，通常可忽略不计。只有当液体流量很大及液体流程很长时，才需要考虑液面落差的影响。
（3）液泛
液泛分为降液管液泛和雾沫夹带液泛两种情况。在筛板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行验算。为使液体能由上层塔板稳定的流入下层塔板，降液管内须维持一定的液层高度Hd。降液管内液层高度用来克服相邻两层塔板间的压降、板上清液层阻力和液体流过降液管的阻力。

式中 hp为塔板压降；
         hL为板上液层高度；
         hd为液体流过降液管的压降；
hd主要由降液管底隙处的局部阻力造成，可按以下经验公式估算：
塔板上不设置进口堰：

塔板上设置进口堰：

计算出降液管中的清液层高度Hd，而降液管中液体和泡沫的实际高度大于此值。为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不能超过上层塔板的出口堰，即

式中 φ 为安全系数，对于易发泡物系， φ=0.3-0.5；对于不易发泡物系， φ=0.6-0.7。
（4）漏液
当气体通过筛孔的流速较小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，便会发生漏液现象。根据经验，当相对漏液量小于10%时对塔板效率影响不大，相对漏液量为10%时的气速称为漏液点气速，用uo,min，表示它是塔板气速操作的下限。根据实验观察，筛板塔相对漏液量为10%的动能因子为8-10。
利用动能因子计算漏液点气速，方法简单，有足够的准确性。
气体通过筛孔的实际速度uo与漏液点气速uo,min之比，称为稳定系数，即

式中 K为稳定系数，K值的适宜范围为1.5—2。
（5）雾沫夹带
雾沫夹带造成液相在塔板间的返混，为保证塔效率的基本稳定，通常将雾沫夹带量限制在一定范围内，设计中规定雾沫夹带量ev＜0.1Kg液体/Kg气体。
计算雾沫夹带量有不同的方法，设计中常采用亨特关联图。 


式中 hf为塔板上鼓泡层高度，m；根据设计经验，一般取hf=2.5hL。
（6）性能负荷图
根据流体力学验算结果，绘制出塔性能负荷图。
1—漏液线
2—雾沫夹带线
3—液相负荷下限线
4—液相负荷上限线
5—液泛线